10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法及系统

摘要

本发明公开一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法及系统，包括以下步骤：测量对所评估10kV XLPE电力电缆施加极化电压极化过程以及短路接地去极化过程的极化‑去极化电流；基于测量所得的极化‑去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态的特征量；基于所述特征量及评估标准，评估所述10kV XLPE电力电缆绝缘老化程度。它不会对电缆绝缘造成破坏，并且对于电缆整体老化以及较为严重的局部缺陷都具有较高的灵敏性，所以在实际应用中具有广泛的应用前景。

权利要求

1.一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法，其特征在于，包括以下步骤：测量对所评估10kV XLPE电力电缆施加极化电压极化过程以及短路接地去极化过程的极化-去极化电流；

基于测量所得的极化-去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态的特征量；

基于所述特征量及评估标准，评估所述10kV XLPE电力电缆绝缘老化程度；

所述特征量包括直流电导率σO、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ、非线性系数DONL，其中，直流电导率σO的单位为S/m，0.1Hz低频介质损耗因数tanδ的单位为％；

所述评估标准为：当σ0≤1×10-14、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ≤0.05且DONL≤1.2时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为良好；或者，当满足1×10-14<σ0<1×10-12、0.051.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为轻微老-12化；或者，当满足σ0≥1×10 、tanδ≥0.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为严重老化。

2.根据权利要求1所述的10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法，其特征在于，所述非线性系数DONL的计算方法如下：式(6)中，DONL为10kV XLPE电力电缆绝缘非线性系数；σ″0(2kV)为极化电压为2kV时的直流电导率；σ'0(1kV)为极化电压为1kV时的直流电导率。

3.一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估系统，其特征在于，包括以下步骤：测量单元，其用于测量对所评估10kV XLPE电力电缆施加极化电压极化过程以及短路接地去极化过程的极化-去极化电流；

计算单元，其用于基于测量所得的极化-去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态的特征量；

评估单元，其用于基于所述特征量及评估标准，评估所述10kV XLPE电力电缆绝缘老化程度；

所述特征量包括直流电导率σO、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ、非线性系数DONL，其中，直流电导率σO的单位为S/m，0.1Hz低频介质损耗因数tanδ的单位为％；

所述评估标准为：当σ0≤1×10-14、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ≤0.05且DONL≤1.2时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为良好；或者，当满足1×10-14<σ0<1×10-12、0.051.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为轻微老化；或者，当满足σ0≥1×10-12、tanδ≥0.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为严重老化。

4.根据权利要求3所述的10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估系统，其特征在于，所述非线性系数DONL的计算方法如下：式(6)中，DONL为10kV XLPE电力电缆绝缘非线性系数；σ″0(2kV)为极化电压为2kV时的直流电导率；σ'0(1kV)为极化电压为1kV时的直流电导率。

说明书

10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电缆绝缘诊断领域，具体涉及10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法及系统。

背景技术

[0002] 交联聚乙烯(XLPE)电缆因其优良的电气性能、机械性能以及易于安装铺设、相对合理的成本等优点已经在电力输送中大量运用。而10kV XLPE电缆更是大量运用于城市配网系统中，其稳定运行问题在配网系统中是至关重要的。因此，城市配网10kV XLPE电缆的绝缘水平问题成为了目前普遍日益关心的话题。

[0003] 随着服役时间的增加再加上电缆的运行条件因素影响，在电、热、化学腐蚀、水分渗透以及机械受力等因素的作用下部分电缆绝缘内部会逐渐出现老化现象。在多应力强电场的作用下，这些缺陷和老化会迅速发展，导致电缆绝缘水平逐渐下降，随时都存在绝缘短时击穿的风险，危害电力系统的稳定运行和人身的安全。所以测试评估10kV XLPE电缆的老化程度和剩余寿命，从而在发生事故之前采取相应对策显得尤为重要。

[0004] 针对电缆绝缘老化状态的检测评估，目前已经有许多诊断方法。但传统的诊断技术存在以下问题：(1)绝缘电阻和吸收比测量，该方法原理与操作十分简单，但测试结果往往不能准确的反应并界定电缆的老化情况，仅仅适合于粗略诊断；(2)介质损耗角正切值测试，长电缆和大电容试品通常需开展谐振下的介质损耗正切测试，但是存在设备体积大，搬运困难等问题，且不能很好的反应长电缆中的局部绝缘缺陷；(3)泄漏电流试验(即直流耐压试验)，该方法在试验过程中会注入空间电荷，导致部分经过试验后的试品产生不可预测的击穿事故，目前IEC不推荐采用该试验方法。

