基于電纜表面溫度的電纜接頭纜芯溫度反演方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電纜防災(zāi)減災(zāi)在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電纜表面溫 度的電纜接頭纜芯溫度反演方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力電纜是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，承擔(dān)著電能傳輸?shù)闹厝?。由?電纜接頭絕緣老化導(dǎo)致部分區(qū)域局放電流變大，特別是在高負(fù)荷情況下，使得電纜接頭內(nèi) 部出現(xiàn)急劇溫升，以及由此產(chǎn)生的接頭爆炸，對輸電線路安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了威脅，所以電 力電纜防災(zāi)減災(zāi)在線監(jiān)測技術(shù)亟待完善。目前國內(nèi)外常用的電力電纜在線監(jiān)測技術(shù)主要包 括直流分量法、直流疊加法、低頻疊加法、在線介質(zhì)損耗角正切法、局部放電在線監(jiān)測法、接 地電流監(jiān)測、接地容性電流監(jiān)測、電纜護(hù)層綜合監(jiān)測、電纜分布式光纖在線測溫、電纜終端 紅外和紫外在線檢測。
[0003] 直流分量法是通過檢測電纜絕緣體中的直流分量來判斷電纜絕緣老化的方法，但 是由于直流分量法中測得的電流極微弱，在現(xiàn)場進(jìn)行支流分量法的測量時，微小的干擾電 流就會引起很大的誤差。直流疊加法由于絕緣電阻與電纜的殘余壽命的相關(guān)性并不好，分 散性太大，又因絕緣電阻與很多因素有關(guān)，很難測量其絕緣電阻值并預(yù)測電纜的老化程度。 低頻疊加法將低頻電壓接入電纜高壓回路的高壓端與地之間，從電纜的接地線上測出低頻 電流。由于電纜絕緣層可看作RC的并聯(lián)等值電路，當(dāng)施加的電壓為低頻時，流過絕緣層的 容性電流較工頻時小得多，而阻性電流卻無明顯的變化，較易從接地線總低頻電流中分離 出阻性分量。在線介質(zhì)損耗角正切法通過電壓互感器將運行電纜的電壓信號取出，同時運 用電流互感器將流過電纜絕緣的工頻電流信號取出，比較兩者的相位！便可得電纜絕緣的 介質(zhì)損耗角正切從而判斷絕緣老化程度。局部放電在線監(jiān)測法常用的幾種局部放電檢測方 法有：內(nèi)置耦合電容法）脈沖電流法）空間超高頻法及超聲波法等，分析局部放電水平和電 壓的關(guān)系，以判斷局部放電的性質(zhì)。接地電流監(jiān)測通常采用在接地線上安裝電流互感器來 實現(xiàn)，無需改變接地線的連接方式，適合IlOkV及以上電壓等級電纜線路。接地容性電流監(jiān) 測通過接地電流中容性分量的增量Λ Ig，反映XLPE電纜絕緣老化前后的電容量變化。電纜 護(hù)層綜合監(jiān)測通過對金屬護(hù)層的感應(yīng)電勢、接地電流、電磁力及應(yīng)力應(yīng)變等的全面分析研 宄，得到各類故障或缺陷的表征現(xiàn)象及特征量。電纜分布式光纖在線測溫主要依據(jù)光纖的 光時域反射原理及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)?；谒鶞y溫度，可對電纜的載流量進(jìn)行 計算，進(jìn)一步獲得電纜運行信息。電纜終端紅外和紫外在線檢測是利用紅外探測器、光學(xué)成 像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接收被測目標(biāo)的紅外輻射，將其能量分布圖形反映到紅外探測器的 光敏元件上，再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號通過電視屏或監(jiān)測器顯示。該項技術(shù)雖然效果較為理 想，其優(yōu)點是測量靈敏度高、結(jié)果直觀及可靠性好，但測量結(jié)果難以對缺陷程度準(zhǔn)確判斷， 是需要進(jìn)一步解決的問題。
[0004] 通過對電纜故障數(shù)據(jù)分析，電纜附件和彎曲敷設(shè)的部位是電力系統(tǒng)安全運行中的 最薄弱環(huán)節(jié)。由于電纜本身特性，附件（終端、接頭）需要在敷設(shè)完成后現(xiàn)場安裝，制作時 受現(xiàn)場環(huán)境不利因素的影響以及制作工藝的限制，而電纜中間接頭的壓接質(zhì)量，只能在運 行中得以檢驗。其運行時間越長附件越容易發(fā)生過熱燒穿事故。同時，經(jīng)過一段時間的大 電流（過負(fù)荷）運行后，往往在壓接點處產(chǎn)生過熱、氧化，使接觸電阻逐漸增大，接點溫度逐 漸升高，使絕緣老化，最終導(dǎo)致絕緣層損壞而造成事故發(fā)生。而現(xiàn)有的上述技術(shù)主要是對電 纜老化狀態(tài)的一種間接監(jiān)測，不能直接對電力電纜故障進(jìn)行及時預(yù)警，容易造成電纜事故 的發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種結(jié)合有限元分析和熱路模型的、基 于電纜表面溫度的電纜接頭纜芯溫度反演方法及系統(tǒng)，采用本發(fā)明可直接獲得電纜接觸處 纜芯接觸點溫度，從而實現(xiàn)纜芯接觸點溫度的實時監(jiān)控。
