電纜戶外終端絕緣老化狀態自動監測技術優化

摘 要：為解決電網設備出現絕緣老化故障問題，提出全生命周期下高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態自動監測方法。管理高壓電纜戶外終端設備的生命周期，在生產運營階段，分析高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態溫度損耗特性，構建終端絕緣老化評估模型，評估高壓電纜戶外終端的絕緣老化狀態，設計老化狀態監測標準，將評估的結果輸入到監測標準中實現自動監測。實驗結果表明，該方法能夠有效分析老化狀態下電纜戶外終端設備在不同季節的電流泄露情況，分析不同使用年限設備的介質損耗，同時可以精準監測出多種類型的設備絕緣老化狀態。

關鍵詞：資產全生命周期；高壓電纜；戶外終端；絕緣老化；設備采購；生產運營

中圖分類號：TM744

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0180-05

Optimization of automatic monitoring technology for aging state of outdoor cable terminal insulation

WANG Dingfa

（China Southern Power Grid Digital Grid Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China

）

Abstract：In order to solve the insulation aging problem of power grid equipment，an automatic monitoring method of insulation aging state of outdoor terminal of high voltage cable during the whole life cycle was proposed.The life cycle of high-voltage cable outdoor terminal equipment was managed.In the production and operation stage，the temperature loss characteristics of the insulation aging state of high-voltage cable outdoor terminal was analyzed，the terminal insulation aging evaluation model was constructed，the insulation aging state of high-voltage cable outdoor terminal was evaluated，the aging state monitoring standard was designed，and the evaluation results were input into the monitoring standard to achieve automatic monitoring.The experimental results showed that the method could effectively analyze the current leakage of outdoor cable terminal equipment in different seasons under the aging state，analyze the media loss of equipment in different service years，and accurately monitor the aging state of various types of equipment insulation.

Key words：asset life cycle;high voltage cable;outdoor terminal;insulation aging;equipment procurement;the production operation

電纜是目前各地區輸電的核心設備，由于電纜終端設備隨電纜分布十分廣泛［1］，導致終端設備具有極高的故障率，采用有效方式檢測電纜終端設備故障，可以提前反映該終端的運行狀況，以此發現問題缺陷［2］，從而避免事故的產生。有較多學者對設備故障進行研究，如研究電纜局部絕緣老化缺陷［3］，雖然該方法精確診斷電纜老化狀態，且對故障檢測的實時性較高，但該方法無法檢測電纜相關設備的絕緣老化現象；研究驅動電機匝絕緣故障診斷［4］，該方法合理診斷電網設備中的故障，但無法檢測出其他終端設備的絕緣老化情況。為此，研究資產全生命周期下高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態自動監測，通過自動狀態監測，獲取電纜戶外終端的異常老化現象。

1 高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態分析

1.1 資產全生命周期下控制模型架構

構建基于電纜戶外終端的資產全生命周期控制管理模型，通過該模型管控電網資產可靠性、電纜戶外終端使用效率、使用壽命以及完整的生命周期。利用統一的管理策略，使電纜戶外終端資產生命周期的各階段均能實現互相銜接與管理，實現現代化的資產全生命周期控制，資產全生命周期管理模型如圖1所示。

（1）規劃設計。在電網安全運行環境下，對高壓電纜戶外終端設備的使用效率與資產全生命周期的開銷進行規劃，其中包含設備建設、檢修運維與報廢等，綜合評估資產投入的必要性，合理選取設計方案，優化設備選型；

（2）設備采購。使用“大物流”管理理念，通過統一的形式實現設備招標、采購、結算、倉儲以及配送，并通過LCC評標方式，對全生命周期成本最佳的設備進行采購，使采購的成本達到最低，同時還能夠有效提升采購效率，保障采購安全可靠［5］；

（3）工程建設。在高壓電纜戶外終端建設之前，需不斷收集設備的投資成本，并提前輸入到信息系統中，根據規劃設計需求與標準，嚴格把控設備建設的時間、開銷與質量等內容，實現效益的最大化，并建設采購、設備臺賬，使資產與設備之間產生聯動，保障建設期間的資產開銷更加明確［6］；

