电缆绝缘材料击穿强度在线检测方法研究

张 佳，张 链

(天津中德应用技术大学基础实验实训中心，天津 300350)

1 引言

电力电缆是一种非常重要并且很常见的电力设备，在输电系统与配电系统中占据重要地位。在可再生资源开发与城市化加速发展的背景下，电力电缆的制作工艺不断提升，而柔性直流输电的兴起则在全球范围内加速了高压直流电缆的发展速度。电缆绝缘材料的发展经历了交联聚乙烯、聚乙烯、乙丙橡胶与丁基橡胶组成的合成橡胶、聚氯乙烯、天然橡胶等阶段。在电缆绝缘材料转变为聚乙烯后，电缆的性能由热塑性转换成了热固性，大幅提升了其耐热性能，使电缆导体能够达到九十度以上的工作温度[1]。

电缆绝缘材料要求具备的特征为：较低的介电常数以及变化范围，较小的工作温度，较低的介电损耗以及较高的击穿强度。其中，介电常数较低可以使电缆电容得到一定程度的控制，降低输电过程中的能量损耗；变化范围较小的工作温度可以保证电缆的温度依赖性较小，使电缆的电场梯度较为均匀，并使击穿的概率降低；较低的介电损耗可以减少材料发热的情况，使材料的工作温度降低，并降低材料出现过热击穿情况的概率；较高的击穿强度可以降低绝缘材料的厚度，使材料的绝缘热阻降低，并提升电缆的整体传输容量[2]。在电缆绝缘材料所具备的特性中，最重要的就是材料需要具备较高的击穿强度，只有材料具备较高的击穿强度才能保障电缆的安全性。

为了保障电缆在使用过程中的安全性，需要定期对电缆绝缘材料进行击穿强度检测，而传统基于逆散射理论的检测方法和基于时域反射的检测方法下电缆绝缘材料击穿强度检测不仅耗费人力与物力，并且检测结果的准确率较低[3]，因此提出一种电缆绝缘材料击穿强度在线检测方法。

2 电缆绝缘材料击穿强度在线检测方法

2.1 击穿强度数据采集

在数据采集之前，需要对电缆绝缘材料年负荷状况进行评估，对绝缘材料各个子区域的单位矢量迭代搜索，迭代搜索目标函数为

(1)

式中，αi、βi、γi、ξi、φi为常规机组i电缆绝缘材料损耗角系数；T为收集时段，一天分为24个时段，每时段为一小时；Pi，t为第i台机组在t时段的机组微化杂质。

以区域内绝缘材料燃料成本和年负荷状况补偿作为击穿强度数据总成本，得到

(2)

式中，ai、bi、ci为常规机组i的敷设环境费用系数；ηD为电缆绝缘材料放电效率；PDch，t为t时刻电缆绝缘材料放电功率；Kt为t时刻电价；Δt为放电时间段；Wd为电缆绝缘材料放电损耗系数；λDch为电缆绝缘材料放电机械损伤系数。

以日负荷方差大小作为电缆绝缘材料的安全指标，得出一天中24个时段的平均负荷为

(3)

通过获取绝缘材料平均负荷，获取电缆绝缘材料击穿强度数据信号采集函数

(4)

式中，PD，t为t时刻绝缘材料电流负荷需求；PW，t为t时刻电缆绝缘材料断裂伸长率；PCh，t为t时刻电缆绝缘材料去极化功率。

通过电缆绝缘材料击穿强度数据采集函数，可以对各种生物损伤、污秽度等数据的检测指标分级状况数据进行收集[4]，在获取电缆绝缘材料击穿强度数据基础上，对该击穿强度数据进行信号转换。

2.2 击穿强度数据信号转换

在电缆绝缘材料击穿强度数据采集的基础上，对收集到数据进行信号转换，利用Mallet算法对数据进行分解，并对分解后的数据进行重构[5]。为了消除电缆绝缘材料击穿强度数据中会使检测结果出现偏差的部分，对电缆绝缘材料击穿强度数据进行处理。

