一种电缆整体绝缘受潮故障模拟方法与流程

本发明属于电气系统电缆故障领域，具体涉及一种电缆整体绝缘受潮故障模拟方法。

背景技术：

近年来，我国电气化铁路总里程增长迅速，动车电缆承担着输送电能的重要作用，电缆使用状态直接影响着轨道交通的性能与运行安全系数。动车组越来越多地运行在环境条件复杂多变地区，遭受雷雨天气的概率较大，而动车电缆作为敷设于车顶的输电部件，在这种情况下极易遭受水分的侵入，造成电缆整体受潮故障的发生。而在高凝露地区，由于空气水分含量较高，电缆受潮问题更为突出，在长期运行下，动车电缆易遭受水分入侵。动车电缆作为列车传输电能的核心部分，整体受潮将严重影响其工作性能，威胁动车安全运行。因此研究动车电缆整体受潮故障的模拟，并能对受潮电缆进行测评十分必要。

由于动车电缆乙丙橡胶绝缘层整体受潮是一个随机、偶然的现象，往往很难准确的获取不同程度的受潮电缆，同时目前针对电缆受潮问题一般使用介质损耗参数来研究，但对于电缆绝缘层整体受潮并没有明确的方法，所以为研究因乙丙橡胶绝缘层整体受潮导致电缆不同程度的受潮，急需一种比较方便、快捷、可控的方法模拟电缆整体受潮故障，并能在该电缆受潮故障模拟装置的基础上对故障模拟电缆进行测评，这对动车电缆的安全有效运行具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电缆整体绝缘受潮故障模拟方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种电缆整体绝缘受潮故障模拟方法，包括以下的模拟及测试步骤：

步骤1：电缆整体绝缘受潮故障模拟器的组装；

1.1该受潮故障模拟器，包括故障模拟电缆(7)，所述故障模拟电缆(7)包括由内到外呈同心圆结构的第一金属层(12)、第一半导电层(11)、乙丙橡胶绝缘层(10)、第二半导电层(9)、绝缘屏蔽层(8)，分别对应电缆的缆芯层、内半导电层、绝缘层、外半导电层和绝缘屏蔽层；

1.2该受潮故障模拟器还包括设置在所述故障模拟电缆(7)的一端的1号环形可调紧固器件(3)，所述1号环形可调紧固器件(3)包括1号紧固绝缘带(14)、1号u型加宽紧固组件(15)和1号双紧固螺栓(13)，1号紧固绝缘带(14)缠绕所述故障模拟电缆(7)后，使用1号u型加宽紧固组件(15)配合1号双紧固螺栓(13)进行紧密挤压和固定；

1.3该受潮故障模拟器还包括设置在所述故障模拟电缆(7)的另一端的4号环形可调紧固器件(6)，所述4号环形可调紧固器件(6)与1号环形可调紧固器件(3)结构相同；所述故障模拟电缆(7)和环形可调紧固器件采用冷缩式伞裙(2)封装后，两端分别采用左侧紧固胶塞(1)和右侧紧固胶塞(25)紧固。

步骤2：故障模拟器的模拟受潮处理；

2.1准备全新故障模拟电缆(7)，将其乙丙橡胶绝缘层(10)放入40℃恒温干燥箱内12小时，模拟未受潮状态，得到电缆绝缘层未受潮的模拟器；

2.2准备全新故障模拟电缆(7)，将其乙丙橡胶绝缘层(10)浸泡入水箱中12小时，模拟轻度受潮状态，得到电缆绝缘层轻度受潮的模拟器；

2.3准备全新故障模拟电缆(7)，将其乙丙橡胶绝缘层(10)浸泡入水箱中24小时，模拟中度受潮状态，得到电缆绝缘层中度受潮的模拟器；

2.4准备全新故障模拟电缆(7)，将其乙丙橡胶绝缘层(10)浸泡入水箱中48小时，模拟重度受潮状态，得到电缆绝缘层重度受潮的模拟器；

步骤3：电缆整体绝缘受潮故障模拟器的测试；

针对步骤2得到的不同受潮程度的故障模拟器，依照步骤1分别进行组装，获得不同故障的电缆整体受潮故障模拟器，对该故障模拟器进行测试，包括以下步骤：

3.1：选用未受潮状态的电缆故障模拟器为参考电缆，在0.01hz～1000hz频段内，选取16个频率测试点，第i个测试点的频率记为fi，依次为f1＝0.01hz，f2＝0.02hz，f3＝0.05hz，f4＝0.1hz，f5＝0.2hz，f6＝0.5hz，f7＝1hz，f8＝2hz，f9＝5hz，f10＝10hz，f11＝20hzf12＝50hz，f13＝100hz，f14＝200hz，f15＝500hz，f16＝1000hz，进行其复介电常数的测试，并取复介电常数的虚部作为参考频率响应参数值，记为得到的16组数据，称作参考频率响应参数序列，i为整数，i∈[1,16]；

