本发明属于电力电缆技术领域，具体涉及一种基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置及方法。
背景技术：
xlpe电缆以其优异的性能被广泛用于输电线路，然而电缆制作长度一般在1km以下，需要电缆中间接头进行连接，因此电缆中间接头是电力电缆的重要组成部分，同时也是输电线路事故的多发部位，其可靠性直接影响供电系统的安全性。如图1所示，电缆中间接头3通常包括由内至外设置的应力锥33、接地铜壳32以及防爆盒31。防爆盒31一般呈中间大两端缩口的船形结构，一侧设置两个接地线孔。电缆5逐层剥离外护套51、屏蔽层(皱纹铝护套52、缓冲层53)、外半导电层54以及绝缘层55，露出缆芯57，两根电缆的缆芯56通过压接管相连，缆芯56和压接管的外侧包有半导电套层，电缆还通过接地线57接地。应力锥33套设在被剥开部分的缓冲层53上，接地铜壳32和防爆盒31套设在电缆的外护套上。
在现场安装过程中，由于操作不当可能会在电缆中间接头中引入多种缺陷。对于现代输配电网络，随着电压等级的提高，电力电缆的应用要求也越来越高，尤其对于高压输配电，对于电缆则提出了更高的技术要求。对于任何电力电缆来说，电缆的中间接头都是电缆最为薄弱的环节之一。当中间接头运行在湿度大的环境或者直接浸泡在水中时，长此以往，水将会逐步透过电缆中间接头的缺陷处进入高压电缆中间接头或与接头相邻的高压电缆本体，使之受潮。现有的研究表明，电缆中间受潮之后将会对电缆的安全运行产生极大的影响，甚至造成击穿停电事故。因此对高压电缆中间接头进行有效的受潮/腐蚀状态评估对与高压电缆的运行维护是非常有帮助的。
目前，并没有一种可靠的能在高压电缆中间接头无大损伤的前提下，没有对高压电力电缆的中间接头的运行状态进行评估的有效方法。
技术实现要素：
本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置及方法，通过对高压电缆的中间接头处含有的特征气体含量进行监测，绘制特征气体含量变化曲线，通过特征气体含量的变化规律对高压电缆的中间接头进行运行状态评估。
本发明的思路是：高压电缆中间接头为电缆运行薄弱环节，当其受潮时，水蒸气在电、热、金属材料的共同作用下将会分解产生氢气(h2)，在电热的共同作用下外半导电层以及缓冲层将会受热分解出一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)，由于电缆的结构特点，h2、co、co2将会被产生并聚集在电缆中间接头。同时，当电缆中存在水分时，电缆铝护套及径向相邻结构也将会产生不同程度的腐蚀。发明人经过大量的现场测试发现，电缆中间接头处的h2、co、co2初始浓度可以表征中间接头的受潮状态、与中间接头邻近部分高压电缆外半导电层以及缓冲层的绝缘状态；而通过对氢气浓度进行积分得到的h2总量
基于上述发明思路，本发明提供的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，包括通信连接的气体测试仪和计算机，所述气体测试仪通过开设于电缆中间接头上的测试孔抽取测试气体，并对测试气体中的特征气体含量进行测量，所述测试孔自防爆盒壳体延伸至接地铜壳，计算机接收气体测试仪发送的测量数据并对测量数据进行处理分析，所述特征气体为h2、co及co2。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，气体测试仪的主要作用是通过测试孔抽取测试气体，再对特征气体含量进行测量并将测量数据发送给计算机，因此在达到前述作用的前提下，本发明对气体测试仪并没有特殊要求，可以通过市购购买复合要求的气体测试仪，也可以对市购购买的气体测试仪加以改造使其能更便捷的抽取测试气体，还可以组装零件自制气体测试仪。本发明中的气体测试仪优选包括气体传感器、抽气泵以及抽气管，所述抽气管的一端端部与抽气泵连接，另一端端部通过开设于电缆中间接头上的测试孔深入至电缆中间接头的防爆盒与接地铜壳之间，所述气体传感器安装于抽气泵上并与计算机通信连接。气体传感器可以为h2、co、co2三合一传感器也可以是三个单独的h2、co、co2传感器。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，为了便于抽气同时也不对电缆中间接头造成大损伤，所述测试孔的直径略大于抽气管直径即可，一般情况下，测试孔的直径比抽气管的直径大1～2mm。此外，为降低打孔难度，也便于后续封堵处理，所述测试孔自防爆盒壳体垂直延伸至接地铜壳。更进一步地，防爆盒一侧设有两个接地线孔，所述测试孔位于防爆盒壳体上的两个接地线孔之间。
本发明还提供了一种基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，该方法利用上述装置，具体包括以下步骤：
s1、将电缆中间接头的四周空气状态进行充氮处理；