首先，对电缆绝缘材料击穿强度数据进行小波分解，并对击穿强度数据进行信号转换以及对小波进行选择，对分解层次N进行计算，将电缆绝缘材料击穿强度数据分解成N层，其中小波函数需要选择正交小波，击穿强度数据的信号转换公式如下

(5)

式中，x(n)为击穿强度数据信号；x(ejω)代表一个复数，并且该负数跟随角频率变化，利用该负数代表击穿强度数据的频域信号；ω分布在(-∞，+∞)之间[6]。

其次，对电缆绝缘材料击穿强度数据中的高频系数进行检测，减少偏差：分别对N层中的击穿强度数据进行高频系数处理[7]。

最后，对击穿强度数据进行一维小波重构：以N层击穿强度数据中的低频系数与处理后的高频系数为依据对击穿强度数据进行一维小波重构[8]。

(6)

STrip，t=ΔS×L

(7)

Smin≤St≤Smax

(8)

式中，ηc为绝缘材料检测效率值，St为t时段机械损伤系数；STrip，t为t时段电缆绝缘材料检测偏差；ΔS为单位距离平均机械损伤系数；L为击穿强度；Smin、Smax分别为检测指标上下限。

通过上述操作对电缆绝缘材料击穿强度数据中会使检测结果出现偏差的部分进行消除[9]，使电缆绝缘材料击穿强度的在线检测结果更加精准。

2.3 构建在线检测平台

根据数据处理结果构建电缆绝缘材料击穿强度在线检测平台[10]。该平台主要由信号处理单元、信号接收单元以及信号发射单元构成。由信号发射单元向电缆绝缘材料进行窄脉冲信号的发射，在电缆绝缘材料中窄脉冲信号会不断进行传播并受到电缆绝缘材料击穿强度的影响，从而产生与击穿强度相对应的反射脉冲，将信号接收单元设置在电缆的另一端进行数据的接收，将信号发射单元发射出来的反射脉冲与发射脉冲在FPGA中的缓存中进行存储，并利用FPGA的串口将数据向上位机传输，在上位机中利用检测算法对反射脉冲进行分析，获取反射脉冲对应的电缆绝缘材料击穿强度，从而实现电缆绝缘材料击穿强度的在线检测[11]。具体检测流程如图1所示。

图1 具体检测流程

2.3.1 信号处理单元

信号处理单元的硬件主要包括控制器、模数转换芯片以及上位机。控制器的型号为HDL Verilog，并且该控制器能够与各种仿真工具进行协同工作；模数转换芯片的具体型号为AD7810，是一种低功耗的A/D转换采集芯片，通过单电源进行供电，具备100kHz的最高采样频率与串行数据接口，能够与上位机进行连接，共同实现信号处理单元的硬件工作机能。信号处理单元的软件为击穿强度检测单元，主要利用检测算法对反射脉冲进行分析，从而实现电缆绝缘材料击穿强度的检测[12]。

2.3.2 信号接收单元

信号接收单元主要包括步进延时芯片与可编程数字延迟脉冲接收器，其中步进延时芯片的具体型号为AD9501，能够同时支持CMOS电平与TTL电平，并且能够达到10ps的最小延时时间与50MHz的最大触发频率；可编程数字延迟脉冲接收器主要负责对与击穿强度相对应的反射脉冲进行接收。

2.3.3 信号发射单元

信号发射单元主要包括延时脉冲触发电路与可编程数字延迟脉冲发射器。其中延时脉冲触发电路主要通过A/D转换芯片对延时脉冲进行触发，主要由电压比较器、阶梯波发生器以及斜波发生器这三个单元构成；可编程数字延迟脉冲发射器主要负责对窄脉冲信号进行发射。通过信号处理单元、信号接收单元与信号发射单元实现对电缆绝缘材料击穿强度的在线检测。

3 实验研究

为了检测所提电缆绝缘材料击穿强度在线检测方法的性能，进行实验验证。实验中使用的检测仪器为HYG-10kVA/150kV智能高压击穿试验装置，选用交联聚乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、合成橡胶以及天然橡胶5种电缆绝缘材料作为实验对象。表1不同电缆绝缘材料的断裂伸长率和拉伸强度。