[0005] 为此，期望寻求一种技术方案，以至少减轻上述问题。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是，提供一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法及系统，以在不破坏电缆绝缘的情况下，评估电缆整体老化。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。

[0008] 一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法，包括以下步骤：

[0009] 测量对所评估10kV XLPE电力电缆施加极化电压极化过程以及短路接地去极化过程的极化-去极化电流；

[0010] 基于测量所得的极化-去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态的特征量；

[0011] 基于所述特征量及评估标准，评估所述10kV XLPE电力电缆绝缘老化程度。

[0012] 所述特征量包括直流电导率σ0、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ、非线性系数DONL，其中，直流电导率σ0的单位为S/m，0.1Hz低频介质损耗因数tanδ的单位为％。

[0013] 所述非线性系数DONL的计算方法如下：

[0014]

[0015] 式(6)中，DONL为10kV XLPE电力电缆绝缘非线性系数；σ″0(2kV)为极化电压为2kV时的直流电导率；σ'0(1kV)为极化电压为1kV时的直流电导率。

[0016] 所述评估标准为：当σ0≤1×10-14、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ≤0.05且DONL≤1.2时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为良好；或者，当满足1×10-14<σ0<1×10-12、0.051.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态-12
为轻微老化；或者，当满足σ0≥1×10 、tanδ≥0.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为严重老化；同时，当DONL>1.2时，评估该电缆可能存在桥接水树老化。

[0017] 一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估系统，包括以下步骤：

[0018] 测量单元，其用于测量对所评估10kV XLPE电力电缆施加极化电压极化过程以及短路接地去极化过程的极化-去极化电流；

[0019] 计算单元，其用于基于测量所得的极化-去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态的特征量；

[0020] 评估单元，其用于基于所述特征量及评估标准，评估所述10kV XLPE电力电缆绝缘老化程度。

[0021] 所述特征量包括直流电导率σ0、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ、非线性系数DONL，其中，直流电导率σ0的单位为S/m，0.1Hz低频介质损耗因数tanδ的单位为％。

[0022] 所述非线性系数DONL的计算方法如下：

[0023]

[0024] 式(6)中，DONL为10kV XLPE电力电缆绝缘非线性系数；σ”0(2kV)为极化电压为2kV时的直流电导率；σ'0(1kV)为极化电压为1kV时的直流电导率。

[0025] 所述评估标准为：当σ0≤1×10-14、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ≤0.05且DONL≤-141.2时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为良好；或者，当满足1×10 <σ0<1×10-12、0.051.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为轻微老化；或者，当满足σ0≥1×10-12、tanδ≥0.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为严重老化；同时，当DONL>1.2时，评估该电缆可能存在桥接水树老化。

[0026] 本发明具有下述有益技术效果。

[0027] 本发明基于对所评估电缆测量所得的极化-去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该电缆绝缘老化状态的特征量，基于所述特征量及评估标准，评估所述电缆绝缘老化程度。极化/去极化电流(PDC)测试电压较低，不会对电缆绝缘造成破坏，并且对于电缆整体老化以及较为严重的局部缺陷都具有较高的灵敏性，所以在实际应用中具有广泛的应用前景。

附图说明

[0028] 图1为加速水树老化短10kV XLPE电力电缆实验结构示意图。

[0029] 图2为长10kV XLPE电力电缆实验结构示意图。

[0030] 图3为短10kV XLPE电力电缆样品直流电导率在处理前后随老化时间的变化曲线示意图。

[0031] 图4为短10kV XLPE电力电缆样品非线性系数在处理前后随老化时间的变化曲线示意图。

[0032] 图5示意性示出本发明的系统的结构示意图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0034] 本发明的一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估方法，包括以下步骤：

[0035] 测量对所评估10kV XLPE电力电缆施加极化电压极化过程以及短路接地去极化过程的极化-去极化电流；

[0036] 基于测量所得的极化-去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态的特征量；

[0037] 基于所述特征量及评估标准，评估所述10kV XLPE电力电缆绝缘老化程度。

[0038] 本发明的方法中，特征量包括直流电导率σ0、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ、非线性系数DONL，其中，直流电导率σ0的单位为S/m，0.1Hz低频介质损耗因数tanδ的单位为％。

