电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置及其方法与流程

本发明涉及输电线路安全领域，特别是涉及一种电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置及其方法。

背景技术：

现有的高压输电线路中多采用交联聚乙烯护套电力电缆，当交联聚乙烯电缆线路发生短路、绝缘老化或其他外力作用等原因造成击穿故障后，常用的处理方法是：将故障段电缆切弃，并使用中间接线盒将切断的电缆连接起来。对于中间接线盒的选择，冷缩式中间接头因其绝缘可靠、密封性好、安装方便、安全可靠等诸多优点，成为最为理想的中间接头。电缆冷缩中间接头利用橡胶“弹性记忆”的特性，采用先进的扩张技术，将制造好的电缆终端胶件在弹性范围内预先撑开，套入塑料支撑条；安装时，只需抽去塑料支撑条，电缆终端橡胶件就会迅速收缩抱紧在电缆上。在实际应用时，电缆附件的护套管、分支套、密封管等全部是冷缩产品，确保了交联聚乙烯电缆线路较好的密封性。

随着冷缩中间接头在交联聚乙烯电缆线路，尤其在10kV交联聚乙烯电缆线路中的广泛应用，由于中间接头冷缩管硅橡胶与交联聚乙烯构成的绝缘界面发生放电而导致输电线路故障的情况也频繁发生，其中，冷缩管界面压力不足是故障发生的主要原因之一。因此，对冷缩管界面压力进行计算与测量成为预防这一故障发生的首要手段。

目前传统的冷缩管界面压力的测量装置多使用铝管贴应变片，来对冷缩中间接头的界面压力进行测量，但是，由于用于测量的铝管模型与电缆的实际接头结构不尽相同，导致测量结果误差较大，无法起到预防配电网输电线路故障的作用。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的冷缩中间接头界面压力的测量装置的测量结果 误差较大的技术问题，提供一种电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置及其方法。

一种电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，包括：多个压力传感器、信号采集单元和数据处理单元；

所述压力传感器预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面，对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位，且各个压力传感器之间等距离地设于同一圆周内，所述压力传感器的输出端与所述信号采集单元连接；其中，所述冷缩管冷缩于对应的电缆段接头位置处；

所述信号采集单元在电缆正常运行过程中实时读取压力传感器产生的电信号，并将所述电信号传输至数据处理单元；

所述数据处理单元根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的界面压力值。

上述电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，通过预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面且对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位的压力传感器感应电缆冷缩中间接头所受的界面压力，并通过信号采集单元在电缆正常运行过程中实时读取上述压力传感器产生的电信号，再利用数据处理单元根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的界面压力值。通过上述技术方案，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置实现了对电缆冷缩中间接头界面压力的直接测量，避免了间接测量带来的误差，有效地提高了测量结果的准确性。

一种电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法，包括如下步骤：

将压力传感器预埋于冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面，对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位，且各个压力传感器之间等距离地设于同一圆周内，冷缩管冷缩于对应的电缆段接头位置；

在电缆正常运行过程中，利用信号采集单元实时读取压力传感器产生的电信号，并将所述电信号传输至数据处理单元；

所述数据处理单元根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的第一界面压力值。

上述电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法，通过预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面且对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位的压力传感器感应电缆冷缩中间接头所受的界面压力，并通过信号采集单元在电缆正常运行过程中实时读取上述压力传感器产生的电信号，再利用数据处理单元根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的第一界面压力值。通过上述技术方案，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法实现了对电缆冷缩中间接头界面压力的直接测量，避免了间接测量带来的误差，有效地提高了测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法流程图；

图3为本发明的另一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法流程图；

图4为本发明的另一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法中建立的电缆冷缩中间接头的材料力学模型；

图5为利用本发明的一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置和本发明的另一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法分别对5个不同试品进行界面压力测量得到的压力-时间变化曲线图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

如图1所示，图1为本发明的一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置的结构示意图，包括：多个压力传感器100、信号采集单元200和数据处理单元300；

