一种模拟海洋动态下电缆绝缘击穿的实验方法

1.本发明涉及实验方法领域，特别涉及一种模拟海洋动态下电缆绝缘击穿的实验方法。


背景技术：

2.煤、天然气、石油及核能等非可再生能源是目前世界能源供应的主要形式，但所带来的环境污染(大气污染、核残料辐射污染等)不容乐观。而风能作为一种清洁的可再生绿色能源，开发效率高，经济性好，具有大规模开发条件和商业化前景，越来越受到世界各国的重视。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。近几年来，世界风能市场每年都以40％的速度增长。预计未来20～25年内，世界风能市场每年将递增25％。
3.如今，风电场主要分布在陆地和近海区域。陆上风电场起步较早，发展比较成熟，但存在严重的用地矛盾、噪声污染、优良场址已逐渐开发完毕等问题，风电的开发逐渐向海上转移。海上风力资源丰富，比陆地风力发电量大。通常，离岸10km的海上风速要比沿岸陆上高出25％。深海区域的风力资源比近海区域更为丰富，这意味着海上风力发电发展前景广阔。
4.随着海上风力发电的发展，浮式风机的高压直流长距离输电越来越成为一种趋势。但由于海洋环境复杂，在洋流、季风以及潮汐等作用下海水不断波动，电缆在海洋环境中受到海水的持续动态载荷，电缆的机械
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电器耦合强度安全和高压直流长距离输电安全面临极大挑战。而目前，通常对电缆的检测均未考虑海洋环境的动态作用，这种电缆应用在海上风力发电的高压直流长距离输电上存在极大风险。


