XLPE電纜老化狀態(tài)評估方法研究

劉偉

摘? 要：由于經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，電力供應(yīng)需要大幅增加，電力供應(yīng)安全保障顯得尤為重要，XLPE電纜是電力安全運(yùn)輸?shù)闹匾浇橹?，一旦發(fā)生老化等情況，會對電力運(yùn)輸造成極大損失。本文對XLPE電纜的老化狀態(tài)評估方法進(jìn)行了研究，基于電纜的老化狀態(tài)對電纜壽命進(jìn)行預(yù)測，從而達(dá)到節(jié)約檢測成本，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的目的。

關(guān)鍵詞：XLPE電纜;老化;狀態(tài)評估;壽命預(yù)測

一、引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，電力供應(yīng)需求逐年增加，電網(wǎng)安全運(yùn)行承受的壓力也越來越大。電力運(yùn)輸是電網(wǎng)安全運(yùn)行、電力充足供應(yīng)的重要一環(huán)，目前，XLPE電纜由于具有質(zhì)量小、耐熱性強(qiáng)、傳輸量大、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，承擔(dān)著主要電力運(yùn)輸任務(wù)。為了確保電力的安全運(yùn)行，需要定期對電纜的老化狀態(tài)進(jìn)行評估，早期的評估方法主要是預(yù)防性試驗(yàn)，但是這種方法具有很大的弊端，很可能還會加速電纜的老化。隨著近年來人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的不斷發(fā)展[2]，XLPE電纜的老化檢測手段也有了很大的進(jìn)步，本文主要進(jìn)行了XLPE電纜老化方法的研究，綜合電纜的不同老化狀態(tài)提出了基于壽命預(yù)測的XLPE電纜狀態(tài)評估方法。

二、XLPE電纜老化狀態(tài)分析

上文提到，XLPE電纜在易用性、耐熱性、電氣性能等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，但是研究表明，由于受到外部土壤、氣候、濕度等多方面的影響，XLPE電纜的絕緣內(nèi)部很容易產(chǎn)生老化現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象隨著電纜使用年限的增長還會不斷加強(qiáng)[3]。直接影響電纜的絕緣性能，從而導(dǎo)致電纜損壞，影響電力安全運(yùn)輸。

按照XLPE電纜的老化機(jī)理，主要可以分成水樹老化、電樹老化和熱老化三種。

1、水樹老化

電纜的水樹老化主要是由于電纜中存在缺陷或雜質(zhì)，加上周圍環(huán)境水分較多造成的，這種老化會在電纜中形成水樹枝[4]。一般來說，長期使用的電纜較多出現(xiàn)水樹現(xiàn)象。水樹枝的出現(xiàn)會對電纜的絕緣性能產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重影響電纜的正常運(yùn)行。一方面，隨著絕緣性能的下降，極易發(fā)生局部放電現(xiàn)象，另外，也會導(dǎo)致電纜內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。而且這種變化是長期性的，即使外部環(huán)境的水分減少，水樹枝也不會逆轉(zhuǎn)。隨著使用年限的增加，電纜中水樹枝就可能誘發(fā)電纜絕緣擊穿。

2、電樹老化

電樹老化的起因也主要是電纜在制造工藝等方面存在缺陷，造成電纜中存在一些空隙、雜質(zhì)，電纜長期運(yùn)行過程中，在環(huán)境、外力等綜合因素作用下而出現(xiàn)的現(xiàn)象。最終引發(fā)電纜絕緣擊穿都是由電樹枝引起的。相對于水樹現(xiàn)象，電樹枝的發(fā)展更加迅速，時(shí)間很短就會造成電纜發(fā)生擊穿。以目前的技術(shù)手段，在電纜內(nèi)部出現(xiàn)工藝問題造成電樹枝的的情況較少，現(xiàn)在電樹枝主要出現(xiàn)在接頭和終端等位置。

3、熱老化

前文所述的兩種情況主要是由于工藝問題造成的。在電纜日常運(yùn)行過程中，電纜的性能會隨著時(shí)間推移逐漸減弱，出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是由于絕緣材料在運(yùn)行過程中受熱而產(chǎn)生的。隨著溫度的升高，熱老化現(xiàn)象會加劇。與前兩種老化現(xiàn)象相比，熱老化現(xiàn)象是必然也是最普遍的，而且會貫穿整條運(yùn)輸電纜。由于熱老化現(xiàn)象的加劇，電纜的物理結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)問題，隨之就有可能引發(fā)電纜的水樹和電樹現(xiàn)象。

以上幾種老化現(xiàn)象是造成XLPE電纜發(fā)生絕緣故障的主要誘因，通常情況下，如果沒有工藝上的問題，隨著使用時(shí)間的增長，電纜會由于熱老化現(xiàn)象出現(xiàn)物理結(jié)構(gòu)上的破壞，隨之產(chǎn)生水樹老化現(xiàn)象，繼而引發(fā)電樹老化造成電纜絕緣擊穿。

