基于电缆表面温度的电缆接头缆芯温度反演方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电缆防灾减灾在线监测技术领域，尤其涉及一种基于电缆表面温 度的电缆接头缆芯温度反演方法及系统。
【背景技术】
[0002] 电力电缆是电力系统中不可或缺的重要组成部分，承担着电能传输的重任。由于 电缆接头绝缘老化导致部分区域局放电流变大，特别是在高负荷情况下，使得电缆接头内 部出现急剧温升，以及由此产生的接头爆炸，对输电线路安全稳定运行构成了威胁，所以电 力电缆防灾减灾在线监测技术亟待完善。目前国内外常用的电力电缆在线监测技术主要包 括直流分量法、直流叠加法、低频叠加法、在线介质损耗角正切法、局部放电在线监测法、接 地电流监测、接地容性电流监测、电缆护层综合监测、电缆分布式光纤在线测温、电缆终端 红外和紫外在线检测。
[0003] 直流分量法是通过检测电缆绝缘体中的直流分量来判断电缆绝缘老化的方法，但 是由于直流分量法中测得的电流极微弱，在现场进行支流分量法的测量时，微小的干扰电 流就会引起很大的误差。直流叠加法由于绝缘电阻与电缆的残余寿命的相关性并不好，分 散性太大，又因绝缘电阻与很多因素有关，很难测量其绝缘电阻值并预测电缆的老化程度。 低频叠加法将低频电压接入电缆高压回路的高压端与地之间，从电缆的接地线上测出低频 电流。由于电缆绝缘层可看作RC的并联等值电路，当施加的电压为低频时，流过绝缘层的 容性电流较工频时小得多，而阻性电流却无明显的变化，较易从接地线总低频电流中分离 出阻性分量。在线介质损耗角正切法通过电压互感器将运行电缆的电压信号取出，同时运 用电流互感器将流过电缆绝缘的工频电流信号取出，比较两者的相位！便可得电缆绝缘的 介质损耗角正切从而判断绝缘老化程度。局部放电在线监测法常用的几种局部放电检测方 法有：内置耦合电容法）脉冲电流法）空间超高频法及超声波法等，分析局部放电水平和电 压的关系，以判断局部放电的性质。接地电流监测通常采用在接地线上安装电流互感器来 实现，无需改变接地线的连接方式，适合IlOkV及以上电压等级电缆线路。接地容性电流监 测通过接地电流中容性分量的增量Λ Ig，反映XLPE电缆绝缘老化前后的电容量变化。电缆 护层综合监测通过对金属护层的感应电势、接地电流、电磁力及应力应变等的全面分析研 宄，得到各类故障或缺陷的表征现象及特征量。电缆分布式光纤在线测温主要依据光纤的 光时域反射原理及光纤的背向拉曼散射温度效应。基于所测温度，可对电缆的载流量进行 计算，进一步获得电缆运行信息。电缆终端红外和紫外在线检测是利用红外探测器、光学成 像物镜和光机扫描系统接收被测目标的红外辐射，将其能量分布图形反映到红外探测器的 光敏元件上，再转换成标准视频信号通过电视屏或监测器显示。该项技术虽然效果较为理 想，其优点是测量灵敏度高、结果直观及可靠性好，但测量结果难以对缺陷程度准确判断， 是需要进一步解决的问题。
[0004] 通过对电缆故障数据分析，电缆附件和弯曲敷设的部位是电力系统安全运行中的 最薄弱环节。由于电缆本身特性，附件（终端、接头）需要在敷设完成后现场安装，制作时 受现场环境不利因素的影响以及制作工艺的限制，而电缆中间接头的压接质量，只能在运 行中得以检验。其运行时间越长附件越容易发生过热烧穿事故。同时，经过一段时间的大 电流（过负荷）运行后，往往在压接点处产生过热、氧化，使接触电阻逐渐增大，接点温度逐 渐升高，使绝缘老化，最终导致绝缘层损坏而造成事故发生。而现有的上述技术主要是对电 缆老化状态的一种间接监测，不能直接对电力电缆故障进行及时预警，容易造成电缆事故 的发生。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种结合有限元分析和热路模型的、基 于电缆表面温度的电缆接头缆芯温度反演方法及系统，采用本发明可直接获得电缆接触处 缆芯接触点温度，从而实现缆芯接触点温度的实时监控。
