基于季节负荷和温度周期的电力电缆电热退化模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力系统电力电缆老化研究技术领域，具体设及一种基于季节负荷和 溫度周期的电力电缆电热退化模拟方法。
【背景技术】
[0002] 迄今为止，国内外对电力电缆外绝缘退化的测定主要采用物理实验法进行，主要 有W下两种：
[0003] (1)耐压法
[0004] 耐压法是一种直接判断电缆绝缘性能的方法，基本能够较为准确地对电缆进行寿 命评估，但是运种方法并不能准确区分分布性缺陷与集中性缺陷对电缆寿命的影响，且耐 压后如果对电缆忍的放电时间不够，耐压后的残余电压会影响绝缘电阻的测量值，实验过 程中，该方法需要不断与新电缆的参数进行比较，处理数据较为繁琐。
[0005] (2)介质损耗因素法
[0006] 介质损耗因素法主要依据谐波分析实现介质损耗角的测量，由于电力系统的工频 信号在各种因素的影响下，其基波频率会有一定波动，并不总是理想的50化，依据谐波分析 法对介质损耗角的测试与分析也会由于"频谱泄露"现象产生较大的误差。离线测量介质损 耗角，需要电缆停运，因此限制了该方法的推广应用。
[0007] (3)等溫松弛电流法
[000引等溫松弛电流法基于聚合物介质极化理论和等溫松弛电流理论，通过对电缆绝缘 体施加直流电压，使得绝缘体产生极化现象，再去掉外加电场。该暂态过程中，电缆内部发 生电子的热释放，绝缘体内会产生松弛，此去极化现象会产生等溫松弛电流，通过测量等溫 松弛电流推断电缆内部的老化状况。该方法实验平台搭建困难，试验需电缆停电；另外，该 方法尚处于实验室研究阶段，还未现场应用。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种简单实用准确的、基于季节负荷和溫度周期的电力电 缆电热退化模拟方法，从而可对电力电缆使用寿命进行量化评估。
[001日]本发明思路为：
[0011] 根据电力电缆日负荷计算电缆的发热量，又通过环境溫度和电缆的发热量计算电 缆的溫度;基于非扩散热力学和电缆老化理论模拟电缆外绝缘材料的热老化状况，结合历 史故障数据，构建电缆的可靠性模型，据可靠性模型对电缆的使用寿命进行量化评估。
[0012] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0013] -种基于季节负荷和溫度周期的电力电缆电热退化模拟方法，包括：
[0014] Sl采集电力电缆的负荷数据，获得电力电缆的日负荷曲线；
[0015] S2根据日负荷曲线计算电力电缆各时刻的运行溫度，根据计算的运行溫度数据， 人为设定电力电缆在各电应力等级j下运行溫度的近似值，记为Tj;
[0016] S3采用电热老化试验和/或模拟法，获得不同电应力条件和不同运行溫度下电力 电缆的剩余热寿命数据；
[0017] S4根据Miner定律获得电力电缆的寿命累积退化量
其中，D(n)表 示第n天的寿命累积退化量;j为电应力等级，j = l，2，...k，k表示电应力等级最大值;nj表 示电应力等级j下电力电缆的已运行天数;表示电应力等级j下电力电缆的剩余热寿命，Nj 根据步骤S3所得的剩余热寿命数据获得，具体为:根据剩余热寿命数据，获得运行溫度为Tj 时电应力等级j对应的剩余热寿命数据，根据电应力等级j对应的剩余热寿命数据，人为设 定电应力等级j对应的剩余热寿命的近似值，即Nj ;
[0018] S5基于电力电缆的寿命累积退化量对电力电缆进行可靠性分析。
[0019] 步骤Sl中，取电力电缆负荷的小时平均值获得电缆的日负荷曲线。
[0020] 步骤S5中，当累积退化量D(n)和故障退化量化(n)符合正态分布时，可靠性Re由联 合概率求得，即
，fi(D(n))和f2(〇T(n))分别为累 积退化量D(n)和故障退化量化(n)的概率密度。
[0021] 步骤S5中，当累积退化量D(n)和故障退化量化(n)不符合正态分布时，可靠性Re = P(D(n)<DT(n))。
[0022] 和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0023] (1)简化了电力电缆寿命预测的过程。
[0024] (2)考虑了电力电缆历史状态对电力电缆寿命的影响。
[0025] (3)考虑了电热效应对电力电缆寿命的影响。
【附图说明】
[00%]图1为电力电缆的热寿命曲线；
[0027] 图2为电力电缆的热退化过程曲线，其中，周期即昼夜周期；
[0028] 图3为电力电缆的累积退化概率密度曲线；
[0029] 图4为实施例中电力电缆的月负荷曲线；
[0030] 图5为实施例中电力电缆的日负荷曲线；
[0031] 图6为实施例中±壤溫度曲线；
