提高110kV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法
【专利摘要】一种提高110kV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，首先，利用高频结构仿真器HFSS建立了电缆接头的三维仿真模型，分析了在电缆接头内部发生局部放电时，超高频信号通过屏蔽层断开处辐射出来的强度及其分布特点，验证了采用外置式传感器的可行性，得到了信号最强的传感器最佳安放位置。然后，根据微带贴片天线理论，制作了外置式超高频传感器，用于现场检测。最后，利用超高频传感器进行了现场实测分析，验证仿真结果。本发明具有操作方便、检测准确度高、适用范围广泛的优点。
【专利说明】提高110kV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力信息【技术领域】，具体地，涉及一种通过HFSS电磁仿真来提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法。
【背景技术】
[0002]交联聚乙烯(简称XLPE)电力电缆以其优越的电气性能、敷设容易、运行维护简单等优点被广泛应用于电力系统各个电压等级的输电线路中。但随着运行时间的增长，XLPE电缆及其接头引起的电力事故不断增加，其中电缆中间接头更是高压电缆绝缘的薄弱环节和典型运行故障部位。因此，电缆中间接头的绝缘性能受到了重点关注。随着局部放电超高频检测方法在电力变压器和GIS上的成功应用，电力电缆中间接头的绝缘性能检测越来越多地采用此方法。超高频检测法所用的传感器有外置式和内置式两种。内置式传感器需要把传感器置入在电缆中间接头中，这需要在敷设电缆时安装实现，而对于已经投入运行的电缆很难实施。并且，传感器置入电缆中间接头内，电缆中间接头的电场分布会受到影响，如果安装位置不当反而会使电缆中间接头发生故障。由此可知，内置式传感器现场应用有很大的局限性。
[0003]因此，很有必要采用更具普遍适用性的外置式传感器。而且对于外置式传感器的使用，由于三相交叉互联的电缆中间接头的屏蔽层是断开的，所以电磁信号可能通过屏蔽层断开处辐射出来被外置式传感器接收到。但超高频信号在空气中传播时衰减迅速，传感器安放位置不同接收到信号的大小有很大不同。如果传感器安放位置不佳，会因信号在空气中的衰减作用，检测不到信号或者信号过小，这样容易造成误检测。因此，如何根据电缆中间接头的结构特点及局部放电特性，描述接头外辐射出的电磁场信号的分布特点，确定适合传感器安放的接头外信号最强处，提高检测效果，是目前需要解决的问题。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术方法的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过HFSS电磁仿真来提高IlOkV电缆中间接头局部放电超高频检测效果的方法，此方法能够帮助确定适合外置式传感器安放的位置，很好的改善了电缆中间接头局部放电超高频检测效果。
[0005]为达到上述目的，本发明提供一种提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1:利用三维结构电磁场仿真软件HFSS进行建模，通过查阅到的电缆及其中间接头的规格尺寸进行三维图形的绘制，构建电缆中间接头三维仿真模型；
[0007]步骤2:设置模型的材料特性参数；
[0008]步骤3:进行激励源的添加、网格的设置、电磁场保存的设置以及探测线的设置；
[0009]步骤4:待步骤3及之前步骤完全做好后，进行有效性检查，保证所有检查结果都为正确，然后进行分析全部，即运行仿真模型；
[0010]步骤5:仿真运行结束后，通过场分布图观察电场分布情况、磁场分布情况；通过变化内部变量下的时间设置，观察不同时间下的分布状况，通过时间的增长，观察电磁场是否可以通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来；如果为“是”则进行步骤6，如果为“否”则进行步骤7 ；
[0011]步骤6:在结果下，通过生成电场及磁场分布报告，来观察探测线上的时域场分布曲线，对比分析信号幅值大小随时间变化的特性，找到信号最强的位置；
[0012]步骤7:根据微带贴片天线理论，制作外置式超高频传感器；
[0013]步骤8:利用制作的传感器进行现场实测，如果步骤5的结果为“是”，则传感器放在得到的最佳安放位置及周围位置，然后对实测数据进行数值比较及分析；如果步骤5的结果为“否”，则传感器放在电缆接头外附近，观察测到的数据；
[0014]步骤9:通过实测数据分析，对比实测和仿真结果，得到适合外置式传感器安放的最佳位置。
[0015]依照本发明较佳实施例所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，步骤2具体包括设置金属连接套管、橡胶应力锥和硅橡胶主绝缘的材料特性参数。