技术实现要素：

5.为了对电缆进行模拟海洋环境动态载荷实验以观察在动态载荷下海缆的绝缘击穿行为，本发明实施例提供了一种模拟海洋动态下电缆绝缘击穿的实验方法。所述技术方案如下：一种模拟海洋动态下电缆绝缘击穿的实验方法，包括：
6.准备m组电缆，每组所述电缆均为长度相同、均质的高压绝缘电缆；
7.对m组所述电缆进行不同曲挠次数的曲挠试验，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第m组所述电缆曲挠次数n达到疲劳破坏曲挠次数n0；
8.对经过曲挠的m组所述电缆进行电缆绝缘击穿测试，测量不同曲挠次数的所述电缆的击穿电压强度。
9.进一步地，所述高压绝缘电缆为天然橡胶电缆、聚氯乙烯电缆、合成橡胶电缆、聚乙烯电缆或交联聚乙烯电缆。
10.进一步地，所述电缆的取样长度l≥5000mm。
11.进一步地，相邻组所述电缆曲挠次数依次等差递增，每次递增量为n，n≤5000次。
12.进一步地，当所述电缆的曲挠次数n0/4＜n≤n0/2时，相邻组所述电缆曲挠次数n的等差递增量n满足3000≤n≤5000；当所述电缆的曲挠次数n0/2＜n≤3n0/4时，相邻组所述电
缆曲挠次数的等差递增量n满足2000≤n≤3000；当所述电缆的曲挠次数3n0/4＜n≤n0时，相邻组所述电缆曲挠次数的等差递增量n满足1000≤n≤2000。
13.进一步地，对经过曲挠的m组所述电缆进行电缆绝缘击穿测试，包括：
14.实验施加正极性直流电压，采用快速升压的方法，使实验电压从零开始施加均匀上升的电压，直至所述电缆发生击穿。
15.进一步地，每个所述电缆在曲挠范围内至少10个不同位置进行击穿实验，记录所得的击穿电压，通过计算所述电缆的平均击穿电压，获得所述电缆的曲挠次数与所述平均击穿电压的关系。
16.进一步地，测试电缆绝缘击穿采用电缆绝缘击穿装置进行，所述电缆绝缘击穿装置包括直流高压发生器、击穿电极、支撑装置以及恒温油浴系统，所述击穿电极包括上电极和下电极，电缆置于所述上电极和所述下电极之间，所述直流高压发生器提供击穿所述电缆所需要的电压，所述支撑装置用于支撑电极系统，所述恒温油浴系统用于控制试验系统的温度。
17.进一步地，所述曲挠试验采用电缆曲挠试验仪进行。
18.进一步地，将所述电缆中段挂放于两个滑轮上，用线夹将所述电缆两端夹紧，并挂上砝码，所述曲挠试验仪在加载电源电压后，电机带动所述滑轮来回运动，两个所述滑轮的曲挠速度不同，从而给所述电缆一个曲挠行程。
19.通过本发明所构思的以上实验方法与技术方案，本发明具有以下有益效果：
20.1.本发明通过对电缆进行模拟不同次数的海洋环境载荷，对曲挠试验后的电缆进行绝缘击穿实验，为浮式风场中的高压输电电缆机械
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电器耦合性能失效以及绝缘击穿问题提供了一种新的实验方法。
21.2.本发明分组进行实验，可以有效地观察在动态载荷下海缆的绝缘击穿电压变化规律，为海洋电缆结构的改进以及电缆寿命的准确预测提供了一种新的方法。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例提供的一种模拟海洋动态下电缆绝缘击穿的实验方法流程图；
24.图2是本发明实施例提供的电缆曲挠试验仪的结构示意图；
25.图3是本发明实施例提供的电缆绝缘击穿装置的结构示意图；
26.图4是本发明实施例提供的电缆剖面结构图。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
28.图1是本发明实施例提供的一种模拟海洋动态下电缆绝缘击穿的实验方法流程
图。如图1所示，一种模拟海洋动态下电缆绝缘击穿的实验方法，包括：
29.s1：准备m组电缆，每组所述电缆均为长度相同、均质的高压绝缘电缆；
30.s2：对m组所述电缆进行不同曲挠次数的曲挠试验，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第m组所述电缆曲挠次数n达到疲劳破坏曲挠次数n0；
31.s3：对经过曲挠的m组所述电缆进行电缆绝缘击穿测试，测量不同曲挠次数的所述电缆的击穿电压强度。
32.本发明通过对电缆进行不同曲挠次数的曲挠实验，模拟不同次数的海洋环境载荷，对曲挠试验后的电缆进行电缆绝缘击穿测试，测量不同曲挠次数的所述电缆的击穿电压强度，为浮式风场中的高压输电电缆机械
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电器耦合性能失效以及绝缘击穿问题提供了一种新的实验方法。
33.进一步地，所述高压绝缘电缆为天然橡胶电缆、聚氯乙烯电缆、合成橡胶电缆、聚乙烯电缆或交联聚乙烯电缆。本技术交联聚乙烯电缆为例介绍，交联聚乙烯电缆分为单芯电缆和多芯电缆多种规格，结构分别如图2(a)和(b)所示，交联聚乙烯电缆由导体10、导体屏蔽层20、绝缘层30、绝缘屏蔽层40、金属屏蔽层50、护套60、填充物70、包带层80以及铠装层90构成，其绝缘层30由聚乙烯交联而成。
34.交联聚乙烯电缆为网状立体结构，具有十分优异的耐热性能，在300℃以下不会分解及碳化，具有长期允许工作温度由70℃提高到90℃(或更高)，短路允许温度由140℃提高到250℃(或更高)的性能。所述电缆经过曲挠试验后，交联聚乙烯电缆产生热老化行为，其绝缘层缺陷发生结构性改变，绝缘层内部晶格结晶程度以及结晶结构产生热变化，绝缘表面的异极性电荷多转变为同极性电荷，空间电荷随之增多，空间电荷的积累会导致电缆绝缘内部电场发生严重畸变，从而引起绝缘击穿。
35.一般的，针对电缆的老化实验只是对电缆进行高温高压以及通风等进行老化实验，而为了保证浮式风机的运输电安全与电缆的机械
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电器耦合强度安全，本实验对电缆进行模拟海洋环境动态载荷实验，以观察在动态载荷下海缆的绝缘击穿电压变化规律，在一定的设计使用寿命下，能够为电缆在未达到使用年限疲而劳损伤直至击穿的工况提供依据，从而对电缆绝缘层材料、尺寸做出判断，为改善电缆的结构性能提供实验依据。
