電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)化

摘 要：為解決電網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)絕緣老化故障問(wèn)題，提出全生命周期下高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。管理高壓電纜戶外終端設(shè)備的生命周期，在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段，分析高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)溫度損耗特性，構(gòu)建終端絕緣老化評(píng)估模型，評(píng)估高壓電纜戶外終端的絕緣老化狀態(tài)，設(shè)計(jì)老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，將評(píng)估的結(jié)果輸入到監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效分析老化狀態(tài)下電纜戶外終端設(shè)備在不同季節(jié)的電流泄露情況，分析不同使用年限設(shè)備的介質(zhì)損耗，同時(shí)可以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)出多種類型的設(shè)備絕緣老化狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：資產(chǎn)全生命周期；高壓電纜；戶外終端；絕緣老化；設(shè)備采購(gòu)；生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)

中圖分類號(hào)：TM744

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(qū)輸電的核心設(shè)備，由于電纜終端設(shè)備隨電纜分布十分廣泛［1］，導(dǎo)致終端設(shè)備具有極高的故障率，采用有效方式檢測(cè)電纜終端設(shè)備故障，可以提前反映該終端的運(yùn)行狀況，以此發(fā)現(xiàn)問(wèn)題缺陷［2］，從而避免事故的產(chǎn)生。有較多學(xué)者對(duì)設(shè)備故障進(jìn)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(tài)，且對(duì)故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性較高，但該方法無(wú)法檢測(cè)電纜相關(guān)設(shè)備的絕緣老化現(xiàn)象；研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)匝絕緣故障診斷［4］，該方法合理診斷電網(wǎng)設(shè)備中的故障，但無(wú)法檢測(cè)出其他終端設(shè)備的絕緣老化情況。為此，研究資產(chǎn)全生命周期下高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取電纜戶外終端的異常老化現(xiàn)象。

1 高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)分析

1.1 資產(chǎn)全生命周期下控制模型架構(gòu)

構(gòu)建基于電纜戶外終端的資產(chǎn)全生命周期控制管理模型，通過(guò)該模型管控電網(wǎng)資產(chǎn)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(tǒng)一的管理策略，使電纜戶外終端資產(chǎn)生命周期的各階段均能實(shí)現(xiàn)互相銜接與管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的資產(chǎn)全生命周期控制，資產(chǎn)全生命周期管理模型如圖1所示。

（1）規(guī)劃設(shè)計(jì)。在電網(wǎng)安全運(yùn)行環(huán)境下，對(duì)高壓電纜戶外終端設(shè)備的使用效率與資產(chǎn)全生命周期的開(kāi)銷進(jìn)行規(guī)劃，其中包含設(shè)備建設(shè)、檢修運(yùn)維與報(bào)廢等，綜合評(píng)估資產(chǎn)投入的必要性，合理選取設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)備選型；

（2）設(shè)備采購(gòu)。使用“大物流”管理理念，通過(guò)統(tǒng)一的形式實(shí)現(xiàn)設(shè)備招標(biāo)、采購(gòu)、結(jié)算、倉(cāng)儲(chǔ)以及配送，并通過(guò)LCC評(píng)標(biāo)方式，對(duì)全生命周期成本最佳的設(shè)備進(jìn)行采購(gòu)，使采購(gòu)的成本達(dá)到最低，同時(shí)還能夠有效提升采購(gòu)效率，保障采購(gòu)安全可靠［5］；

（3）工程建設(shè)。在高壓電纜戶外終端建設(shè)之前，需不斷收集設(shè)備的投資成本，并提前輸入到信息系統(tǒng)中，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)需求與標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格把控設(shè)備建設(shè)的時(shí)間、開(kāi)銷與質(zhì)量等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)效益的最大化，并建設(shè)采購(gòu)、設(shè)備臺(tái)賬，使資產(chǎn)與設(shè)備之間產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，保障建設(shè)期間的資產(chǎn)開(kāi)銷更加明確［6］；

（4）生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。制定合理的設(shè)備維護(hù)策略，設(shè)計(jì)設(shè)備檢修方案，合理規(guī)范采集設(shè)備運(yùn)行信息，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠性管理，有效降低檢修成本，使設(shè)備運(yùn)行成本更加精確；

（5）退役報(bào)廢。清理即將退役報(bào)廢的設(shè)備，對(duì)待報(bào)廢設(shè)備進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)將待報(bào)廢設(shè)備的評(píng)估結(jié)果應(yīng)用至其他業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)中，并促進(jìn)設(shè)備的循環(huán)再利用。

1.2 高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)溫度損耗特性分析

由于電纜戶外終端在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生損耗，導(dǎo)致其出現(xiàn)絕緣老化，因此通過(guò)如下形式對(duì)損耗進(jìn)行計(jì)算。