[0016]依照本发明较佳实施例所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，步骤2中所述的材料特性参数包括相对介电常数和相对磁导率，其中，金属连接套管设置为铜，相对介电常数为1、相对磁导率为0.99991 ;橡胶应力锥设置为橡胶，相对介电常数为2.4-3.7、相对磁导率为I ;硅橡胶主绝缘设置为硅橡胶，相对介电常数为3.2-9.8、相对磁导率为I。
[0017]依照本发明较佳实施例所述的提高IlOkV电缆中间接头局部放电超高频检测效果的方法，所述步骤3进一步包括:
[0018]在XLPE绝缘与中间接头内部硅橡胶交界面上添加激励源，并设置激励源脉冲宽度为1ns，脉冲的峰值为1mA;进行网格设置，设置为限制最大元素数的方式；选取需要保存电磁场的结构部分，将其加入列表，然后在保存场设置中添加设置的对象列表；在接头外需要观测场变化的位置处，添加探测线。
[0019]依照本发明较佳实施例所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，所述步骤4进一步包括:
[0020]首先进行有效性检查，保证所有检查结果都为正确时，进行Analyze All分析全部，若三维仿真模型检查报错，则重新修改构建的三维仿真模型。
[0021]依照本发明较佳实施例所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，所述步骤6进一步包括:
[0022]通过生成场分布报告下的直角坐标点绘曲线生成场分布报告。其中几何体选择步骤设置的探测线；通过选取观察量下的电场图和磁场图分别得到不同点上的时域电场分布曲线和磁场分布曲线，通过对比几条曲线在时域下的幅值大小，找到其中幅值最大的那条，此曲线代表的位置即信号最强的位置。
[0023]依照本发明较佳实施例所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，步骤8具体为:
[0024]利用制作的传感器进行现场实测，如果步骤5的结果为“是”，则传感器放在得到的最佳安放位置及周围位置，然后对最佳安放位置处与周围位置处得到的实测数据进行测得信号的幅值大小数值比较及分析，验证是否在最佳安放位置处测得信号比周围位置处得到的信号强；如果步骤5的结果为“否”，则传感器放在电缆接头外附近，观察测到的数据；
[0025]依照本发明较佳实施例所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，步骤9具体为:
[0026]如果步骤5的结果为“是”，则验证在仿真得到的信号最强处是否与现场实测一致，即测得的信号比周围其他位置信号幅值大，验证一致后，得到适合外置式传感器安放的最佳位置；如果步骤5的结果为“否”，则应验证传感器放在电缆接头外附近测不到局放信号，即为“否”时的仿真结论，电磁场不可以通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来。
[0027]本发明通过HFSS电磁仿真来提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果，能够帮助确定适合外置式传感器安放的位置，很好的改善了电缆中间接头局部放电超高频检测效果。与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果:
[0028]第一，本发明可帮助判断在电缆中间接头局部放电检测中，采用外置式传感器的可行性，使检测不受内置式传感器带来的局限，克服内置式传感器现场应用的局限性，操作方便，适用范围广泛。
[0029]第二，本发明得到了外置式传感器的最佳安放位置，有效减小了因空气对超高频信号衰减作用对测量带来的影响，大大提高了检测结果的准确性。
[0030]第三，本发明实现简单、检测精度高，易于运用到实际工程中。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法的流程图；
[0032]图2为本发明实施例一利用HFSS构建好的三维仿真模型图；
[0033]图3为在图2的三维仿真模型中添加激励源与探测线的位置示意图；
[0034]图4为本发明实施例一的高斯脉冲函数型激励波形图；
[0035]图5为实施例一中t = 100ps时的三维仿真模型电场分布图；
[0036]图6为实施例一中t = 100ps时的三维仿真模型磁场分布图；
[0037]图7为实施例一中t = 2000ps时的三维仿真模型电场分布图；
[0038]图8为实施例一中t = 2000ps时的三维仿真模型磁场分布图；
[0039]图9为实施例一中电场变化曲线；
[0040]图10为实施例一中磁场变化曲线。
【具体实施方式】