所述压力传感器100预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面，对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位，且各个压力传感器之间等距离地设于同一圆周内，所述压力传感器100的输出端与所述信号采集单元200连接；其中，所述冷缩管冷缩于对应的电缆段接头位置处；

所述信号采集单元200在电缆正常运行过程中实时读取压力传感器100产生的电信号，并将所述电信号传输至数据处理单元300；

所述数据处理单元300根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的界面压力值。

上述电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，通过预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面且对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位的压力传感器100感应电缆冷缩中间接头所受的界面压力，并通过信号采集单元200在电缆正常运行过程中实时读取上述压力传感器100产生的电信号，再利用数据处理单元300根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的界面压力值。通过上述技术方案，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置实现了对电缆冷缩中间接头界面压力的直接测量，避免了间接测量带来的误差，有效地提高了测量结果的准确性。

在其中一个实施例中，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，所述压力传感器100预埋于电缆冷缩中间接头冷缩管的内应力锥和外应力锥之间的轴向中点位置处。

在上述实施例中，利用预埋于电缆冷缩中间接头冷缩管的内应力锥和外应力锥之间的轴向中点位置处的压力传感器100直接感应电缆冷缩中间接头所受的界面压力，使得感应得到的电信号能够更真实地反映电缆冷缩中间接头所受的界面压力；通过将压力传感器100预埋于电缆冷缩中间接头冷缩管的内应力锥和外应力锥之间的轴向中点位置处，使压力传感器能够均匀地感应电缆冷缩接头所受的界面压力，使得压力传感器感应的界面压力更准确，有效地提高了测量结果的准确性。

在实际应用中，所述冷缩管的内应力锥可以为冷缩管的半导体电极，所述 冷缩管的外应力锥为冷缩管的应力控制层。

在其中一个实施例中，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，所述冷缩中间接头通过将所述两个电缆段的线芯露出，将所述两个电缆段的外半导体剥离，使绝缘部分露出，并对所述绝缘部分进行清洗；再将所述两个电缆段的线芯对齐，并使用压接管进行压接的方式制作。

在其中一个实施例中，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，所述压力传感器100为薄膜压力传感器。

在其中一个实施例中，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，所述压力传感器100为电阻式压力传感器。

在上述实施例中，通过采用电阻式压力传感器感应电缆冷缩中间接头的界面压力，信息采集单元200在电缆正常运行过程中实时读取电阻式压力传感器产生的电阻信号，并将所述电阻信号传输至数据处理单元300；所述数据处理单元300根据预设的电阻信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的界面压力值。

在其中一个实施例中，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置，所述压力传感器的厚度为0～0.5mm，传感区域半径为5～12mm，传输长度不小于100mm。

在实际应用中，可以根据所测量的电缆冷缩中间接头的具体尺寸选择不同参数的压力传感器，在同等条件下，压力传感器的厚度越薄，压力传感器感应到的电信号误差越小，数据处理器测量得到的界面压力值也就越精确，有效地提高了测量结果的准确性。

如图2所示，图2为本发明的一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法流程图，包括如下步骤：

步骤S100：将压力传感器预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面，对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位，且各个压力传感器之间等距离地设于同一圆周内，冷缩管冷缩于对应的电缆段接头位置；

步骤S200：在电缆正常运行过程中，利用信号采集单元实时读取压力传感 器产生的电信号，并将所述电信号传输至数据处理单元；

步骤S300：所述数据处理单元根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的第一界面压力值。

上述电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法，通过预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面且对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位的压力传感器感应电缆冷缩中间接头所受的界面压力，并通过信号采集单元在电缆正常运行过程中实时读取上述压力传感器产生的电信号，再利用数据处理单元根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的第一界面压力值。通过上述技术方案，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法实现了对电缆冷缩中间接头界面压力的直接测量，避免了间接测量带来的误差，有效地提高了测量结果的准确性。

在其中一个实施例中，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法，在所述将压力传感器预埋于冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面的步骤之前，还包括：

