高压电缆介损带电检测方法的仿真研究毕业论文

2021-12-06 20:49:54

论文总字数：30281字

摘要

高压电缆中的介损在线监测对电缆的运行和维护有着重大意义。在这一背景下，本毕业设计首先对介损测算中的误差来源进行调研，通过计算和仿真来量化它们对介损测算的影响。然后，对各误差来源进行累计分析，结合不同运行时长后的介损变化，提出了高压电缆介损回路在线监测在误差累计下的可测程度分析。同时，根据各误差的产生原理，针对性地提出了减少误差的方法，提高测算的有效性。最后，结合高压电缆在运行过程中介损的变化规律，总结了一些目前普遍使用的电缆评估方式以及寿命计算方法，提出了通过电缆在线监测数据与理化特性结合的电缆残余寿命估计公式，对指导电缆的维护提供参考。

关键词：在线监测；介损误差；状态评估；寿命计算

Abstract

The online monitoring of dielectric loss in the high-voltage cable (OM-DLHC) is of great significance for its operation and maintenance. In the scenario, this undergraduate thesis first investigates the error sources within the measurement and calculation for the dielectric loss and quantifies the influence of each source to its calculation via computation and simulation. Then, the accumulation of these sources is analyzed and the measurability analysis of OM-DLHC in the condition of accumulated error sources is made according to the DL changes subsequent to different operation durations. In the meanwhile, in order to improve the effectiveness of measurement and calculation, various error-decreasing methods are proposed by investigating the generation principle of these error sources. In the end, by combining the change law of DLHC in the operation with the summarization of some general evaluation and lifetime calculation methods, a residual lifetime estimation formula based on the combination of the online monitoring data with physical and chemical characteristics is proposed, which provides a reference for guiding the maintenance of high-voltage cables.

Keywords: online monitoring; dielectric loss error; state assessment; life calculation

第1章绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外发展现状 2

1.3 现有研究的不足及难点 3

第2章高压电缆介损回路的误差分析及校正 5

2.1 传感器固有角差 5

2.2 对地电容分流 9

2.3 非整周期采样误差 11

2.4 干扰误差 14

2.5 环境变化 17

第3章各误差综合累计影响分析 19

3.1 各误差来源的误差大小分析 19

3.2 各阶段误差影响程度分析 19

3.3 综合误差累计分析 20

第4章高压电缆的综合状态评估 25

4.1高压电缆介损变化规律 25

4.2 高压电缆状态评估方法 26

4.3 高压电缆寿命评估方法 28

4.3.1 单因素寿命评估 29

4.3.2 多因素寿命评估 29

4.3.3 电缆残余寿命计算模型 30

第5章总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 未来展望 32

参考文献 34

致谢 36

第1章绪论

1.1研究目的及意义

随着社会与经济的发展，人们对电力的需求日益增加。高压电缆作为电力系统供配电的主要部分，在整个电力系统的稳定运行中不可或缺。介质损耗是表征高压电绝缘整体老化及劣化的重要手段之一，通过对高压电缆介质损耗的检测与计算，能够有效掌握电缆的实际状况及老化程度，对指导电缆系统的运行与维护起着重要作用。

在电力系统的长期运行中，由于温度湿度以及运行状态等因素的影响，电缆的老化及劣化是不可避免的，电缆的老化劣化等问题会直接影响到电缆供配电的稳定运行，严重时可能威胁到电网安全。为了预防并减少事故的发生，保证系统长期稳定运行，会采用各种检测方法对电缆进行检测评估。通常情况下，会采用传统的停电检测与检修来发现及预防设电缆存在的问题。然而，电力系统在停电与带电情况下的状况相距大，介损检测通常10kV以下的情况下完成，对真正运行中的电缆工作在高压状态时出现的问题参考性不强，不能准确判断设备在工作时的老化劣化情况。随着人们生活水平的上升及科技的日益发展，人们对电力的需求不断增长，通过断电的方式及各种预防性的定期问题排查工作已经无法满足不断发展的电网需求，断电检测的局限性日渐突出。

因此，设备在运行过程中的带电检测及状态的在线监测已经成为高压电缆乃至整个变电设备发展的方向及目标。通过高压电缆在线监测的方式，能够真实反映电缆实时运行的状态，避免了预防性检修工作无法连续监测电缆状态的问题，使问题能够即使被发现，迅速被解决。高压电缆介损的在线监测，直接在运行中发现实际问题，与试验检测出的问题相比，问题暴露更加准确，监测更加灵敏可靠。预防性检测技术重在预防，而不能完全预测出可能发生的所有问题，会产生对事故检测的遗漏，而在线监测系统实时检测的手段，能够随时发现问题，尽早处理解决，有效减少事故的发生。此外，考虑实际操作因素，定期的断电检修会耗费大量人力物力，对社会生活造成影响，在线监测可以减少定期维修的成本浪费，减少生活不便，在经济及生活方面都有较大的帮助。