[0041]以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0042]为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0043]本发明的发明构思是:首先，利用高频结构仿真器HFSS建立了电缆接头的三维仿真模型，分析了在电缆接头内部发生局部放电时，超高频信号通过屏蔽层断开处辐射出来的强度及其分布特点，验证了采用外置式传感器的可行性，得到了信号最强的传感器最佳安放位置。然后，根据微带贴片天线理论，制作了外置式超高频传感器，用于现场检测。最后，利用研制的超高频传感器进行了现场实测分析，验证仿真结果。
[0044]一种提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，包括以下步骤:
[0045]步骤1:利用三维结构电磁场仿真软件HFSS进行建模，通过查阅到的电缆及其中间接头的规格尺寸进行三维图形的绘制，构建电缆中间接头三维仿真模型。
[0046]—般电缆线芯由铜导体、内外半导电层、绝缘、金属护套组成，电缆中间接头主要包括金属连接套管、半导电屏蔽、橡胶应力锥、硅橡胶主绝缘等。如图2所示，本发明构建的电缆中间接头三维仿真模型包括金属连接套管1、橡胶应力锥2和硅橡胶主绝缘3，金属连接套管I设置在硅橡胶主绝缘3内且两端分别与电缆线芯连接，应力锥2连接在硅橡胶主绝缘3两端。
[0047]步骤2:设置模型的材料特性参数。
[0048]用到的材料有空气、铝、铜、PVC、XLPE、硅橡胶等。设置的参数有相对介电常数、相对磁导率等。
[0049]具体地，包括设置金属连接套管、橡胶应力锥和硅橡胶主绝缘的材料特性参数。材料特性参数包括相对介电常数和相对磁导率，其中，金属连接套管设置为铜，相对介电常数为1、相对磁导率为0.99991 ;橡胶应力锥设置为橡胶，相对介电常数取值范围为2.4-3.7，相对磁导率为I ;硅橡胶主绝缘设置为硅橡胶，相对介电常数取值范围为3.2-9.8，相对磁导率为I。
[0050]步骤3:进行激励源的添加、网格的设置、电磁场保存的设置以及探测线的设置。
[0051]步骤4:待步骤3及之前步骤完全做好后，进行有效性检查，保证所有检查结果都为正确，然后进行分析全部，即运行仿真模型。
[0052]首先进行validat1n check(有效性检查)，保证所有检查结果都为正确时，进行Analyze All (分析全部)，若三维仿真模型检查报错，则重新修改构建的三维仿真模型。
[0053]步骤5:仿真运行结束后,通过Field Overlays (场分布图)观察电场分布情况、磁场分布情况；通过变化intrinsic variables (内部变量)下的时间设置，观察不同时间下的分布状况，通过时间的增长，观察电磁场是否可以通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来；如果为“是”则进行步骤6，如果为“否”则进行步骤7。
[0054]步骤6:在results (结果)下，通过生成电场及磁场分布报告，来观察探测线上的时域场分布曲线，对比分析信号幅值大小随时间变化的特性，找到信号最强的位置。
[0055]通过create fields report (生成场分布报告)下的rectangular plot(直角坐标点绘曲线)生成场分布报告。其中geometry(几何体)选择步骤设置的探测线；通过选取quantity (观察量)下的Mag_E_t (电场图)和Mag_H_t (磁场图)分别得到不同点上的时域电场分布曲线和磁场分布曲线，通过对比几条曲线在时域下的幅值大小，找到其中幅值最大的那条，此曲线代表的位置即信号最强的位置。
[0056]步骤7:根据微带贴片天线理论，制作外置式超高频传感器。
[0057]步骤8:利用制作的传感器进行现场实测，如果步骤5的结果为“是”，则传感器放在得到的最佳安放位置(即信号最强的位置)及周围位置，然后对实测数据进行数值比较及分析；如果步骤5的结果为“否”，则传感器放在电缆接头外附近，观察测到的数据。
[0058]利用制作的传感器进行现场实测，如果步骤5的结果为“是”，则传感器放在得到的最佳安放位置及周围位置，然后对最佳安放位置处与周围位置处得到的实测数据进行测得信号的幅值大小数值比较及分析，验证是否在最佳安放位置处测得信号比周围位置处得到的信号强；如果步骤5的结果为“否”，则传感器放在电缆接头外附近，观察测到的数据。
[0059]步骤9:通过实测数据分析，对比实测和仿真结果，得到适合外置式传感器安放的最佳位置。
[0060]如果步骤5的结果为“是”，则验证在仿真得到的信号最强处是否与现场实测一致，即测得的信号比周围其他位置信号幅值大，验证一致后，得到适合外置式传感器安放的最佳位置；如果步骤5的结果为“否”，则应验证传感器放在电缆接头外附近测不到局放信号，即为“否”时的仿真结论，电磁场不可以通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来。
