1、基于电流谐波的电力电缆状态诊断和寿命分析方法贾俊青1，李磊2，吕超1，刘文杰3，郑大鹏3，李赫1（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特010020；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司，呼和浩特010010；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司鄂尔多斯供电分公司，内蒙古鄂尔多斯017010）0引言随着经济社会的不断发展，用电量不断增加，电缆取代架空线路是不可逆转的发展趋势，特别是对大、中型城市来说。与此同时，因电缆故障导致的各类停电、安全等事故也呈现逐年上升趋势1-2。因此，电缆线路的安全、稳定、可靠运行，对于维护社会生产、生活的稳定和发展具有重要意义。为保证电缆
2、的可靠运行，国内外已有很多相关的方法在研究应用中，比如直流叠加法、直流分量法、交流叠加法、介质损耗法、局部放电法等3-8。文献9提出了一种基于边界值分析法的用电信息采集终端谐波统计试验方法。文献10提出了一种基于零序电压小波变换的小电流接地系统电缆早期摘要：针对在用电缆电流谐波检测方法存在的耗时长等不足，提出一种基于电流谐波的多算法评分机制下的电力电缆诊断和寿命分析方法。首先采集目标电缆各次谐波数据，然后基于电缆状态评估专家数据库得出电缆的当前现状，最后将电缆历史数据作为输入量，通过评分机制下表现最优的模型获取电缆的寿命分析结果以及健康度评价。并基于以上分析，搭建电缆诊断和寿命分析管理应用平台
3、，通过在内蒙古电力（集团）有限责任公司某供电分公司的实际应用，验证了所提方法的实用性。关键词：电力电缆；电流谐波；状态诊断；评分机制文献标志码：B文章编号：1008-6218（2023）03-0072-06中图分类号：TM75doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0042引用格式：贾俊青，李磊，吕超，等.基于电流谐波的电力电缆状态诊断和寿命分析研究J.内蒙古电力技术，2023，41（3）：7277.JIA Junqing,LI Lei,LYU Chao,et al.Method for State Diagnosis and Life Analysis of Power C
4、able Based on Current HarmonicsJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41（3）:7277.基金项目 内蒙古电力（集团）有限责任公司科技项目“基于电流谐波检测的电力电缆状态诊断和寿命分析技术研”(2022-27)内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERM e t h o df o rSt a t eD i a g n o s i sa n dLi f eA n a l y s i so fPo w e rCa b l eBa s e do nCu r r e n tH a r mo n
5、 i c sJIA Junqing1,LI Lei2,LYU Chao1,LIU Wenjie3,ZHENG Dapeng3,LI He1（1.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China;2.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Hohhot010010,China;3.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Ordos Power Supply Company,Ordo
6、s017010,China）A b s t r a c t：In view of the shortcomings of the current harmonic detection method,the author proposes a diagnosis and lifeanalysis method of power cable concerned multialgorithm scoring mechanism based on current harmonic.First of all,theharmonic data of the target cable is collecte
7、d,and then the current status of the cable is obtained based on the expertdatabase of cable state evaluation.As the input data,the cable life analysis results and health evaluation are obtainedthrough the model with the best performance under the scoring mechanism.Based on the above analysis,the cab
8、lediagnosis and life analysis management platform is established.The application of the platform in a power supply branch ofInner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.verifies the practicability of the proposed method.K e yw o r d s：power cable;current harmonics;state diagnosis;scoring mechanism2023年第41卷第3期