三、基于壽命預(yù)測的XLPE電纜狀態(tài)評估方法

通過上文分析，XLPE的老化現(xiàn)象會造成電纜運(yùn)行出現(xiàn)問題，針對這些現(xiàn)象，我們可以通過一定給的方法預(yù)測XLPE電纜的使用壽命，通過壽命預(yù)測來評估電纜的使用狀態(tài)，對于使用壽命已經(jīng)到達(dá)極限或?qū)⒁竭_(dá)極限的電纜及時(shí)進(jìn)行更換。

1、預(yù)測指標(biāo)體系建立

XLPE電纜的老化現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展到一定程度就會造成電纜故障，可能是由于單方面因素造成的老化，也可能存在多重因素疊加造成老化。因此，應(yīng)充分考慮造成XLPE電纜現(xiàn)象的各種因素，建立綜合的預(yù)測指標(biāo)體系。對于各項(xiàng)指標(biāo)來說，每一項(xiàng)應(yīng)當(dāng)可以從不同角度來反映電纜的使用壽命，同時(shí)，需要考慮各指標(biāo)之間的相互作用，使體系層次分明。

指標(biāo)的選取還應(yīng)考慮數(shù)量的問題，并不是說指標(biāo)選取的越多預(yù)測結(jié)果就會越準(zhǔn)確，因?yàn)橐恍τ陔娎|老化狀態(tài)影響較小的指標(biāo)有可能會對其他影響大的指標(biāo)的作用造成沖擊，使得預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確。

綜合上文對老化現(xiàn)象和指標(biāo)建立原則的分析，我們可以選取和電纜環(huán)境相關(guān)的溫度、電場、電壓、電流、外力、水分、平均壽命、剩余壽命、有效壽命等幾個(gè)因素做為壽命預(yù)測的指標(biāo)。

2、預(yù)測模型建立

根據(jù)指標(biāo)體系，就可以構(gòu)建電纜壽命預(yù)測模型，預(yù)測模型主要可分為基礎(chǔ)層、過程層和預(yù)測結(jié)果層。

基礎(chǔ)層是整個(gè)預(yù)測模型的基礎(chǔ)，可以將電纜老化模型、指標(biāo)模型囊括其中，主要提供理論支撐和方法分析。電纜老化模型主要是分析加速老化模型的理論依據(jù)，設(shè)定方法中的主要參數(shù)。指標(biāo)模型是進(jìn)行整個(gè)模型構(gòu)建的關(guān)鍵，在具體的實(shí)施過程中，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況對指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，隨著指標(biāo)模型的改變，整個(gè)預(yù)測模型也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修正。

過程層是預(yù)測模型的中間環(huán)節(jié)，它建立在基礎(chǔ)層的各模型之上，主要完成電纜老化壽命預(yù)測的過程。在本層次中，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)指標(biāo)模型確定評估對象的基本指標(biāo)，比如，當(dāng)XLPE電纜的鋪設(shè)方式為直埋時(shí)，就應(yīng)考慮土壤中水分對于電纜的影響因素，而外力破壞因素就可適當(dāng)降低權(quán)重。然后根據(jù)指標(biāo)體系完成數(shù)據(jù)采集，繼而對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，最終得到預(yù)測結(jié)果。

最后一個(gè)層次為結(jié)果層。由于在過程層中已經(jīng)得到預(yù)測結(jié)果，結(jié)果層主要完成對結(jié)果的保存。多次的預(yù)測結(jié)果可以形成一個(gè)大的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集就可以做為后期通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行壽命預(yù)測的訓(xùn)練集合，從而與人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測的目的。

3、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的壽命預(yù)測

模型建立之后，就可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來完成預(yù)測。主要包括以下幾個(gè)過程：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過預(yù)測模型可以得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，可通過svm算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到可靠的樣本集。

（2）參數(shù)估計(jì)

對于得到的樣本集進(jìn)行分割，選取其中三分之二的數(shù)據(jù)做為訓(xùn)練集，三分之一的數(shù)據(jù)做為測試集。通過svm算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到模型的形狀參數(shù)。

（3）壽命預(yù)測結(jié)果分析

通過預(yù)測結(jié)果分析XLPE電纜的使用狀態(tài)，為電力系統(tǒng)提供決策，對于壽命將要達(dá)到年限的電纜進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，遇到問題及時(shí)更換。

四、結(jié)語

本文針對XLPE 電纜受到各種老化因素的影響出現(xiàn)故障問題的現(xiàn)象，提出了一種基于壽命預(yù)測的XLPE電纜老化狀態(tài)評估方法，通過該方法，能夠有效監(jiān)控XLPE電纜的使用狀態(tài)，及時(shí)對發(fā)現(xiàn)問題的電纜進(jìn)行預(yù)警，從而達(dá)到保障電力安全運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

參考文獻(xiàn)：

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衡水學(xué)院校級科研項(xiàng)目-衡水學(xué)院高層次人才科研啟動基金項(xiàng)目《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的XLPE電力電纜壽命預(yù)測方法研究》項(xiàng)目編號：2020GC12。