表1 不同电缆绝缘材料参数

电缆绝缘材料击穿强度数据共分为两种类别，包括内部因素相关数据与外部因素相关数据，对5种电缆绝缘材料的检测指标进行分级处理，得出具体的绝缘热延伸检测指标分级情况如表2所示。

表2 绝缘热延伸检测指标分级情况

其中，危险：指标性能指数较低，已经超过标准性能指数值，会严重影响绝缘材料的击穿强度；怀疑：指标性能指数偏低，略微超过标准性能指数值，会对绝缘材料的击穿强度造成一定影响；正常：指标性能指数良好，接近标准性能指数值，基本不会对绝缘材料的击穿强度造成影响；优良：指标性能指数优良，在标准性能指数值以内，不会对绝缘材料的击穿强度造成影响。

3.1 实验过程

以电缆绝缘材料，包括交联聚乙烯、聚乙烯、乙丙橡胶与丁基橡胶组成的合成橡胶、聚氯乙烯、天然橡胶为对象，利用所提方法对其进行击穿强度在线检测。确保电缆的运行状态正常后，对这五种电缆绝缘材料的击穿强度进行测试，获取抗击穿强度最优的电缆绝缘材料，通过检测得到不同电缆绝缘材料的拉伸应力变化结果如图2所示。

图2 不同绝缘材料拉伸应力变化

分析图2可知，五种绝缘材料的拉伸应力变化情况没有明显的差异性，在拉伸过程中，仅合成橡胶的应力产生了小幅度的变化，其应力值在应变为300-360%之间有所降低，说明采用所提方法能够对不同绝缘材料的拉伸应力进行有效检测。

3.2 实验结果

为了验证所提方法的实际应用性能，使用基于逆散射理论的电缆绝缘材料击穿强度检测方法(方法1)、基于时域反射的电缆绝缘材料击穿强度检测方法(方法2)、电缆绝缘材料击穿强度在线检测方法对天然橡胶电缆绝缘材料的绝缘热延伸指标进行检测，选取的指标级别分别为优良、正常和危险，具体绝缘热延伸检测指标在线检测数据如图3所示。

图3 不同方法在线检测结果对比图

根据图3所示的绝缘热延伸检测结果可知，基于逆散射理论的检测方法和基于时域反射的检测方法在绝缘热延伸检测指标级别不同的情况下，检测结果准确性表现为：优良>正常>危险，说明绝缘热延伸检测指标级别会对检测结果的准确性造成影响。所提方法的检测结果准确性与现有方法的变化趋势类似，同样存在优良>正常>危险的变化特征，但是与现有方法相比，所提方法的检测准确性更高，说明该方法能有效降低检测结果的偏差率，检测结果可靠性更强。这是由于该方法采用Mallet算法对采集得到的数据进行分解，消除了电缆绝缘材料击穿强度数据中会使检测结果出现偏差的部分，从而提高了检测准确度。

除了检测结果的准确度可以验证检测方法的有效性之外，检测耗时同样可以评价方法的实用性，图4为不同方法的检测耗时对比结果。

图4 不同方法的检测耗时对比

分析图4可知，采用方法1和方法2对电缆绝缘材料击穿强度进行在线检测时，检测耗时明显高于所提方法，所提方法的检测耗时最多不超过1.0s，说明该方法可以实现对电缆绝缘材料击穿强度的快速检测，检测效率较高，具有较强的实际应用价值。

综上实验结果可知，所提方法指标性能指数优良，在标准性能指数值以内，不会对绝缘材料的击穿强度造成影响，充分证明所提方法准确度较高，并且具有较高的稳定性，并且该方法的检测耗时较低，检测效率较高，说明该方法具有较高的实际应用性。

4 结束语

为解决现有方法存在的检测结果偏差较大，准确性不高的问题，提出电缆绝缘材料击穿强度在线检测方法。该方法通过构建在线检测平台实现了对电缆绝缘材料击穿强度的在线检测，经实验验证，该方法的检测准确度高于传统电缆绝缘材料击穿强度检测方法，并且在检测效率方面具有优势性，说明该方法在电缆绝缘材料击穿强度的检测方面具有一定的意义。