一种评估XLPE平板试样或电缆适宜脱气时间的方法与流程

本发明属于高电压与绝缘
技术领域：
，尤其指一种评估xlpe平板试样或电缆适宜脱气时间的方法。
背景技术：
：随着我国城市化进程的不断加快和经济的持续快速发展，电力消费需求日益剧增，急需升级改造现有电网基础设施，以适应快速增长的输电需求。同时随着海上风电和海岛供电需求的日益增加，电力电缆已成为建设城市地下能源综合通道，实现远距离大容量输电和新能源电力规模化利用的关键电力设备之一。目前我国正大力投资建设基础设施以适应新能源的发展要求，能源基础设施的升级和部署，为高压电缆的发展提供了充足动力，同时也为高压电缆市场的增长添砖加瓦。交联聚乙烯(cross-linkedpolyethylene，xlpe)以其优越的电气、热与机械性能而广泛应用于挤出电力电缆绝缘，xlpe绝缘电缆相比传统油纸绝缘电缆具有制造工艺简单、传输容量大、维护方便、成本低等优点。近20年来，随着xlpe电缆绝缘材料技术的不断突破和输电技术的持续进步，xlpe绝缘高压电缆已经成为跨海输电、异步电网互联等国内外工程应用的关键电力设备之一。目前在电缆的生产过程中，普遍采用过氧化二异丙苯(dicumylperoxide，dcp)作为聚乙烯交联剂，在高温高压的条件下，聚乙烯发生交联反应生成xlpe，但是dcp在受热分解的过程中，会产生甲烷、苯乙酮、枯基醇等多种副产物，这些杂质分子的引入，会直接影响电缆的介电特性与材料特性，在电场的作用下，易导致材料内部空间电荷积聚，引起电场畸变，加速电缆的老化进程，严重时会造成局部放电，甚至绝缘的击穿。同时，电缆在运行的过程中，材料内部残余的副产物，会受热逐渐挥发，在电缆护套中累积，过量的副产物积累会增加护套内部压力，进而发生变形，影响电缆系统的安全稳定运行。因此，去除副产物对于电缆的生产过程尤为重要。目前电缆生产厂家主要是通过将电缆绝缘线芯放在65-75℃的专用去气室中进行去气处理，由于电缆的电压等级和导体规格尺寸各异，因此去气时间各不相同，根据xlpe绝缘厚度，脱气过程少则几天，多则几十天。目前脱气工艺掌握还主要停留在经验上，对于脱气时间，没有明确的规定以及评估方法。相对全尺寸的实体电缆而言，基于平板热压法制备的薄片试样广泛应用于实验室研究中，目前薄片制备的热压条件已经基本统一，在采用统一的热压条件下，可忽略热压条件对平板试样脱气时间的影响，但平板热压法形成的试样厚度从0.1到几毫米各不相等，该方法广泛的应用于xlpe材料的介电特性测试和新型电缆料的改性的研究中。但是该方法制备的薄片试样对应的脱气处理依然没有标准，现有试样的制备的过程中，研究人员普遍采用热处理的方式去气一段时间，即认定xlpe材料脱气工作已经完成，但目前的脱气方式，主要以固定或超长脱气时间(如2天甚至更久)来避免交联副产物的影响，然而不同电缆料厂家生产的材料，其成分千差万别，固定的脱气时间并不合理有效，而较长的脱气时间不但会降低科研人员的工作效率，还会因为长时间的脱气引入热老化这一因素，进而失去了研究材料本身特性的意义。因此，亟需一种可量化且有效的适宜脱气时间评估方法，明确脱气时间，以期解决现有xlpe电缆材料脱气问题。技术实现要素：本发明的目的在于解决xlpe平板试样或电缆绝缘适宜脱气时间因受厚度、脱气温度影响而难以估算的问题，提供一种用于判断平板试样以及xlpe电缆适宜脱气时间的方法，为xlpe电缆材料的介电特性测试和绝缘料的改性，估算高效和适宜的脱气处理时间。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：本发明首先公开了一种基于平板热压法评估xlpe平板试样适宜脱气时间的方法，其包含以下步骤：步骤1：称取xlpe电缆料颗粒，制备xlpe平板试样；步骤2：裁剪xlpe平板试样，制备脱气待测试样，测量待测试样平均厚度并称取初始重量；步骤3：将试样放入烘箱内，设置脱气温度，进行脱气处理，在设定的每个取样时间，取出试样，进行称重；步骤4：试样重量稳定后，停止实验，计算试样脱气过程中的失重率，构建xlpe平板试样适宜脱气时间模型如下：其中，n为设定的展开式的项数，是基于菲克第二定律(即公式(7)或