按照VCR理論（電壓、電流、阻抗關(guān)系），當(dāng)電流Ic流過(guò)固定長(zhǎng)度導(dǎo)體時(shí)，所出現(xiàn)的損耗：

Wc=RcW/m（1）

式中：電纜芯交流電阻為Rc?？赏ㄟ^(guò)式（2）對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

Rc=R01+YS+YPΩ/m（2）

式中：電纜芯的直流電阻為R0，通過(guò)YS、YP依次描述集膚、鄰近效應(yīng)系數(shù)。

針對(duì)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(shí)，則可利用如下方式計(jì)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(shù)；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(zhǎng)度的介質(zhì)損耗可采用式（5）計(jì)算：

Wd=ωCU02tanδW/m （5）

式中：ω=2πf；在運(yùn)行過(guò)程中的絕緣損耗因素為tanδ；對(duì)地電壓為U0；固定長(zhǎng)度下電纜的電容為C，可采用式（6）計(jì)算：

C=ε/lnZiZc×F/m（6）

式中：設(shè)備絕緣外層的相對(duì)介電常數(shù)為ε；絕緣層內(nèi)徑為Zi；絕緣層外徑為Zc。

針對(duì)3根單芯電纜，在通過(guò)等距形式架設(shè)時(shí)，可設(shè)S為鄰近兩線路的中心軸間距，此時(shí)，設(shè)備護(hù)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(hù)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(hù)層的電阻為Rs。

若電纜戶外終端護(hù)層出現(xiàn)單端接地時(shí)，可不考慮環(huán)流損耗，此時(shí)該終端的損耗因素λ″可表示為：

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

針對(duì)戶外終端的兩側(cè)電纜，A1=1.5，A2=0.27；針對(duì)中間電纜A1=6，A2=0.083。

對(duì)于非磁性材料鎧裝，可按照金屬護(hù)層方式計(jì)算其損耗［7］。針對(duì)磁性材料鎧裝，在計(jì)算其損耗時(shí)相對(duì)困難，通過(guò)如下形式，計(jì)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(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可利用等值熱路法確定電纜戶外終端的溫度場(chǎng)。絕緣層、內(nèi)襯層、外被層的熱阻依次為T(mén)1、T2、T3，可利用如下形式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

T1=ρT12πl(wèi)nZiZcTΩ×m（12）

T2=ρT22πl(wèi)nZaZs′TΩ×m（13）

T3=ρT32πl(wèi)nZeZ′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T(mén)4，可利用式（15）對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

T4=ρT42πl(wèi)n4LZeTΩ×m（15）

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

電流流過(guò)電纜戶外終端時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其溫度升高，出現(xiàn)的散熱問(wèn)題會(huì)使其出現(xiàn)一定損耗［8-9］，導(dǎo)致電纜終端出現(xiàn)破壞，因此，對(duì)溫度的研究可有效分析電纜戶外終端的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)

1.3.1 高壓電纜戶外終端絕緣老化評(píng)估模型

當(dāng)高壓電纜戶外終端處于90 ℃條件下持續(xù)運(yùn)行時(shí)，其使用壽命基本為30年［10-11］。假設(shè)其使用年限為t0年，則在t0年內(nèi)終端導(dǎo)體溫度θF的累積效應(yīng)與30年內(nèi)所設(shè)終端運(yùn)行溫度θM=90 ℃的累積效應(yīng)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(yùn)行年限t1，即t1=A×30。

假設(shè)終端老化運(yùn)行年限為t2，且該年限綜合終端的實(shí)際運(yùn)行年限與等效運(yùn)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(quán)衡系數(shù)，a0+a1=1，通常情況下，該值取a0=0.5、a1=0.5。

由于現(xiàn)實(shí)運(yùn)行時(shí)，較多戶外終端處于輕載狀態(tài)，其導(dǎo)體溫度可能無(wú)法達(dá)到所設(shè)溫度90 ℃，這會(huì)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(yùn)行壽命，還通過(guò)如下形式，構(gòu)建絕緣老化評(píng)估模型的附屬因數(shù)，使高壓電纜戶外終端絕緣老化情況得到更全面的監(jiān)測(cè)。

1.3.2 絕緣老化評(píng)估模型附屬因數(shù)

1）歷史故障影響因數(shù)

