電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置及其方法與流程

2023-08-10 18:39:31 2

本發明涉及輸電線路安全領域，特別是涉及一種電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置及其方法。

背景技術：

現有的高壓輸電線路中多採用交聯聚乙烯護套電力電纜，當交聯聚乙烯電纜線路發生短路、絕緣老化或其他外力作用等原因造成擊穿故障後，常用的處理方法是：將故障段電纜切棄，並使用中間接線盒將切斷的電纜連接起來。對於中間接線盒的選擇，冷縮式中間接頭因其絕緣可靠、密封性好、安裝方便、安全可靠等諸多優點，成為最為理想的中間接頭。電纜冷縮中間接頭利用橡膠「彈性記憶」的特性，採用先進的擴張技術，將製造好的電纜終端膠件在彈性範圍內預先撐開，套入塑料支撐條；安裝時，只需抽去塑料支撐條，電纜終端橡膠件就會迅速收縮抱緊在電纜上。在實際應用時，電纜附件的護套管、分支套、密封管等全部是冷縮產品，確保了交聯聚乙烯電纜線路較好的密封性。

隨著冷縮中間接頭在交聯聚乙烯電纜線路，尤其在10kV交聯聚乙烯電纜線路中的廣泛應用，由於中間接頭冷縮管矽橡膠與交聯聚乙烯構成的絕緣界面發生放電而導致輸電線路故障的情況也頻繁發生，其中，冷縮管界面壓力不足是故障發生的主要原因之一。因此，對冷縮管界面壓力進行計算與測量成為預防這一故障發生的首要手段。

目前傳統的冷縮管界面壓力的測量裝置多使用鋁管貼應變片，來對冷縮中間接頭的界面壓力進行測量，但是，由於用於測量的鋁管模型與電纜的實際接頭結構不盡相同，導致測量結果誤差較大，無法起到預防配電網輸電線路故障的作用。

技術實現要素：

基於此，有必要針對現有的冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置的測量結果 誤差較大的技術問題，提供一種電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置及其方法。

一種電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，包括：多個壓力傳感器、信號採集單元和數據處理單元；

所述壓力傳感器預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面，對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位，且各個壓力傳感器之間等距離地設於同一圓周內，所述壓力傳感器的輸出端與所述信號採集單元連接；其中，所述冷縮管冷縮於對應的電纜段接頭位置處；

所述信號採集單元在電纜正常運行過程中實時讀取壓力傳感器產生的電信號，並將所述電信號傳輸至數據處理單元；

所述數據處理單元根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓力值。

上述電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，通過預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面且對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位的壓力傳感器感應電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力，並通過信號採集單元在電纜正常運行過程中實時讀取上述壓力傳感器產生的電信號，再利用數據處理單元根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓力值。通過上述技術方案，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置實現了對電纜冷縮中間接頭界面壓力的直接測量，避免了間接測量帶來的誤差，有效地提高了測量結果的準確性。

一種電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法，包括如下步驟：

將壓力傳感器預埋於冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面，對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位，且各個壓力傳感器之間等距離地設於同一圓周內，冷縮管冷縮於對應的電纜段接頭位置；

在電纜正常運行過程中，利用信號採集單元實時讀取壓力傳感器產生的電信號，並將所述電信號傳輸至數據處理單元；

所述數據處理單元根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的第一界面壓力值。

上述電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法，通過預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面且對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位的壓力傳感器感應電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力，並通過信號採集單元在電纜正常運行過程中實時讀取上述壓力傳感器產生的電信號，再利用數據處理單元根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的第一界面壓力值。通過上述技術方案，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法實現了對電纜冷縮中間接頭界面壓力的直接測量，避免了間接測量帶來的誤差，有效地提高了測量結果的準確性。

附圖說明

圖1為本發明的一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置的結構示意圖；

圖2為本發明的一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法流程圖；

圖3為本發明的另一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法流程圖；

圖4為本發明的另一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法中建立的電纜冷縮中間接頭的材料力學模型；

圖5為利用本發明的一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置和本發明的另一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法分別對5個不同試品進行界面壓力測量得到的壓力-時間變化曲線圖。