[0061]以下结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
[0062]实施例一
[0063]以国内某电缆厂生产的电缆中间接头为例，一种提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，包括以下步骤:
[0064]步骤1:利用三维结构电磁场仿真软件HFSS进行建模，通过查阅到的电缆及其中间接头的规格尺寸进行三维图形的绘制，构建电缆中间接头三维仿真模型。
[0065]构造的三维仿真模型如图2所示，三维仿真模型包括金属连接套管1、橡胶应力锥2和硅橡胶主绝缘3，金属连接套管I设置在硅橡胶主绝缘3内且两端分别与电缆线芯连接，应力锥2连接在硅橡胶主绝缘3两端。
[0066]步骤2:设置模型的材料特性参数。
[0067]本实施例中，金属连接套管设置为铜，相对介电常数为1、相对磁导率为0.99991 ；橡胶应力锥设置为橡胶，相对介电常数为3、相对磁导率为I ;硅橡胶主绝缘设置为硅橡胶，相对介电常数为7，相对磁导率为I。
[0068]步骤3:进行激励源的添加、网格的设置、电磁场保存的设置以及探测线的设置。
[0069]如图3所示，在XLPE绝缘与中间接头内部硅橡胶交界面上添加激励源4，并设置激励源脉冲宽度为1ns，脉冲的峰值为1mA ;进行网格设置，设置为限制最大元素数的方式；选取需要保存电磁场的结构部分，将其加入list (列表)，然后在保存场设置中添加设置的objectlist (对象列表)；在接头外需要观测场变化的位置处，添加探测线5。具体地，激励源为脉冲高斯函数型激励，激励的波形图如图4所示。
[0070]步骤4:待步骤3及之前步骤完全做好后，进行有效性检查，保证所有检查结果都为正确，然后进行分析全部，即运行仿真模型。
[0071]首先进行validat1n check(有效性检查)，保证所有检查结果都为正确时，进行Analyze All (分析全部)，若三维仿真模型检查报错，则重新修改构建的三维仿真模型。
[0072]步骤5:仿真运行结束后,通过Field Overlays (场分布图)观察电场分布情况、磁场分布情况；通过变化intrinsic variables (内部变量)下的时间设置，观察不同时间下的分布状况，通过时间的增长，观察电磁场是否可以通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来；如果为“是”则进行步骤6，如果为“否”则进行步骤7。
[0073]仿真结束后步骤5中，t等于100ps时，电缆接头内及周围的电场分布图如图5，磁场分布图如图6。可见此时激励源激发的电磁场刚刚开始传播，并未传播到电缆接头外，接头内激励源附近的电磁场较大。t等于2000ps时，电缆接头内及周围的电场分布图如图7，磁场分布图如图8。此时电磁场已经通过金属层断开处辐射到电缆接头外。
[0074]步骤6:在results (结果)下，通过生成电场及磁场分布报告，来观察探测线上的时域场分布曲线，对比分析信号幅值大小随时间变化的特性，找到信号最强的位置。
[0075]通过create fields report (生成场分布报告)下的rectangular plot(直角坐标点绘曲线)生成场分布报告。其中geometry(几何体)选择步骤设置的探测线；通过选取quantity (观察量)下的Mag_E_t (电场图)和Mag_H_t (磁场图)分别得到不同点上的时域电场分布曲线和磁场分布曲线，通过对比几条曲线在时域下的幅值大小，找到其中幅值最大的那条，此曲线代表的位置即信号最强的位置。
[0076]通过步骤3设置的探测线，可得到此线上不同位置处的电磁场变化曲线。在设置时取此线上的均匀的5个点，得到的电场、磁场变化曲线分别如图9和图10。由图可知，normalized Distance = O的虚线曲线表示的点比其他位置的电场、磁场分布均强,是理想的传感器安放位置。由其中显示的normalized Distance = O,可知此点位置为屏蔽层断开处、靠近接地线的一侧，即探测线的最左处。
[0077]步骤7:根据微带贴片天线理论，制作外置式超高频传感器。
[0078]步骤8:利用制作的传感器进行现场实测，如果步骤5的结果为“是”，则传感器放在得到的最佳安放位置(即信号最强的位置)及周围位置，然后对实测数据进行数值比较及分析；如果步骤5的结果为“否”，则传感器放在电缆接头外附近，观察测到的数据。
[0079]进行现场实测。将传感器安装在步骤6得到的理想安装位置进行数据采集，测得的局放信号的峰峰值为53.SmV ;然后移动超高频传感器至周围其他位置进行数据采集，测得的局放信号都比移动前弱，固定在一处测得的峰峰值为26.9mV。
[0080]步骤9:通过实测数据分析，对比实测和仿真结果，得到适合外置式传感器安放的最佳位置。
[0081]对比实测和仿真结果，通过此种方法得到的最佳安放位置比周围其他位置测得的信号强，提高了电缆中间接头局部放电超高频检测效果。
