电缆户外终端绝缘老化状态自动监测技术优化

摘 要：为解决电网设备出现绝缘老化故障问题，提出全生命周期下高压电缆户外终端绝缘老化状态自动监测方法。管理高压电缆户外终端设备的生命周期，在生产运营阶段，分析高压电缆户外终端绝缘老化状态温度损耗特性，构建终端绝缘老化评估模型，评估高压电缆户外终端的绝缘老化状态，设计老化状态监测标准，将评估的结果输入到监测标准中实现自动监测。实验结果表明，该方法能够有效分析老化状态下电缆户外终端设备在不同季节的电流泄露情况，分析不同使用年限设备的介质损耗，同时可以精准监测出多种类型的设备绝缘老化状态。

关键词：资产全生命周期；高压电缆；户外终端；绝缘老化；设备采购；生产运营

中图分类号：TM744

文献标志码：A文章编号：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

电缆是目前各地区输电的核心设备，由于电缆终端设备随电缆分布十分广泛［1］，导致终端设备具有极高的故障率，采用有效方式检测电缆终端设备故障，可以提前反映该终端的运行状况，以此发现问题缺陷［2］，从而避免事故的产生。有较多学者对设备故障进行研究，如研究电缆局部绝缘老化缺陷［3］，虽然该方法精确诊断电缆老化状态，且对故障检测的实时性较高，但该方法无法检测电缆相关设备的绝缘老化现象；研究驱动电机匝绝缘故障诊断［4］，该方法合理诊断电网设备中的故障，但无法检测出其他终端设备的绝缘老化情况。为此，研究资产全生命周期下高压电缆户外终端绝缘老化状态自动监测，通过自动状态监测，获取电缆户外终端的异常老化现象。

1 高压电缆户外终端绝缘老化状态分析

1.1 资产全生命周期下控制模型架构

构建基于电缆户外终端的资产全生命周期控制管理模型，通过该模型管控电网资产可靠性、电缆户外终端使用效率、使用寿命以及完整的生命周期。利用统一的管理策略，使电缆户外终端资产生命周期的各阶段均能实现互相衔接与管理，实现现代化的资产全生命周期控制，资产全生命周期管理模型如图1所示。

（1）规划设计。在电网安全运行环境下，对高压电缆户外终端设备的使用效率与资产全生命周期的开销进行规划，其中包含设备建设、检修运维与报废等，综合评估资产投入的必要性，合理选取设计方案，优化设备选型；

（2）设备采购。使用“大物流”管理理念，通过统一的形式实现设备招标、采购、结算、仓储以及配送，并通过LCC评標方式，对全生命周期成本最佳的设备进行采购，使采购的成本达到最低，同时还能够有效提升采购效率，保障采购安全可靠［5］；

（3）工程建设。在高压电缆户外终端建设之前，需不断收集设备的投资成本，并提前输入到信息系统中，根据规划设计需求与标准，严格把控设备建设的时间、开销与质量等内容，实现效益的最大化，并建设采购、设备台账，使资产与设备之间产生联动，保障建设期间的资产开销更加明确［6］；

（4）生产运营。制定合理的设备维护策略，设计设备检修方案，合理规范采集设备运行信息，对设备运行状态进行监测，实现设备可靠性管理，有效降低检修成本，使设备运行成本更加精确；

