基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势分析方法

摘要

本发明公开了一种基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势分析方法，属于电缆接头放电分析技术领域。使用激光诱导压力波的方式对电缆接头进行检测；建立电缆接头绝缘击穿电弧的动力学模型，并根据该动力学模型得到时变的电弧电导率和电流密度结果；根据电弧发展过程中的时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗；根据S2得到的时变电弧电导率和电流密度结果，以及S3时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗，进行放电痕迹趋势分析。本发明能够实现电缆接头放电痕迹趋势快速、精确分析。

说明书

技术领域

本发明涉及电缆接头放电分析技术领域，具体是一种基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势分析方法。

背景技术

电缆接头部位产生绝缘故障产生局部放电时，会引发各种物理现象以及化学现象。例如发生电荷交换导致电场分布的改变，产生电磁波辐射，因内部气体受热膨胀产生的声波，以及绝缘物质分解产生新的物质等。对于电缆及接头内部绝缘缺陷检测方法分为两类：一类为电气法，一类为非电气法。其中，电气法主要有：局部放低法、接地电流法、耐用法、介损法、温度法；引起电缆故障主要原因是电缆及接头内部缺陷引起绝缘缺陷，电缆绝缘状况与局部放电量密切相关，若局部放电量发生变化，则说明电缆绝缘内部可能存在着缺陷。因此，国内外研究机构主要关注电缆局部放电检测技术，经过多年不懈努力，局部放电检测类产品已经成功应用于电力设备现场检测中。非电气法一般通过运行现场撤换下来的电缆绝缘样品进行解剖切样试验，试验方法主要包括：力学性能分析、热分析（DSC、TGA）、能谱分析（EDX）、热-机械分析（TMA）、光谱分析（IR、UV）。

引起电缆局部放电直接原因，就是材料中杂质、气泡等宏观缺陷。虽然在电缆生产过程中材料是无缺陷的连续均匀介质，但是电缆在生产和加工过程中内部的杂质、气泡等宏观缺陷是难以避免，特别是在现场制作电缆接头过程中，由于现场环境、制作工艺不规范等问题，造成电缆接头内部缺陷，传统电缆状态非电气评估方法具有破坏性，所以通常采用电气法对电缆状态进行评价。传统能谱分析，由于存在密度识别盲区，不能发现内部隐患。

作为影响绝缘介质内部电场分布与表征绝缘介电性能和老化状态的重要因素，绝缘材料空间电荷的研究已受到国内外学者的广泛关注。介质内部电荷的大量积聚会导致绝缘内部最大畸变电场远高于平均电场，容易引起严重影响介质性能的材料电树枝发展和击穿等现象。当前对空间电荷的研究依赖于电荷的准确测量技术。随着近三十年来无损测量技术的发展，已形成了相对成熟的研究手段，主要包括电声脉冲法(PEA)、压力波法与热学方法等。而基于光电子学的测量方法具有高信噪比和高系统带宽等特点，为发展纳米级分辨率的电荷快速测量方法提供了潜在技术途径。因此，亟需一种能够快速、精确反映电缆接头放电痕迹趋势的分析方法。

公布号为CN 111157864 A的专利文献公开了一种局部放电超声波信号及图谱识别系统。一种局部放电超声波信号及图谱识别系统，其中，包括超声波传感器、信号采集箱和诊断分析仪，所述超声波传感器与所述信号采集箱通过同轴电缆连接，所述信号采集箱与所述诊断分析仪通过USB传输线连接。该发明还提供一种局部放电超声波信号及图谱识别方法。本发明体积小，重量轻，易于现场安装，应用操作简单方便，还能够探测电缆接头和终端局部放电的放电量，并判断出放电故障状态。

公布号为CN 108646154 A的专利文献公开了一种GIS电缆终端局部放电检测及分析诊断系统，包括超声波传感器、特高频传感器、高频脉冲电流传感器、数据采集单元、数据存储服务器和分析诊断平台，超声波传感器和特高频传感器安装在GIS电缆终端尾管上，高频脉冲电流传感器安装在GIS电缆终端的接地线上，超声波传感器、特高频传感器和高频脉冲电流传感器分别与数据采集单元相连接，数据采集单元与数据存储服务器相连接，数据存储服务器与分析诊断平台相连接。通过采用三种不同的检测方法对GIS电缆终端进行长期局部放电在线监测，可有效解决现场干扰大的问题，提升局部放电信号分析诊断的准确性。但是，这两项发明均无法提供一种基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势的精确分析方法。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供的一种基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势快速、精确分析方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势分析方法，包括以下步骤：

