基于季節(jié)負荷和溫度周期的電力電纜電熱退化模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)電力電纜老化研究技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于季節(jié)負荷和 溫度周期的電力電纜電熱退化模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 迄今為止，國內(nèi)外對電力電纜外絕緣退化的測定主要采用物理實驗法進行，主要 有W下兩種：
[0003] (1)耐壓法
[0004] 耐壓法是一種直接判斷電纜絕緣性能的方法，基本能夠較為準確地對電纜進行壽 命評估，但是運種方法并不能準確區(qū)分分布性缺陷與集中性缺陷對電纜壽命的影響，且耐 壓后如果對電纜忍的放電時間不夠，耐壓后的殘余電壓會影響絕緣電阻的測量值，實驗過 程中，該方法需要不斷與新電纜的參數(shù)進行比較，處理數(shù)據(jù)較為繁瑣。
[0005] (2)介質(zhì)損耗因素法
[0006] 介質(zhì)損耗因素法主要依據(jù)諧波分析實現(xiàn)介質(zhì)損耗角的測量，由于電力系統(tǒng)的工頻 信號在各種因素的影響下，其基波頻率會有一定波動，并不總是理想的50化，依據(jù)諧波分析 法對介質(zhì)損耗角的測試與分析也會由于"頻譜泄露"現(xiàn)象產(chǎn)生較大的誤差。離線測量介質(zhì)損 耗角，需要電纜停運，因此限制了該方法的推廣應(yīng)用。
[0007] (3)等溫松弛電流法
[000引等溫松弛電流法基于聚合物介質(zhì)極化理論和等溫松弛電流理論，通過對電纜絕緣 體施加直流電壓，使得絕緣體產(chǎn)生極化現(xiàn)象，再去掉外加電場。該暫態(tài)過程中，電纜內(nèi)部發(fā) 生電子的熱釋放，絕緣體內(nèi)會產(chǎn)生松弛，此去極化現(xiàn)象會產(chǎn)生等溫松弛電流，通過測量等溫 松弛電流推斷電纜內(nèi)部的老化狀況。該方法實驗平臺搭建困難，試驗需電纜停電；另外，該 方法尚處于實驗室研究階段，還未現(xiàn)場應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種簡單實用準確的、基于季節(jié)負荷和溫度周期的電力電 纜電熱退化模擬方法，從而可對電力電纜使用壽命進行量化評估。
[001日]本發(fā)明思路為：
[0011] 根據(jù)電力電纜日負荷計算電纜的發(fā)熱量，又通過環(huán)境溫度和電纜的發(fā)熱量計算電 纜的溫度;基于非擴散熱力學和電纜老化理論模擬電纜外絕緣材料的熱老化狀況，結(jié)合歷 史故障數(shù)據(jù)，構(gòu)建電纜的可靠性模型，據(jù)可靠性模型對電纜的使用壽命進行量化評估。
[0012] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0013] -種基于季節(jié)負荷和溫度周期的電力電纜電熱退化模擬方法，包括：
[0014] Sl采集電力電纜的負荷數(shù)據(jù)，獲得電力電纜的日負荷曲線；
[0015] S2根據(jù)日負荷曲線計算電力電纜各時刻的運行溫度，根據(jù)計算的運行溫度數(shù)據(jù)， 人為設(shè)定電力電纜在各電應(yīng)力等級j下運行溫度的近似值，記為Tj;
[0016] S3采用電熱老化試驗和/或模擬法，獲得不同電應(yīng)力條件和不同運行溫度下電力 電纜的剩余熱壽命數(shù)據(jù)；
[0017] S4根據(jù)Miner定律獲得電力電纜的壽命累積退化量
