交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法

本发明涉及绝缘材料老化评估方法领域，更具体的地它涉及一种用于交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法。它可以快速诊断于交联聚乙烯电缆的老化状态。

背景技术：

交联聚乙烯电缆(xlpe电缆)在城市输电线路中广泛运用。但在实际运用中xlpe电缆容易受到机械损伤、水分渗入、化学腐蚀等多方面因素的影响，导致电缆绝缘逐渐劣化，甚至出现绝缘失效等现象，从而引发电网停电事故。统计表明，水树老化是导致电缆系统失效的主要原因。因此，xlpe电缆绝缘状态的检测与评估对于城市供电可靠性有着重要意义。

低频段的fds测试时间可能长达数小时，电缆属于分布式设备，长度较长，即便在低频测试下也需要高容量电源，不便于携带和现场离线诊断。pdc法(基于短时极化/去极化电流法)具有直流检测、电源容量低等优点，直接获取绝缘的时域信息，同时利用时频域介电参数转换原理获取频域下的介电参数，可大幅减少测试时间。

经过文献调研表明，现有时频域转换法在电缆绝缘老化状态诊断的应用中，仅能得到电缆整体介质损耗因数谱，无法将整体损耗中的类型进行详细区分，本发明提出一种交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法。已有文献表明，其中傅里叶变换法应用较为广泛，但更低频率范围的损耗特性暂未研究，本发明利用全新的扩展debye模型对电缆绝缘在超低频率下的损耗进行解耦。故研究xlpe电缆绝缘在更低频率下的损耗特性是必要的。

技术实现要素：

针对目前现有技术在电缆老化诊断领域存在的不足，本发明提出一种用于交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法。其目的在于大幅减少测试时间，通过时频域转换技术快速获得频域下的介电参数，从而提高检测效率，准确判断电缆老化状态。旨在实现快速、精准地对交联聚乙烯电缆绝缘老化状态进行评估。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)首先测量电缆的极化电流值；

(2)再通过扩展debye模型进行时频域转换，将被测的极化电流值迅速转换成相对应的频域下的介电参数(即频域参数)，并得到xlpe电缆绝缘整体介质损耗因数tanδ；

(3)在此基础上对整体介质损耗因数拆分得到电导损耗与极化损耗，通过扩展debye模型上表征水树缺陷引起的极化支路提取出因水树缺陷造成的极化损耗tanδp3；

(4)通过对比在峰值频率附近tanδp3值的大小判断电缆老化状态。

在上述技术方案中，所述步骤2的具体方法为：

利用扩展debye模型，用多条电阻-电容串联支路分别表征不同类型的极化过程；扩展debye模型中三支路分别代表着等效xlpe电缆绝缘内部包含的三种极化过程，在三阶模型中，c0表示电缆绝缘体电容；r0表示电缆泄露电阻；r1、c1为表示电缆绝缘材料体极化的支路参量；r2、c2为表示表征无定形与晶体界面极化的支路参数；r3、c3为表示表征水树缺陷引起的极化支路参数；

复电容c(ω)可通过扩展debye模型中的三支路计算得到：

整体介质损耗因数根据复电容的虚、实部之比可得：

通过测量1800s时长的极化电流，利用扩展debye模型将时域参数迅速转化为频率范围在0.001hz-0.5hz的电缆绝缘频域信息；

由奈奎斯特采样定理

其中fs为采样频率；f为频率分辨率；fc为最大可还原的信号频率；n为测量点数；

在上述技术方案中，在步骤(3)中所述对电缆绝缘整体介质损耗进行拆分得到极化损耗部分，基于扩展debye模型的解耦方法，首先得到电导损耗表达式：

当绝缘部分施加正弦电压u(ω)，流过电缆绝缘部分的电流可表示为：

式中ca为电缆绝缘的真空几何电容；

复介电常数的实部与虚部可表示为：

在ωrici<<1及c0>>ci时，

复介电常数可表示为式中εr为电缆绝缘的相对介电常数；

由

式中d为电缆绝缘的厚度；s为电缆绝缘的面积；σ0为电缆绝缘的电导率；电缆绝缘的真空几何电容ca和泄露电阻r0可由电缆的实际参数表示为：式中a和b为电缆内外导体的半径；l为电缆长度；σ0为电缆绝缘的电导率。

因此基于扩展德拜模型的电导损耗可进一步表示为：

极化损耗部分为电缆绝缘整体介质损耗因数减去电导损耗部分。

在上述技术方案中，在步骤(4)中，水树缺陷造成的极化损耗tanδp3的大小与电缆水树老化状态之间的关系为：在峰值频率附近所述的极化损耗tanδp3的数值越大，则电缆水树老化程度越严重。

本发明通过一种在低频下交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法，利用扩展debye模型将极化电流的时域参数快速转换成相对应的频域信息，有效区分出电缆介损的极化损耗与电导损耗并提取出由水树缺陷导致的极化损耗。通过计算得到电缆绝缘材料中水树缺陷造成的极化损耗(tanδp3)的峰值大小用以诊断，较大程度地缩短了极化电流测量时间，既缩短了诊断时间，又能准确反映电缆老化状况。