[0006] 本發(fā)明思路為：基于有限元溫度場分析和熱路模型，結(jié)合徑向溫度反演和軸向溫 度擬合，根據(jù)電纜本體表面溫度獲得電纜接頭處纜芯接觸點溫度。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一、基于電纜表面溫度的電纜接頭纜芯溫度反演方法，包括步驟：
[0009] 步驟1，根據(jù)電纜一維暫態(tài)熱路模型和電纜本體的表面測溫點溫度進(jìn)行徑向溫 度反演，獲得纜芯擬合點反演暫態(tài)溫度，纜芯擬合點即表面測溫點在纜芯上的徑向投影位 置；
[0010] 步驟2,采用有限元溫度場仿真法構(gòu)建電纜二維溫度場仿真模型，并在不同加載電 流和不同時刻下仿真纜芯接觸點和纜芯擬合點的暫態(tài)溫度，獲得暫態(tài)溫度仿真數(shù)據(jù)集；
[0011] 步驟3,以纜芯接觸點暫態(tài)溫度為自變量、纜芯擬合點暫態(tài)溫度為因變量，對暫態(tài) 溫度仿真數(shù)據(jù)集進(jìn)行擬合，獲得纜芯軸向溫度函數(shù)；
[0012] 步驟4,結(jié)合纜芯擬合點反演暫態(tài)溫度和纜芯軸向溫度函數(shù)獲得纜芯接觸點溫度。
[0013] 上述表面測溫點設(shè)于距電纜接頭2. 5m的同側(cè)電纜本體表面。
[0014] 上述纜芯擬合點數(shù)量為2~6。
[0015] 步驟1進(jìn)一步包括子步驟：
[0016] I. 1根據(jù)電纜本體各層及土壤各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)，獲得電纜本體各層和 土壤各層的熱阻和熱容，其中，材料參數(shù)包括熱導(dǎo)率、密度和比熱容；
[0017] 1. 2根據(jù)熱阻和熱容分別獲得電纜本體各層和土壤各層的集總熱阻和集總熱容；
[0018] 1. 3基于集總熱阻和熱容構(gòu)建電纜的一維暫態(tài)熱路模型；
[0019] 1. 4基于一維暫態(tài)熱路模型，通過復(fù)頻域變換和節(jié)點電壓方程求解獲得反映電纜 本體表面溫度和纜芯溫度之差的徑向溫差函數(shù)；
[0020] 1. 5結(jié)合電纜本體表面測溫點溫度和徑向溫差函數(shù)獲得纜芯擬合點反演暫態(tài)溫 度。
[0021] 步驟2中所述的加載電流為一系列逐漸增大、但不大于電纜最大工作電流的電流 值序列。
[0022] 步驟2進(jìn)一步包括子步驟：
[0023] 2. 1根據(jù)電纜接頭、電纜本體和土壤的結(jié)構(gòu)，采用有限元分析法構(gòu)建電纜二維溫度 場仿真模型；
[0024] 2. 2輸入環(huán)境溫度、加載電流、電纜和土壤的各層的材料參數(shù)，采用有限元分析法 對電纜二維溫度場仿真模型進(jìn)行溫度場仿真，獲得不同加載電流和不同時刻下纜芯接觸點 和纜芯擬合點的暫態(tài)溫度，其中，材料參數(shù)包括密度、比熱容和熱導(dǎo)率。
[0025] 步驟3中所述的擬合為非線性擬合。
[0026] 二、基于電纜表面溫度的電纜接頭纜芯溫度反演系統(tǒng)，包括：
[0027] 第一模塊，用來根據(jù)電纜一維暫態(tài)熱路模型和電纜本體的表面測溫點溫度進(jìn)行徑 向溫度反演，獲得纜芯擬合點反演暫態(tài)溫度，纜芯擬合點即表面測溫點在纜芯上的徑向投 影位置；
[0028] 第二模塊，用來采用有限元溫度場仿真法構(gòu)建電纜二維溫度場仿真模型，并在不 同加載電流和不同時刻下仿真纜芯接觸點和纜芯擬合點的暫態(tài)溫度，獲得暫態(tài)溫度仿真數(shù) 據(jù)集；
[0029] 第三模塊，用來以纜芯接觸點暫態(tài)溫度為自變量、纜芯擬合點暫態(tài)溫度為因變量， 對暫態(tài)溫度仿真數(shù)據(jù)集進(jìn)行擬合，獲得纜芯軸向溫度函數(shù)；
[0030] 第三模塊，用來結(jié)合纜芯擬合點反演暫態(tài)溫度和纜芯軸向溫度函數(shù)獲得纜芯接觸 點溫度。
[0031] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：
[0032] 1、無需在電纜接頭內(nèi)敷設(shè)溫度傳感器，利用電纜本體表面溫度通過反演和擬合， 即可獲得準(zhǔn)確的纜芯接觸點溫度，簡單便捷；
[0033] 2、可反演電纜接頭處纜芯接觸點溫度，從而可及時