s2、在电缆中间接头上开凿测试孔，测试孔自防爆盒壳体延伸至接地铜壳；
s3、气体测试仪通过测试孔抽取测试气体，对测试气体中的特征气体含量进行实时测量并将测量数据传送给计算机；
s4、对测试孔进行封堵处理，使电缆中间接头恢复至开凿测试孔之前的密封防水状态；
s5、计算机对测量数据进行处理分析，对电缆中间接头的运行状态作出评估；
每隔设定期限重复一次上述步骤s1-s5，以对同一电缆中间接头的特征气体含量进行测量从而对该电缆中间接头的运行状态进行定期评估。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，步骤s1中，对电缆中间接头的四周空气状态进行充氮处理的目的，一是氮气对环境友好，能够去除空气中的水分、h2、co、co2，以免在测量过程中二次引入水分进入电缆中间接头；其次，氮气也可以改善电缆中间接头附近的空气含量，在一定程度上减小特征气体测量时来自周围环境的误差，避免空气中、h2、co、co2对测量产生影响，提高特征气体测量数据的可靠性。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，步骤s2中，开凿测试孔时，应该根据现场高压电缆中间接头实际工况，在不伤及绝缘、避开接地线的基础上，满足能够对电缆中间接头中的特征气体含量进行有效测量的条件，在确认打孔位置后用电钻打上合适尺寸的测试孔。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，步骤s4中，在测量完成之后，需要按照高压电缆中间接头的原有结构以及相关的材料，对测试孔进行封堵修复，避免测试孔在之后的运行中发展成为新的缺陷。在恢复的过程中，采取与原有中间接头一致材料，一致结构的原则进行封堵，保证其密封性和防水性。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，步骤s5中，具体操作如下：
s51、绘制特征气体浓度-时间的变化曲线，根据公式(1)-(3)对所绘制的特征气体浓度-时间的变化曲线进行积分处理，得到电缆中间接头(3)的特征气体总量：
式中，
t0和t分别表示气体采集开始时间和结束时间；
s52、通过对氢气浓度进行积分得到的h2总量
通过式(5)计算al的损失量mal：
式中：v为测试孔流速；s表示测试孔横截面积；
s53、运行状态评估
①受潮及绝缘状态
当t＝t0时，氢气浓度低于4000ppm且无co以及co2，判定为正常状态；
当t＝t0时，氢气浓度在4000ppm-20000ppm之间或co或co2在50ppm-500ppm之间，判定为警告状态；
当t＝t0时，氢气浓度高于20000ppm或co或co2高于500ppm，判定为紧急状态；
②铝护套受损状态
根据式(4)计算出铝的损失量mal，从而进一步确定铝护套的受损状态。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，步骤s53中，受潮状态是指电缆中间接头的受潮状态，水分进入中间接头，在铝铜电解池反应以及铝的交流电腐蚀下将会生成氢气，氢气将会积累在中间接头内部，因此，采用氢气浓度表征电缆中间接头的受潮状态。
进一步地，电缆铝护套出现铝损耗只有两种可能，第一种是电缆外护套出现了破损，水分出现在了铝护套的内表面，这一部分产生的氢气会扩散到大气中；第二种情况就是水分进入了中间接头，在铝铜电解池反应下将会生成氢气，氢气将会积累在中间接头内部，可以用气体测试仪检测到。第二种情况下的铝损耗会导致铜尾管和铝接触不良，从而使得电缆的铝护套失去接地通道，接地电流的热效应会损伤铜尾管内部绝缘，悬浮电位也会造成局部放电，从而伤害外半导电层，最终造成绝缘层损伤。
绝缘状态是指与中间接头邻近部分的电缆外半导电层以及缓冲层的绝缘状态，由于当电缆缓冲层或外半导电层发生烧蚀时将会产生co、co2，因此，只要出现了co以及co2，就意味着电缆的外半导电层或缓冲层受到了损伤，下一步就将是损伤绝缘层。而在工业实践中通常将50ppm作为报警的阈值。通过获取电缆中间接头积累的co、co2总量，可进一步对电缆缓冲层或外半导电层发生烧蚀程度进行判定，为电缆中间接头维护提供相关的数据支持。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，通常情况下，每两周重复一次步骤s1-s5对电缆中间接头运行状态进行评估。当判定为警告状态时，测量周期缩短为一周，当判定为紧急状态时，需要对电缆进行停电检修。
上述基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，可以通过对同一高压电缆中间接头的周期性特征气体含量测量得到完整的该电缆中间接头运行状态数据，从而可以得到高压电中间接头随时间变化的运行状态评估。在对单个高压电缆中间接头进行评估测量的基础上，可以延伸地周期性测量某条电缆的所有中间接头的状态评估，从而对整条电缆进行状态监测。在对某整条高压电缆中间接头的监测基础上，可以完善整个高压电缆系统中中间接头的状态监测，通过计算机对数据进行汇总，从而有效的监测整个高压电缆系统的运行状态。
