一种电缆绝缘形变状态下电场畸变监测方法

技术领域

本发明涉及高电压绝缘领域，尤其涉及一种电缆绝缘形变状态下电场畸变监测方法。

背景技术

高压电缆输电具有输送容量大、距离远、效率高、损耗低等优势，是满足大容量、远距离跨区输电需求的可靠技术手段，也是解决城市电网增容、新能源并网和海上孤岛供电等问题的最佳手段。

高压电缆在敷设安装过程中存在弯曲或压缩而导致绝缘发生机械形变，电缆绝缘内电场畸变，高压电缆运行过程中绝缘内电场分布造成影响，内部电场分布不均匀，势必对局部出现极端强电场情况，进而可能引发绝缘击穿现象。绝缘击穿现象意味着电缆绝缘失效，发生对地短路，使得输电系统可靠性大幅下降，进而影响到高压电缆输电系统的运行可靠性。

现有技术中，针对电缆绝缘接头绝缘形变对绝缘内电场分布造成的影响进行了研究，发现电缆接头施工引入的缺陷导致内部电场分布不均，对电缆运行可靠性形成威胁。还有因为电缆主绝缘与屏蔽层界面缺陷对绝缘内电场分布造成的影响，表明界面不均匀的缺陷导致了绝缘内电场畸变率严重增大。

但是现有技术没有公开针对电缆施工过程中由于压缩/拉伸形变造成的电缆绝缘内电场畸变来如何计算及监测。鉴于此，提供一种电缆绝缘形变状态下电场畸变监测方法成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种电缆绝缘形变状态下电场畸变监测方法，对电缆形变状态下的电缆绝缘内电场畸变进行监测，防止电缆绝缘失效情况发生。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种电缆绝缘形变状态下电场畸变监测方法，包括：

步骤1：构建电缆绝缘形变状态下的电场畸变监测模型；具体为：

基于有限元分析方法建立电缆截面模型，求解得到绝缘层内电场分布；

根据绝缘层内电场分布获得电缆不同形变量下的电场畸变从而得到电缆绝缘最大电场强度；

判断电缆绝缘最大电场强度下的对应形变量是否会对电缆绝缘造成影响，从而得到形变量与监测结果的对应关系；

步骤2：获取电缆的待测形变量，输入至电场畸变监测模型中实现对电场畸变进行监测。

进一步地，步骤1具体为：

步骤101：获取电缆参数；

步骤102：基于有限元分析方法建立电缆截面模型；

步骤103：对电缆截面模型进行网格划分；

步骤104：设置电缆截面模型的边界条件，基于有限元分析方法并通过求解离散化Maxwell方程的方法得到绝缘层内电场分布；

步骤105：根据绝缘层内电场分布，导出电缆在不同形变量下时，发生形变部分的径向方向上电场强度随径向距离的分布情况，获得电缆形变状态下的电场畸变；

步骤106：提取电缆绝缘在不同形变量下的电场畸变最大值即电缆绝缘最大电场强度；

步骤107：建立电场畸变评价方程，判断电场畸变最大值是否满足电场畸变评价方程，若满足，则当前电场畸变最大值对应的形变量不会对电缆绝缘造成影响；若不满足，则当前电场畸变最大值对应的形变量对电缆绝缘造成影响；形变量是否对电缆绝缘造成影响构成监测结果。

进一步地，步骤101中，电缆内部为中心导体，中心导体外围为绝缘层；

电缆参数包括电缆内径、外径、电缆中心导体材质、电缆绝缘层介电常数和电缆绝缘层直流电导率。

进一步地，步骤102中，电缆截面模型为理想二维同心圆状结构；电缆截面模型的中心导体为理想铜导体。

进一步地，步骤104中，设置的边界条件包括设置电缆截面模型中心导体电压和边缘零电势；其中，中心导体电压设置为实际电缆的额定运行电压；电压的交、直流类型依据实际电缆电压类型设置。

进一步地，步骤105中，不同形变量中包括最大形变量，最大形变量选取为电缆敷设施工中发生的最小弯曲半径处产生的压缩形变量。

进一步地，步骤107中，电场畸变评价方程为：

其中，E

进一步地，绝缘击穿电场强度设置为实际电缆所用绝缘材料的击穿场强。

进一步地，绝缘裕度系数选取范围为1.2～2.0。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过构建电缆绝缘形变状态下的电场畸变监测模型，对不同形变程度下的电缆绝缘形变产生的电场畸变进行计算，对电场畸变进行评价后获得不同形变量与监测结果的对应关系，减少因电缆施工过程中压缩/拉伸应变造成的电缆绝缘内电场畸变，进而防止电缆绝缘失效情况发生，提高输电系统可靠性。

