一种高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法与流程

一种高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法
1.技术领域
2.本发明涉及电缆附件检测技术领域，具体涉及一种高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法。


背景技术：

3.目前电缆终端制作过程中仍大量依靠人工现场作业，在安装工艺过程中容易产生潜伏性接地系统缺陷，诸如铅封缺陷和铜网缺失，此类缺陷会导致终端接地失效，进而引起终端电压和电流的突变，严重影响电缆的正常稳定运行。因此，分析高压电缆终端接地系统缺陷的电压和电流特征具有非常重要的意义。
4.目前有人使用局放检测法对终端缺陷进行检测，通过检测放电信号来进行缺陷诊断。但是实验结果表明，该方法只有在终端缺陷恶化到一定程度才能检测到放电信号，并不能将终端接地系统缺陷扼制在萌芽状态。
5.使用红外测温法检测铅封缺陷和铜网缺失时，通过检测终端的温度变化来判断是否存在缺陷。由于红外热像仪结构设计复杂，导致设备体积大，无法便携式使用，并且测量范围较小，不适合在长电缆线路使用；另外，红外检测到的温度信息是终端的表面温度，无法检测终端的内部温度，因此红外测温法的检测精度不高。
6.综上所述，目前终端铜网缺失和铅封缺陷下终端电压和电流的变化特征尚未研究，对终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法有待进一步探讨。