现有技术中尚无在无大损伤前提下，用于对高压电缆中间接头的运行状态进行评估的有效装置及方法，本发明提供的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置及方法克服技术空白，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，通过检测氢气浓度来表征高压电缆中间接头的运行状态，包括通信连接的气体测试仪和计算机，气体测试仪通过开设于电缆中间接头上的测试孔抽取测试气体，并对测试气体中的特征气体含量进行测量，测试孔的方式简单有效，不会对电缆造成大损伤，该装置整体构成简单，易于实现。
(2)本发明提供的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，对高压电缆中间接头进行合适打孔操作，测量其中的特征气体含量，由于特征气体含量与电缆中间接头的运行状态具有很高的相关性，从而对高压电缆中间接头的运行状态进行评估具有有效性，对测试孔进行修复也可以避免测试对于完好在中间接头的影响，因此本方法可以良好的减少电缆由于测试而产生的损伤。
(3)本发明提供的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，其原理简单，在实际电缆运行环境中便于操作，此方法对于任何高压电缆的中间接头以及终端头具有普遍的作用，且特征气体含量易于测量，监测精度高，具有良好的可靠性。
附图说明
图1是现有技术中电缆与中间接头连接示意图；
图2是本发明基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置结构示意图；
图3是本发明气体测试仪结构示意图；
图4是测试孔位置示意图；
图5是本发明基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法流程图。
附图标记说明：1、气体测试仪；11、气体传感器；12、抽气泵；13、抽气管；14；接口；2、计算机；3、电缆中间接头；31、防爆盒；32、接地铜壳；33、应力锥；4、测试孔；5、电缆；51、外护套；52、铝护套；53、缓冲层；54、外半导电层；55、绝缘层；56、缆芯；57、接地线。
具体实施方式
以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
实施例1
本实施例提供的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置如图2所示，包括通信连接的气体测试仪1和计算机2。如图3所示，气体测试仪1包括气体传感器11、抽气泵12以及抽气管13，抽气管13的一端端部与抽气泵12连接，气体传感器11安装于抽气泵12上并与计算机2通信连接。
如图4所示，电缆中间接头3上开设有测试孔4，测试孔4自防爆盒31壳体垂直延伸至接地铜壳32，防爆盒31一侧设有两个接地线孔，所述测试孔5位于防爆盒31壳体上的两个接地线孔之间。测试孔4的直径略大于抽气管13直径。抽气管13的另一端端部通过开设测试孔4深入至电缆中间接头的防爆盒31壳体与接地铜壳32之间。
抽气泵12通过抽气管13抽取测试气体，气体传感器11用于对测试气体中的特征气体含量进行测量，特征气体为h2、co及co2。计算机2接收气体传感器11发送的测量数据并对测量数据进行处理分析。
实施例2
本实施例提供了利用实施例1中的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置对电缆中间接头运行状态进行检测方法，如图5所示，包括以下步骤：
s1、将电缆中间接头3的四周空气状态进行充氮处理，以消除空气对特征气体测量的影响，提高气体传感器11测试数据的可靠性。
s2、采用电钻在电缆中间接头3上开凿测试孔4，应不伤及绝缘并避开接地线，测试孔4自防爆盒31壳体垂直延伸至接地铜壳32。
s3、抽气管13通过测试孔4深入至电缆中间接头3的防爆盒31壳体与接地铜壳32之间，开启抽气泵12抽取测试气体，气体传感器11对测试气体的h2、co及co2含量进行实时测量并将测量数据发送给计算机2。
s4、采用沥青对测试孔4进行封堵，使电缆中间接头3恢复至开凿测试孔4之前的状态，并对防爆盒31本体进行恢复，保证其防水性。
s5、计算机2对测量数据进行处理分析，对电缆中间接头3的运行状态作出评估，具体操作如下：
s51、绘制特征气体浓度-时间的变化曲线，根据公式(1)-(3)对所绘制的特征气体浓度-时间的变化曲线进行积分处理，得到电缆中间接头(3)的特征气体总量：
式中，
t0和t分别表示气体采集开始时间和结束时间；
s52、通过对氢气浓度进行积分得到的h2总量
通过式(5)计算al的损失量mal：