（4）生產運營。制定合理的設備維護策略，設計設備檢修方案，合理規范采集設備運行信息，對設備運行狀態進行監測，實現設備可靠性管理，有效降低檢修成本，使設備運行成本更加精確；

（5）退役報廢。清理即將退役報廢的設備，對待報廢設備進行評估，同時將待報廢設備的評估結果應用至其他業務環節中，并促進設備的循環再利用。

1.2 高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態溫度損耗特性分析

由于電纜戶外終端在運行時會發生損耗，導致其出現絕緣老化，因此通過如下形式對損耗進行計算。

按照VCR理論（電壓、電流、阻抗關系），當電流Ic流過固定長度導體時，所出現的損耗：

Wc=RcW/m（1）

式中：電纜芯交流電阻為Rc。可通過式（2）對其進行計算：

Rc=R01+YS+YPΩ/m（2）

式中：電纜芯的直流電阻為R0，通過YS、YP依次描述集膚、鄰近效應系數。

針對圓形單芯電纜XS或三芯電纜XP情況下的戶外終端，若XS、XP小于等于2.8時，則可利用如下方式計算YS、YP值：

YS=XS0.8XS4，XS2=8πfR0×ks（3）

YP=XP0.8XP4ZCS2ZCS2+1XP0.8XP4XP2=πfR0×kp（4）

式中：kp、ks均為常數；S為線芯中心軸間距；f表示線路頻率；ZC為線芯外徑。

在電纜的A相、B相、C相中，每相單位長度的介質損耗可采用式（5）計算：

Wd=ωCU02tanδW/m （5）

式中：ω=2πf；在運行過程中的絕緣損耗因素為tanδ；對地電壓為U0；固定長度下電纜的電容為C，可采用式（6）計算：

C=ε/lnZiZc×F/m（6）

式中：設備絕緣外層的相對介電常數為ε；絕緣層內徑為Zi；絕緣層外徑為Zc。

針對3根單芯電纜，在通過等距形式架設時，可設S為鄰近兩線路的中心軸間距，此時，設備護層屬于兩端短接，可以不考慮渦流損耗，因此，可將每相金屬護層的損耗因素λ′表示為：

λ′1=RsR34P2Rs2+P2+14Q2Rs2+Q2－2RsPQsXm3Rs2+P2Rs2+Q2（7）

λ′1=RsRQ2/Rs2+Q2（8）

λ′1=RsR34P2Rs2+P2+14Q2Rs2+Q2+2RsPQsXm3Rs2+P2Rs2+Q2（9）

其中，式（7）表示A相；式（8）表示B相；式（9）表示C相。金屬護層的電阻為Rs。

若電纜戶外終端護層出現單端接地時，可不考慮環流損耗，此時該終端的損耗因素λ″可表示為：

λ″1=A1RfRZs2S1+A2Zs2S2Rs×10－7ω2+152SZs（10）

針對戶外終端的兩側電纜，A1=1.5，A2=0.27；針對中間電纜A1=6，A2=0.083。

對于非磁性材料鎧裝，可按照金屬護層方式計算其損耗［7］。針對磁性材料鎧裝，在計算其損耗時相對困難，通過如下形式，計算電纜戶外終端鎧裝層損耗：

λ2=RAR×CZA1RA×104f2+1（11）

式中：鎧裝層電阻為RA；鎧裝平均直徑為ZA；電纜線芯與中心軸的距離為C。

按照目前國網標準，可利用等值熱路法確定電纜戶外終端的溫度場。絕緣層、內襯層、外被層的熱阻依次為T1、T2、T3，可利用如下形式對其進行計算：

T1=ρT12πlnZiZcTΩ×m（12）

T2=ρT22πlnZaZs′TΩ×m（13）

T3=ρT32πlnZeZ′aTΩ×m（14）

而鄰近媒介的熱阻，即電纜戶外終端周圍土壤的熱阻為T4，可利用式（15）對其進行計算：

T4=ρT42πln4LZeTΩ×m（15）

式中：ρT1、ρT2、ρT3、ρT4依次為每層的導熱系數；絕緣層內徑與外徑分別為Zi、Zc；內襯層的內徑與外徑依次為Za、Zs'；外被層內徑與外徑依次為Ze、Z'a；電纜埋深為L。

