一種電力電纜終端接頭溫度監測及降溫方法

本發明屬于電纜故障監測，具體涉及一種電力電纜終端接頭溫度監測及降溫方法。

背景技術：

1、電力電纜終端發生故障的主要因素之一就是外界環境，如地下管線分布、絕緣受潮等。隨著電力系統的不斷運轉、能源的不斷消耗，可能會導致電力電纜出現嚴重的故障。電力電纜終端絕緣受潮會降低電纜的耐壓能力，而導致絕緣受潮的主要原因就是接線頭或終端位置密封不良，再加之受到建筑施工的影響，加速了電力電纜材料的損壞，增加了絕緣受潮的概率。絕緣老化是指絕緣材料本身的性能出現了不可逆的變化，導致電力電纜絕緣性能不佳。環境因素是導致電力電纜絕緣老化的主要原因，如熱老化就是高溫狀態導致絕緣材料發生過熱氧化而發生變化，并影響到材料的物理特性，嚴重的可能會導致絕緣擊穿。

2、電力電纜終端線芯導體實時溫度是判斷電力電纜終端線運行狀態的重要依據。常使用的電力電纜終端增強絕緣是硅橡膠（sir），其所允許的長期耐受的最高溫度為90℃，當電力電纜終端在正常狀態下運行時，線芯導體溫度始終在安全范圍內，若電力電纜終端在某時段內過負荷運行，線芯導體溫度在經過一定的溫升時間將超過允許的最高值，長期的過負荷運行將影響使用壽命，甚至發生火災。因此為保障供電可靠性和電能質量，須實時監測絕緣溫度和過負荷情況。

3、在現有技術中，常規的出線接頭接觸情況的監測方法是在停電之后用直流電阻儀測量接頭接觸電阻或用紅外熱像儀測量接頭部位的運行溫度，由于需要在斷電之后進行，因此會大大影響測量的可靠性，并且無法了解出線接頭處在實時工況下的運行情況。而實踐證明，電力電纜終端出線接頭在實際運行時由于發熱或燒毀設備造成的事故屢見不鮮，因此有必要加強其運行維護和實時狀態監測。

技術實現思路

1、根據以上現有技術中的不足，本發明提供了一種可以在電力電纜終端運行時對電力電纜終端增強絕緣的運行狀態進行識別并進行降溫處理，大大提高了運行可靠性的電力電纜終端接頭溫度監測及降溫方法。

2、為達到以上目的，本發明提供了一種電力電纜終端接頭溫度監測及降溫方法，包括以下步驟：

3、s1、在電力電纜終端接頭處設置電力變壓器、傳感器組、在線監測系統和風冷降溫裝置，其中傳感器組位于電力變壓器與電力電纜終端接頭之間，在線監測系統獲取傳感器組采集的數據并進行處理，風冷降溫裝置用于對電力電纜終端接頭進行降溫；

4、s2、通過傳感器組，獲取電力電纜終端接頭運行時的電流i、氣溫（環境溫度）t和風速（環境風速）v，并獲取電力電纜終端接頭的尺寸數據和電阻數據；

5、s3、基于s2中獲得的電流i、電力電纜終端線芯電阻r和電力電纜終端線芯體積v，通過p=i2r/v計算獲得電力電纜終端接頭的體積熱功率p；

6、s4、結合電力電纜主絕緣xlpe以及終端接頭增強絕緣用sir材料的電導電流測量數據，按照電導率與溫度和場強的關系式進行擬合，得到電力電纜主絕緣和終端接頭增強絕緣電導率的關系式，并計算獲得相關參數γ；

7、s5、基于有限元仿真軟件，搭建電力電纜終端接頭的電磁-熱耦合仿真模型，并通過仿真獲得電力電纜導體溫度t1、終端接頭增強絕緣溫度t2、終端接頭增強絕緣內最大電場強度emax；

8、s6、將仿真得到的所有t1數據繪制成函數曲線，建立電力電纜導體溫度隨電流i、氣溫t和風速v變化的擬合函數f(i,t,v)，同理建立終端接頭增強絕緣溫度隨電流i、氣溫t和風速v變化的擬合函數g(i,t,v)、終端接頭增強絕緣內最大電場強度隨電流i、氣溫t和風速v變化的擬合函數h(i,t,v)；

9、s7、設定終端接頭增強絕緣內的電場強度目標值e0，實際監測過程中獲得電力電纜終端接頭運行時的電流i、氣溫t和風速v以及終端接頭增強絕緣溫度實際值t0，通過在線監測系統，利用擬合函數獲取電力電纜導體溫度仿真值t1'、終端接頭增強絕緣溫度仿真值t2'及終端接頭增強絕緣最大電場強度仿真值emax'；

10、s8、通過在線監測系統判斷emax'是否大于e0，如果emax'大于e0的1.5倍，則提高風冷降溫裝置的風速，通過提高風速降低終端接頭增強絕緣的溫度來降低emax'；