(8))，通过变量分离法求解得到的通解的展开式项数，n为正整数，其取值代表脱气模型逼近试样失重率趋势的程度，n取值越大，代表模型(14)越逼近试样失重率趋势，但相应的计算量会变大，兼顾计算速度和精度，n一般设定为取1-4；在本发明的实施例中，n取为2或1；ai，τi是第i项展开式的失重率变化常数；d是平均分子扩散系数，是与温度相关的函数；t为平板试样适宜脱气时间，da为试样平均厚度，δts为预设的试样失重率变化阈值，对于平板试样，δts推荐选用0.1％；t0为设定的延期时间，代表脱气过程中到达预设试样失重率变化阈值的延期时间，本发明中取t0为60，单位min；步骤5：根据待评估试样的厚度和脱气温度，利用步骤4得到的模型得到待评估平板试样适宜脱气时间。优选的，所述步骤2为：对试样边缘溢出部分进行修剪得到脱气待测试样，或制备为设定形状的脱气待测试样；采用0.001mm厚度计或更高精度的设备，多次选取试样不同位置测量厚度，根据公式(1)，计算试样平均厚度dave，式中di为每次测量试样的厚度，j为测量次数；之后立刻采用精度至少0.1mg的电子秤称取当前试样重量。步骤4中，构建xlpe平板试样适宜脱气时间模型的步骤如下：首先获取步骤3)脱气温度t2下，xlpe中苯乙酮和枯基醇的分子扩散系数，任一温度t1下的扩散系数可以根据阿伦尼乌斯公式(4)获得，式中，d1是温度t1下的扩散系数，d2是温度t2下的扩散系数，e为材料的活化能，r是常数；进一步的，根据温度t1下的苯乙酮和枯基醇分子扩散系数，根据公式(5)计算该温度下，平均分子扩散系数d：式中da是苯乙酮分子在温度t1下的分子扩散系数，dc是枯基醇在温度t1下分子扩散系数；进一步的，根据公式(6)，计算每次取样时刻试样的平均失重率wave，其中选取最大失重率作为误差上限eup，最小失重率作为误差下限elow，式中，i是式样的个数。由于平板试样厚度远远小于试样的长度和宽度，因此可忽略交联副产物沿平面方向的扩散，只考虑垂直平面方向的扩散情况，因此脱气时间与试样形状无关，只取决于试样的厚度d；设初始状态交联副产物的区域为-d/2<x<d/2，x表示与试样厚度中点的距离，则初始时间t＝0时，浓度函数c(x，0)＝c0，假设在交联副产物扩散的过程中，副产物到达材料表面后立刻消散，则-d/2>x或x>d/2时，c(x，t)＝0，综上所述，基于菲克第二定律(7)，可建立公式(8)：式中erf是误差函数，cout为扩散到空气中交联副产物的浓度，见公式(9)假设试样的体积为v，xlpe材料的平均密度为ρ，则失重率进一步整理成公式(10)假设试样重量稳定时，材料内无交联副产物，此时的时间为ts，c(x，ts)＝0，进而获得公式(11)和(12)，m＝ρv+c0v(11)式中wts是试样稳定时的失重率；基于公式(8)，(9)，(10)，(11)和(12)，引入平均失重率wave公式(6)，构建失重率与平均分子扩散速率d及试样的平均厚度da的近似关系式(13)；式中，n为设定的展开式项数，其取值代表模型逼近试样失重率趋势的程度；ai，τi是第i项展开式的失重率变化常数，y0为常数；进一步的，基于公式(13)的失重率变化参数，构建xlpe平板试样适宜脱气时间模型(14)，本发明还公开了一种评估xlpe电缆绝缘适宜脱气时间的方法，其包含以下步骤：步骤1：选取待脱气电缆；步骤2：测量电缆绝缘评估厚度并称取初始重量；步骤3：将电缆放入去气室内进行脱气处理，在设定的取样时间，取出电缆，进行称重；步骤4：电缆重量稳定后，停止实验，计算电缆脱气过程中的失重率，构建xlpe电缆适宜脱气时间模型如下：其中，n为设定的展开式的项数；ai，τi是第i项展开式的失重率变化常数；d是平均分子扩散系数，是与温度相关的函数；t为xlpe电缆适宜脱气时间，d为电缆绝缘的厚度；δts为预设的试样失重率变化阈值，t0为设定的延期时间，代表脱气过程中到达预设试样失重率变化阈值的延期时间。本发明中取t0为60，单位min；步骤5：根据待评估xlpe电缆的绝缘厚度和去气温度，利用步骤4得到的模型得到待评估xlpe电缆适宜脱气时间。