[0039] 直流电导率σ0的计算方法如下：

[0040] 当10kV XLPE电力电缆为同轴电缆时，真空电容C0由式(1)计算得到；

[0041]

[0042] 式(1)中，ε0为真空介电常数；rs为10kV XLPE电力电缆屏蔽层内半径；rc为10kV XLPE电力电缆线芯半径。基于真空电容C0、极化-去极化电流及极化电压，计算得到直流电导率σ0。

[0043] 直流电导率σ0由式(2)计算得到，

[0044]

[0045] 式(2)中，Uc为进行极化-去极化电流测量时所施加的极化电压；ipol(t)为对应时刻的极化电流；idepol(t)为对应时刻的去极化电流。

[0046] 0.1Hz低频介质损耗因数tanδ的计算方法如下：

[0047] 计算所评估10kV XLPE电力电缆的真空电容C0，其中真空电容C0由式(1)计算得到：

[0048]

[0049] 式(1)中，ε0为真空介电常数；rs为10kV XLPE电力电缆屏蔽层内半径；rc为10kV XLPE电力电缆线芯半径；

[0050] 计算去极化电流的介质响应函数f(t)：

[0051]

[0052] 对介质响应函数f(t)进行傅里叶变换，得到

[0053]

[0054] 式(4)中，χ(ω)为复极化率；χ'(ω)为复极化率的实部；χ”(ω)为复极化率的虚部；

[0055] 介质损耗因数为：

[0056]

[0057] 式(5)中，ε∞为介电常数的高频分量；

[0058] 选取0.1Hz时的低频介质损耗因数作为参考特征量。

[0059] 非线性系数DONL的计算方法如下：

[0060]

[0061] 式(6)中，DONL为10kV XLPE电力电缆绝缘非线性系数；σ″0(2kV)为极化电压为2kV时的直流电导率；σ'0(1kV)为极化电压为1kV时的直流电导率。

[0062] 表1为10kV XLPE电力电缆老绝缘老化状态评估表

[0063] 绝缘老化状态评估 直流电导率σ0 0.1Hz低频介损tanδ(％) 非线性系数DONL状态良好 σ0≤1×10-14 tanδ≤0.05 DONL≤1.2值得注意 1×10-14<σ0<1×10-12 0.051.2
绝缘劣化 σ0≥1×10-12 tanδ≥0.2  

[0064] 评估标准参见表1，当σ0≤1×10-14、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ≤0.05且≤1.2时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为良好，这种情况下，不需要采取任何措施。

[0065] 当满足1×10-14<σ0<1×10-12、0.051.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为轻微老化，这种情况下，不影响正常运行，需要定期对其进行其绝缘状态诊断。

[0066] 当满足σ0≥1×10-12、tanδ≥0.2其中之一及以上时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为严重老化，这种情况下，继续运行可能会发生事故，需要定进行进一步检测并采取修复或者更换措施。

[0067] 非线性系数DONL对于10kV XLPE电力电缆桥接水树等较为严重的集中性缺陷有较好的敏感性，当DONL>1.2时，评估该10kV XLPE电力电缆绝缘老化状态为可能存在桥接水树老化。

[0068] 图5示意性示出本发明的系统的结构示意图。参见图5，本发明一种10kV XLPE电力电缆绝缘老化评估系统1包括测量单元11、计算单元12以及评估单元13。

[0069] 测量单元11用于测量对所评估10kV XLPE电力电缆施加极化电压极化过程以及短路接地去极化过程的极化-去极化电流。测量单元11可以是如中国专利文献(公告号：CN 106908654A，公布日：2017.06.30)公开的一种极化-去极化电流测量系统。极化-去极化电流的测量方法可以采用如中国专利文献(公告号：CN 105467190A，公布日：2016.04.06)公开的一种XLPE电缆极化-去极化电流的测量方法。

[0070] 计算单元12用于基于测量所得的极化-去极化电流及所施加的极化电压，计算得到表征该电缆绝缘老化状态的特征量。

[0071] 评估单元13用于基于所述特征量及评估标准，评估所述电缆绝缘老化程度。

[0072] 其中，特征量包括直流电导率σ0、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ、非线性系数DONL，其中，直流电导率σ0的单位为S/m，

[0073] 直流电导率σ0的计算方法如下：

[0074] 当10kV XLPE电力电缆为同轴电缆时，真空电容C0由式(1)计算得到；

[0075]