将所述两个电缆段的线芯露出，将所述两个电缆段的外半导体剥离，使绝缘部分露出，并对所述绝缘部分进行清洁。

在其中一个实施例中，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法，在所述将压力传感器预埋于冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面的步骤之后，还包括：

将所述两个电缆段的线芯对齐，并使用压接管进行压接。

如图3所示，图3为本发明的另一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法流程图，在步骤S300之后，还可以包括：

步骤S400：根据预先建立的电缆冷缩中间接头的材料力学模型，计算得到电缆冷缩中间接头的第二界面压力值；其中，所述电缆冷缩中间接头的材料力学模型为：

式中，F表示冷缩中间接头的界面压力，p表示冷缩中间接头界面受到的压强，S表示冷缩中间接头的界面面积，l表示冷缩管轴向长度，E表示冷缩管硅橡胶材料的弹性模量，r_i表示冷缩管工作状态时的内半径，r₀表示冷缩管工作状态时的外半径，d表示冷缩管工作状态时的厚度，d₀表示冷缩管初始厚度，r_i0表示冷缩管初始内半径，r_o0表示冷缩管初始外半径。

在本步骤中，由于冷缩式电缆中间接头是由冷缩管硅橡胶材料与电缆绝缘交联聚乙烯的过盈配合来产生界面压力，从而保证该绝缘界面的电气强度。由于交联聚乙烯的弹性模量远大于硅橡胶，因此近似认为在冷缩过程中，交联聚乙烯绝缘为刚性物体，外径保持不变。另需认为硅橡胶为各项同性的弹性材料，即各方向的拉模量相同。使用微元法可对中间接头的硅橡胶冷缩管对绝缘表面的压力进行理论分析计算。

如图4所示，图4为本发明的另一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法中建立的电缆冷缩中间接头的材料力学模型，图4中，r_i0为冷缩管初始内半径，r_o0为冷缩管初始外半径，记d₀＝r_o0-r_i0为冷缩管初始厚度，r_i为冷缩管工作状态下内半径(即绝缘外半径)，r₀为冷缩管工作状态下外半径，记d＝r₀-r_i为冷缩管工作状态时的厚度，Δθ为一个较小圆心角。冷缩管轴向长度为l，弹性模量为E。由于冷缩管扩张前后的内外径均可测得，因此关于泊松比的分析，可以近似认为硅橡胶材料内部为径向均匀应变。故在冷缩管工作状态下，与内壁(内半径r_i)距离为x，厚度为dx的微元层，其应变为：

该位置切向受力为：

dF＝σdS＝lEεdx；

通过积分得到切向合力为：

最终，径向压力为切向合力的合成，得到电缆冷缩中间接头的界面压强为：

代入化简后最终得到如下算式

由此可知，界面压力与中间接头硅橡胶冷缩管的自然状态内径、外径，工作状态的内径、外径，以及硅橡胶材料的弹性模量相关。在实际运用中，通过测量得到各参量后，就可以通过理论公式对中间接头的界面压力情况进行计算评估。

步骤S500：对所述第一界面压力值和第二界面压力值进行加权求和，得到电缆冷缩中间接头的界面压力值。

在本步骤中，为了使利用两种测量方法测得的电缆冷缩中间接头所受的界面压力值更精确，可以对所述第一界面压力值和第二界面压力值进行加权求和，得到电缆冷缩中间接头的界面压力值，进一步减少了测量结果的误差，有效地提高了测量结果的准确性。

上述电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法，通过预埋于电缆冷缩中间接头的冷缩管起始侧的交联聚乙烯绝缘表面且对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位的压力传感器感应电缆冷缩中间接头所受的界面压力，并通过信号采集单元在电缆正常运行过程中实时读取上述压力传感器产生的电信号，再利用数据处理单元根据预设的电信号与压力值之间的对应关系，得到电缆冷缩中间接头的第一界面压力值。通过上述技术方案，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法实现了对电缆冷缩中间接头界面压力的直接测 量，避免了间接测量带来的误差，有效地提高了测量结果的准确性。