技术实现要素：

7.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法，通过建立终端rlc等效模型来实现终端接地系统缺陷的电压和电流特征分析，解决了现有技术中不能将终端接地系统缺陷扼制在萌芽状态的问题，同时能够提高终端接地系统缺陷检测精度。
8.技术方案：本发明提供了一种高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法，包括如下步骤：步骤1：依据电缆终端实物结构，建立终端缺陷的参数分析模型；步骤2：根据所述参数分析模型，初步分析终端内护层电流流通路径和不同位置的电压电流特征；步骤3：依据步骤2初步分析的终端电压电流特征，利用集中参数电路建立终端缺陷的rlc等效电路模型；步骤4：建立终端参数计算模型，并定义模型内的各个导体电极；步骤5：对终端参数计算模型进行静电场仿真，计算终端rlc等效电路模型的电容参数；
应力锥段结构的内半导电层定义为电极3；法兰-应力锥段结构的ⅱ段外半导电层定义为电极4；尾管和法兰定义为电极5。
15.进一步地，随所述仿真模型进行简化的具体内容为：1）去除伞裙、绝缘子等直接接地部分；2）在建立模型时将缓冲层忽略，电缆缓冲层容抗值远小于主绝缘容抗值；3）在建立模型时将ⅰ段铜网、ⅱ段铜网忽略。
16.进一步地，所述步骤6中实验测试终端等效模型的电阻参数的具体步骤为：1）首先，获得外半导电层近似厚度、最薄点厚度以及标准电阻率；2）根据实际电缆截面，理论计算外半导电层的单位长度电阻值；3）选取四组样品，测试绝缘外半导电层电阻值，并求取平均电阻值；4）获得外半导电层的实测数据；5）对比理论计算与实验测量结果，选取最准确的电阻值。
17.进一步地，所述步骤7中利用终端rlc等效电路模型分析缺陷对终端电压电流的影响的具体方法为：1）使用结点电压法、回路电流法以及欧姆定律分析终端rlc等效电路；2）获取铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网缺失、法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网缺失、铝护套-尾管连接处断裂缺陷、铅封-铝护套界面层间缺陷以及无缺陷下的终端外半导电层电压、铝护套电压、法兰接地电流以及铅封-铝护套电流密度；3）分别对比铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网缺失、法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网缺失、铝护套-尾管连接处断裂缺陷、铅封-铝护套界面层间缺陷与无缺陷下的终端电压电流，总结终端电压电流变化特征；4）使用钳形电流表和电压表对缺陷终端的外半导电层电压、铝护套电压以及法兰接地电流进行测量，验证理论计算结果的正确性；5）利用终端rlc等效电路模型电路进一步分析铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网缺失、法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网缺失、铝护套-尾管连接处断裂缺陷以及铅封-铝护套界面层间缺陷引起终端外半导电层电压、铝护套电压、法兰接地电流以及铅封-铝护套电流密度变化的机理；6）利用缺陷下终端电压电流的变化特征，并结合电场理论计算，进一步分析缺陷是否会引起终端电场强度增大，是否会引起终端放电或击穿。
18.有益效果：本发明利用集中参数电路建立高压电缆终端缺陷的rlc等效模型；基于comsol软件计算终端电容参数以及实验测试电阻参数；利用终端等效电路模型分析缺陷对终端电压电流的影响。该定位方法简明直接，适用于绝大多数高压电缆终端接地系统缺陷的电压和电流特征分析，可以将终端接地系统缺陷扼制在萌芽状态的问题，同时能够提高终端接地系统缺陷检测精度。
附图说明
19.图1为本发明的高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法流程图；图2为终端参数分析模型；
图3为终端rlc等效电路模型；图4为终端参数计算模型；图5为终端护层感应电流计算等值电路；图6为终端电容电流示意图；图7为终端铜网缺失下的外半导电层电压变化规律图；图8为铝护套-尾管铅封断裂缺陷的终端电压电流变化规律图；图9为铅封-铝护套界面层间缺陷的终端电压电流变化规律图；图10为铅封层间缺陷的电流密度变化规律图。
20.其中，1-铅封，2-铝护套，3
‑ⅰ
段铜网，4
‑ⅰ
段外半导电层，5-法兰，6-底板，7-尾管，8
‑ⅱ
段铜网，9
‑ⅱ
段外半导电层，10-绝缘油，11-应力锥，12-蝶形密封圈。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
22.参见图1，本发明提供一种高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法，解决了现有技术中存在的不能将终端接地系统缺陷扼制在萌芽状态的问题，同时能够提高终端接地系统缺陷检测精度。主要包括如下步骤：步骤1：依据电缆终端实物结构，建立终端缺陷的参数分析模型，参数分析模型建立时需要考虑的因素有：终端实物结构的位置、连接方式、材料以及尺寸。
23.为牵制终端内部电缆本体外半导电层电位，终端设计两处铜网结构，终端实物结构包括铅封、铝护套、法兰、底板、蝶形密封圈、铅封-法兰段结构、法兰-应力锥段结构以及应力锥，铅封-法兰段结构由电缆轴线至外依次为线芯层、内半导电层、绝缘层、ⅰ段外半导电层、ⅰ段铜网、空气层和尾管；法兰-应力锥段结构由电缆轴线至外依次为线芯层、内半导电层、绝缘层、ⅱ段外半导电层、ⅱ段铜网和绝缘油。法兰连接于底板上，且其接地，所述蝶形密封圈位于法兰与底板连接处，底板上下两端连接ⅰ段外半导电层和ⅱ段外半导电层，底板上端还与应力锥连接，ⅰ段铜网与铝护套连接，ⅱ段铜网两端分别连接于底板、应力锥。
24.在外半导电层外绕包半导电带及铜网，铜网与底板、尾管电位一致，保证电缆终端内铅封-法兰段结构的ⅰ段外半导电层、法兰-应力锥段结构的ⅱ段外半导电层接地。电缆终端参数分析模型如图2所示。由于绕包的半导电带是很薄的一层，且和外半导电层的材料相同，因此图2中已将半导电带忽略。
25.步骤2：根据终端参数分析模型，初步分析终端内护层电流流通路径和不同位置的电压电流特征。
26.通过分析图2，可发现当护层电流由铝护套流入终端时，在铅封处发生分流，一部分经铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网流入接地线，另一部分经尾管和法兰处接地线流入大地。另外，正常终端的外半导电层和铜网电位一致，铜网与底板、尾管电位一致，铅封处和法兰处通过接地线直接接地，因此电位为0。电缆终端内ⅰ段外半导电层、ⅱ段外半导电层接地。