进一步的，由于电缆长度远远大于本体的厚度，因此可忽略电缆中交联副产物沿轴向的扩散，只考虑电缆径向方面的扩散，进而可建立一维对称模型，见公式(7)。设电缆初始状态下，交联副产物的区域为0<x<d，d为xlpe电缆绝缘层的厚度，0为xlpe绝缘与内半导电层相连的一侧，则初始时间t＝0时，浓度函数c(x，0)＝c0。假设在交联副产物扩散的过程中，忽略副产物向线芯导体的扩散，副产物只向外部扩散且到达材料表面后立刻消散，则x>d，c(x，t)＝0，进而可建立公式(16)式中erf是误差函数，见公式(9)。进一步的，假设xlpe电缆绝缘的体积为v，xlpe材料的平均密度为ρ，则失重率可进一步整理成公式(10)。假设试样重量稳定时，材料内无交联副产物，此时的时间为ts，则c(x，ts)＝0，进而获得公式(11)和(12)。进一步的，基于公式(16)，(9)，(10)，(11)和(12)，引入平均失重率wave公式(6)，可构建失重率与平均分子扩散速率d及试样厚度d的关系式(17)，进而可构建脱气数学模型公式(18)，确实电缆适宜脱气时间t。对于电缆δts的取值可根据实际需求确实。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供了一种xlpe平板试样和电缆绝缘适宜脱气时间的方法，对于待评估的平板试样或电缆，只需选取多个平行测试试样在任一脱气温度下的脱气失重率，获取试样重量变化规律，以平均失重率作为基准，计算失重变化率参数，构建适宜脱气时间评估模型，后续即可根据该模型对该批次待评估的平板试样或电缆在任一脱气温度、任一厚度情况下的进适宜脱气时间进行评估。本发明方法能够准确的评估各类不同xlpe配方材料的适宜脱气时间，测试方法简单，操作方便，普适性强，经与实际实验方法对比可知，本发明的方法具有较高的准确度。该方法可大幅度减少研究人员对xlpe试样热处理的时间，提高科研效率，也能降低电缆生产厂家的去气的时间成本，为xlpe材料的分析以及电缆的生产，在避免交联副产物影响方面，提供了科学有效的分析手段。附图说明图1是评估xlpe平板试样适宜脱气时间方法流程图。图2是xlpe平板热压法制备试样示意图。图3是xlpe试样70℃脱气时间与失重率关系图。图4是xlpe试样60℃脱气时间与失重率关系图。图5是xlpe试样热重分析法(tga)实验结果图。具体实施方式以下结合具体的实施例及附图对本发明的内容作进一步的详述。步骤1，如图2所示，为xlpe平板热压法制备试样的示意图。采用标准的平板热压法制备xlpe试样，本实施例选用带有4个镂空方形的不锈钢板作为模具，模具为25×25×0.2mm，镂空尺寸为10×10×0.2mm；每个方形内放入2.5g左右的xlpe颗粒，均匀分散在模具中，模具上下表面采用pet覆盖，将模具放在平板夹具后，一同放入硫化机内；在120度下预压5分钟，然后在20t的压力下，180度硫化15分钟，之后冷却模具，取出试样，共制备8个试样。由于平板试样厚度远远小于试样的长度和宽度，因此可忽略交联副产物沿平面方向的扩散，只考虑垂直平面方向的扩散情况，因此脱气时间与试样形状无关，只取决于试样的厚度。对于xlpe电缆，由于电缆长度远远大于本体的厚度，因此也可忽略电缆中交联副产物沿轴向的扩散，只考虑电缆径向方面的扩散。步骤2，裁剪xlpe试样为10×10mm的方形，采用0.001mm的厚度计多次选取试样不同位置测试，并根据公式(1)计算试样平均厚度，如表1所示，试样平均厚度0.294m。式中di为每次测量试样的厚度，j为测量次数；之后采用0.1mg精度的电子秤称取试样初始重量，如表2所示。表1试样平均厚度步骤3，将试样放入烘箱内，设置烘箱温度为70℃，根据预设的时间间隔取出试样，试样放置于干燥器内，待冷却后，采用0.1mg精度电子秤称重，记录试样重量，如表2所示。步骤3中试样的脱气处理在烘箱内进行，并满足以下条件：(1)烘箱内应确保只有xlpe平板试样，不能混杂其他试件；(2)试件应垂直悬挂在烘箱的中部，多个xlpe平板试样之间的间距至少20mm；(3)xlpe平板试样所占体积不应超过烘箱体积的0.5％，烘箱内温度恒定。