3.2：取待测评的电缆故障模拟器为待测电缆，在0.01hz～1000hz频段内，选取16个频点，第i个测试点的频率记为fi，依次为f1＝0.01hz，f2＝0.02hz，f3＝0.05hz，f4＝0.1hz，f5＝0.2hz，f6＝0.5hz，f7＝1hz，f8＝2hz，f9＝5hz，f10＝10hz，f11＝20hzf12＝50hz，f13＝100hz，f14＝200hz，f15＝500hz，f16＝1000hz，进行其复介电常数的测试，并取复介电常数的虚部作为待测频率响应参数值，记为得到的16组数据，称作待测频率响应参数序列，i为整数，i∈[1,16]；

3.3：电缆标准偏差因子计算，包括：

3.3.1利用牛顿插值方法对测试得到的参考频率响应参数序列进行拟合，获得对应的频谱数学模型y0(f)如下：

y0(f)＝ε1+ε2(f-f1)+ε3(f-f1)(f-f2)+ε4(f-f1)(f-f2)(f-f3)+

····+εn(f-f1)(f-f2)(f-f3)····(f-fn-1)

式中，f1,f2,····fn为测试点的频率值，是频谱数学模型y0(f)的第一个系数，是第1个频率测试点的参考频率响应参数值，ε2、ε3、ε4、…、εn分别表示频谱数学模型y0(f)的第2、3、…、n个系数，n的范围满足：n∈[2,16]，其中，

…

y0[f1,f2,····fn-1,fn]表示的差分相关系数；

3.3.2：利用牛顿插值方法对测试得到的待测频率响应参数序列进行拟合，获得对应的频谱数学模型yx(f)如下：

yx(f)＝β1+β2(f-f1)+β3(f-f1)(f-f2)+β4(f-f1)(f-f2)(f-f3)+

····+βn(f-f1)(f-f2)····(f-fn-1)

式中，f1,f2,····fn-1,fn为测试点的频率值，为频谱数学模型yx(f)的第一个系数，是第1个频率测试点的待测频率响应参数值，β2、β3、β4、…、βn分别表示频谱数学模型yx(f)的第2、3、4、…、n个系数，n的范围满足：n∈[2,16]，其中，

…

yx[f1,f2,····fn-1,fn]表示的差分相关系数；

3.3.3；计算拟合频谱曲线数学模型的积分差如下，

将0.01hz～1000hz范围内的拟合频谱曲线根据步骤3.1、3.2的16个频率测试点划分为15个计算区段，每个区间以该区间的左端频率标号fi的下标号i作为区间标号，对于每个区间段内的y0(f)和yx(f)进行积分差求解，各区段频谱曲线模型的积分差为：

式中，i为整数，i的范围满足：i∈[1,15]，fi为步骤3.1和3.2中第i个测试点的频率值；

3.3.4：计算故障频谱曲线区间占比影响系数hi，如下：

式中，i为整数，i的范围满足：i∈[1,15]；为所述拟合频谱曲线数学模型积分差的平均值，σ是拟合频谱曲线数学模型积分差的标准差，的计算在3.3.3中已给出，和σ的表达式如下：

进一步地，还包括以下步骤：

步骤1：计算电缆标准偏差因子λ：

步骤2：若λ≤0.5则电缆为正常状态，否则电缆存在故障，继续分析判定步骤3；

步骤3：定义yx(f)中，相邻两区间段积分面积差为

式中，i为整数，i的范围满足：i∈[1,14]，fi为第i个测试点的频率值；

步骤4：计算故障模拟电缆受潮损耗系数ξ，如下：

当ξ＜5，则待测电缆为轻度绝缘受潮；当5≤ξ＜13.5，则待测电缆为中度绝缘受潮；当13.5≤ξ，则待测电缆为重度绝缘受潮。

本发明的有益效果在于：故障模拟电缆内部单层相互独立，可单独更换不同受潮程度的乙丙橡胶绝缘层，实现不同受潮程度故障电缆的模拟。测评方法基于无故障电缆和故障电缆进行测试，能依据变化参数有效地进行故障测评。