式中：v为测试孔流速；s表示测试孔横截面积；
s53、运行状态评估
①受潮及绝缘状态
当t＝t0时，氢气浓度低于4000ppm且无co以及co2，判定为正常状态；
当t＝t0时，氢气浓度在4000ppm-20000ppm之间或co或co2在50ppm-500ppm之间，判定为警告状态；
当t＝t0时，氢气浓度高于20000ppm或co或co2高于500ppm，判定为紧急状态；
②铝护套受损
根据式(4)计算出铝的损失量mal，从而进一步确定铝护套的受损状态。
而通过获取电缆中间接头积累的co、co2总量，可进一步确定电缆缓冲层或外半导电层发生烧蚀程度。
依据铝护套的受损状态、电缆缓冲层或外半导电层发生烧蚀程度，采取有效措施对电缆中间接头进行维护。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
1.一种基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，其特征在于：包括通信连接的气体测试仪(1)和计算机(2)，所述气体测试仪(1)通过开设于电缆中间接头(3)上的测试孔(4)抽取测试气体，并对测试气体中的特征气体含量进行测量，所述测试孔(4)自防爆盒(31)壳体延伸至接地铜壳(32)，计算机(2)接收气体测试仪(1)发送的测量数据并对测量数据进行处理分析，所述特征气体为h2、co及co2。
2.根据权利要求1所述的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，其特征在于：所述气体测试仪(1)包括气体传感器(11)、抽气泵(12)以及抽气管(13)，所述抽气管(13)的一端端部与抽气泵(12)连接，另一端端部通过开设于电缆中间接头(3)上的测试孔(4)深入至电缆中间接头(3)的防爆盒(31)壳体与接地铜壳(32)之间，所述气体传感器(11)安装于抽气泵(12)上并与计算机(2)通信连接。
3.根据权利要求1所述的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，其特征在于：所述测试孔(4)的直径比抽气管(13)的直径大1～2mm。
4.根据权利要求1所述的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，其特征在于：所述测试孔(4)自防爆盒(31)壳体垂直延伸至接地铜壳(32)。
5.根据权利要求1所述的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测装置，其特征在于：防爆盒(31)一侧设有两个接地线孔，所述测试孔(5)位于防爆盒(31)壳体上的两个接地线孔之间。
6.一种基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，其特征在于：该方法利用权利要求1-5任一所述装置，具体包括以下步骤：
s1、将电缆中间接头(3)的四周空气状态进行充氮处理；
s2、在电缆中间接头(3)上开凿测试孔(4)，测试孔(4)自防爆盒(31)壳体延伸至接地铜壳(32)；
s3、气体测试仪(1)通过测试孔(4)抽取测试气体，对测试气体中的特征气体含量进行实时测量并将测量数据传送给计算机(2)；
s4、对测试孔(4)进行封堵处理，使电缆中间接头(3)恢复至开凿测试孔(4)之前的密封防水状态；
s5、计算机(2)对测量数据进行处理分析，对电缆中间接头(3)的运行状态作出评估；
每隔设定期限重复一次上述步骤s1-s5，以对同一电缆中间接头的特征气体含量进行测量从而对该电缆中间接头的运行状态进行定期评估。
7.根据权利要求6所述的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，其特征在于：步骤s5中，具体操作如下：
s51、绘制特征气体浓度-时间的变化曲线，根据公式(1)-(3)对所绘制的特征气体浓度-时间的变化曲线进行积分处理，得到电缆中间接头(3)的特征气体总量：
式中，
t0和t分别表示气体采集开始时间和结束时间；
s52、通过对氢气浓度进行积分得到的h2总量
通过式(5)计算al的损失量mal：
式中：v为测试孔流速；s表示测试孔横截面积；
s53、运行状态评估
①受潮及绝缘状态
当t＝t0时，氢气浓度低于4000ppm且无co以及co2，判定为正常状态；
当t＝t0时，氢气浓度在4000ppm-20000ppm之间或co或co2在50ppm-500ppm之间，判定为警告状态；
当t＝t0时，氢气浓度高于20000ppm或co或co2高于500ppm，判定为紧急状态；
②铝护套受损状态
根据式(4)计算出铝的损失量mal，从而进一步确定铝护套的受损状态。
8.根据权利要求6所述的基于特征气体监测的高压电缆中间接头运行状态检测方法，其特征在于：每两周重复一次步骤s1-s5对电缆中间接头运行状态进行评估。
技术总结