電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度在線檢測方法研究

張 佳，張 鏈

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)實驗實訓(xùn)中心，天津 300350)

1 引言

電力電纜是一種非常重要并且很常見的電力設(shè)備，在輸電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。在可再生資源開發(fā)與城市化加速發(fā)展的背景下，電力電纜的制作工藝不斷提升，而柔性直流輸電的興起則在全球范圍內(nèi)加速了高壓直流電纜的發(fā)展速度。電纜絕緣材料的發(fā)展經(jīng)歷了交聯(lián)聚乙烯、聚乙烯、乙丙橡膠與丁基橡膠組成的合成橡膠、聚氯乙烯、天然橡膠等階段。在電纜絕緣材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫垡蚁┖螅娎|的性能由熱塑性轉(zhuǎn)換成了熱固性，大幅提升了其耐熱性能，使電纜導(dǎo)體能夠達(dá)到九十度以上的工作溫度[1]。

電纜絕緣材料要求具備的特征為：較低的介電常數(shù)以及變化范圍，較小的工作溫度，較低的介電損耗以及較高的擊穿強(qiáng)度。其中，介電常數(shù)較低可以使電纜電容得到一定程度的控制，降低輸電過程中的能量損耗；變化范圍較小的工作溫度可以保證電纜的溫度依賴性較小，使電纜的電場梯度較為均勻，并使擊穿的概率降低；較低的介電損耗可以減少材料發(fā)熱的情況，使材料的工作溫度降低，并降低材料出現(xiàn)過熱擊穿情況的概率；較高的擊穿強(qiáng)度可以降低絕緣材料的厚度，使材料的絕緣熱阻降低，并提升電纜的整體傳輸容量[2]。在電纜絕緣材料所具備的特性中，最重要的就是材料需要具備較高的擊穿強(qiáng)度，只有材料具備較高的擊穿強(qiáng)度才能保障電纜的安全性。

為了保障電纜在使用過程中的安全性，需要定期對電纜絕緣材料進(jìn)行擊穿強(qiáng)度檢測，而傳統(tǒng)基于逆散射理論的檢測方法和基于時域反射的檢測方法下電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度檢測不僅耗費人力與物力，并且檢測結(jié)果的準(zhǔn)確率較低[3]，因此提出一種電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度在線檢測方法。

2 電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度在線檢測方法

2.1 擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集之前，需要對電纜絕緣材料年負(fù)荷狀況進(jìn)行評估，對絕緣材料各個子區(qū)域的單位矢量迭代搜索，迭代搜索目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中，αi、βi、γi、ξi、φi為常規(guī)機(jī)組i電纜絕緣材料損耗角系數(shù)；T為收集時段，一天分為24個時段，每時段為一小時；Pi，t為第i臺機(jī)組在t時段的機(jī)組微化雜質(zhì)。

以區(qū)域內(nèi)絕緣材料燃料成本和年負(fù)荷狀況補(bǔ)償作為擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)總成本，得到

(2)

式中，ai、bi、ci為常規(guī)機(jī)組i的敷設(shè)環(huán)境費用系數(shù)；ηD為電纜絕緣材料放電效率；PDch，t為t時刻電纜絕緣材料放電功率；Kt為t時刻電價；Δt為放電時間段；Wd為電纜絕緣材料放電損耗系數(shù)；λDch為電纜絕緣材料放電機(jī)械損傷系數(shù)。

以日負(fù)荷方差大小作為電纜絕緣材料的安全指標(biāo)，得出一天中24個時段的平均負(fù)荷為

(3)

通過獲取絕緣材料平均負(fù)荷，獲取電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)信號采集函數(shù)

(4)

式中，PD，t為t時刻絕緣材料電流負(fù)荷需求；PW，t為t時刻電纜絕緣材料斷裂伸長率；PCh，t為t時刻電纜絕緣材料去極化功率。

通過電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集函數(shù)，可以對各種生物損傷、污穢度等數(shù)據(jù)的檢測指標(biāo)分級狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行收集[4]，在獲取電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對該擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。

2.2 擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換

在電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對收集到數(shù)據(jù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，利用Mallet算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，并對分解后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)[5]。為了消除電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)中會使檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差的部分，對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

首先，對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，并對擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換以及對小波進(jìn)行選擇，對分解層次N進(jìn)行計算，將電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)分解成N層，其中小波函數(shù)需要選擇正交小波，擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的信號轉(zhuǎn)換公式如下

(5)

式中，x(n)為擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)信號；x(ejω)代表一個復(fù)數(shù)，并且該負(fù)數(shù)跟隨角頻率變化，利用該負(fù)數(shù)代表擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的頻域信號；ω分布在(-∞，+∞)之間[6]。