（5）退役报废。清理即将退役报废的设备，对待报废设备进行评估，同时将待报废设备的评估结果应用至其他业务环节中，并促进设备的循环再利用。

1.2 高压电缆户外终端绝缘老化状态温度损耗特性分析

由于电缆户外终端在运行时会发生损耗，导致其出现绝缘老化，因此通过如下形式对损耗进行计算。

按照VCR理论（电压、电流、阻抗关系），当电流Ic流过固定长度导体时，所出现的损耗：

Wc=RcW/m（1）

式中：电缆芯交流电阻为Rc。可通过式（2）对其进行计算：

Rc=R01+YS+YPΩ/m（2）

式中：电缆芯的直流电阻为R0，通过YS、YP依次描述集肤、邻近效应系数。

针对圆形单芯电缆XS或三芯电缆XP情况下的户外终端，若XS、XP小于等于2.8时，则可利用如下方式计算YS、YP值：

YS=XS0.8XS4，XS2=8πfR0×ks（3）

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

式中：kp、ks均为常数；S为线芯中心轴间距；f表示线路频率；ZC为线芯外径。

在电缆的A相、B相、C相中，每相单位长度的介质损耗可采用式（5）计算：

Wd=ωCU02tanδW/m （5）

式中：ω=2πf；在运行過程中的绝缘损耗因素为tanδ；对地电压为U0；固定长度下电缆的电容为C，可采用式（6）计算：

C=ε/lnZiZc×F/m（6）

式中：设备绝缘外层的相对介电常数为ε；绝缘层内径为Zi；绝缘层外径为Zc。

针对3根单芯电缆，在通过等距形式架设时，可设S为邻近两线路的中心轴间距，此时，设备护层属于两端短接，可以不考虑涡流损耗，因此，可将每相金属护层的损耗因素λ′表示为：

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。金属护层的电阻为Rs。

若电缆户外终端护层出现单端接地时，可不考虑环流损耗，此时该终端的损耗因素λ″可表示为：

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

针对户外终端的两侧电缆，A1=1.5，A2=0.27；针对中间电缆A1=6，A2=0.083。

对于非磁性材料铠装，可按照金属护层方式计算其损耗［7］。针对磁性材料铠装，在计算其损耗时相对困难，通过如下形式，计算电缆户外终端铠装层损耗：

λ2=RAR×CZA1RA×104f2+1（11）

式中：铠装层电阻为RA；铠装平均直径为ZA；电缆线芯与中心轴的距离为C。

按照目前国网标准，可利用等值热路法确定电缆户外终端的温度场。绝缘层、内衬层、外被层的热阻依次为T1、T2、T3，可利用如下形式对其进行计算：

T1=ρT12πlnZiZcTΩ×m（12）

T2=ρT22πlnZaZs′TΩ×m（13）

T3=ρT32πlnZeZ′aTΩ×m（14）

而邻近媒介的热阻，即电缆户外终端周围土壤的热阻为T4，可利用式（15）对其进行计算：

T4=ρT42πln4LZeTΩ×m（15）

式中：ρT1、ρT2、ρT3、ρT4依次为每层的导热系数；绝缘层内径与外径分别为Zi、Zc；内衬层的内径与外径依次为Za、Zs'；外被层内径与外径依次为Ze、Z'a；电缆埋深为L。

电流流过电缆户外终端时，会导致其温度升高，出现的散热问题会使其出现一定损耗［8-9］，导致电缆终端出现破坏，因此，对温度的研究可有效分析电缆户外终端的运行状态。

1.3 高压电缆户外终端绝缘老化状态自动监测

1.3.1 高压电缆户外终端绝缘老化评估模型

当高压电缆户外终端处于90 ℃条件下持续运行时，其使用寿命基本为30年［10-11］。假设其使用年限为t0年，则在t0年内终端导体温度θF的累积效应与30年内所设终端运行温度θM=90 ℃的累积效应比值如式（16）所示：

A=∫365×24×t00θFdt∫365×24×300θMdt（16）

利用式（16），可以得到户外终端在累积温度情况下，其具体的运行年限t1，即t1=A×30。

假设终端老化运行年限为t2，且该年限综合终端的实际运行年限与等效运行年限，则t2的取值为：

t2=a0t0+a1t1（17）

式中：a0、a1依次表示t0与t1的权衡系数，a0+a1=1，通常情况下，该值取a0=0.5、a1=0.5。

由于现实运行时，较多户外终端处于轻载状态，其导体温度可能无法达到所设温度90 ℃，这会使得终端的老化情况不够明显，为此，本文不仅以温度衡量终端的运行寿命，还通过如下形式，构建绝缘老化评估模型的附属因数，使高压电缆户外终端绝缘老化情况得到更全面的监测。