S1：使用激光诱导压力波的方式对电缆接头进行检测；

S2：建立电缆接头绝缘击穿电弧的动力学模型，并根据该动力学模型得到时变的电弧电导率和电流密度结果；

S3：根据电弧发展过程中的时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗；

S4：根据S2得到的时变电弧电导率和电流密度结果，以及S3时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗，进行放电痕迹趋势分析。

进一步的，S1中，激光照射电缆接头发出压力波，压力波穿过电缆接头并扰动电缆接头内部的空间电荷，进而导致电缆接头的介电常数发生变化，通过测试由介电常数变化影响的外电路电流，以此表征电缆接头中的空间电荷分布。

进一步的，采用激光诱导压力波法进行测量时，待测电缆接头与信号输出端、信号输出端与保护电路、保护电路与放大器之间的线缆长度都小于 0.5m。

进一步的，S2中，电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体满足局域热力学平衡条件，即不同粒子的温度可用统一的热力学温度进行描述；电缆接头绝缘击穿通道内部电弧等离子体可当做牛顿流体，且为层流；不考虑电缆接头绝缘击穿电弧通道两端金属导体表面附近的空间电荷层；忽略电缆接头绝缘击穿通道内电弧对两端铜导体和周围绝缘介质的烧蚀，即不考虑金属蒸气和有机蒸汽的影响；不考虑电缆接头绝缘击穿通道截面尺寸的变化，即将绝缘电弧击穿通道等效为一圆柱体进行处理。

进一步的，采用磁流体动力学方法对电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体的宏观过程进行数学描述，即采用热流场与相关麦克斯韦方程组耦合对电弧进行数学建模分析。

电力电缆运行的实际经验表明，电缆绝缘层与接头绝缘层之间的交界面最容易发生击穿放电现象。由实际安装规程可知，在电缆接头安装时，需将电缆金属屏蔽层、外半导体层、内半导体层按规定长度依次剥切。剥切时改变了断面的应力，从而导致在断口断面处电位呈现出非均匀分布。在交变电场下，由于电场交替变换时电荷存在注入和抽出的过程，传统观点认为聚乙烯等聚合物绝缘材料内部不会形成空间电荷积累。随电压作用时间增长，空间电荷积累增加，当聚集空间电荷量值足够大时，外施电压突然降低或改变方向，聚集电荷可在短时间内快速释放，由于场强分布不均或过于集中时，电荷就会长期聚集绝缘薄弱处形成密集电荷区，这种长时间聚集电荷不断侵蚀该处绝缘材料，从而引发局部放电。

根据震动理论：具有弹性和惯性的力学系统（严格来说，每个物理力学系统都具有弹性和惯性）都具有振动的能力，能在一定条件下产生振动。当电缆中发生局部放电后，由于电场力的作用或压力的作用，气隙会产生膨胀和收缩的过程，这个过程将会引起局部体积变化。这种体积的变化，在外部产生压力波。以往都是从信号处理的方面进行研究，而对于局放中的电—压力波转换过程研究较少。电缆的局部放电种类有很多，有些在很低的过电压下的局部放电几乎不产生热辐射，有些在很高的过电压下局部放电则可能产生很强的热辐射时，高温将会在气隙内产生一定的压力。由此可以得出，在较低电压情况下，气隙在脉冲电场力的作用下将产生衰减的振荡运动，在气隙振动的作用下，周围的介质中将产生超声波；二是局部放电后产生的热量，引起气隙膨胀而产生的压力波。