11、s9、通過在線監測系統判斷終端接頭增強絕緣在降溫時間外的溫度實際值t0是否大于t2'，如果t0大于t2'的1.5倍，則認為出現母排絕緣失效或異常，計算δt=t0-t2'，并將δt發送至監測站。

12、所述的s1中，傳感器組包括溫度傳感器、電流互感器、風速傳感器和地表氣溫傳感器，在線監測系統包括信號采集模塊、邏輯處理模塊和通訊模塊，傳感器組通訊連接至信號采集模塊，邏輯處理模塊對信號采集模塊獲取的數據進行處理，并將處理結果經通訊模塊發送至監測站（還可以同時發送至配套的客戶端）。

13、所述的s4中，相關系數γ的獲取公式為：

14、；

15、式中，a為需計算的絕緣材料（即為電力電纜主絕緣xlpe、終端接頭增強絕緣用sir材料）相關的常數；為活化能；q為電子電荷量；kb為玻爾茲曼常數；t為需計算的絕緣材料溫度；bb為電場系數；e為場強。

16、所述的s5中，利用有限元仿真軟件comsol的電場模塊、傳熱模塊和電熱耦合模塊搭建電力電纜終端接頭的電磁-熱耦合仿真模型。

17、所述的s5中，搭建電力電纜終端接頭的電磁-熱耦合仿真模型時，基于電力電纜終端接頭的尺寸數據、電阻數據、電力電纜線芯的電導率、電流、電力電纜主絕緣和終端接頭增強絕緣電導率的關系式，并考慮包括導體損耗和絕緣損耗的電磁損耗進行構建。

18、仿真時，電力電纜終端接頭的場強通過設置接地位置、導體電勢以及材料參數得出；根據線芯電導率、尺寸以及導體載流量設置導體溫度。

19、電力電纜終端接頭的電磁-熱耦合仿真模型中，電力電纜線芯的電導率σ及其溫度td滿足：

20、；

21、式中，為電力電纜線芯在20℃下的電導率；α為電力電纜線芯電導率的溫度系數；

22、電力電纜終端接頭的電磁場的maxwell方程組為：

23、；

24、式中，是梯度算子；h是磁場強度；je表示渦流密度；js為源電流密度；e為場強；tt為時間；b為磁感應強度；d是電位移矢量；ρ為電荷密度；

25、各向同性均勻電介質、磁介質和導體的關系為：

26、；

27、式中，j是電流密度；ε為介電常數；μ為磁導率。

28、所述的s6中，f(i,t,v)的獲取方式為，通過1stopt曲線擬合平臺，基于電流i、氣溫t、風速v和仿真獲得的電力電纜導體溫度t1獲取f(i,t,v)，表示為：

29、f(i,t,v)=(ip1)×((1+p2×v)/(p3+p4×v))+p5+p6/t；

30、式中，p1、p2、p3、p4、p5、p6為擬合函數的系數；

31、其中，將三個自變量i、t、v和一個因變量t1，輸入到1stopt曲線擬合平臺計算出擬合函數的系數p1-p6，計算時，t1即為f(i,t,v)；

32、獲得擬合函數的系數p1-p6后，基于f(i,t,v)擬合計算t1'，即為：

33、t1'=(ip1)×((1+p2×v)/(p3+p4×v))+p5+p6/t；

34、同理獲取g(i,t,v)、h(i,t,v)以及t2'、emax'。

35、所述的s7-s9中的查找和判斷基于邏輯處理模塊實現。

36、本發明涉及的算法可以通過電子設備執行，電子設備包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，通過處理器執行軟件實現上述的算法。

37、本發明所具有的有益效果是：

38、本發明通過對終端接頭增強絕緣溫度以及終端接頭增強絕緣內最大電場強度進行在線監測，在增強絕緣內最大電場強度超出預期值或是在增強絕緣失溫后的運行狀態進行監測識別，并可以執行降溫，大大提高了監測的可靠性與便捷性。

39、本發明是在電力電纜終端實際運行工況下實時測量和估算分析，包括實際負載電流、實際環境溫度等等，更能真實反映其運行狀態，測量結果可信度更高，而且可以預測電力電纜終端未來最大場強及溫度變化，當超過規程規定限值、或者變化率明顯增大時，可以給電力電纜終端運行管理者實時發出告警信號，有效防范事故發生。

40、本發明根據實際電力電纜終端模型為基礎，通過分析電力電纜終端穩態溫度及暫態溫升，并以有限元進行驗證，克服了傳統熱路模型無法計算集群敷設電力電纜終端暫態溫升的缺點，最終實現電力電纜終端在恒定負荷和變負荷下的動態增容計算，使得電力電纜終端在絕緣良好的運行狀態下進行充分的輸送。