其次，對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)中的高頻系數(shù)進(jìn)行檢測，減少偏差：分別對N層中的擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行高頻系數(shù)處理[7]。

最后，對擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行一維小波重構(gòu)：以N層擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)中的低頻系數(shù)與處理后的高頻系數(shù)為依據(jù)對擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行一維小波重構(gòu)[8]。

(6)

STrip，t=ΔS×L

(7)

Smin≤St≤Smax

(8)

式中，ηc為絕緣材料檢測效率值，St為t時段機(jī)械損傷系數(shù)；STrip，t為t時段電纜絕緣材料檢測偏差；ΔS為單位距離平均機(jī)械損傷系數(shù)；L為擊穿強(qiáng)度；Smin、Smax分別為檢測指標(biāo)上下限。

通過上述操作對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)中會使檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差的部分進(jìn)行消除[9]，使電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的在線檢測結(jié)果更加精準(zhǔn)。

2.3 構(gòu)建在線檢測平臺

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果構(gòu)建電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度在線檢測平臺[10]。該平臺主要由信號處理單元、信號接收單元以及信號發(fā)射單元構(gòu)成。由信號發(fā)射單元向電纜絕緣材料進(jìn)行窄脈沖信號的發(fā)射，在電纜絕緣材料中窄脈沖信號會不斷進(jìn)行傳播并受到電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的影響，從而產(chǎn)生與擊穿強(qiáng)度相對應(yīng)的反射脈沖，將信號接收單元設(shè)置在電纜的另一端進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，將信號發(fā)射單元發(fā)射出來的反射脈沖與發(fā)射脈沖在FPGA中的緩存中進(jìn)行存儲，并利用FPGA的串口將數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳輸，在上位機(jī)中利用檢測算法對反射脈沖進(jìn)行分析，獲取反射脈沖對應(yīng)的電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度，從而實現(xiàn)電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的在線檢測[11]。具體檢測流程如圖1所示。

圖1 具體檢測流程

2.3.1 信號處理單元

信號處理單元的硬件主要包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以及上位機(jī)?？刂破鞯男吞枮镠DL Verilog，并且該控制器能夠與各種仿真工具進(jìn)行協(xié)同工作；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的具體型號為AD7810，是一種低功耗的A/D轉(zhuǎn)換采集芯片，通過單電源進(jìn)行供電，具備100kHz的最高采樣頻率與串行數(shù)據(jù)接口，能夠與上位機(jī)進(jìn)行連接，共同實現(xiàn)信號處理單元的硬件工作機(jī)能。信號處理單元的軟件為擊穿強(qiáng)度檢測單元，主要利用檢測算法對反射脈沖進(jìn)行分析，從而實現(xiàn)電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的檢測[12]。

2.3.2 信號接收單元

信號接收單元主要包括步進(jìn)延時芯片與可編程數(shù)字延遲脈沖接收器，其中步進(jìn)延時芯片的具體型號為AD9501，能夠同時支持CMOS電平與TTL電平，并且能夠達(dá)到10ps的最小延時時間與50MHz的最大觸發(fā)頻率；可編程數(shù)字延遲脈沖接收器主要負(fù)責(zé)對與擊穿強(qiáng)度相對應(yīng)的反射脈沖進(jìn)行接收。

2.3.3 信號發(fā)射單元

信號發(fā)射單元主要包括延時脈沖觸發(fā)電路與可編程數(shù)字延遲脈沖發(fā)射器。其中延時脈沖觸發(fā)電路主要通過A/D轉(zhuǎn)換芯片對延時脈沖進(jìn)行觸發(fā)，主要由電壓比較器、階梯波發(fā)生器以及斜波發(fā)生器這三個單元構(gòu)成；可編程數(shù)字延遲脈沖發(fā)射器主要負(fù)責(zé)對窄脈沖信號進(jìn)行發(fā)射。通過信號處理單元、信號接收單元與信號發(fā)射單元實現(xiàn)對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的在線檢測。

3 實驗研究

為了檢測所提電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度在線檢測方法的性能，進(jìn)行實驗驗證。實驗中使用的檢測儀器為HYG-10kVA/150kV智能高壓擊穿試驗裝置，選用交聯(lián)聚乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、合成橡膠以及天然橡膠5種電纜絕緣材料作為實驗對象。表1不同電纜絕緣材料的斷裂伸長率和拉伸強(qiáng)度。

表1 不同電纜絕緣材料參數(shù)

電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)共分為兩種類別，包括內(nèi)部因素相關(guān)數(shù)據(jù)與外部因素相關(guān)數(shù)據(jù)，對5種電纜絕緣材料的檢測指標(biāo)進(jìn)行分級處理，得出具體的絕緣熱延伸檢測指標(biāo)分級情況如表2所示。