附图说明

图1为本发明方法整体流程图；

图2为本发明实施例中电缆截面模型结构示意图；

图3为本发明实施例中电缆截面模型网格划分图；

图4为本发明实施例中不同形变量作用下的电缆绝缘电场畸变示意图；

图5为本发明实施例中不同电缆绝缘形变量下电场强度和形变径向距离之间关系分布图；

图6为本发明实施例中不同电缆绝缘形变量下最大电场强度示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图1，本发明为一种电缆绝缘形变状态下电场畸变监测方法，其包括：

步骤1：构建电缆绝缘形变状态下的电场畸变监测模型；具体为：

基于有限元分析方法建立电缆截面模型，求解得到绝缘层内电场分布；

根据绝缘层内电场分布获得电缆不同形变量下的电场畸变从而得到电缆绝缘最大电场强度；

判断电缆绝缘最大电场强度下的对应形变量是否会对电缆绝缘造成影响，从而得到形变量与监测结果的对应关系；

步骤2：获取电缆的待测形变量，输入至电场畸变监测模型中实现对电场畸变进行监测。

步骤1具体包括

步骤101：获取电缆参数；

电缆内部为中心导体，中心导体外围为绝缘层。电缆参数包括电缆内径、外径、电缆中心导体材质、电缆绝缘层介电常数和电缆绝缘层直流电导率；本实施例中，电缆的内径、外径均采用实际电缆的内径和外径，中心导体为理想铜导体，电缆绝缘层介电常数与直流电导率以实际材料性质为优选。

步骤102：基于有限元分析方法建立电缆截面模型；

参阅图2，电缆截面模型为理想二维同心圆状结构；电缆截面模型的中心导体为理想铜导体。

步骤103：对电缆截面模型进行网格划分；

本实施例中采用有限元仿真软件ANSYS建立截面模型和进行网络划分，网格划分结果如图3所示，进行模型网格划分是为了是连续的模型结构离散化，以便有限元仿真软件对电缆绝缘内的电场分布情况进行计算。

步骤104：设置电缆截面模型的边界条件，基于有限元分析方法并通过求解离散化Maxwell方程的方法得到绝缘层内电场分布；具体在于根据网格划分情况和边界条件，离散化求解Maxwell方程组，以求解模型在稳态条件下的电场分布情况；

步骤104中，设置的边界条件包括设置电缆截面模型中心导体电压和边缘零电势；

其中，中心导体电压设置为实际电缆的额定运行电压；电压的交、直流类型依据实际电缆电压类型设置；

步骤105：根据绝缘层内电场分布，设置数据采集路径，导出电缆在不同形变量下时，发生形变部分的径向方向上电场强度随径向距离的分布情况，获得电缆形变状态下的电场畸变，本实施例中分布情况参阅图4和图5，图4表示在不同形变量作用下的电缆绝缘电场畸变，图5表示电缆绝缘形变量对绝缘径向电场分布的影响；

步骤105中，不同形变量中包括最大形变量，最大形变量选取为电缆敷设施工中发生的最小弯曲半径处产生的压缩形变量。本实施例中，不同形变量包括1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm；径向方向是指中心导体圆心与形变点中央连接的径向方向。

步骤106：提取电缆绝缘在不同形变量下的电场畸变最大值即电缆绝缘最大电场强度；本实施例提取的电缆绝缘最大电场强度参阅图6；

步骤107：建立电场畸变评价方程，判断电场畸变最大值是否满足电场畸变评价方程，若满足，则当前电场畸变最大值对应的形变量不会对电缆绝缘造成影响；若不满足，则当前电场畸变最大值对应的形变量对电缆绝缘即电缆运行可靠性造成影响；形变量是否对电缆绝缘造成影响构成监测结果；

电缆绝缘击穿场强是保障高压电缆安全运行的关键因素。原则上电缆绝缘层中最大电场强度应不小于其击穿电场强度，同时考虑到绝缘性能的分散性与电缆长期运行年限，需保证电缆绝缘留有一定安全裕度，因此，绝缘击穿场强E

其中，E

上述电场畸变评价方程的目的在于为电缆内电场畸变情况建立一个评价方法，绝缘内部发生畸变的最大场强满足绝缘裕度要求，即可认为电缆绝缘认可保持可靠的绝缘强度。

基于公式

结合图6所示的电缆电缆绝缘最大电场强度与绝缘形变量的关系，电缆绝缘最大形变量应小于6mm。

因此，当电缆的待测形变量小于6mm时，不会对电缆绝缘造成影响；当电缆的待测形变量大于等于6mm时，会对电缆绝缘造成影响。

获取电缆的待测形变量，输入至电场畸变监测模型中实现对电场畸变进行监测，将电场畸变监测结果应用至绝缘可允许最大形变量的判定。本实施例实现电缆施工过程中绝缘可允许最大形变量的判定，为电缆敷设施工提供指导。具有计算快速、操作简易的特点。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。