具體實施方式

為了更進一步闡述本發明所採取的技術手段及取得的效果，下面結合附圖及較佳實施例，對本發明的技術方案，進行清楚和完整的描述。

如圖1所示，圖1為本發明的一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置的結構示意圖，包括：多個壓力傳感器100、信號採集單元200和數據處理單元300；

所述壓力傳感器100預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面，對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位，且各個壓力傳感器之間等距離地設於同一圓周內，所述壓力傳感器100的輸出端與所述信號採集單元200連接；其中，所述冷縮管冷縮於對應的電纜段接頭位置處；

所述信號採集單元200在電纜正常運行過程中實時讀取壓力傳感器100產生的電信號，並將所述電信號傳輸至數據處理單元300；

所述數據處理單元300根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓力值。

上述電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，通過預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面且對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位的壓力傳感器100感應電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力，並通過信號採集單元200在電纜正常運行過程中實時讀取上述壓力傳感器100產生的電信號，再利用數據處理單元300根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓力值。通過上述技術方案，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置實現了對電纜冷縮中間接頭界面壓力的直接測量，避免了間接測量帶來的誤差，有效地提高了測量結果的準確性。

在其中一個實施例中，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，所述壓力傳感器100預埋於電纜冷縮中間接頭冷縮管的內應力錐和外應力錐之間的軸向中點位置處。

在上述實施例中，利用預埋於電纜冷縮中間接頭冷縮管的內應力錐和外應力錐之間的軸向中點位置處的壓力傳感器100直接感應電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力，使得感應得到的電信號能夠更真實地反映電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力；通過將壓力傳感器100預埋於電纜冷縮中間接頭冷縮管的內應力錐和外應力錐之間的軸向中點位置處，使壓力傳感器能夠均勻地感應電纜冷縮接頭所受的界面壓力，使得壓力傳感器感應的界面壓力更準確，有效地提高了測量結果的準確性。

在實際應用中，所述冷縮管的內應力錐可以為冷縮管的半導體電極，所述 冷縮管的外應力錐為冷縮管的應力控制層。

在其中一個實施例中，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，所述冷縮中間接頭通過將所述兩個電纜段的線芯露出，將所述兩個電纜段的外半導體剝離，使絕緣部分露出，並對所述絕緣部分進行清洗；再將所述兩個電纜段的線芯對齊，並使用壓接管進行壓接的方式製作。

在其中一個實施例中，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，所述壓力傳感器100為薄膜壓力傳感器。

在其中一個實施例中，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，所述壓力傳感器100為電阻式壓力傳感器。

在上述實施例中，通過採用電阻式壓力傳感器感應電纜冷縮中間接頭的界面壓力，信息採集單元200在電纜正常運行過程中實時讀取電阻式壓力傳感器產生的電阻信號，並將所述電阻信號傳輸至數據處理單元300；所述數據處理單元300根據預設的電阻信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓力值。

在其中一個實施例中，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置，所述壓力傳感器的厚度為0～0.5mm，傳感區域半徑為5～12mm，傳輸長度不小於100mm。

在實際應用中，可以根據所測量的電纜冷縮中間接頭的具體尺寸選擇不同參數的壓力傳感器，在同等條件下，壓力傳感器的厚度越薄，壓力傳感器感應到的電信號誤差越小，數據處理器測量得到的界面壓力值也就越精確，有效地提高了測量結果的準確性。

如圖2所示，圖2為本發明的一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法流程圖，包括如下步驟：

步驟S100：將壓力傳感器預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面，對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位，且各個壓力傳感器之間等距離地設於同一圓周內，冷縮管冷縮於對應的電纜段接頭位置；

步驟S200：在電纜正常運行過程中，利用信號採集單元實時讀取壓力傳感 器產生的電信號，並將所述電信號傳輸至數據處理單元；

步驟S300：所述數據處理單元根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的第一界面壓力值。

上述電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法，通過預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面且對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位的壓力傳感器感應電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力，並通過信號採集單元在電纜正常運行過程中實時讀取上述壓力傳感器產生的電信號，再利用數據處理單元根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的第一界面壓力值。通過上述技術方案，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法實現了對電纜冷縮中間接頭界面壓力的直接測量，避免了間接測量帶來的誤差，有效地提高了測量結果的準確性。