表2 絕緣熱延伸檢測指標(biāo)分級情況

其中，危險：指標(biāo)性能指數(shù)較低，已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)性能指數(shù)值，會嚴(yán)重影響絕緣材料的擊穿強(qiáng)度；懷疑：指標(biāo)性能指數(shù)偏低，略微超過標(biāo)準(zhǔn)性能指數(shù)值，會對絕緣材料的擊穿強(qiáng)度造成一定影響；正常：指標(biāo)性能指數(shù)良好，接近標(biāo)準(zhǔn)性能指數(shù)值，基本不會對絕緣材料的擊穿強(qiáng)度造成影響；優(yōu)良：指標(biāo)性能指數(shù)優(yōu)良，在標(biāo)準(zhǔn)性能指數(shù)值以內(nèi)，不會對絕緣材料的擊穿強(qiáng)度造成影響。

3.1 實驗過程

以電纜絕緣材料，包括交聯(lián)聚乙烯、聚乙烯、乙丙橡膠與丁基橡膠組成的合成橡膠、聚氯乙烯、天然橡膠為對象，利用所提方法對其進(jìn)行擊穿強(qiáng)度在線檢測。確保電纜的運(yùn)行狀態(tài)正常后，對這五種電纜絕緣材料的擊穿強(qiáng)度進(jìn)行測試，獲取抗擊穿強(qiáng)度最優(yōu)的電纜絕緣材料，通過檢測得到不同電纜絕緣材料的拉伸應(yīng)力變化結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同絕緣材料拉伸應(yīng)力變化

分析圖2可知，五種絕緣材料的拉伸應(yīng)力變化情況沒有明顯的差異性，在拉伸過程中，僅合成橡膠的應(yīng)力產(chǎn)生了小幅度的變化，其應(yīng)力值在應(yīng)變?yōu)?00-360%之間有所降低，說明采用所提方法能夠?qū)Σ煌^緣材料的拉伸應(yīng)力進(jìn)行有效檢測。

3.2 實驗結(jié)果

為了驗證所提方法的實際應(yīng)用性能，使用基于逆散射理論的電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度檢測方法(方法1)、基于時域反射的電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度檢測方法(方法2)、電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度在線檢測方法對天然橡膠電纜絕緣材料的絕緣熱延伸指標(biāo)進(jìn)行檢測，選取的指標(biāo)級別分別為優(yōu)良、正常和危險，具體絕緣熱延伸檢測指標(biāo)在線檢測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同方法在線檢測結(jié)果對比圖

根據(jù)圖3所示的絕緣熱延伸檢測結(jié)果可知，基于逆散射理論的檢測方法和基于時域反射的檢測方法在絕緣熱延伸檢測指標(biāo)級別不同的情況下，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性表現(xiàn)為：優(yōu)良>正常>危險，說明絕緣熱延伸檢測指標(biāo)級別會對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。所提方法的檢測結(jié)果準(zhǔn)確性與現(xiàn)有方法的變化趨勢類似，同樣存在優(yōu)良>正常>危險的變化特征，但是與現(xiàn)有方法相比，所提方法的檢測準(zhǔn)確性更高，說明該方法能有效降低檢測結(jié)果的偏差率，檢測結(jié)果可靠性更強(qiáng)。這是由于該方法采用Mallet算法對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，消除了電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)中會使檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差的部分，從而提高了檢測準(zhǔn)確度。

除了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度可以驗證檢測方法的有效性之外，檢測耗時同樣可以評價方法的實用性，圖4為不同方法的檢測耗時對比結(jié)果。

圖4 不同方法的檢測耗時對比

分析圖4可知，采用方法1和方法2對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度進(jìn)行在線檢測時，檢測耗時明顯高于所提方法，所提方法的檢測耗時最多不超過1.0s，說明該方法可以實現(xiàn)對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的快速檢測，檢測效率較高，具有較強(qiáng)的實際應(yīng)用價值。

綜上實驗結(jié)果可知，所提方法指標(biāo)性能指數(shù)優(yōu)良，在標(biāo)準(zhǔn)性能指數(shù)值以內(nèi)，不會對絕緣材料的擊穿強(qiáng)度造成影響，充分證明所提方法準(zhǔn)確度較高，并且具有較高的穩(wěn)定性，并且該方法的檢測耗時較低，檢測效率較高，說明該方法具有較高的實際應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

為解決現(xiàn)有方法存在的檢測結(jié)果偏差較大，準(zhǔn)確性不高的問題，提出電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度在線檢測方法。該方法通過構(gòu)建在線檢測平臺實現(xiàn)了對電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的在線檢測，經(jīng)實驗驗證，該方法的檢測準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度檢測方法，并且在檢測效率方面具有優(yōu)勢性，說明該方法在電纜絕緣材料擊穿強(qiáng)度的檢測方面具有一定的意義。