1.3.2 绝缘老化评估模型附属因数

1）历史故障影响因数

历史故障是指当前电缆户外终端所接线路以往出现过的非破坏性原因导致的故障现象，对于历史故障次数（较多的终端，认定其具有严重的老化情况，针对历史故障次数较少的终端，则老化问题较轻；同时，每当其出现一次故障［12-13］，则表示终端受到一定的电流冲击，会加快其自身的老化速度，通过表1描述历史故障因数值（KH）。

2）服役年限影响因数

终端设备运行时的退役曲线与老化过程基本一致，当服役年限逐渐上升，设备的运行状态可通过公式（18）进行计算：

KY=A1expA2t0（18）

式中：终端服役年限为t0；幅值系数为A1；老化系数为A2；服役年限因数值即为KY。

3）运行环境影响因数

由于该终端属于户外环境，因此周围环境对其的运行状态具有较大影响，当终端长时间受水分、潮气等环境侵蚀，会使得终端外部绝缘材料受到渗透［14］，导致出现绝缘老化现象。按照外围环境，通过表2分析运行环境影响因数值（KE）。

综合以上影响因数分析，可通过如下形式计算电缆户外终端等效运行时间（t）：

t=KH×KY×KE×t2（19）

1.4 电缆户外终端老化程度监测标准

按照式（19）获取每种影响因数下的终端运行时间，按照该时间，可将终端的运行、老化情况分为4个等级，具体如表3所示。

按照该监测标准，对上述电缆户外终端老化评估结果进行分类，获取终端最终监测类别，实现高压电缆户外终端绝缘老化状态自动监测。

2 实验分析

挑选不同安装年份的220 kV高压电缆户外终端作为监测对象，该终端表面材质为硅橡胶，由硅橡胶实现绝缘，额定电压为U0/U为127/220 kV。

应用所提方法，分析四季老化终端平均泄露电流情况，分析结果如图2所示。

由图2可知，当处于夏季时期电流泄漏比例相对保持最低水平，在春、秋时的电流泄露情况十分接近，始终保持在3%～5%以内；而冬季的电流泄露情况较为严重，达到了10%以上。

选取不同使用年限的电缆终端设备，分析随着使用频率的逐渐上升，不同设备的介质损耗情况，分析结果如图3所示。

由图3可知，随着电缆终端设备使用频率的逐渐上升，不同应用年限的设备介质损耗也随之出现上升，对属于严重老化设备需要及时进行更换处理。

采用所提方法对不同电缆户外终端的不同老化状态进行监测，分析结果如表4所示。

由表4可知，应用所提方法可有效实现各种老化状态的监测，且监测结果较为精准，可明确分析老化发生时的损耗特性，实现自动监测。

应用所提方法对1 000台不同投运年限的设备进行监测，分析电缆终端设备的老化情况，分析结果如图4所示。

由图4可知，在2014～2021年使用的设备老化程度最大，且严重老化情况最多。这由于该年限下所使用的设备为监测中投运时间最长的设备；而2018年至今所投运的设备目前老化程度相对较低，且严重老化现象并不高，保持在5%以下，说明使用年限较短，设备的老化程度也相对较轻。

3 结语

研究资产全生命周期下高压电缆户外终端绝缘老化状态自动监测方法，在电网设备的资产全生命周期管理架构下，实现对高压电缆户外终端的管理，及时监测设备绝缘老化故障，并对无法继续使用的终端做出更换处理。在未来研究过程中，可针对现有方法继续进行优化，使该方法能够实现多设备的实时监测。

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收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-25

作者简介：王定发（1987-），男，本科，产品经理，研究方向：智能控制及老化监测等；E-mail：wangdfqr871@tom.cn。

基金项目：2021年南方电网数字电网研究院有限公司自研项目（项目编号：QF-KF-01-ZC-21-001065）。

引文格式：王定发.电缆户外终端绝缘老化状态自动监测技术优化［J］.粘接，2023，50（11）：180-184.