附图说明

图1为本发明故障模拟器的结构图。

图2为电缆受潮故障测评方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例本发明作进一步的说明。

图1所示为本发明故障模拟结构示意图，包括左侧紧固胶塞(1)、右侧紧固胶塞(25)、冷缩式伞裙(2)、1号环形可调紧固器件(3)、2号环形可调紧固器件(4)、3号环形可调紧固器件(5)、4号环形可调紧固器件(6)、故障模拟电缆(7)，故障模拟电缆(7)由内到外呈同心圆结构的第一金属层(12)、第一半导电层(11)、乙丙橡胶绝缘层(10)、第二半导电层(9)、绝缘屏蔽层(8)组成，分别对应电缆内部的缆芯层、内半导电层、绝缘层、外半导电层和绝缘屏蔽层；位于左侧的1号环形可调紧固器件(3)、中间的2号环形可调紧固器件(4)、中间3号环形可调紧固器件(5)和右侧的4号环形可调紧固器件(6)结构相同，其中1号环形可调紧固器件(3)由1号双紧固螺栓(13)、1号紧固绝缘带(14)、1号中间u型加宽紧固组件(15)组成，2号环形可调紧固器件(4)由2号双紧固螺栓(16)、2号紧固绝缘带(18)、2号中间u型加宽紧固组件(17)组成，3号环形可调紧固器件(4)由3号双紧固螺栓(19)、3号紧固绝缘带(21)、3号中间u型加宽紧固组件(20)组成，4号环形可调紧固器件(6)由4号双紧固螺栓(22)、4号紧固绝缘带(24)、4号中间u型加宽紧固组件(23)组成；所述的故障模拟电缆(7)外侧均1号环形可调紧固器件(3)、2号环形可调紧固器件(4)、3号环形可调紧固器件(5)、4号环形可调紧固器件(6)进行紧密挤压和固定，使故障模拟电缆(7)内各层紧密贴合；

电缆整体受潮故障模拟器的模拟受潮处理方法：

准备全新对故障模拟电缆(7)，将其乙丙橡胶绝缘层(10)放入40℃恒温干燥箱内12小时，模拟未受潮状态，得到电缆绝缘层未受潮的模拟器；

准备全新对故障模拟电缆(7)，将其乙丙橡胶绝缘层(10)浸泡入水箱中12小时，模拟轻度受潮状态，得到电缆绝缘层轻度受潮的模拟器；

故障模拟电缆(7)为绝缘层可更换的电缆，更换不同受潮程度的乙丙橡胶绝缘层(10)，使用硅脂填充技术将故障模拟电缆(7)各层进行紧密叠合，对故障模拟电缆(7)进行恒温均压处理，使用1号紧固绝缘带(14)、2号紧固绝缘带(18)、3号紧固绝缘带(21)、4号紧固绝缘带(24)紧密挤压和固定，依次拧紧1号中间u型加宽紧固组件(15)上的1号双紧固螺栓(13)、2号中间u型加宽紧固组件(17)上的2号双紧固螺栓(16)、3号中间u型加宽紧固组件(20)上的3号双紧固螺栓(19)、4号中间u型加宽紧固组件(23)上的4号双紧固螺栓(22)，并依次加装冷缩式伞裙(2)、右侧紧固胶塞(25)、左侧紧固胶塞(1)，实现不同等级受潮程度的故障模拟电缆(7)，所制作的2个乙丙橡胶绝缘层(10)等级故障程度对应表征故障模拟电缆(7)受潮程度，依次标示为：故障00、故障01；

