考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法

摘要

本发明涉及一种考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法，包括电力电缆日常负荷的确定，电力电缆导体温度估算，电力电缆电热寿命模型的确定以及电力电缆退化累积量的估算。电力电缆日常负荷的确定包括获取电力电缆的呈阶梯状变化的负荷曲线及电缆中的电流；电力电缆导体温度估算包括获得电缆导体的温度分布；电力电缆电热寿命模型的确定包括估算在电应力、热应力以及二者的协同作用下电缆使用寿命；电力电缆退化累积量的估算包括求取一段时间内电缆退化的累积量。该方法能够提高电缆使用寿命预测的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法，属于电力设备状态监测与评估领域。

背景技术

电力电缆的退化会导致其使用寿命的减少，同时也会对电力电缆的正常运行造成不利的影响。分析与电缆退化相关联的数据，可以较历史故障数据更准确地推知电缆运行的可靠性和使用寿命。在正常运行状态下，电力电缆会遭受各种应力不同程度的破坏作用，而电应力和热应力对电缆绝缘的协同破坏作用在各类应力中占有的比重最大。电应力与电场有一定的关联；由电缆导体中的铜耗和绝缘介质中的介损产生的热应力会使得电缆内部发热。大部分的热量产生于电缆芯的中间部分，而较高的环境温度会阻碍电缆内层的热量向周围环境扩散。

地下电缆通常有直埋、埋于电缆沟或导管以及埋于特殊的电缆通道等几种存在形式。位于地下的电缆的温度通常取决于环境温度、随季节变化的电力负荷水平等。热应力、电应力以及二者的协同作用，会导致电缆的退化，减少电缆的运行寿命。

电缆绝缘层热电阻的随机性和变化无规律的负荷电流使得电缆中的电热退化累积效应具有一定的随机性。尽管部分文献在研究中已考虑到基于随机过程的统计学Miner理论，但是截至目前，尚未有文献从考虑日常电热应力的随机分布的角度对电缆寿命的损耗进行估算，并得到随时间变化的电缆失效概率。因此，需要一种考虑了电热应力的随机分布而对电缆寿命的损耗进行估算，以获得具有较高准确性和可信度的电缆使用寿命预测值的评估方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法，用于对季节性的负荷周期里电力电缆累积的电热退化量进行估算，以预测电力电缆的运行寿命，该方法包括电力电缆日常负荷的确定，电力电缆导体温度估算，电力电缆电热寿命模型的确定以及电缆退化累积量的估算四个步骤；

（1）所述的电力电缆日常负荷的确定包括：

①获取电力电缆受环境因素变化影响而随时间连续变化的电力负荷

②将连续变化的电力负荷离散为呈阶梯状变化的负荷曲线；

③获取所述的负荷曲线中每一阶梯步长时间内流过电力电缆的电流；

（2）所述的电力电缆导体温度估算包括：

①获取所述的负荷曲线中每一阶梯步长时间内电力电缆所处的环境温度；

②根据所获取的每一阶梯步长时间内流过电力电缆的电流，估算由负荷电流导致的电缆运行温度；

③获取电力电缆最大运行温度；

④由每一阶梯步长时间内电力电缆所处的环境温度、电缆运行温度和电力电缆最大运行温度，基于IEEE 242-2001国际标准估算每一阶梯步长时间内电缆芯的温度；

⑤由每一阶梯步长时间内电缆芯的温度和电缆的基准环境温度，获得每一阶梯步长时间内电缆导体的温度分布；

（3）所述的电力电缆电热寿命模型的确定方法包括：

①由每一阶梯步长时间内的电缆芯的温度，计及参考温度，获取每一阶梯步长内电力电缆的热应力；

②由每一阶梯步长时间内的电力电缆的电场强度实际值、最大电场强度获取每一阶梯步长时间内电力电缆的电应力；

③依据电力电缆的电应力与热应力协同作用原理，采用阿仑尼乌斯方程和逆幂模型相结合的方式，估算在电应力、热应力以及二者的协同作用下电力电缆的使用寿命；

（4）所述的电力电缆退化累积量估算包括：

①获取一个负荷周期内随时间变化的电力电缆的运行温度；

②获取一个负荷周期内随时间变化的电力电缆所处的环境温度；

③获取一个负荷周期内随时间变化的电力电缆的电场强度；

④根据一个负荷周期内随时间变化的电力电缆的运行温度、电力电缆所处的环境温度、电力电缆的电场强度以及在电应力、热应力以及二者的协同作用下电力电缆的使用寿命，估算一个负荷周期内每一阶梯步长时间内电力电缆寿命减少的百分数；

⑤根据电力电缆寿命减少的百分数求取一段时间内电缆退化的累积量。

该方法其还包括电力电缆退化累积过程的随机特性建模；

所述的电缆退化累积过程的随机特性建模包括将电力电缆所承受的应力分为夏季、春秋季、冬季三个等级，将电力电缆的退化量用一个非稳定的高斯过程描述，进而估算平均累积退化量和方差。

