基于時變應力-強度干涉模型的電力電纜可靠性評估方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于時變應力-強度干涉模型的中高壓電力電纜可靠性評估方法，屬于電力設備狀態監測與評估領域。
【背景技術】
[0002]隨著我國經濟的持續高速增長，城市電網規模與日俱增，電力電纜憑借其占地少、不影響環境美化、安全性高等優點，成為城市電網廣泛采用的電能輸送方式。由于關系到國民經濟重要命脈，城市電網對供電可靠性有著極高的要求，任何電網故障對于國民經濟所造成的損失均無法估量。歷史上東京、倫敦、莫斯科、巴黎、紐約、圣保羅、里約熱內盧、新德里等特大型城市均發生過大停電，且電纜線路故障導致電網連鎖停電的事例呈逐年增長的趨勢。因此，提高城市電網供電可靠性，降低供電故障率是現代城市對電網運行提出的重要要求之一。而電纜可靠性作為城市電網供電可靠性的重要組成部分，對其準確建模并計算成為電網日常運維不可或缺的組成部分。
[0003]可靠性表示一種產品在特定的環境下、一段特定的時間內能夠無故障運行的概率。可靠性理論是從19世紀20年代發展起來的一門科學，可靠性理論認為研宄對象所受的應力及本身的強度是呈一定的概率分布的。當前，對電力電纜可靠性的研宄已在國內外廣泛開展。然而，已有的成果往往僅使用電纜絕緣材料的老化壽命曲線來求取電纜壽命可靠性，從而忽略了電纜是一個有機整體組成的系統。事實上，電纜是一個包括線芯導體、絕緣材料和保護層組成的有機整體，即傳統意義上的系統。此外，由于地下電纜通常采用直埋、管道、電纜溝和電纜通道的方式進行敷設，其運行環境隨氣候、季節以及安裝環境等持續變化，且實測數據具有一定的隨機性，因此電纜的壽命強度會隨著時間的增長而在應力的作用下逐漸退化。而傳統的基于應力-強度模型的電纜可靠性計算模型通常認為電纜的壽命強度為一個靜態的隨機變量，從而導致常規的在特定環境因素下的電纜可靠性估算在實際工程中準確性不高，缺乏實際指導意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種考慮中高壓電纜實際運行環境隨機性的基于時變應力-強度干涉模型的中高壓電力電纜可靠性評估方法。
[0005]為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:
一種基于時變應力-強度干涉模型的電力電纜可靠性評估方法，用于對中高壓電力電纜進行可靠性評估，該方法包括電力電纜累積退化量模型的建立、電力電纜累積退化量和累積退化量閥值概率分布參數的求取、電力電纜時變應力-強度干涉模型的建立以及基于時變應力-強度干涉模型的電纜可靠性估算四個步驟；
(I)所述的電力電纜累積退化量模型的建立包括:
A、將電纜電力的負荷數據、平均電應力以及環境溫度數據分別離散化而形成呈階梯狀連續變化的負荷曲線、電應力曲線以及環境溫度曲線； B、根據所述的變化的負荷曲線、所述的電應力曲線求取單位步長時間內的電纜電流、電場強度；
C、根據求得的電纜電流、電場強度和所述的環境溫度曲線求取不同運行環境下的單位步長時間內電纜芯溫度分布；
D、根據單位步長時間內電纜芯溫度分布求取單位步長時間內的電纜退化量的線性遞推公式；
E、根據所述的線性遞推公式，估算電力電纜在一段時間內的電熱累積退化量；
(2)所述的電力電纜累積退化量和累積退化量閥值概率分布參數的求取，包括將電力電纜的電熱累積退化量和累積退化量閥值用標準正態分布函數擬合，并在此基礎上求取兩者的概率密度函數；
(3)所述的電力電纜時變應力-強度干涉模型的建立包括:
a、定義由熱應力、電應力導致的電熱電纜累積退化量為應力-強度干涉模型中的應力5；定義電力電纜的累積退化量閥值為應力-強度干涉模型中的強度/P，定義電力電纜的可靠性為電力電纜的電熱累積退化量別、于電力電纜的累積退化量閥值雄]概率，從而獲取電力電纜累積退化量模型；
b、根據獲取的電力電纜累積退化量模型，建立計及電力電纜壽命退化的應力-強度干涉豐吳型；
C、將所述的應力-強度干涉模型結合求取的電力電纜的電熱累積退化量和累積退化量閥值的標準正態分布概率密度函數，計算電力電纜的電熱累積退化量和累積退化量閥值標準正態分布的均值、標準差和方差，建立電力電纜的時變應力-強度干涉可靠性模型；
(4)所述的基于時變應力-強度干涉模型的電纜可靠性估算包括:
1)根據建立的電力電纜的時變應力-強度干涉可靠性模型，求取基于時變應力-強度干涉模型的電纜可靠性計算表達式，該表達式為關于電力電纜的電熱累積退化量和累積退化量閥值均值和方差的正態分布函數；