[0082]以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:利用三维结构电磁场仿真软件HFSS进行建模，通过查阅到的电缆及其中间接头的规格尺寸进行三维图形的绘制，构建电缆中间接头三维仿真模型； 步骤2:设置模型的材料特性参数； 步骤3:进行激励源的添加、网格的设置、电磁场保存的设置以及探测线的设置； 步骤4:待步骤3及之前步骤完全做好后，进行有效性检查，保证所有检查结果都为正确，然后进行分析全部，即运行仿真模型； 步骤5:仿真运行结束后，通过场分布图观察电场分布情况、磁场分布情况；通过变化内部变量下的时间设置，观察不同时间下的分布状况，通过时间的增长，观察电磁场是否可以通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来；如果为“是”则进行步骤6，如果为“否”则进行步骤7 ； 步骤6:在结果下，通过生成电场及磁场分布报告，来观察探测线上的时域场分布曲线，对比分析信号幅值大小随时间变化的特性，找到信号最强的位置； 步骤7:根据微带贴片天线理论，制作外置式超高频传感器； 步骤8:利用制作的传感器进行现场实测，如果步骤5的结果为“是”，则传感器放在得到的最佳安放位置及周围位置，然后对实测数据进行数值比较及分析；如果步骤5的结果为“否”，则传感器放在电缆接头外附近，观察测到的数据； 步骤9:通过实测数据分析，对比实测和仿真结果，得到适合外置式传感器安放的最佳位置。
2.根据权利要求1所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，步骤2具体包括设置金属连接套管、橡胶应力锥和硅橡胶主绝缘的材料特性参数。
3.根据权利要求2所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，步骤2中所述的材料特性参数包括相对介电常数和相对磁导率，其中，金属连接套管设置为铜，相对介电常数为1、相对磁导率为0.99991 ;橡胶应力锥设置为橡胶，相对介电常数为2.4-3.7、相对磁导率为I ;硅橡胶主绝缘设置为硅橡胶，相对介电常数为3.2-9.8、相对磁导率为I。
4.根据权利要求1所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括: 在XLPE绝缘与中间接头内部硅橡胶交界面上添加激励源，并设置激励源脉冲宽度为1ns，脉冲的峰值为1mA ;进行网格设置，设置为限制最大元素数的方式；选取需要保存电磁场的结构部分，将其加入列表，然后在保存场设置中添加设置的对象列表；在接头外需要观测场变化的位置处，添加探测线。
5.根据权利要求1所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括: 首先进行有效性检查，保证所有检查结果都为正确时，进行Analyze All分析全部，若三维仿真模型检查报错，则重新修改构建的三维仿真模型。
6.根据权利要求1所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，所述步骤6进一步包括: 通过生成场分布报告下的直角坐标点绘曲线生成场分布报告。其中几何体选择步骤设置的探测线；通过选取观察量下的电场图和磁场图分别得到不同点上的时域电场分布曲线和磁场分布曲线，通过对比几条曲线在时域下的幅值大小，找到其中幅值最大的那条，此曲线代表的位置即信号最强的位置。
7.根据权利要求1所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，步骤8具体为: 利用制作的传感器进行现场实测，如果步骤5的结果为“是”，则传感器放在得到的最佳安放位置及周围位置，然后对最佳安放位置处与周围位置处得到的实测数据进行测得信号的幅值大小数值比较及分析，验证是否在最佳安放位置处测得信号比周围位置处得到的信号强；如果步骤5的结果为“否”，则传感器放在电缆接头外附近，观察测到的数据。
8.根据权利要求1所述的提高IlOkV电缆接头局部放电超高频检测效果的方法，其特征在于，步骤9具体为: 如果步骤5的结果为“是”，则验证在仿真得到的信号最强处是否与现场实测一致，即测得的信号比周围其他位置信号幅值大，验证一致后，得到适合外置式传感器安放的最佳位置；如果步骤5的结果为“否”，则应验证传感器放在电缆接头外附近测不到局放信号，即为“否”时的仿真结论，电磁场不可以通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来。
【文档编号】G01R31/12GK104198902SQ201410412717
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】李立学, 郑益慧, 王昕 , 张义龙, 张杨, 王书春 申请人:上海交通大学, 国家电网公司, 国网吉林省电力有限公司松原供电公司