其中，D(n)表 示第n天的壽命累積退化量;j為電應(yīng)力等級，j = l，2，...k，k表示電應(yīng)力等級最大值;nj表 示電應(yīng)力等級j下電力電纜的已運行天數(shù);表示電應(yīng)力等級j下電力電纜的剩余熱壽命，Nj 根據(jù)步驟S3所得的剩余熱壽命數(shù)據(jù)獲得，具體為:根據(jù)剩余熱壽命數(shù)據(jù)，獲得運行溫度為Tj 時電應(yīng)力等級j對應(yīng)的剩余熱壽命數(shù)據(jù)，根據(jù)電應(yīng)力等級j對應(yīng)的剩余熱壽命數(shù)據(jù)，人為設(shè) 定電應(yīng)力等級j對應(yīng)的剩余熱壽命的近似值，即Nj ;
[0018] S5基于電力電纜的壽命累積退化量對電力電纜進行可靠性分析。
[0019] 步驟Sl中，取電力電纜負荷的小時平均值獲得電纜的日負荷曲線。
[0020] 步驟S5中，當累積退化量D(n)和故障退化量化(n)符合正態(tài)分布時，可靠性Re由聯(lián) 合概率求得，即
，fi(D(n))和f2(〇T(n))分別為累 積退化量D(n)和故障退化量化(n)的概率密度。
[0021] 步驟S5中，當累積退化量D(n)和故障退化量化(n)不符合正態(tài)分布時，可靠性Re = P(D(n)<DT(n))。
[0022] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：
[0023] (1)簡化了電力電纜壽命預測的過程。
[0024] (2)考慮了電力電纜歷史狀態(tài)對電力電纜壽命的影響。
[0025] (3)考慮了電熱效應(yīng)對電力電纜壽命的影響。
【附圖說明】
[00%]圖1為電力電纜的熱壽命曲線；
[0027] 圖2為電力電纜的熱退化過程曲線，其中，周期即晝夜周期；
[0028] 圖3為電力電纜的累積退化概率密度曲線；
[0029] 圖4為實施例中電力電纜的月負荷曲線；
[0030] 圖5為實施例中電力電纜的日負荷曲線；
[0031] 圖6為實施例中±壤溫度曲線；
[0032] 圖7為實施例中電力電纜冬季的運行溫度曲線；
[0033] 圖8為實施例中電力電纜夏季的運行溫度曲線；
[0034] 圖9為實施例中電力電纜的可靠性和運維策略示意圖，其中，日周期數(shù)即天數(shù)。
【具體實施方式】
[0035] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】進行詳細說明。
[0036] 本發(fā)明具體步驟如下：
[0037] 步驟一，計算電力電纜的日負荷曲線。
[0038] 電力電纜的負荷具有隨機特性，無法準確利用函數(shù)擬合，但可采用電力電纜的日 負荷曲線描述。由于本發(fā)明需要基于電力電纜的負荷計算其因焦耳效應(yīng)導致的發(fā)熱量，并 不需要精確獲知電力電纜的負荷值，為方便計算，可取電力電纜負荷的小時平均值獲得日 負荷曲線。
[0039] 步驟二，根據(jù)日負荷曲線獲得電力電纜各時刻的運行溫度。
[0040] 電力電纜的溫度主要有兩個影響因素：電流焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量和電力電纜周圍 環(huán)境引起的熱量耗散。本步驟屬于本領(lǐng)域內(nèi)的公知技術(shù)，為便于理解，下面將對電力電纜運 行溫度的計算過程進行詳細描述。
[0041 ]利用電力電纜負荷值，根據(jù)IE邸242-2001標準提供的公式（1)~（2)計算電力電 纜的運行溫度。
[0042] 電流焦耳效應(yīng)引起的電力電纜溫度升高可采用下式獲得：
[0043]
(1)
[0044] 則電力電纜的運行溫度可采用下式獲得：
[0045]
(2)