电力电缆自投入使用至今已有多年的历史，一批最初投入使用的电缆已经到达了使用寿命的中后期或已需要更换。随着电缆大量投入使用，其安全运行已经成为电网安全不可忽视的因素。电缆自安装投入使用开始，就会由于制造缺陷及敷设方式等因素存在安全隐患，随着电缆长期的运行，受外界温度变化、潮湿程度不均衡等因素的影响，电缆的老化与劣化是不可避免的趋势。伴随着电缆使用比例的不断升高，电缆老化等问题已成为电力系统运行维护中的重点，电缆运行状态的评估成为学者研究的热点问题。通过对电缆运行状态的综合评估，可以充分准确了解电缆的运行状态及其存在的问题，保证了电缆及电力系统的长期稳定运行，减少工作人员维护检修的时间及频率，降低了人力劳动及经济投入。在电缆的状态监测研究电缆运行的规律的基础上，通过现有手段获取电缆运行的状态参数对电缆的状态进行综合评估，对相关管理部门采取经济高效的方法对高压电缆进行维护有着指导意义^[1]。

1.2国内外发展现状

在20世纪60年代开始，各国学者相继展开了对在线监测的研究。目前，国内外学者在高压电缆的介损在线监测、老化机理、综合状态评估、运行维护等方面开展了大量的研究工作并取得突破^[2]。

在传统的在线监测方法方面，各测量方法已经相对完善，通过获取被检测设备的电流信号以及电压传感器PT二次侧电压信号，直接计算电流信号及电压信号的相位差得出介损值。主要方法有西林电桥法、谐振法、过零比较法等。西林电桥法是绝对测量法中最常用的方法，此方法通过搭建电桥，计算各电桥臂的电容阻抗关系得到介损值及各电容值。依据电桥法计算介损值，可以得到较高的准确度，方法已有多年的实践经验，多方面的不足也已得到改善。但电桥法对现场设备的要求较高，以此方法为原理开发的检测仪器对操作复杂，价格昂贵，因此在实际操作中不够理想。谐振法主要通过串联电感使电路中的阻抗与容抗相等，得出原电路中阻抗关系，计算电容及介损值。谐振法原理简单，操作方便，但精度低，对于有高精度要求的介损计算并不适用。过零比较法通过比较过零的相位差计算介质损耗因数，是通过软件途径测量介损的方式。此方法在抗干扰能力以及检测精度方面都取得了突破，适用于介损的在线监测。但过零法存在较为严重的过零飘漂移现象，对于温度等环境条件敏感，因此计算结果差距较大^[3]。

目前，关于在线监测方面，德国LDIC等公司使用在被检测设备的末屏接电线直接串联电容的方法，通过电容电压与电压互感之间的相位差计算介损因数；南非利用电容比较法，以二次侧电压相位信号为参考量，通过与一次侧安装的介损值较小的高压电容器的电压相位信号比较得出介损值^[4]。我国学者自20世纪90年代起展开了大规模的在线监测技术的研究。目前，高校、科研所及电网成为研究的主要单位。西安交通大学使用新型微软材料制成的高精度角差电流传感器并投入使用，使小信号的检测计算精度显著提高；武汉大学通过分离交叉互联电缆的泄漏电流监测各相之间的相对变化的理论，提出了无需检测参考电压信号的在线监测方式，减少误差来源，提高了介损的检测精度。在最新的研究中，四川大学提出了信号注入法，该方法将低频信号在电压互感器的二次侧注入，通过检测注入信号的响应电压和金属屏蔽层的泄漏电流得到低频介损，该方法减少了对于一次侧信号的检测，检测方式更易操作，过程更为安全。

在高压电缆的老化机理及综合状态评估方面，国内外学者均有了较为深入的研究。目前，国内外均比较流行老化状态评估的方法有等温松弛电流法，通过计算较大松弛时间常数的界面极化松弛电流，与表征电缆老化程度的老化因子参数比较^[5]，得出电缆的老化程度。目前，提出了许多评估电缆状态的因素，如物理方面的电、热等因素，化学环境的腐蚀、以及电缆投入使用时长，电缆运行所在地理位置等均会对电缆状态造成影响。此外，许多评估电缆老化状态的理论及模型被提出，如Arrhenius方程、Maxwell-Wagner理论等。在电缆状态评估及老化状态评估方面，不断有新的影响因素被发现，新的模型以及各种判定因子被完善。在当前的研究条件下，尚有许多影响因素未能够被发现，各种数学模型体系针对的方面不够完全，判定因子不统一。然而随着电力投入使用的数量增大，时间增长，电缆状态的评估已成为电缆运行中的必要部分，这与状态评估的发展现状存在着极大矛盾，因此，电缆状态的综合评估的发展仍有很长的路要走。

1.3 现有研究的不足及难点

（1）高压电缆介损值数量级小，难以检测。高压电缆的介质损耗角很小，正常油纸绝缘的介损值只有0.1%~0.8%^[6]，在设备正常运行时，介损值只有0.001~0.02rad，因此测量设备的分辨率要低于0.001rad^[7]。运行中电容型设备的多为0.001~0.02，的阈值约为0.01，因此测量误差的绝对值要，的数字化测量均是先测量电流与施加在绝缘上的电压之间的初相角，然后计算出，因，因此对、测量准确度要求很高^[8]，由此可知高压电缆介损的在线监测及计算对测量方法、测量设备、测量误差都有极高的要求。