同时，本发明在电缆两端加置金属防泄漏环的基础上，并用导线将两个金属防泄漏环连接起来，以防止沿面电流进入电流表，从而减小沿面电流对测量数值的影响。

本发明提供的一种用于交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法，通过扩展debye模型将基于pdc法测量得到的电缆极化电流的时域参数快速转换得到电缆绝缘频域信息，从而得到电缆绝缘的整体介质损耗因数。在此基础上对整体介质损耗因数拆分得到电导损耗与极化损耗，进一步提取出因水树缺陷造成的极化损耗tanδp3，对比在峰值频率附近tanδp3值的大小判断电缆老化状态。本发明可以在现场对电缆老化状态进行快速诊断，既能较大程度地缩短诊断时间，又能准确反映电缆老化状况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的交联聚乙烯电缆的极化电流测量示意图；

图2是本发明实施例提供的交联聚乙烯电缆老化现场快速诊断流程图；

图3是本发明实施例提供的扩展debye模型支路图；

图4是本发明实施例提供的不同老化程度下的xlpe电缆因水树缺陷造成的极化介质损耗因数谱。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为交联聚乙烯电缆的极化电流测量示意图；其中极化电流测量时长为1800s，由奈奎斯特采样定理，经时频域转换后可得下限频率0.001hz；测量时间越短，电缆绝缘整体介质损耗因数的频率范围就越小，下限频率定为0.001hz，上限频率可根据实际略微改动。图1中11为第一金属防泄漏环，12为第二金属防泄漏环，2为电缆导体，3为直流高压电源，c为电容，k1为第一开关、k2为第二开关，r1为1mω，r2为500mω，r3为200mω，静电计为keithley6517b。

采用图1所示的测量极化电流电路测量电缆极化电流。直流高压电源3输出端与电缆导体2线芯相连，测量极化电流。在电缆两端加置第一金属防泄漏环11和第二金属防泄漏环12的基础上，并用导线将第一和第二金属防泄漏环连接起来，以防止沿面电流进入电流表，从而减小沿面电流对测量数值的影响。开展pdc实验前后均使用无水乙醇擦拭电缆两端的沿面部分为减小测试过程中的沿面泄漏电流对实际电流值的影响。

图2为本发明交联聚乙烯电缆老化现场快速诊断流程图，参阅图2可知：本发明的方法为，第一步：测量1800s时长的极化电流，测量方法按图1所示的方法；第二步：通过扩展debye模型将极化电流转换为相对应的频率下的电缆整体介质损耗因数tanδ；第三步：将电缆整体介质损耗因数拆分得到极化损耗部分，基于扩展debye模型提取出因水树缺陷造成的极化损耗tanδp3；第四步：通过对比峰值频率附近极化损耗tanδp3的大小判断电缆老化状态。本发明较大程度地缩短了极化电流测量时间，既缩短了诊断时间，又能准确反映电缆老化状况。

图3为本发明扩展debye模型支路图；图中c0表示电缆绝缘体电容；r0表示电缆泄露电阻；r1、c1为表示电缆绝缘材料体极化(即半导电层与xlpe形成的界面极化)的支路参量；r2、c2为表示表征无定形与晶体界面极化的支路参数；r3、c3为表示表征水树缺陷引起的极化支路参数。利用扩展debye模型，用多条电阻-电容串联支路分别表征不同类型的极化过程。将测量后的极化电流进行拟合，得到扩展debye模型中各支路参数，即可得到电缆整体介质损耗因数谱。扩展debye模型中三条支路分别代表着等效xlpe电缆绝缘内部包含的三种极化过程。

图4为本发明不同老化程度下的xlpe电缆因水树缺陷造成的极化介质损耗因数谱。本发明实施例中，电缆实际老化程度a1<a2<a3。由图4可看出随着电缆样品的老化程度的增强，第三支路极化损耗逐渐提高，同一类型的电缆(a2、a3为同一类型的电缆，a1为另一类型的电缆，三根电缆类型相同，只是a1没有经过老化处理)的极化损耗tanδp3，其峰值的频率比较接近。

本发明提供了一种交联聚乙烯电缆绝缘低频介质损耗解耦的快速诊断方法，包括如下步骤：(1)首先测量电缆的极化电流值；

(2)使用origin软件将极化电流值作图后再进行拟合以得到扩展debye模型中各支路的参数。再通过扩展debye模型进行时频域转换，被测的极化电流值迅速转换成相对应的频域下的介电参数(即频域参数)，并得到xlpe电缆绝缘整体介质损耗因数tanδ；