[0006] 本发明思路为：基于有限元温度场分析和热路模型，结合径向温度反演和轴向温 度拟合，根据电缆本体表面温度获得电缆接头处缆芯接触点温度。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一、基于电缆表面温度的电缆接头缆芯温度反演方法，包括步骤：
[0009] 步骤1，根据电缆一维暂态热路模型和电缆本体的表面测温点温度进行径向温 度反演，获得缆芯拟合点反演暂态温度，缆芯拟合点即表面测温点在缆芯上的径向投影位 置；
[0010] 步骤2,采用有限元温度场仿真法构建电缆二维温度场仿真模型，并在不同加载电 流和不同时刻下仿真缆芯接触点和缆芯拟合点的暂态温度，获得暂态温度仿真数据集；
[0011] 步骤3,以缆芯接触点暂态温度为自变量、缆芯拟合点暂态温度为因变量，对暂态 温度仿真数据集进行拟合，获得缆芯轴向温度函数；
[0012] 步骤4,结合缆芯拟合点反演暂态温度和缆芯轴向温度函数获得缆芯接触点温度。
[0013] 上述表面测温点设于距电缆接头2. 5m的同侧电缆本体表面。
[0014] 上述缆芯拟合点数量为2~6。
[0015] 步骤1进一步包括子步骤：
[0016] I. 1根据电缆本体各层及土壤各层的结构参数和材料参数，获得电缆本体各层和 土壤各层的热阻和热容，其中，材料参数包括热导率、密度和比热容；
[0017] 1. 2根据热阻和热容分别获得电缆本体各层和土壤各层的集总热阻和集总热容；
[0018] 1. 3基于集总热阻和热容构建电缆的一维暂态热路模型；
[0019] 1. 4基于一维暂态热路模型，通过复频域变换和节点电压方程求解获得反映电缆 本体表面温度和缆芯温度之差的径向温差函数；
[0020] 1. 5结合电缆本体表面测温点温度和径向温差函数获得缆芯拟合点反演暂态温 度。
[0021] 步骤2中所述的加载电流为一系列逐渐增大、但不大于电缆最大工作电流的电流 值序列。
[0022] 步骤2进一步包括子步骤：
[0023] 2. 1根据电缆接头、电缆本体和土壤的结构，采用有限元分析法构建电缆二维温度 场仿真模型；
[0024] 2. 2输入环境温度、加载电流、电缆和土壤的各层的材料参数，采用有限元分析法 对电缆二维温度场仿真模型进行温度场仿真，获得不同加载电流和不同时刻下缆芯接触点 和缆芯拟合点的暂态温度，其中，材料参数包括密度、比热容和热导率。
[0025] 步骤3中所述的拟合为非线性拟合。
[0026] 二、基于电缆表面温度的电缆接头缆芯温度反演系统，包括：
[0027] 第一模块，用来根据电缆一维暂态热路模型和电缆本体的表面测温点温度进行径 向温度反演，获得缆芯拟合点反演暂态温度，缆芯拟合点即表面测温点在缆芯上的径向投 影位置；
[0028] 第二模块，用来采用有限元温度场仿真法构建电缆二维温度场仿真模型，并在不 同加载电流和不同时刻下仿真缆芯接触点和缆芯拟合点的暂态温度，获得暂态温度仿真数 据集；
[0029] 第三模块，用来以缆芯接触点暂态温度为自变量、缆芯拟合点暂态温度为因变量， 对暂态温度仿真数据集进行拟合，获得缆芯轴向温度函数；
[0030] 第三模块，用来结合缆芯拟合点反演暂态温度和缆芯轴向温度函数获得缆芯接触 点温度。
[0031] 和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0032] 1、无需在电缆接头内敷设温度传感器，利用电缆本体表面温度通过反演和拟合， 即可获得准确的缆芯接触点温度，简单便捷；
[0033] 2、可反演电缆接头处缆芯接触点温度，从而可及时