[0046] 式（1)~（2)中：A ti和A ti-i表示相鄰的兩個時刻；Il( A ti)表示時刻A ti的載流 量；Ir表示電力電纜的額定載流量;Tl( A ti)表示時刻A ti由電流焦耳效應(yīng)引起的溫度升 高;Ta( A ti)和Ta( A ti-i)分別表示時刻A ti和A ti-i的環(huán)境溫度;Ta,o表示基準環(huán)境溫度，取 為20°C ; Tmax是電力電纜的額定工作溫度，由電力電纜采用的絕緣材料決定;Tc ( A ti)和Tc (A ti-1)分別表示時刻A ti和A ti-1下電力電纜的運行溫度;K為熱力學常數(shù)。
[0047] 由于同一電應(yīng)力等級下電力電纜的運行溫度比較接近，為便于后續(xù)計算，在根據(jù) 負荷數(shù)據(jù)計算了電力電纜各時刻的運行溫度數(shù)據(jù)后，再根據(jù)各電應(yīng)力等級下的運行溫度數(shù) 據(jù)，人為設(shè)定電力電纜在各電應(yīng)力等級j下運行溫度的近似值，記為Tj。
[0048] 步驟3,獲得電力電纜的剩余熱壽命數(shù)據(jù)。
[0049] 電流焦耳效應(yīng)和環(huán)境溫度對電力電纜的溫度升高有協(xié)同作用。除了超過額定載流 量的特殊情況外，大部分時間電力電纜的載流量是低于額定載流量。因此，電力電纜絕緣層 表面溫度一般是低于額定最高溫度，即額定工作溫度Tmax。根據(jù)化化in理論，電力電纜的熱 老化是由溫度引起的化學反應(yīng)速率變化。老化速率和溫度的關(guān)系可W由Arrhenius熱壽命 模型得到。Arrhenius熱壽命模型如下：
[0 化 0]
(3)
[0051] 式(3)中，L代表電力電纜的熱壽命，A表示頻率常數(shù)，En為激活能，R為普適氣體常 數(shù)，T表示電力電纜的運行溫度。
[0052] 當電壓超過電力電纜的額定電壓就有可能發(fā)生電擊穿。當電力電纜所加的電壓值 恒定，反乘幕法則和指數(shù)模型都可能用來表示電壓和電場關(guān)系W及正常工作時間。
[0化3]電力電纜的剩余熱壽命馬5,&可W由反乘幕法則計算得到：
[0054]
(牛)
[0化5] 式(4)中：
[0化6] T'表示通常熱應(yīng)力下電力電纜的開爾文溫度，
，Tc( A ti)表示時 亥IJ Ati下電力電纜的運行溫度，Tc,O是電力電纜可允許的最高溫度；
[0057] E是最高電場強度，Eo是電老化的電場強度臨界值，E和Eo根據(jù)電力電纜出廠時提供 的相關(guān)參數(shù)獲得；
[005引 Lo是在Tc(Ati) =Tc,o、E = Eo時電力電纜的熱壽命；
[0059] no是在Tc(Ati)=Tc,o時電力電纜的耐壓系數(shù)，可通過耐壓試驗獲得；
[0060] bET是電熱溫度協(xié)同作用常數(shù)，可通過電熱老化試驗獲得；
[OOW] Kb 是玻爾茲曼常數(shù)，KB = 8.62Xl〇-5eV/kelvin;
[0062] A W是通過短期試驗得到的電力電纜的活化能。
[0063] 國際原子能機構(gòu)推薦的普適與各類電力電纜的活化能見表1。
[0064] 表1電力電纜的活化能(單位:eV) 「noAf。 LUUC)C)」 巧刀巧纜的干巧巧應(yīng)刀見恭
[0067] 表2平均電應(yīng)力
[0069] 根據(jù)電熱老化試驗，在不同電應(yīng)力下，獲得電力電纜隨運行溫度變化的熱壽命曲 線，見圖1。從圖中可W看出，4kV/mm的電應(yīng)力條件下，熱壽命曲線近似平行Arrhenius熱壽 命曲線，且壽命值相距很近，因此可近似認為電力電纜的熱壽命曲線可采用Arrhenius熱壽 命曲線代替。運樣4kV/mm的電應(yīng)力條件下電力電纜的剩余熱壽命苗,&公式可簡化為如下：
[0070]
(5>
[0071] 式巧）中，a表示