[0032] 图7为实施例中电力电缆冬季的运行溫度曲线；
[0033] 图8为实施例中电力电缆夏季的运行溫度曲线；
[0034] 图9为实施例中电力电缆的可靠性和运维策略示意图，其中，日周期数即天数。
【具体实施方式】
[0035] 下面将结合附图对本发明【具体实施方式】进行详细说明。
[0036] 本发明具体步骤如下：
[0037] 步骤一，计算电力电缆的日负荷曲线。
[0038] 电力电缆的负荷具有随机特性，无法准确利用函数拟合，但可采用电力电缆的日 负荷曲线描述。由于本发明需要基于电力电缆的负荷计算其因焦耳效应导致的发热量，并 不需要精确获知电力电缆的负荷值，为方便计算，可取电力电缆负荷的小时平均值获得日 负荷曲线。
[0039] 步骤二，根据日负荷曲线获得电力电缆各时刻的运行溫度。
[0040] 电力电缆的溫度主要有两个影响因素：电流焦耳效应产生的热量和电力电缆周围 环境引起的热量耗散。本步骤属于本领域内的公知技术，为便于理解，下面将对电力电缆运 行溫度的计算过程进行详细描述。
[0041 ]利用电力电缆负荷值，根据IE邸242-2001标准提供的公式（1)~（2)计算电力电 缆的运行溫度。
[0042] 电流焦耳效应引起的电力电缆溫度升高可采用下式获得：
[0043]
(1)
[0044] 则电力电缆的运行溫度可采用下式获得：
[0045]
(2)
[0046] 式（1)~（2)中：A ti和A ti-i表示相邻的两个时刻；Il( A ti)表示时刻A ti的载流 量；Ir表示电力电缆的额定载流量;Tl( A ti)表示时刻A ti由电流焦耳效应引起的溫度升 高;Ta( A ti)和Ta( A ti-i)分别表示时刻A ti和A ti-i的环境溫度;Ta,o表示基准环境溫度，取 为20°C ; Tmax是电力电缆的额定工作溫度，由电力电缆采用的绝缘材料决定;Tc ( A ti)和Tc (A ti-1)分别表示时刻A ti和A ti-1下电力电缆的运行溫度;K为热力学常数。
[0047] 由于同一电应力等级下电力电缆的运行溫度比较接近，为便于后续计算，在根据 负荷数据计算了电力电缆各时刻的运行溫度数据后，再根据各电应力等级下的运行溫度数 据，人为设定电力电缆在各电应力等级j下运行溫度的近似值，记为Tj。
[0048] 步骤3,获得电力电缆的剩余热寿命数据。
[0049] 电流焦耳效应和环境溫度对电力电缆的溫度升高有协同作用。除了超过额定载流 量的特殊情况外，大部分时间电力电缆的载流量是低于额定载流量。因此，电力电缆绝缘层 表面溫度一般是低于额定最高溫度，即额定工作溫度Tmax。根据化化in理论，电力电缆的热 老化是由溫度引起的化学反应速率变化。老化速率和溫度的关系可W由Arrhenius热寿命 模型得到。Arrhenius热寿命模型如下：
[0 化 0]
(3)
[0051] 式(3)中，L代表电力电缆的热寿命，A表示频率常数，En为激活能，R为普适气体常 数，T表示电力电缆的运行溫度。
[0052] 当电压超过电力电缆的额定电压就有可能发生电击穿。当电力电缆所加的电压值 恒定，反乘幕法则和指数模型都可能用来表示电压和电场关系W及正常工作时间。
[0化3]电力电缆的剩余热寿命马5,&可W由反乘幕法则计算得到：
[0054]
(牛)
[0化5] 式(4)中：
[0化6] T'表示通常热应力下电力电缆的开尔文溫度，
，Tc( A ti)表示时 亥IJ Ati下电力电缆的运行溫度，Tc,O是电力电缆可允许的最高溫度；
[0057] E是最高电场强度，Eo是电老化的电场强度临界值，E和Eo根据电力电缆出厂时提供 的相关参数获得；
[005引 Lo是在Tc(Ati) =Tc,o、E = Eo时电力电缆的热寿命；
[0059] no是在Tc(Ati)=Tc,o时电力电缆的耐压系数，可通过耐压试验获得；
[0060] bET是电热溫度协同作用常数，可通过电热老化试验获得；
[OOW] Kb 是玻尔兹曼常数，KB = 8.62Xl〇-5eV/kelvin;
[0062] A W是通过短期试验得到的电力电缆的活化能。
[0063] 国际原子能机构推荐的普适与各类电力电缆的活化能见表1。
[0064] 表1电力电缆的活化能(单位:eV) 「noAf。 LUUC)C)」 巧刀巧缆的干巧巧应刀见恭
[0067] 表2平均电应力
[0069] 根据电热老化试验，在不同电应力下，获得电力电缆随运行溫度变化的热寿命曲 线，见图1。从图中可W看出，4kV/mm的电应力条件下，热寿命曲线近似平行Arrhenius热寿 命曲线，且寿命值相距很近，因此可近似认为电力电缆的热寿命曲线可采用Arrhenius热寿 命曲线代替。运样4kV/mm的电应力条件下电力电缆的剩余热寿命苗,&公式可简化为如下：
[0070]
(5>
[0071] 式巧）中，a表示