为了比较利用本发明的电缆冷缩中间接头的测量装置和测量方法得到的界面压力值两者之间的误差，可以选取一些试品来进行试验。

试品包括导体截面为240mm²与300mm²的8.7/10kV电缆段各两段，每段长度为1m，以及适用于导体截面为240mm²与300mm²电缆的中间接头冷缩管共五个，详细信息见表1。

表1 试品详细信息

为制作电缆冷缩中间接头，首先应对4个电缆段进行预处理。即按照中间接头制作步骤，对电缆段一端进行剥切，露出线芯5cm用于两段电缆的压接，之后为了部署传感器时能够将传感器平整放置，将外半导电层剥离30cm，露出绝缘，并用酒精纸擦拭干净。

之后将相同尺寸的电缆段线芯对齐，使用压接管压接，并确保连接后的整段电缆无弯曲。为避免抽冷缩管芯绳使传感区域偏移与折损，传感器部署于冷缩起始侧的交联聚乙烯绝缘表面，对应于冷缩管抽芯后硅橡胶与交联聚乙烯界面的中间部位。每个接头中共使用三个传感器，三个传感器相互等距离地位于同一圆周上，以减小电缆弯曲偏心而带来的误差。

每个冷缩管试品进行测试前，先要将其冷缩于对应的电缆段接头位置。冷缩起始位置压在传感器输出侧，并使两个输出端子能够露出。之后将输出端子与信号采集单元相连，信号采集单元将数据传输至电脑终端，完成压力数据采集。对于每个冷缩管试品，在接头安装0小时、5小时、10小时后分别进行数据采集，以保证能够测得稳定的界面压力。每组数据采集时，使用测试软件以0.03次/s的频率记录10秒内的测量结果，以尽可能地消除随机干扰引起的误差。

为了验证理论计算，每个接头进行界面压力测试后，还应使用游标卡尺测量冷缩管外径；之后将冷缩管沿轴向割开从电缆拆除，测量传感器所在位置的 绝缘外径，以及冷缩管复原后的初始内径与初始外径，其中每个点都要测量三次，尽可能减小测量误差。通过这些测得的参量，结合冷缩管内硅橡胶材料的弹性模量，对中间接头内的界面压力进行理论计算，并与压力测量的结果做比较。

对5个冷缩管试品分别进行尺寸测量后，得到其尺寸数据如表2。为了消除偏心等可能带来的误差，每个接头每个时间点测量的压力取三个传感器的平均值，最终得到5个不同试品的压力-时间变化曲线如图5所示。图5为利用本发明的一个实施例的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置分别对5个不同试品进行界面压力测量得到的压力-时间变化曲线图。图5的压力-时间变化曲线中的纵坐标表示压力轴Pressure(kg)，横坐标代表时间轴Time(h)。

表2 试品尺寸数据

由冷缩管试品中硅橡胶的弹性模量与测试得到的试品尺寸可通过上述电缆冷缩中间接头的材料力学模型计算出每个试品的界面压强理论值。由于压力感器的传感区域预埋位置处于硅橡胶与交联聚乙烯界面的中部，压强相等，而传感器传感区域为圆形，因此，实测界面压强与所测压力(kg)之间满足如下式所示的关系：

利用上述可求得电缆冷缩中间接头的界面压强的测试结果。理论值与实测值的对比结果见表3。

表3 5个试品界面压力理论值与实测值结果

通过上表可以得出，利用本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置和本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法对电缆冷缩中间接头的界面压力进行测量得到的界面压强值比较相近，误差也是在允许的范围内，因此，本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量装置及其方法能够减小对电缆冷缩中间接头界面压力间接测量的误差，有效地提高了测量结果的准确性。本发明的电缆冷缩中间接头界面压力的测量方法通过将利用装置和方法测量得到的界面压力值进行加权求和，进一步提高了电缆冷缩中间接头界面压力测量结果的准确性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。