36.进一步地，m组电缆，每组可以包含一根或多根电缆。本技术实施例以一根电缆为例进行说明。可以理解的，每组包含多根电缆也是每次测试一根电缆。同组的多根电缆曲绕次数一致，测试数据进行平均，以便更好的消除电缆本身差异带来的影响。
37.在一些实施例中，相邻组电缆曲挠次数依次等差递增，每次递增量为n，n≤5000次。示例性地，实验用电缆设计疲劳曲挠次数为20万次，进行m＝200组不同曲挠次数的曲挠试验，相邻组电缆曲挠实验次数以1000次等差递增，每一组电缆曲挠实验次数分别为1000
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a次，a从1递增至200，整体曲挠实验次数从1000次到20万次均匀分布，共获得200组不同曲绕次数的电缆。
38.实验方法在不变的情况下，电缆曲挠试验次数可根据实验条件在一定的范围内变化。进一步地，在保证每次曲挠弯曲次数增量不高于5000次的前提下，总体实验次数可以减少以适应实验条件的变化。例如，将本次的电缆曲挠试验组数设为50组，每增加4000次为一组实验，每一组的试验次数分别为4000a次，a从1递增至50，共获得50组不同曲挠次数的电缆。
39.在一些实施例中，当电缆的曲挠次数n0/4＜n≤n0/2时，相邻组电缆曲挠次数n的等差递增量n满足3000≤n≤5000；当电缆的曲挠次数n0/2＜n≤3n0/4时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足2000≤n≤3000；当电缆的曲挠次数3n0/4＜n≤n0时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足1000≤n≤2000。
40.例如，实验用电缆设计疲劳曲挠次数为20万次，则当电缆的曲挠次数0＜n≤5万次时，相邻组电缆曲挠次数n的等差递增量n满足5000≤n≤10000；当电缆的曲挠次数5万次＜n≤10万次时，相邻组电缆曲挠次数n的等差递增量n满足3000≤n≤5000；当所述电缆的曲挠次数10万次＜n≤15万次时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足2000≤n≤3000；当电缆的曲挠次数15万次＜n≤20万次时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足1000≤n≤2000。由于当电缆曲挠次数较少时，疲劳对击穿电压的影响不明显，而越接近电缆设计疲劳曲挠次数则疲劳对击穿电压的影响越明显，对曲挠次数进行分段设计，集中数据采集，既可以节约实验资源，也可以保证实验效果。
41.进一步地，本发明实施例的实验分为两个部分，曲挠试验采用电缆曲挠试验仪进行；测试电缆绝缘击穿采用绝缘击穿装置进行。电缆曲挠实验完成后进行绝缘击穿实验，以观测受到不同曲挠程度的电缆在发生绝缘击穿行为时击穿电压所发生的变化，从而达到对海洋电缆机械
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电气耦合强度失效及疲劳寿命分析的目的。
42.具体地，图2为本发明实施例提供的电缆曲挠试验仪的结构示意图。如图2所示，电缆101中段挂放于规定直径的两个滑轮102上，调整滑轮102在相应位置，固定好螺丝，调整两立柱上滑轮支架部件，使通过滑轮102后，电缆101呈水平状态，并选择合适的砝码，用线夹将电缆两端夹紧，并挂上砝码，将电缆电缆正确安装至曲挠实验仪。
43.电缆曲挠试验仪在加载电源电压后，曲挠试验仪电机带动滑轮来回运动，两个滑轮曲挠速度不同，从而给电缆一个曲挠行程。将电缆的每根线芯一一对应联接在两边的接线柱上。接好电缆后，先将电流旋钮调节到0处，合上电源开关，按动通电按钮，通电灯亮。调节电流调节旋钮，施加负载电流，当需要对电缆线间施加电压时，应合上线间电压开关，最后设置试验次数。
44.优选地，电缆曲挠实验仪可曲挠电缆长度200
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1500mm，实验中优选电缆电缆5000mm长。本发明分组进行实验，对不同曲挠次数的电缆分别进行绝缘绝缘击穿实验，测量不同曲挠次数电缆的击穿电压强度，以观测电缆受到的不同强度的环境载荷对其绝缘性能的影响，可以有效地观察在动态载荷下海缆的绝缘击穿电压变化规律，为海洋电缆结构的改进以及电缆寿命的准确预测提供了一种新的方法。
45.具体地，图3是本发明实施例提供的电缆绝缘击穿装置的结构示意图。如图3所示，所述电缆绝缘击穿装置包括直流高压发生器103、击穿电极104、支撑装置105以及恒温油浴系统106，所述击穿电极包括上电极和下电极，电缆置于所述上电极和所述下电极之间，所述直流高压发生器提供击穿所述电缆所需要的电压，所述支撑装置用于支撑电极系统，所述恒温油浴系统用于控制试验系统的温度。
46.具体地，实验施加正极性直流电压，采用快速升压的方法，使实验电压从零开始施加均匀上升的电压，直至所述电缆发生击穿。在一些实施例中，实验电压从零开始以1kv/s的升压速率均匀上升，直至击穿。由于击穿实验结果分散性很大，每个电缆至少进行10次击穿实验，记录所得的击穿电压。通过计算电缆的平均击穿电压，获得电缆的曲挠次数与平均
击穿电压的关系，便能够进一步的预测电缆绝缘层结构老化与其绝缘能力的关系。
47.在一些实施例中，通过实验的每组不同试验次数电缆的平均击穿电压，可以观察到，随着曲挠次数的增加，电缆的平均击穿电压在不断减小，即电缆曲挠次数与平均击穿电压呈负相关。
48.这是由于在高压直流电缆运行过程中，尚未热老化的高压电缆绝缘表面靠近电极区域会积累大量异极性电荷，而老化后的高压电缆绝缘表面的异极性电荷多转变为同极性电荷，形成空间电荷。
49.同时，高压电缆绝缘层中也存在由断裂的化学键和小的支链引起的化学缺陷和结构缺陷构成的陷阱，且大部分存在于非结晶区，当向电缆注入载流子时，这些陷阱会俘获载流子形成所谓的空间电荷，随着陷阱能级增大，被俘获的空间电荷越难越逃离，从而积累了大量的空间电荷，空间电荷所在的区域被严重极化，一旦受到外部干扰，某电荷发生退陷阱导致介质去极化，就会像雪崩一样释放出大量的能量，引起电场畸变，电缆从而发生绝缘击穿。
50.以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。