在其中一個實施例中，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法，在所述將壓力傳感器預埋於冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面的步驟之前，還包括：

將所述兩個電纜段的線芯露出，將所述兩個電纜段的外半導體剝離，使絕緣部分露出，並對所述絕緣部分進行清潔。

在其中一個實施例中，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法，在所述將壓力傳感器預埋於冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面的步驟之後，還包括：

將所述兩個電纜段的線芯對齊，並使用壓接管進行壓接。

如圖3所示，圖3為本發明的另一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法流程圖，在步驟S300之後，還可以包括：

步驟S400：根據預先建立的電纜冷縮中間接頭的材料力學模型，計算得到電纜冷縮中間接頭的第二界面壓力值；其中，所述電纜冷縮中間接頭的材料力學模型為：

式中，F表示冷縮中間接頭的界面壓力，p表示冷縮中間接頭界面受到的壓強，S表示冷縮中間接頭的界面面積，l表示冷縮管軸向長度，E表示冷縮管矽橡膠材料的彈性模量，ri表示冷縮管工作狀態時的內半徑，r0表示冷縮管工作狀態時的外半徑，d表示冷縮管工作狀態時的厚度，d0表示冷縮管初始厚度，ri0表示冷縮管初始內半徑，ro0表示冷縮管初始外半徑。

在本步驟中，由於冷縮式電纜中間接頭是由冷縮管矽橡膠材料與電纜絕緣交聯聚乙烯的過盈配合來產生界面壓力，從而保證該絕緣界面的電氣強度。由於交聯聚乙烯的彈性模量遠大於矽橡膠，因此近似認為在冷縮過程中，交聯聚乙烯絕緣為剛性物體，外徑保持不變。另需認為矽橡膠為各項同性的彈性材料，即各方向的拉模量相同。使用微元法可對中間接頭的矽橡膠冷縮管對絕緣表面的壓力進行理論分析計算。

如圖4所示，圖4為本發明的另一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法中建立的電纜冷縮中間接頭的材料力學模型，圖4中，ri0為冷縮管初始內半徑，ro0為冷縮管初始外半徑，記d0＝ro0-ri0為冷縮管初始厚度，ri為冷縮管工作狀態下內半徑(即絕緣外半徑)，r0為冷縮管工作狀態下外半徑，記d＝r0-ri為冷縮管工作狀態時的厚度，Δθ為一個較小圓心角。冷縮管軸向長度為l，彈性模量為E。由於冷縮管擴張前後的內外徑均可測得，因此關於泊松比的分析，可以近似認為矽橡膠材料內部為徑向均勻應變。故在冷縮管工作狀態下，與內壁(內半徑ri)距離為x，厚度為dx的微元層，其應變為：

該位置切向受力為：

dF＝σdS＝lEεdx；

通過積分得到切向合力為：

最終，徑向壓力為切向合力的合成，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓強為：

代入化簡後最終得到如下算式

由此可知，界面壓力與中間接頭矽橡膠冷縮管的自然狀態內徑、外徑，工作狀態的內徑、外徑，以及矽橡膠材料的彈性模量相關。在實際運用中，通過測量得到各參量後，就可以通過理論公式對中間接頭的界面壓力情況進行計算評估。

步驟S500：對所述第一界面壓力值和第二界面壓力值進行加權求和，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓力值。

在本步驟中，為了使利用兩種測量方法測得的電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力值更精確，可以對所述第一界面壓力值和第二界面壓力值進行加權求和，得到電纜冷縮中間接頭的界面壓力值，進一步減少了測量結果的誤差，有效地提高了測量結果的準確性。

上述電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法，通過預埋於電纜冷縮中間接頭的冷縮管起始側的交聯聚乙烯絕緣表面且對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位的壓力傳感器感應電纜冷縮中間接頭所受的界面壓力，並通過信號採集單元在電纜正常運行過程中實時讀取上述壓力傳感器產生的電信號，再利用數據處理單元根據預設的電信號與壓力值之間的對應關係，得到電纜冷縮中間接頭的第一界面壓力值。通過上述技術方案，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法實現了對電纜冷縮中間接頭界面壓力的直接測 量，避免了間接測量帶來的誤差，有效地提高了測量結果的準確性。