電流流過電纜戶外終端時，會導致其溫度升高，出現的散熱問題會使其出現一定損耗［8-9］，導致電纜終端出現破壞，因此，對溫度的研究可有效分析電纜戶外終端的運行狀態。

1.3 高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態自動監測

1.3.1 高壓電纜戶外終端絕緣老化評估模型

當高壓電纜戶外終端處于90 ℃條件下持續運行時，其使用壽命基本為30年［10-11］。假設其使用年限為t0年，則在t0年內終端導體溫度θF的累積效應與30年內所設終端運行溫度θM=90 ℃的累積效應比值如式（16）所示：

A=∫365×24×t00θFdt∫365×24×300θMdt（16）

利用式（16），可以得到戶外終端在累積溫度情況下，其具體的運行年限t1，即t1=A×30。

假設終端老化運行年限為t2，且該年限綜合終端的實際運行年限與等效運行年限，則t2的取值為：

t2=a0t0+a1t1（17）

式中：a0、a1依次表示t0與t1的權衡系數，a0+a1=1，通常情況下，該值取a0=0.5、a1=0.5。

由于現實運行時，較多戶外終端處于輕載狀態，其導體溫度可能無法達到所設溫度90 ℃，這會使得終端的老化情況不夠明顯，為此，本文不僅以溫度衡量終端的運行壽命，還通過如下形式，構建絕緣老化評估模型的附屬因數，使高壓電纜戶外終端絕緣老化情況得到更全面的監測。

1.3.2 絕緣老化評估模型附屬因數

1）歷史故障影響因數

歷史故障是指當前電纜戶外終端所接線路以往出現過的非破壞性原因導致的故障現象，對于歷史故障次數（較多的終端，認定其具有嚴重的老化情況，針對歷史故障次數較少的終端，則老化問題較輕；同時，每當其出現一次故障［12-13］，則表示終端受到一定的電流沖擊，會加快其自身的老化速度，通過表1描述歷史故障因數值（KH）。

2）服役年限影響因數

終端設備運行時的退役曲線與老化過程基本一致，當服役年限逐漸上升，設備的運行狀態可通過公式（18）進行計算：

KY=A1expA2t0（18）

式中：終端服役年限為t0；幅值系數為A1；老化系數為A2；服役年限因數值即為KY。

3）運行環境影響因數

由于該終端屬于戶外環境，因此周圍環境對其的運行狀態具有較大影響，當終端長時間受水分、潮氣等環境侵蝕，會使得終端外部絕緣材料受到滲透［14］，導致出現絕緣老化現象。按照外圍環境，通過表2分析運行環境影響因數值（KE）。

綜合以上影響因數分析，可通過如下形式計算電纜戶外終端等效運行時間（t）：

t=KH×KY×KE×t2（19）

1.4 電纜戶外終端老化程度監測標準

按照式（19）獲取每種影響因數下的終端運行時間，按照該時間，可將終端的運行、老化情況分為4個等級，具體如表3所示。

按照該監測標準，對上述電纜戶外終端老化評估結果進行分類，獲取終端最終監測類別，實現高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態自動監測。

2 實驗分析

挑選不同安裝年份的220 kV高壓電纜戶外終端作為監測對象，該終端表面材質為硅橡膠，由硅橡膠實現絕緣，額定電壓為U0/U為127/220 kV。

應用所提方法，分析四季老化終端平均泄露電流情況，分析結果如圖2所示。

由圖2可知，當處于夏季時期電流泄漏比例相對保持最低水平，在春、秋時的電流泄露情況十分接近，始終保持在3%～5%以內；而冬季的電流泄露情況較為嚴重，達到了10%以上。

選取不同使用年限的電纜終端設備，分析隨著使用頻率的逐漸上升，不同設備的介質損耗情況，分析結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著電纜終端設備使用頻率的逐漸上升，不同應用年限的設備介質損耗也隨之出現上升，對屬于嚴重老化設備需要及時進行更換處理。