(3)在此基础上对整体介质损耗因数拆分得到电导损耗与极化损耗，通过扩展debye模型上表征水树缺陷引起的极化支路提取出因水树缺陷造成的极化损耗tanδp3，

(4)通过对比在峰值频率附近tanδp3值的大小判断电缆老化状态。

本发明方法，可以在现场实现对电缆老化状态进行快速诊断，既能较大程度地缩短诊断所需时间，又能准确反映电缆老化状况。

在步骤(1)中所述通过扩展debye模型将时域参数转换成频域参数的方法为：

利用扩展debye模型，用多条电阻-电容串联支路分别表征不同类型的极化过程；将测量后的极化电流进行拟合，得到扩展debye模型中各支路参数，再根据既有公式可得到电缆整体介质损耗因数谱；扩展debye模型中三支路分别代表着等效xlpe电缆绝缘内部包含的三种极化过程，在三阶模型中，c0表示电缆绝缘体电容；r0表示电缆泄露电阻；r1、c1为表示电缆绝缘材料体极化(即半导电层与xlpe形成的界面极化)的支路参量；r2、c2为表示表征无定形与晶体界面极化的支路参数；r3、c3为表示表征水树缺陷引起的极化支路参数，如图3所示。

复电容c(ω)可通过扩展debye模型中的三支路计算得到：

c表示复电容，c′表示复电容实部，c″表示复电容虚部，j是复数域，c0、r0上述文字已表示，累加符号即为三条支路各自对应的电容与电阻的表达式相加。

整体介质损耗因数根据复电容的虚、实部之比可得：

本发明通过测量1800s时长的极化电流，频率为1hz。利用扩展debye模型将时域参数迅速转化为频率范围在0.001hz-0.5hz的电缆绝缘频域信息。

本发明诊断方法，大幅减少测试时间，提高检测效率，能在现场准确判断电缆水树老化状态。

本发明通过pdc与fps两种方法结合，将pdc法测量得到的极化电流值通过时频域转换成相应的频域参数，倘若只用一种方法进行诊断，低频参数就能花长达数十小时的测量时间，而本发明方法需要半小时的极化电流测量时间，加上时频域转换，将参数代入已经推导的公式里，两个小时之内能检测完毕，效率大大提高。而0.001hz到0.01hz内，样品介质损耗出现损耗峰，结果直观可靠。

利用扩展debye模型的时频域转换方法可将基于极化/去极化电流法获得的电缆绝缘极化电流值快速转换得到频域下的介质损耗信息，可大幅减少测试时间。利用电阻-电容串联支路分别等效xlpe电缆绝缘内部包含的三种极化过程，将复电容的虚、实部相比得到电缆整体介质损耗表达式，结合所推导的电导损耗部分，直接得到极化损耗部分。

电缆绝缘整体介质损耗因数：

根据扩展debye模型中各支路所对应的极化过程，提取出第三支路(因水树缺陷造成极化损耗部分)极化损耗部分：

本发明推导式已给出，操作时直接将对应的参数值带入即可快速得到电缆整体介质损耗因数谱。

在步骤(2)中所述对电缆绝缘整体介质损耗进行拆分得到极化损耗部分，基于扩展debye模型的解耦方法，首先得到电导损耗表达式：

当绝缘部分施加正弦电压u(ω)，流过电缆绝缘部分的电流可表示为：

式中ca为电缆绝缘的真空几何电容；u(ω)为正弦电压，i(ω)为正弦电流，j为复数域，ω角频率，c′为复电容实部，c″为复电容虚部，ε′为复介电常数实部，ε″为复介电常数虚部

复介电常数的实部与虚部可表示为：

在ωrici<<1及c0>>ci时，

复介电常数可表示为式中εr为电缆绝缘的相对介电常数；

由

式中d为电缆绝缘的厚度；s为电缆绝缘的面积；σ0为电缆绝缘的电导率；因此基于扩展德拜模型的电导损耗可进一步表示为：

介质损耗主要由电导损耗与极化损耗两部份组成，在求得电导损耗的基础上，将电缆整体介质损耗减去电导损耗部分即可得到极化损耗部分。因此，整体介质损耗减去电导损耗部分即可得到极化损耗部分：

在扩展debye模型中，其中三种极化过程分别对应各自的支路参数,第三条支路(由水树缺陷造成的极化损耗部分)对应的介质损耗表达式为：

对第三条支部的表达式进行求导：

即可得其极值对应的频率为：

因此，可快速求得电缆样本第三支路极化损耗的损耗峰对应的频率。

tanδp3的值连成图后并不是所有频率范围内始终超越另一个样本的tanδp3的值，求出tanδp3的峰值即可直观看出，型号相似的电缆的tanδp3峰值对应的频率非常接近，所以比较峰值大小应该在峰值频率附近作比较，上述求导过程只是说明操作的具体依据，实际测量时可根据上述已求得的公式直接代值。

在步骤(3)中所述由水树缺陷导致地极化损耗tanδp3的大小与电缆老化之间的关系为：在峰值频率附近所述的极化损耗tanδp3的数值越大，则电缆水树老化程度越严重。

本发明方法，利用扩展debye模型将极化电流的时域参数快速转换成相对应的频域信息，有效区分出电缆介损的极化损耗与电导损耗并提取出由水树缺陷导致的极化损耗。通过计算得到电缆绝缘材料中水树缺陷造成的极化损耗(tanδp3)的峰值大小用以诊断，较大程度地缩短了极化电流测量时间，既缩短了诊断时间，又能准确反映电缆老化状况。

本领域技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。