歷史故障是指當(dāng)前電纜戶外終端所接線路以往出現(xiàn)過(guò)的非破壞性原因?qū)е碌墓收犀F(xiàn)象，對(duì)于歷史故障次數(shù)（較多的終端，認(rèn)定其具有嚴(yán)重的老化情況，針對(duì)歷史故障次數(shù)較少的終端，則老化問(wèn)題較輕；同時(shí)，每當(dāng)其出現(xiàn)一次故障［12-13］，則表示終端受到一定的電流沖擊，會(huì)加快其自身的老化速度，通過(guò)表1描述歷史故障因數(shù)值（KH）。

2）服役年限影響因數(shù)

終端設(shè)備運(yùn)行時(shí)的退役曲線與老化過(guò)程基本一致，當(dāng)服役年限逐漸上升，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可通過(guò)公式（18）進(jìn)行計(jì)算：

KY=A1expA2t0（18）

式中：終端服役年限為t0；幅值系數(shù)為A1；老化系數(shù)為A2；服役年限因數(shù)值即為KY。

3）運(yùn)行環(huán)境影響因數(shù)

由于該終端屬于戶外環(huán)境，因此周圍環(huán)境對(duì)其的運(yùn)行狀態(tài)具有較大影響，當(dāng)終端長(zhǎng)時(shí)間受水分、潮氣等環(huán)境侵蝕，會(huì)使得終端外部絕緣材料受到滲透［14］，導(dǎo)致出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象。按照外圍環(huán)境，通過(guò)表2分析運(yùn)行環(huán)境影響因數(shù)值（KE）。

綜合以上影響因數(shù)分析，可通過(guò)如下形式計(jì)算電纜戶外終端等效運(yùn)行時(shí)間（t）：

t=KH×KY×KE×t2（19）

1.4 電纜戶外終端老化程度監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

按照式（19）獲取每種影響因數(shù)下的終端運(yùn)行時(shí)間，按照該時(shí)間，可將終端的運(yùn)行、老化情況分為4個(gè)等級(jí)，具體如表3所示。

按照該監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上述電纜戶外終端老化評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分類，獲取終端最終監(jiān)測(cè)類別，實(shí)現(xiàn)高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

挑選不同安裝年份的220 kV高壓電纜戶外終端作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，該終端表面材質(zhì)為硅橡膠，由硅橡膠實(shí)現(xiàn)絕緣，額定電壓為U0/U為127/220 kV。

應(yīng)用所提方法，分析四季老化終端平均泄露電流情況，分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)處于夏季時(shí)期電流泄漏比例相對(duì)保持最低水平，在春、秋時(shí)的電流泄露情況十分接近，始終保持在3%～5%以內(nèi)；而冬季的電流泄露情況較為嚴(yán)重，達(dá)到了10%以上。

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

由圖3可知，隨著電纜終端設(shè)備使用頻率的逐漸上升，不同應(yīng)用年限的設(shè)備介質(zhì)損耗也隨之出現(xiàn)上升，對(duì)屬于嚴(yán)重老化設(shè)備需要及時(shí)進(jìn)行更換處理。

采用所提方法對(duì)不同電纜戶外終端的不同老化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果如表4所示。

由表4可知，應(yīng)用所提方法可有效實(shí)現(xiàn)各種老化狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)結(jié)果較為精準(zhǔn)，可明確分析老化發(fā)生時(shí)的損耗特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

應(yīng)用所提方法對(duì)1 000臺(tái)不同投運(yùn)年限的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析電纜終端設(shè)備的老化情況，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在2014～2021年使用的設(shè)備老化程度最大，且嚴(yán)重老化情況最多。這由于該年限下所使用的設(shè)備為監(jiān)測(cè)中投運(yùn)時(shí)間最長(zhǎng)的設(shè)備；而2018年至今所投運(yùn)的設(shè)備目前老化程度相對(duì)較低，且嚴(yán)重老化現(xiàn)象并不高，保持在5%以下，說(shuō)明使用年限較短，設(shè)備的老化程度也相對(duì)較輕。

3 結(jié)語(yǔ)

研究資產(chǎn)全生命周期下高壓電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，在電網(wǎng)設(shè)備的資產(chǎn)全生命周期管理架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電纜戶外終端的管理，及時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備絕緣老化故障，并對(duì)無(wú)法繼續(xù)使用的終端做出更換處理。在未來(lái)研究過(guò)程中，可針對(duì)現(xiàn)有方法繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，使該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-25

作者簡(jiǎn)介：王定發(fā)（1987-），男，本科，產(chǎn)品經(jīng)理，研究方向：智能控制及老化監(jiān)測(cè)等；E-mail：wangdfqr871@tom.cn。

基金項(xiàng)目：2021年南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司自研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：QF-KF-01-ZC-21-001065）。

引文格式：王定發(fā).電纜戶外終端絕緣老化狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)化［J］.粘接，2023，50（11）：180-184.