9、72检测方法，应用小波变换进行早期故障特征提取，实现对小电流接地系统电缆早期故障的检测。文献11在实验室条件下以实际运行电缆为试样开展加速热老化实验，建立了接地电流谐波时域、频域、相对能量和样本熵等多维特征参数与电缆热老化程度的关联关系。文献12-13总结了近年来国内外学者在理论研究、试验验证和测试系统研制等方面取得的电缆谐波诊断研究及尚待研究的难题，分析了发展趋势，并提出了解决上述问题的可能途径与方向。文献14介绍了人工智能技术在电力设备运维检修中的主要应用领域和关键技术。文献15介绍了基于大数据特征学习的机械设备剩余寿命预测方法，并基于此预测了轴承的剩余寿命，相对于现有的基于手动提取特征的
10、预测方法，准确率大幅提高。对以上相关领域的研究中，还没有将基于电流谐波的电缆监测技术与大数据技术相结合进行电缆健康状态诊断和寿命分析的报道。而将基于电流谐波的机理模型、电缆状态的专家知识库与基于大数据人工智能相关技术相结合，可发挥各自技术的优点，进一步提高电缆状态诊断和寿命分析的准确性。基于此，本文提出了一种基于电流谐波的多算法评分机制下的电力电缆诊断和寿命分析方法，在不影响电缆正常运行的前提下，可减少检测时间，实现对电缆故障的提前预警。1电缆电流谐波检测1.1检测原理电流谐波就是将非正弦周期性电流函数按傅立叶级数展开时，其频率为原周期电流频率整数倍的各正弦分量的统称。频率等于原周期电流频率k
11、倍的谐波电流称为k次谐波，k大于1的各谐波也统称为高次电流谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围n一般为2 Hzn40 Hz16-20。在对电网根据电能质量标准进行谐波治理的同时，发现谐波的产生很大一部分是源于电气设备本身，而通过对谐波的分析，发现谐波与缺陷故障存在对应的联系，进而可以通过检测谐波来进行设备检测。电气设备在异常和劣化时，磁通量波形紊乱，会有高次谐波发生，不同电气设备，不同部位出现异常、劣化等情况时，所产生的谐波种类和含量不同。电力电缆中磁通及电流变化如图1所示。电缆的主体部分、连接部分、施工过程等存在
12、的问题，也会在电流的高次谐波成分中体现。因此，可通过对各次谐波的含有率计算分析电缆的运行状态。实际的电流由多个具有不同频率的周期性电流分量叠加而成，对其进行傅里叶分解，则电流与各电流分量的关系如式（1）所示21：I?=n=1Insinn()t+n，（1）式中：I?为总电流；In为第n次谐波电流的幅值；为对应电流的角频率；t为对应电流的时间；n为对应电流的初始相位。则总电流的有效值Ih可由式（2）计算：Ih=I22+I23+I24+I2n，（2）其中，In为各次谐波的有效值。则各次谐波在总谐波的含有率H为：H=InIh100%。电力电缆的主体部分老化与电流谐波的具体对应关系如表1所示12-13。
13、表1电力电缆本体部位老化与电流谐波对应关系Tab.1 Corresponding relationship between aging of powercable body and current harmonics电缆劣化部位绝缘层初期劣化型绝缘层环境劣化型（机械性）绝缘层环境劣化型（电气性）绝缘层随运行年限劣化导体劣化保护层劣化主要成分高次谐波（含有率）3次（41%）+5次（41%）2次（55%）5次（59%）5次（52%）3次（25%）2次（39%）其他成分高次谐波（含有率）4次（6%）+2次（6%）4次（16%）+3次（9%）+5次（6%）3次（20%）+4次（8%）+2次（6%）4次
14、（28%）+3次（7%）+2次（6%）5次（24%）+2次（23%）+4次（18%）4次（29%）+3次（10%）+5次（7%）图1电力电缆中的磁通及电流Fig.1 Magnetic flux and current in power cables过热界面缺陷异物/损伤气体电流I导体绝缘层屏蔽层保护层2023年第41卷第3期贾俊青，等：基于电流谐波的电力电缆状态诊断和寿命分析方法73可以看出，主要成分高次谐波和其他成分高次谐波的累计含有率可直接反映电缆不同部位的劣化程度。1.2检测方法采用电缆电流谐波在线检测装置进行检测。电缆检测流程如图2所示。检测时，将谐波传感器与主机正确连接，开启主机，确
15、定检测位置后分别对三相电缆的两端进行检测。开启主机后，液晶面板会提示采集过程以及注意事项22-23，具体检测流程如下：（1）输入设备编号；（2）选定检测位置，并开始检测；（3）当液晶屏显示“信号恰好”或“信号过大”时，进行检测；（4）当屏幕显示“测定完成”时，按对应按钮确定；（5）对同一相同一位置进行三次重复检测；（6）之后换电缆另一相重复以上25步，完成检测；（7）三相电缆的两端都检测完毕后，液晶屏幕显示“测定完成”。电流谐波数据采集完毕后，将采集的谐波数据导入专家数据库系统，即可得出对应的检测结果。1.3检测数据本文对内蒙古电力（集团）有限责任公司某分公司所辖16座变电站的103条电缆线路
16、开展电流谐波测试工作，为排除结果偶然性因素影响，从电压等级、电缆长度、投运年限、运行电流等维度综合选取样本数据，具体测试电缆基本情况统计如表2所示。由表2可知，电压等级为10 kV的电缆为41根，35 kV的电缆24根，110 kV的电缆38根；电缆长度分布为02440 m；电缆的负荷电流为0300 A。本文对此103根电缆在一定时间内开展了至少3次以上的重复测试工作，并形成诊断报告和完整数据集，其中部分测试数据如表3所示。基于表3电流谐波的测试数据，结合表1的电力电缆老化与电流谐波的完整对应关系，以及专家数据库，可以得出电缆的劣化程度。但由于专家数据库过于庞大，同时对于大部分的工程，均需要远程访问专用数据库才能给出检测结果，而且诊断耗时较长，若要实现对电缆的实时图2电缆检测流程Fig.2 Cable inspection process输入端输出端谐波传感器谐波传感器电流电缆高次谐波和专家系统比对表2测试电缆基本情况统计Tab.2 Statistics of basic conditions of testing cables项目额定电压/kV电缆长度/m10351101001012