27.步骤3：依据初步分析的终端电压电流特征，利用集中参数电路建立终端缺陷的rlc等效电路模型。
28.依据终端两处铜网的位置，将终端等值电路分成铅封-法兰段和法兰-应力锥段两
部分。基于电路基础理论，利用rlc集中参数建立终端等值电路模型，包括终端电阻、终端电感以及线芯与铜网之间的电容和外护套电容。
29.终端rlc等效电路模型见图3。终端线芯两端由导体直接连接，可以等效成电阻r0和电感l0串联；绝缘层电容用线芯与铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网间电容c1和线芯与法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网间电容c2表示；c
外护套
为终端铝护套对地电容；终端法兰处接地，用r
地
等效法兰处接地电阻；r
dl
为铝护套与尾管连接电阻；r1和r2分别表示铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网和法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网下的ⅰ段、ⅱ段外半导电层等效电阻。其具体电路连接参见附图3。
30.步骤4：建立终端参数计算模型，本实施方式中利用comsol软件进行建立模型，并定义模型内的各个导体电极。
31.在终端实物基础上对仿真模型进行简化，利用comsol软件，按照1:1尺寸建立电缆终端仿真模型，模型见图4所示。计算终端电容参数，定义终端内的各个导体电极。铅封-法兰段结构的内半导电层为电极1；铅封-法兰段结构的ⅰ段外半导电层为电极2；法兰-应力锥段结构的内半导电层为电极3；法兰-应力锥段结构的ⅱ段外半导电层为电极4；尾管和法兰为电极5。终端各结构的基本参数见表1。
32.。
33.上述仿真模型进行简化的具体内容为：1）去除伞裙、绝缘子等直接接地部分；2）在建立模型时将缓冲层忽略，电缆缓冲层容抗值远小于主绝缘容抗值；3）在建立模型时将ⅰ段铜网、ⅱ段铜网忽略，铜网的电感为纳亨级别，且与铝护套相连，对终端线芯电感的影响可忽略不计，铜网电阻与终端线芯电阻处于同一数量级，也可以不考虑。
34.步骤5：对终端参数计算模型进行静电场仿真，计算终端rlc等效电路模型的电容参数，包括：电极1与电极2间等效电容、电极3与电极4间等效电容、电极5与地之间等效电容。
35.步骤6：实验测试终端等效模型的电阻参数。
36.具体的实验测试终端等效模型的电阻参数的步骤包括：根据gb/t 11017.2 2014 《额定电压110kv(um=126kv)交联聚乙烯电力电缆及其附件 第二部分：电缆》第6.3.3条规定外半导电层近似厚度为1mm，最薄点厚度应为0.5mm，以及附表b，规定外半导电层电阻率小于1ω
•
m。
37.按照110kv 400mm2yjlw电缆截面计算，计算外半导电层截面积222.63mm2，近似计算外半导电层电阻值为4.49kω/m。
38.选取实验室四组电缆样品，对绝缘外半导电层电阻进行测试，求取平均电阻值为4.3kω/m，对比理论计算和实验测量，半导电层电阻值在4.4kω/m左右，取实验测量结果，ⅰ段、ⅱ段外半导电层长度分别为0.22m和0.56m，则r1=0.95kω，r2=2.41kω。
39.步骤7：利用终端rlc等效模型分析缺陷对终端电压电流的影响。
40.使用结点电压法、回路电流法以及欧姆定律等电路基本分析方法分析终端rlc等效电路模型，终端护层感应电流计算等值电路见图5，电容电流示意图见图6；获取铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网缺失、法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网缺失、铝护套-尾管连接处断裂缺陷、铅封-铝护套界面层间缺陷以及无缺陷下的终端外半导电层电压、铝护套电压、法兰接地电流以及铅封-铝护套电流密度。终端铜网缺失下的外半导电层电压变化规律见图7，铝护套-尾管铅封断裂缺陷的终端电压电流变化规律见图8，铅封-铝护套界面层间缺陷的终端电压电流变化规律见图9，铅封层间缺陷的电流密度变化规律见图10。
41.分别对比铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网缺失、法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网缺失、铝护套-尾管连接处断裂缺陷、铅封-铝护套界面层间缺陷与无缺陷下的终端电压电流，总结终端电压电流变化特征。
42.使用钳形电流表和电压表对缺陷终端的外半导电层电压、铝护套电压以及法兰接地电流进行测量，验证理论计算结果的正确性。
43.基于基本的电路理论，利用终端rlc等效电路进一步分析铅封-法兰段结构的ⅰ段铜网缺失、法兰-应力锥段结构的ⅱ段铜网缺失、铝护套-尾管连接处断裂缺陷以及铅封-铝护套界面层间缺陷引起终端外半导电层电压、铝护套电压、法兰接地电流以及铅封-铝护套电流密度变化的机理。
44.铜网缺失会导致线芯和绝缘屏蔽之间的电容电流全部经过外半导电层、半导电带、金属护套（或者法兰）流入接地装置，由于外半导电层电阻较大，则电压主要分担于外半导电层，因此铜网缺失导致外半导电层电压显著增大；铅封断裂缺陷导致铅封处进水受潮，造成铝护套与尾管连接点发生氧化腐蚀，导致r
dl
逐渐增大，致使铝护套电压ua值上升，加速铝护套与尾管接触点腐蚀，随着r
dl
不断增加，ua值逐渐趋向稳定；当终端铝护套与铅封间存在严重的层间缺陷时，铝护套与铅封间的接触面积减小，若护层电流值一定，则该接触面的电流密度增大，从而导致铅封处严重发热，影响电缆的正常稳定运行。
45.利用缺陷下终端电压电流的变化特征，并结合电场理论计算，进一步分析缺陷是否会引起终端电场强度增大，是否会引起终端放电或击穿。若电缆线路接地系统状态良好，按照铝护套最大50v电压计算，两处铜网缺失下的半导电带电压分别为1109.52v和2361.68v。若产生放电，按照3kv/mm空气击穿场强计算，两处位置需有小于0.37mm和0.79mm的间隙，终端内蝶形密封圈（附图2）小于该距离，因此两处铜网缺失均会引起放电。
46.本发明实施例提供的高压电缆终端接地系统缺陷电压和电流特征分析方法，利用集中参数电路，建立终端rlc等效模型，基于comsol计算终端电容参数以及实验测试电阻参数。利用终端rlc等效电路模型可以实现终端典型缺陷的电压电流特征分析，方法简明直接，分析结果可为高压电缆终端缺陷诊断提供依据。
47.上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明
精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。