[0076] 式(1)中，ε0为真空介电常数；rs为10kV XLPE电力电缆屏蔽层内半径；rc为10kV XLPE电力电缆线芯半径；

[0077] 基于所述真空电容C0、极化-去极化电流及极化电压，计算得到所述直流电导率σ0。

[0078] 直流电导率σ0由式(2)计算得到；

[0079]

[0080] 式(2)中，Uc为进行极化-去极化电流测量时所施加的极化电压；ipol(t)为对应时刻的极化电流；idepol(t)为对应时刻的去极化电流。

[0081] 0.1Hz低频介质损耗因数tanδ的计算方法如下：

[0082] 计算所评估10kV XLPE电力电缆的真空电容C0，当10kV XLPE电力电缆为同轴电缆时，真空电容C0由式(1)计算得到；

[0083]

[0084] 式(1)中，ε0为真空介电常数；rs为10kV XLPE电力电缆屏蔽层内半径；rc为10kV XLPE电力电缆线芯半径；

[0085] 计算去极化电流的介质响应函数f(t)：

[0086]

[0087] 对介质响应函数f(t)进行傅里叶变换，得到

[0088]

[0089] 式(4)中，χ(ω)为复极化率；χ'(ω)为复极化率的实部；χ”(ω)为复极化率的虚部；

[0090] 介质损耗因数为：

[0091]

[0092] 式(5)中，ε∞为介电常数的高频分量；

[0093] 选取0.1Hz时的低频介质损耗因数作为参考特征量。

[0094] 非线性系数DONL的计算方法如下：

[0095]

[0096] 式(6)中，DONL为10kV XLPE电力电缆绝缘非线性系数；σ″0(2kV)为极化电压为2kV时的直流电导率；σ'0(1kV)为极化电压为1kV时的直流电导率。

[0097] 当σ0≤1×10-14、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ≤0.05且DONL≤1.2时，评估该电缆绝缘老化状态为良好。

[0098] 参见表1，当满足1×10-14<σ0<1×10-12、0.051.2其中之一及以上时，评估该电缆绝缘老化状态为轻微老化。

[0099] 参见表1，当满足σ0≥1×10-12、tanδ≥0.2其中之一及以上时，评估该电缆绝缘老化状态为严重老化。

[0100] 参见表1，当DONL>1.2时，评估该电缆绝缘老化状态为可能存在桥接水树老化。

[0101] 后文举例对本发明进一步说明。

[0102] 本实施例中，所评估电缆选用10根10kV XLPE 50cm短电缆样品进行加速水树老化以及自然受潮实验；以及选用10kV XLPE 95m长电缆B、C两相进行不扎针与不扎针的加速水树老化实验。具体如图1、图2所示，老化电压采用7.5kV、400Hz高频高压。

[0103] 对老化后和未老化的长、短电缆样品进行极化-去极化电流测试，对测试数据进行滤波、拟合等数据处理，其中拟合优度达到0.98以上。

[0104] 利用式(2)、(4)、(6)计算出短电缆样品的直流电导率σ0、非线性系数DONL和长电缆的直流电导率σ0、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ以及非线性系数DONL综合评估电缆的绝缘老化状态。

[0105] 得到如图3、4所示的短电缆直流电导率σ0及非线性系数DONL随老化时间增加的变化曲线。为减少试样特殊性和偶然性对实验结果的影响，图中直流电导率与非线性系数分布点均为多个同等老化条件试样测试结果的算术平均值。未经处理短电缆新试样的直流电导率和非线性系数几乎没有发生变化；自然受潮电缆样品的直流电导率和非线性系数虽变化不大，但一直有增大趋势；加速水树老化电缆样品的直流电导率和非线性系数显著增大，大于本发明判据所提出的严重老化的界定值。

[0106] 得到如表2所示的长电缆直流电导率σ0、0.1Hz低频介质损耗因数tanδ(0.1Hz低频介损tanδ)以及非线性系数DONL。通过本发明可以判断出经过扎针与不扎针加速水树老化后，电缆B、C两相出现了不同程度的老化，其中判断电缆C相可能存在水树老化现象。

[0107] 表2

[0108]

[0109]

[0110] 在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0111] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0112] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0113] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质/单元包括：通用串行总线闪存盘(Universal Serial Bus flash disk)、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0114] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。