為了比較利用本發明的電纜冷縮中間接頭的測量裝置和測量方法得到的界面壓力值兩者之間的誤差，可以選取一些試品來進行試驗。

試品包括導體截面為240mm2與300mm2的8.7/10kV電纜段各兩段，每段長度為1m，以及適用於導體截面為240mm2與300mm2電纜的中間接頭冷縮管共五個，詳細信息見表1。

表1 試品詳細信息

為製作電纜冷縮中間接頭，首先應對4個電纜段進行預處理。即按照中間接頭製作步驟，對電纜段一端進行剝切，露出線芯5cm用於兩段電纜的壓接，之後為了部署傳感器時能夠將傳感器平整放置，將外半導電層剝離30cm，露出絕緣，並用酒精紙擦拭乾淨。

之後將相同尺寸的電纜段線芯對齊，使用壓接管壓接，並確保連接後的整段電纜無彎曲。為避免抽冷縮管芯繩使傳感區域偏移與折損，傳感器部署於冷縮起始側的交聯聚乙烯絕緣表面，對應於冷縮管抽芯後矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中間部位。每個接頭中共使用三個傳感器，三個傳感器相互等距離地位於同一圓周上，以減小電纜彎曲偏心而帶來的誤差。

每個冷縮管試品進行測試前，先要將其冷縮於對應的電纜段接頭位置。冷縮起始位置壓在傳感器輸出側，並使兩個輸出端子能夠露出。之後將輸出端子與信號採集單元相連，信號採集單元將數據傳輸至電腦終端，完成壓力數據採集。對於每個冷縮管試品，在接頭安裝0小時、5小時、10小時後分別進行數據採集，以保證能夠測得穩定的界面壓力。每組數據採集時，使用測試軟體以0.03次/s的頻率記錄10秒內的測量結果，以儘可能地消除隨機幹擾引起的誤差。

為了驗證理論計算，每個接頭進行界面壓力測試後，還應使用遊標卡尺測量冷縮管外徑；之後將冷縮管沿軸向割開從電纜拆除，測量傳感器所在位置的 絕緣外徑，以及冷縮管復原後的初始內徑與初始外徑，其中每個點都要測量三次，儘可能減小測量誤差。通過這些測得的參量，結合冷縮管內矽橡膠材料的彈性模量，對中間接頭內的界面壓力進行理論計算，並與壓力測量的結果做比較。

對5個冷縮管試品分別進行尺寸測量後，得到其尺寸數據如表2。為了消除偏心等可能帶來的誤差，每個接頭每個時間點測量的壓力取三個傳感器的平均值，最終得到5個不同試品的壓力-時間變化曲線如圖5所示。圖5為利用本發明的一個實施例的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置分別對5個不同試品進行界面壓力測量得到的壓力-時間變化曲線圖。圖5的壓力-時間變化曲線中的縱坐標表示壓力軸Pressure(kg)，橫坐標代表時間軸Time(h)。

表2 試品尺寸數據

由冷縮管試品中矽橡膠的彈性模量與測試得到的試品尺寸可通過上述電纜冷縮中間接頭的材料力學模型計算出每個試品的界面壓強理論值。由於壓力感器的傳感區域預埋位置處於矽橡膠與交聯聚乙烯界面的中部，壓強相等，而傳感器傳感區域為圓形，因此，實測界面壓強與所測壓力(kg)之間滿足如下式所示的關係：

利用上述可求得電纜冷縮中間接頭的界面壓強的測試結果。理論值與實測值的對比結果見表3。

表3 5個試品界面壓力理論值與實測值結果

通過上表可以得出，利用本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置和本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法對電纜冷縮中間接頭的界面壓力進行測量得到的界面壓強值比較相近，誤差也是在允許的範圍內，因此，本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量裝置及其方法能夠減小對電纜冷縮中間接頭界面壓力間接測量的誤差，有效地提高了測量結果的準確性。本發明的電纜冷縮中間接頭界面壓力的測量方法通過將利用裝置和方法測量得到的界面壓力值進行加權求和，進一步提高了電纜冷縮中間接頭界面壓力測量結果的準確性。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。