对于平板试样，步骤3中每次取样的时间，还可以根据公式(2)确定(也可自行设定取样时间间隔，本实施例的取样间隔见表2-4)：t＝ek-1(2)式中，t为第k次取样的时刻，单位为min；k为取样的次数，是正整数。对于xlpe电缆试样，步骤3中的取样时间间隔，还可以根据公式(16)确定(本实施例的取样间隔见表6-8)：t＝ek+3(16)式中，t为第k次取样的时刻，单位为min；k为取样的次数，是正整数。xlpe电缆试样的脱气时间要远大于平板试样，因此第一次取样时间可相比于平板试样更为延后。表2试样70℃脱气条件下的重量步骤4，根据公式(3)计算试样失重率，如表3所示。式中wj是试样的失重率，mi是脱气前试样初始重量，gj是脱气后的重量；根据公式(4)，可获得70℃下苯乙酮分子扩散系数是2.7e-7m2/h，枯基醇分子扩散系数是1.41e-7m2/h，式中，d1是温度t1下的扩散系数，d2是温度t2下的扩散系数，e为材料的活化能，r是常数；根据公式(5)，计算分子平均扩散系数为2.26e-7m2/h。式中da是苯乙酮分子在温度t1下的分子扩散系数，dc是枯基醇在温度t1下分子扩散系数；表3试样70℃脱气条件下的失重率根据公式(6)，计算每次取样时刻试样的平均失重率wave，其中选取最大失重率作为误差上限eup，最小失重率作为误差下限elow，结果如表4，脱气时间与试样失重率的关系曲线如图3所示。表4试样70℃脱气条件下平均、最大和最小失重率时间/minwave/％eup/％elow/％000050.29380.37550.1505150.39940.54550.2509250.54210.73120.3663500.61420.79050.46151000.64250.85300.51232250.66010.90120.53124250.68340.91700.54467450.68820.88140.549614950.66260.79050.553821950.67250.88930.5589选取平均失重率wave带入公式(7)，获取失重率变化参数，考虑到计算的简化程度和精度要求，本实例n取2，失重率变化参数a1为-0.30，τ1为0.5，a2为-2.324，τ2为0.63，y0为-4.95，其中失重率变化率参数的个数与n的取值相对应，可通过增加n，提高计算精度，进一步的，根据公式(14)，计算适宜脱气时间t>660min，此时失重率约为0.68％。n为设定的展开式的项数；ai，τi是第i项展开式的失重率变化常数；d是平均分子扩散系数，是与温度相关的函数；t为平板试样适宜脱气时间，da为试样平均厚度，δts为预设的试样失重率变化阈值；t0为设定的延期时间，本发明中取t0为60，单位min；当在t0的时间内，公式右边根据计算得到的结果小于试样失重率变化阈值，则可认为脱气已经达到设定要求，即脱气已经完成。对于平板试样，δts推荐选用0.1％，严格情况下δts取0。也可根据实验需求，进行调整。对于xlpe电缆，δts的取值可根据实际需求确实，例如选择为0.2％。本发明方法中，xlpe平板试样和xlpe电缆的适宜脱气时间模型构建步骤是相同的，以xlpe平板试样为例，描述如下：首先获取步骤3)脱气温度t2下，xlpe中苯乙酮和枯基醇的分子扩散系数，任一温度t1下的扩散系数可以根据阿伦尼乌斯公式(4)获得，式中，d1是温度t1下的扩散系数，d2是温度t2下的扩散系数，e为材料的活化能，r是常数；根据温度t1下的苯乙酮和枯基醇分子扩散系数，根据公式(5)计算该温度下，平均分子扩散系数d：式中da是苯乙酮分子在温度t1下的分子扩散系数，dc是枯基醇在温度t1下分子扩散系数；根据公式(6)，计算每次取样时刻试样的平均失重率wave，其中选取最大失重率作为误差上限eup，最小失重率作为误差下限elow，式中，i是式样的个数；由于平板试样厚度远远小于试样的长度和宽度，因此可忽略交联副产物沿平面方向的扩散，只考虑垂直平面方向的扩散情况，因此脱气时间与试样形状无关，只取决于试样的厚度；设初始状态交联副产物的区域为-d/2<x<d/2，x表示与试样厚度中点的距离，则初始时间t＝0时，浓度函数c(x，0)＝c0，假设在交联副产物扩散的过程中，副产物到达材料表面后立刻消散，则