压力波产生原理主要是：由于气隙与固体绝缘介质两相力的不平衡，以及放电过程中产生的热量，气隙膨胀体系的恢复力由气隙中心指向外壁，受到固体绝缘反作用力压迫，此时气隙内的压力为最大，气隙振动完成了一个周期的振动信号，该振动信号已纵向或横向压力波式外界扩散，经过多个周期扩散后，最终使得气隙和固体绝缘达到力的平衡，这种压力波造成气隙变大，对电缆中固体绝缘造成永久性损伤。主要的机制是热膨胀机制，是一种激烈的激发方式，由于电磁辐射物体表面从而在物体表面产生温度沉积然后由于胀缩效应产生波，从而产生一个反向冲击力，这种机制是利用的电磁的热效应，然后这个沉积的热量与材料相作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势分析方法，通过描述电缆接头绝缘击穿电弧的动力学模型，基于该动力学模型得到时变的电弧电导率和电流密度结果，基于电弧发展过程中的时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗，即本发明采用数值方法对电缆接头绝缘击穿电弧动态过程进行计算，为后续研究电缆接头在绝缘电弧击穿缺陷下的热-力特性以及利用外在热-力特性表征电缆接头在电弧缺陷下的爆炸阈值提供依据，从而，本发明对电缆接头的放电痕迹趋势分析，避免电弧击穿造成的电缆接头绝缘介质烧毁、爆炸事故发生。

另外，电缆接头内部绝缘击穿是绝缘内部气隙局部放电的最终形式，同样以电缆接头屏蔽层金属导体剥切处的绝缘击穿进行计算，采用磁流体动力学（MHD）方法对电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体的宏观过程进行数学描述，即采用热流场与相关麦克斯韦方程组耦合对电弧进行数学建模分析，实现电缆接头放电痕迹趋势分析，从而对电缆接头的安全性进行预警指示。

附图说明

图1是本发明实施例中激光诱导压力波法原理图；

图2是本发明实施例中电缆接头内部绝缘击穿电弧计算物理模型图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例一

一种基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势分析方法，包括以下步骤：

S1：使用激光诱导压力波的方式对电缆接头进行检测；

S2：建立电缆接头绝缘击穿电弧的动力学模型，并根据该动力学模型得到时变的电弧电导率和电流密度结果；

S3：根据电弧发展过程中的时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗；

S4：根据S2得到的时变电弧电导率和电流密度结果，以及S3时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗，进行放电痕迹趋势分析。

S1中，激光照射电缆接头发出压力波，压力波穿过电缆接头并扰动电缆接头内部的空间电荷，进而导致电缆接头的介电常数发生变化，通过测试由介电常数变化影响的外电路电流，以此表征电缆接头中的空间电荷分布。

采用激光诱导压力波法进行测量时，待测电缆接头与信号输出端、信号输出端与保护电路、保护电路与放大器之间的线缆长度都小于 0.5m。

S2中，电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体满足局域热力学平衡条件，即不同粒子的温度可用统一的热力学温度进行描述；电缆接头绝缘击穿通道内部电弧等离子体可当做牛顿流体，且为层流；不考虑电缆接头绝缘击穿电弧通道两端金属导体表面附近的空间电荷层；忽略电缆接头绝缘击穿通道内电弧对两端铜导体和周围绝缘介质的烧蚀，即不考虑金属蒸气和有机蒸汽的影响；不考虑电缆接头绝缘击穿通道截面尺寸的变化，即将绝缘电弧击穿通道等效为一圆柱体进行处理。

采用磁流体动力学方法对电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体的宏观过程进行数学描述，即采用热流场与相关麦克斯韦方程组耦合对电弧进行数学建模分析。

实施例二

一种基于压力波检测的电缆接头放电痕迹趋势分析方法，包括以下步骤：

S1：使用激光诱导压力波的方式对电缆接头进行检测；

S2：建立电缆接头绝缘击穿电弧的动力学模型，并根据该动力学模型得到时变的电弧电导率和电流密度结果；

S3：根据电弧发展过程中的时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗；

S4：根据S2得到的时变电弧电导率和电流密度结果，以及S3时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗，进行放电痕迹趋势分析。

S1中，激光照射电缆接头发出压力波，压力波穿过电缆接头并扰动电缆接头内部的空间电荷，进而导致电缆接头的介电常数发生变化，通过测试由介电常数变化影响的外电路电流，以此表征电缆接头中的空间电荷分布。