图2所示为电缆受潮故障测评方法的流程图，该方法可以对前述电缆整体受潮故障模拟器模拟得到的电缆受潮故障进行测评。以下为一个具体的实施例，包括以下步骤：

步骤一：选用表征故障00状态时的未受潮状态的电缆故障模拟器为参考电缆，在0.01hz～1000hz频段内，选取16个频率测试点，第i个测试点的频率记为fi，依次为f1＝0.01hz，f2＝0.02hz，f3＝0.05hz，f4＝0.1hz，f5＝0.2hz，f6＝0.5hz，f7＝1hz，f8＝2hz，f9＝5hz，f10＝10hz，f11＝20hzf12＝50hz，f13＝100hz，f14＝200hz，f15＝500hz，f16＝1000hz，进行其复介电常数的测试，并取复介电常数的虚部作为参考频率响应参数值，记为得到的16组数据，称作参考频率响应参数序列，i为整数，i∈[1,16]；

步骤二：取表征故障01状态即绝缘受潮状态为x＝1的轻度受潮待电缆故障模拟器为待测电缆，在0.01hz～1000hz频段内，选取16个频点，第i个测试点的频率记为fi，依次为f1＝0.01hz，f2＝0.02hz，f3＝0.05hz，f4＝0.1hz，f5＝0.2hz，f6＝0.5hz，f7＝1hz，f8＝2hz，f9＝5hz，f10＝10hz，f11＝20hzf12＝50hz，f13＝100hz，f14＝200hz，f15＝500hz，f16＝1000hz，进行其复介电常数的测试，并取复介电常数的虚部作为待测频率响应参数值，记为得到的16组数据，称作待测频率响应参数序列，i为整数，i∈[1,16]；

步骤三：电缆标准偏差因子计算，包括：

3.1利用牛顿插值方法对测试得到的参考频率响应参数序列进行拟合，获得对应的频谱数学模型y0(f)如下：

y0(f)＝ε1+ε2(f-f1)+ε3(f-f1)(f-f2)+ε4(f-f1)(f-f2)(f-f3)+

····+εn(f-f1)(f-f2)(f-f3)····(f-fn-1)

式中，f1,f2,····fn为测试点的频率值，是频谱数学模型y0(f)的第一个系数，是第1个频率测试点的参考频率响应参数值，ε2、ε3、ε4、…、εn分别表示频谱数学模型y0(f)的第2、3、…、n个系数，n的范围满足：n∈[2,16]，其中，

…

y0[f1,f2,····fn-1,fn]表示的差分相关系数；

3.2利用牛顿插值方法对测试得到的待测频率响应参数序列进行拟合，获得对应的频谱数学模型y1(f)如下：

y1(f)＝β1+β2(f-f1)+β3(f-f1)(f-f2)+β4(f-f1)(f-f2)(f-f3)+

····+βn(f-f1)(f-f2)····(f-fn-1)

式中，f1,f2,····fn-1,fn为测试点的频率值，为频谱数学模型y1(f)的第一个系数，是第1个频率测试点的待测频率响应参数值，β2、β3、β4、…、βn分别表示频谱数学模型y1(f)的第2、3、4、…、n个系数，n的范围满足：n∈[2,16]，其中，

…

y1[f1,f2,····fn-1,fn]表示的差分相关系数；

3.3计算拟合频谱曲线数学模型的积分差

将0.01hz～1000hz范围内的拟合频谱曲线根据步骤一、二的16个测试点划分为15个计算区段，每个区间以该区间的左端频率标号fi的i作为区间标号，对于每个区间段内的y0(f)和y1(f)进行积分差求解，各区段频谱曲线模型的积分差为：

式中，i为整数，i的范围满足：i∈[1,15]，fi为步骤一和步骤二中第i个测试点的频率值；

3.4计算故障频谱曲线区间占比影响系数hi

式中，i为整数，i的范围满足：i∈[1,15]；为所述拟合频谱曲线数学模型积分差的平均值，σ是拟合频谱曲线数学模型积分差的标准差，的计算在3.3中已给出，和σ的表达式如下：

3.5计算电缆标准偏差因子λ：

计算得出λ＝0.71；

步骤四：测评分析，包括：

4.1判断标准偏差因子λ大小，λ＞0.5继续；

4.2定义3.3已划分区间段的故障频谱曲线y1(f)中，相邻两区间段积分面积差为

式中，i为整数，i的范围满足：i∈[1,14]，fi为步骤一和步骤二中第i个测试点的频率值；

4.3计算故障模拟电缆受潮损耗系数ξ

计算得出ξ＝3.9；

判断受潮损耗系数ξ的大小，因为ξ＜5，认为电缆出现轻度绝缘受潮。