-d/2>x或x>d/2时，c(x，t)＝0，综上所述，基于菲克第二定律(7)，可建立公式(8)：式中erf是误差函数，cout为扩散到空气中交联副产物的浓度，见公式(9)假设试样的体积为v，xlpe材料的平均密度为ρ，则失重率进一步整理成公式(10)假设试样重量稳定时，材料内无交联副产物，此时的时间为ts，c(x，ts)＝0，进而获得公式(11)和(12)，m＝ρv+c0v(11)式中wts是试样稳定时的失重率；基于公式(8)，(9)，(10)，(11)和(12)，引入平均失重率wave公式(6)，构建失重率与平均分子扩散速率d及试样的平均厚度da的近似关系式(13)；式中n为设定的展开式项数，其取值代表模型逼近试样失重率趋势的程度；ai，τi是第i项展开式的失重率变化常数，y0为常数；进一步的，基于公式(13)的失重率变化参数，构建xlpe平板试样适宜脱气时间模型(14)，为了进一步验证本发明的有效性，本发明采用同一种材料，按照上述工艺流程制备10×10mm的方形试样，采用0.001mm的厚度计多次选取试样不同位置测试，并根据公式(1)计算试样平均厚度，如表5所示，试样平均厚度0.224mm。之后采用0.1mg精度的电子秤称取试样初始重量，如表6所示。表5试样平均厚度类别平均厚度/mm类别平均厚度/mm试样10.215试样50.23试样20.215试样60.23试样30.235试样70.22试样40.23试样80.216进一步的，将试样放入烘箱内，按照上述条件，设置烘箱温度为60℃，根据公式(2)近似的时间间隔取出试样，试样放置于干燥器内，待冷却后，采用0.1mg精度电子秤称重，记录试样重量，如表6所示。表6试样60℃脱气条件下的重量进一步的，根据公式(3)计算试样失重率，如表7所示。式中wj是试样的失重率，mi是脱气前试样初始重量，gj是脱气后的重量；根据公式(4)，可获得60℃下苯乙酮分子扩散系数是6.6e-8m2/h，枯基醇分子扩散系数是7.9e-8m2/h，根据公式(5)，计算分子平均扩散系数为7.3e-8m2/h。表7试样60℃脱气条件下的失重率根据公式(6)，计算每次取样时刻试样的平均失重率wave，其中选取最大失重率作为误差上限eup，最小失重率作为误差下限elow，结果如表8，脱气时间与试样失重率的关系曲线如图4所示。表8试样60℃脱气条件下平均、最大和最小失重率时间/minwave/％eup/％elow/％000050.32710.42050.2641150.39330.46650.3494250.46870.54540.3813400.48680.55200.4173600.51260.56510.4401800.50510.57800.44421300.52230.57840.44921900.50230.57880.45204500.52400.57820.45966500.50040.57380.45269400.50390.56980.455311800.52130.56960.459018000.50330.54360.4515基于70℃下失重率变化参数，结合60℃下的扩散系数d和试样的厚度d即可求出60℃下试样的失重率变化参数τ1为0.28，τ2为0.35，其余重量变量参与70℃下一致，进而计算出60℃下适宜脱气时间t>690min，此时失重率约为0.51％，这与70℃下的结果有些差异，主要是因为试样厚度的改变以及制样过程中交联副产物部分挥发导致的结果。为进一步证明本发明的有效性，利用热重分析法(tga)对70℃下脱气的同一批次试样进行了失重分析。采用美国perkin-elmer公司生产的pyris1tga仪器进行热失重分析实验，称取17.54mg未脱气试样，室温下，以50℃/min的升温至180℃，恒温保持30min，之后20℃/min冷却至室温，恒温20min。测试结果如图5所示，从图5中可以看出，试样整体重量减少了约0.6％，与本发明评估适宜脱气时间下的失重率基本一致。热重分析法中制备的试样重量和体积远小于本发明中阐述的方法，再加上副产物少量的挥发，在结果上产生少量偏差，但这一结果也进一步证明了本发明的有效性。当前第1页12