2)根據求取的電纜可靠性計算表達式，計算電纜的故障率和可靠度，獲得電力電纜的可靠性數據。
[0006]該方法還包括電力電纜運行數據載入和電力電纜可靠性數據存儲兩個步驟；首先進行所述的電力電纜運行數據載入，再依次進行所述的電力電纜累積退化量模型的建立、所述的電力電纜累積退化量和累積退化量閥值概率分布參數的求取、所述的電力電纜時變應力-強度干涉模型的建立以及所述的基于時變應力-強度干涉模型的電纜可靠性估，最后進行所述的電力電纜可靠性數據存儲；
所述的電力電纜運行數據載入包括將運行中的電力電纜的電力負荷數據、環境溫度數據以及平均電應力數據從本地存儲裝置載入；
所述的電力電纜可靠性數據存儲包括將采用本發明方法求取的電纜可靠性數據信息存儲入本地存儲裝置中，用于建立中高壓電力電纜運行可靠性數據庫，指導電纜運維部門編制電纜更換、退役計劃。
[0007]在求取基于時變應力-強度干涉模型的電纜可靠性可靠性數據結果后，將結果數據以將其以DAT數據庫文件形式存儲入本地存儲裝置中。
[0008]求取不同運行環境下的單位步長時間內電纜芯溫度分布包括:不同運行環境下電力電纜熱耗等值模型的建立、電力電纜導體的熱損耗和介質熱損耗的計算以及電纜芯溫度分布的求取。
[0009]電力電纜累積退化量模型中，電熱累積退化量5；電力電纜的累積退化量閥值碟3為多變量函數，其所包含的變量包括但不限于電力電纜的負荷電流、環境溫度、電力電纜內部的添加劑和著色劑以及加工溫度。
[0010]所述的建立計及電力電纜壽命退化的應力-強度干涉模型包括計算不同等級的周期性應力作用下電力電纜壽命退化量，以及任意時刻電力電纜的剩余壽命。
[0011]優選的，該方法通過電力電纜狀態監測和智能評估系統自動實現。
[0012]由于上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:該方法由于計及了環境以及實測數據的時變特性和隨機性，建立了中高壓電力電纜的時變應力-強度可靠性模型，使中高壓電纜狀態評估更加科學、更符合工程實際情況，并能用具體的可靠度數據來描述電纜的可靠性，為電纜運行維護部門監測電纜健康度以及制定更換、退役計劃提供重要技術支撐，從而為確保電網安全穩定運行提供重要技術支撐。
【附圖說明】
[0013]附圖1為基于時變應力-強度干涉模型的電力電纜可靠性評估方法的流程示意圖。
[0014]附圖2為電力電纜累積退化量模型的建立的流程示意圖。
[0015]附圖3為電力電纜時變應力-強度干涉模型的建立的流程示意圖。
[0016]附圖4為基于時變應力強度干涉模型的電纜可靠性估算的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例對本發明作進一步描述。
[0018]實施例一:一種用于對中高壓電力電纜進行可靠性評估的基于時變應力-強度干涉模型的電力電纜可靠性評估方法，其有效考慮了中高壓電纜實際運行環境的隨機性。該方法包括電力電纜運行數據載入、電力電纜累積退化量模型的建立、電力電纜累積退化量和累積退化量閥值概率分布參數的求取、電力電纜時變應力-強度干涉模型的建立、基于時變應力-強度干涉模型的電纜可靠性估算和電力電纜可靠性數據存儲這幾個步驟，如附圖1所示。該方法通過電力電纜狀態監測和智能評估系統自動實現。
[0019]1、電力電纜運行數據載入
通常，電力電纜運行數據載入包括讀取以DAT數據庫文件形式存儲入本地存儲裝置中的電纜運行環境信息數據，這些數據包括電纜的負荷數據、電纜運行的環境溫度數據以及電纜的平均電應力數據。在建立電纜熱應力、電應力模型之前，首先要將所存儲的內容載入。具體包括:讀取包含電纜運行信息的DAT數據庫文件并解析該文件。
[0020]2、電力電纜累積退化量模型的建立
電力電纜累積退化量模型的建立如附圖2所示，包括:
A、將從存儲裝置中載入的電纜電力的負荷數據、平均電應力以及環境溫度數據分別離散化而形成呈階梯狀連續變化的負荷曲線、電應力曲線以及環境溫度曲線；
B、根據變化的負荷曲線、電應力曲線求取單位步長時間內的電纜電流、電場強度； C、根據求得的電纜電流、電場強度和環境溫度曲線求取不同運行環境下的單位步長時間內電纜芯溫度分布；該步驟主要包括:不同運行環境下電力電纜熱耗等值模型的建立、電力電纜導體的熱損耗和介質熱損耗的計算以及電纜芯溫度分布的求取；
D、根據單位步長時間內電纜芯溫度分布求取單位步長時間內的電纜退化量的線性遞推公式，并求取單位步長時間內電力電纜的退化量；
E、設定電力電纜的初始退化量，根據線性遞推公式，估算電力