采用所提方法對不同電纜戶外終端的不同老化狀態進行監測，分析結果如表4所示。

由表4可知，應用所提方法可有效實現各種老化狀態的監測，且監測結果較為精準，可明確分析老化發生時的損耗特性，實現自動監測。

應用所提方法對1 000臺不同投運年限的設備進行監測，分析電纜終端設備的老化情況，分析結果如圖4所示。

由圖4可知，在2014～2021年使用的設備老化程度最大，且嚴重老化情況最多。這由于該年限下所使用的設備為監測中投運時間最長的設備；而2018年至今所投運的設備目前老化程度相對較低，且嚴重老化現象并不高，保持在5%以下，說明使用年限較短，設備的老化程度也相對較輕。

3 結語

研究資產全生命周期下高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態自動監測方法，在電網設備的資產全生命周期管理架構下，實現對高壓電纜戶外終端的管理，及時監測設備絕緣老化故障，并對無法繼續使用的終端做出更換處理。在未來研究過程中，可針對現有方法繼續進行優化，使該方法能夠實現多設備的實時監測。

【參考文獻】

［1］ 李登淑，王昕，吳健兒，等.基于特征檢測量的XLPE電纜絕緣老化壽命預測方法［J］.電力科學與技術學報，2022，37（1）：168-177.

［2］ 戴健，葛興來，楊旭，等.基于動態自適應參考值的牽引整流器IGBT鍵合線老化狀態監測方法［J］.中國電機工程學報，2022，42（7）：2650-2663.

［3］ 王昊月，李成榕，王偉，等.高壓頻域介電譜診斷XLPE電纜局部絕緣老化缺陷的研究［J］.電工技術學報，2022，37（6）：1542-1553.

［4］ 嚴浩，巴桑，顧奕.基于開關振蕩的驅動電機匝絕緣故障診斷［J］.電氣傳動，2022，52（12）：68-73.

［5］ 王天，白銀浩，呂中賓，等.交聯聚乙烯電纜絕緣老化試驗及其檢測技術［J］.絕緣材料，2022，55（6）：6-15.

［6］ 閆群民，李歡，翟雙，等.不同溫度熱老化對高壓配網交聯聚乙烯電纜絕緣表面陷阱參數的影響［J］.中國電機工程學報，2020，40（2）：692-701.

［7］ 柳怡晨，于競哲，陳向榮，等.基于TOPSIS-RSR方法的水環境下交流配網XLPE電纜絕緣狀態評估［J］.高壓電器，2021，57（7）：105-111.

［8］ 林晨，吝伶艷，雷志鵬，等.基于PDC的多應力老化乙丙橡膠電纜絕緣狀態評估［J］.絕緣材料，2020，53（1）：70-75.

［9］ 周海峰，曾振城，林昌.海底電纜早期短路故障建模與分析［J］.計算機仿真，2021，38（5）：75-79.

［10］ 袁偉.一種基于物聯網技術的變電站智能監控系統設計［J］.粘接，2022，49（10）：185-189.

［11］ 石延輝，楊洋，阮彥俊，等.不同運行工況下的換流站多模態數據深度感知模型［J］.粘接，2022，49（12）：169-173.

［12］ 劉青，張浩然，尚英強，等.基于主成分分析法的高壓服役電纜主絕緣老化狀態評估［J］.絕緣材料，2022，55（11）：56-62.

［13］ 李盛濤，王詩航，楊柳青，等.高壓電纜交聯聚乙烯絕緣的關鍵性能與基礎問題［J］.中國電機工程學報，2022，42（11）：4247-4254.

［14］ 高凱，左勝武，曾浩，等.基于組合權重模型對高壓電纜絕緣料性能評價［J］.現代塑料加工應用，2022，34（1）：44-47.

收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-25

作者簡介：王定發（1987-），男，本科，產品經理，研究方向：智能控制及老化監測等；E-mail：wangdfqr871@tom.cn。

基金項目：2021年南方電網數字電網研究院有限公司自研項目（項目編號：QF-KF-01-ZC-21-001065）。

引文格式：王定發.電纜戶外終端絕緣老化狀態自動監測技術優化［J］.粘接，2023，50（11）：180-184.