采用激光诱导压力波法进行测量时，待测电缆接头与信号输出端、信号输出端与保护电路、保护电路与放大器之间的线缆长度都小于0.5m。

S2中，电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体满足局域热力学平衡条件，即不同粒子的温度可用统一的热力学温度进行描述；电缆接头绝缘击穿通道内部电弧等离子体可当做牛顿流体，且为层流；不考虑电缆接头绝缘击穿电弧通道两端金属导体表面附近的空间电荷层；忽略电缆接头绝缘击穿通道内电弧对两端铜导体和周围绝缘介质的烧蚀，即不考虑金属蒸气和有机蒸汽的影响；不考虑电缆接头绝缘击穿通道截面尺寸的变化，即将绝缘电弧击穿通道等效为一圆柱体进行处理。

采用磁流体动力学方法对电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体的宏观过程进行数学描述，即采用热流场与相关麦克斯韦方程组耦合对电弧进行数学建模分析。

本发明实施例中，激光诱导压力波法的基本原理如图1所示。利用激光照射靶材料使材料消散并产生前沿陡峭的压力波，压力波穿过试样并扰动试样内部的空间电荷，进而导致材料的介电常数发生变化。测试由介电常数变化影响的外电路电流，以此表征介质中的空间电荷分布。

采用激光诱导压力波法进行测量时，虽然用于产生压力波的激光源的种类较多，但测试的效果基本相同。另外，搭建测量系统时为减少阻抗不匹配引起的反射信号，通常要求试样与信号输出端、信号输出端与保护电路、保护电路与放大器之间的线缆长度等都小于0.5m。该方法由于以极高功率激光为激励，测试得到的有效信号幅值往往远高于传统PEA 测试方法，测试随机噪声幅值相对较低，测试信噪比很高，几乎不需要采用平均技术进行处理，因而在测试速度上具有一定的优势，并且测试不受温度限制。相对于其他测量方法，LIPP方法不需要反卷积处理，恢复方法相对简单。该方法由于作为激励使用的压力波的频率较低，其在传播过程中的衰减较小，因此可以忽略压力波的衰减影响。

一旦电缆接头绝缘内部气隙放电微通道贯穿整个绝缘层时，即发生绝缘电弧击穿，电缆导体瞬间对地短路将在绝缘击穿通道内释放巨大能量，最终导致电缆接头的绝缘介质烧毁、爆炸事故发生。因此，项目采用数值方法对电缆接头绝缘击穿电弧动态过程进行计算，得到并分析绝缘电弧击穿通道内的等效热损耗，包括以下两个方面：

①描述电缆接头绝缘击穿电弧的动力学模型，基于该动力学模型得到时变的电弧电导率和电流密度结果；

②基于电弧发展过程中的时变电参数计算绝缘击穿电弧的等效热损耗。

绝缘击穿电弧热损耗计算结果可为后续研究电缆接头在绝缘电弧击穿缺陷下的热-力特性以及利用外在热-力特性表征电缆接头在电弧缺陷下的爆炸阈值提供依据。

绝缘击穿电弧的动力学模型

电缆接头内部绝缘击穿是绝缘内部气隙局部放电的最终形式，同样以电缆接头屏蔽层金属导体剥切处的绝缘击穿为例进行计算，物理模型如2所示。

为了减小电缆接头绝缘击穿电弧过程数值计算的复杂性，作出以下假设简化计算：电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体满足局域热力学平衡条件，即不同粒子的温度可用统一的热力学温度进行描述；电缆接头绝缘击穿通道内部电弧等离子体可当做牛顿流体，且为层流；不考虑电缆接头绝缘击穿电弧通道两端金属导体表面附近的空间电荷层；忽略电缆接头绝缘击穿通道内电弧对两端铜导体和周围绝缘介质的烧蚀，即不考虑金属蒸气和有机蒸汽的影响；不考虑电缆接头绝缘击穿通道截面尺寸的变化，即将绝缘电弧击穿通道等效为一圆柱体进行处理。

基于以上基本假设，可采用磁流体动力学（MHD）方法对电缆接头绝缘击穿通道内电弧等离子体的宏观过程进行数学描述，即采用热流场与相关麦克斯韦方程组耦合对电弧进行数学建模分析。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。