该方法通过电力电缆状态监测和智能评估系统自动实现。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：该方法全面计及了每一负荷周期内电力电缆运行温度、环境温度以及电场强度的随机特性，提高了电缆使用寿命预测的准确性和可信度，解决了电缆资产管理中确定电缆残余寿命并准确制定科学更换方案的技术难题，进而可以保证电力传输的连续性，为电力系统的安全稳定运行提供保障。

附图说明

附图1为本发明的考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法的流程示意图。

附图2为本发明的考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法中电力电缆日常负荷确定的流程示意图。

附图3为本发明的考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法中电力电缆导体温度估算的流程示意图。

附图4为本发明的考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法中电力电缆电热寿命模型确定的流程示意图。

附图5为本发明的考虑随机过程的电力电缆电热退化累积量估算方法中电力电缆退化累积量估算的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种通过电力电缆状态监测和智能评估系统自动实现的考虑电、热应力随机特性的电力电缆退化累积量估算方法，包括电力电缆日常负荷的确定、电力电缆导体温度估算、电力电缆电热寿命模型的确定、电力电缆退化累积过程的随机特性建模、电力电缆退化累积量的估算这几个步骤，如附图1所示。

1、电力电缆日常负荷的确定

电力电缆日常负荷的确定如附图2所示，包括：

（1）获取电力电缆受环境因素（包括季节和气候等因素）变化影响而随时间连续变化的电力负荷；该连续变化的电力负荷是随时间的推移而连续变化的，影响其变化的因素在于环境因素；

（2）将24小时内连续变化的电力负荷离散为呈阶梯状变化的负荷曲线；其中，每一个阶梯的步长（即持续时间）为△t_i=24/M，其中，M表示步长数，i=1,…..,M，每一个阶梯的步长（即持续时间）△t_i不超过所取的连续时间；

（3）获取负荷曲线中每一阶梯步长时间内流过电力电缆的电流。

2、电力电缆导体温度估算

电力电缆导体温度估算如附图3所示，包括：

（1）获取负荷曲线中每一阶梯步长时间内电力电缆所处的环境温度；

（2）根据所获取的每一阶梯步长时间内流过电力电缆的电流，估算由负荷电流导致的电缆运行温度；

（3）获取电力电缆最大运行温度，该温度取决于电缆的绝缘材料；

（4）由每一阶梯步长时间内电力电缆所处的环境温度、电缆运行温度和电力电缆最大运行温度，估算每一阶梯步长时间内电缆芯的温度；

（5）由每一阶梯步长时间内电缆芯的温度和电缆的基准环境温度（由用户指定，通常为指定为20℃），获得每一阶梯步长时间内电缆导体的温度分布。

3、电力电缆电热寿命模型的确定

电力电缆电热寿命模型的确定如附图4所示，包括：

（1）由每一阶梯步长时间内的电缆芯的温度，计及合适的参考温度，获取每一阶梯步长内电力电缆的热应力；

（2）由每一阶梯步长时间内的电力电缆的电场强度实际值、最大电场强度获取每一阶梯步长时间内电力电缆的电应力；

（3）依据电力电缆的电应力与热应力协同作用原理，采用阿仑尼乌斯方程和逆幂模型相结合的方式，估算在电应力、热应力以及二者的协同作用下电力电缆的使用寿命。

4、电力电缆退化累积过程的随机特性建模

电缆退化累积过程的随机特性建模包括将电力电缆所承受的应力分为夏季、春秋季、冬季三个等级，并定义在夏季、春秋季、冬季里，热应力等级分别为S1、S2和S3，且S1＞S2＞S3。将电力电缆的退化量用一个非稳定的高斯过程描述，进而估算平均累积退化量和方差。这其中，每一个时间点或负荷周期内的电缆退化量符合标准正态分布，其均值和方差随着负荷周期数的增加会发生变化，因此，其变化路径是不稳定的。

5、电力电缆退化累积量的估算

电力电缆退化累积量的估算如附图5所示，包括：

（1）获取一个负荷周期内随时间变化的电力电缆的运行温度；

（2）获取一个负荷周期内随时间变化的电力电缆所处的环境温度；

（3）获取一个负荷周期内随时间变化的电力电缆的电场强度；

（4）根据一个负荷周期内随时间变化的电力电缆的运行温度、电力电缆所处的环境温度、电力电缆的电场强度以及在电应力、热应力以及二者的协同作用下电力电缆的使用寿命，估算一个负荷周期内每一阶梯步长时间内电力电缆寿命减少的百分数；

（5）根据电力电缆寿命减少的百分数求取一段时间内电缆退化的累积量，即求取第n天电力电缆的电热退化量，进而获得第n+1天时间内电缆的电热退化累积总量。

本发明提出了一种考虑电力电缆电、热应力随机过程的电缆退化累积量估算方法，提高了对电缆使用寿命预测的准确性，解决了电缆资产管理中确定电缆残余寿命并准确制定更换方案的技术难题，提高了电缆运行维护的工作效率，进而可以保证电力输送的连续性，为电力系统的安全稳定运行提供保障。

上述实施例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士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作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。