基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电缆剩余寿命的评估方法，尤其是一种基于理、化、电特性的绝缘 电缆剩余寿命综合评估方法，属于电力技术领域。
【背景技术】
[0002] XLPE(交联聚乙烯）绝缘电缆具有良好的电气性能和机械性能，广泛应用于电力 输电网络中。在我国，XLPE绝缘电缆大概从20世纪80年代开始投入使用，至今部分电缆 已服役20多年，少部分电缆运行时间已接近30年，而电缆的设计寿命一般为30年，因而需 要确切了解电缆的老化状况。由于电缆生产厂家、敷设条件以及运行环境的不同，导致电缆 的老化情况不尽相同。同时，国内针对电缆寿命的研宄主要集中于某一指标，较少从多指标 角度出发对电缆寿命进行综合评估，并且在电缆老化的宏观性能变化与相应的微观性能变 化方面联系较少。因此，结合多种评估方法以确切了解电缆的老化状况对电网的安全可靠 运行以及今后电网的规划具有重大的意义。
[0003] 目前，国内外在XLPE绝缘电缆寿命评估环节上的研宄基本一致，多是基于某一指 标或某一模型开展的，但单一评估方案具有局限性，多角度结合可互补说明：
[0004] 1)电热老化法，通过恒定电压法、逐级耐压法或残压法模拟电缆的工作状态，采用 威布尔分布的统计方法计算电缆的剩余寿命，但它不能准确地判断电缆的局部缺陷，同时 也无法很好地体现电缆老化时其物理、化学特性。
[0005] 2)差示扫描量热法，通过测量电缆试样的结晶度与温度的变化规律，并结合常规 法可快速评估电缆寿命，但它无法准确模拟电缆运行时非均匀的工作环境。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于理、化、电特性的绝 缘电缆剩余寿命综合评估方法，该方法可以多角度、多指标对电缆样品剩余寿命进行综合 评估，以获得更好的准确性和可靠性。
[0007] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0008] 基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，所述绝缘电缆为XLPE绝 缘电缆，所述方法包括局部放电量测试、逐级耐压测试、热老化测试以及活化能测试，具体 如下：
[0009] 局部放电量测试：对XLPE绝缘电缆样品进行脉冲电流测试，对样品施加一个电压 变化量，记录样品产生的电压变化量，结合测试中使用到的各种电容参数，计算出电缆样品 的局部放电量；
[0010] 逐级耐压测试：对XLPE绝缘电缆样品施加一个交流电压并持续一段时间，然后以 某个步长逐级升高施加的交流电压大小，各级持续相同的时间，直至电缆样品被击穿，记录 击穿电压、逐级级数与最后一击持续时间，从而计算出电缆样品的剩余寿命；
[0011] 热老化测试：从XLPE绝缘电缆样品中制备适量绝缘的哑铃试验样品，放置在多个 温度水平下循环地进行若干个周期的老化，在每个周期之间，把样品恢复到室温或一个标 准温度下；延长连续热暴露或循环热老化直至规定的终点，即达到样品断裂伸长率保留率 为50%的规定终点，测量并记录样品的老化温度及其对应的热老化失效时间；根据测得的 数据，先绘制多个温度点下的样品断裂伸长率保留率与老化时间的关系曲线，再绘制多个 温度点下的样品失效曲线，根据实际运行环境的温度情况，得到电缆样品的剩余寿命；
[0012] 活化能测试：取电热老化前、后的XLPE绝缘电缆样品制备绝缘的哑铃试验样品， 分为电热老化前样品和电热老化后样品；将电热老化前、后样品放置在高温炉中逐步升温 受热分解，用分析天平称量样品的质量变化，同时记录在炉中的温度T ;先绘制样品残留率 Mass%与温度T的热失重曲线，再根据化学反应动力学理论与Arrhenius方程计算出电热 老化前、后样品的活化能，以获得电缆样品的活化能变化趋势；
[0013] 根据上述局部放电量测试计算出的局部放电量，获得XLPE绝缘电缆样品的绝缘 状态；根据上述逐级耐压测试、热老化测试和活化能测试的测试结果，获得XLPE绝缘电缆 样品的剩余寿命数值范围。
[0014] 作为一种实施方案，所述局部放电量测试，具体如下：
[0015] 产生一次局部放电时，样品两端产生一个瞬时的电压变化量Δυ，此时经过一耦合 电容Ck耦合到一检测阻抗Z ，回路中就会产生一脉冲电流I，将脉冲电流I流经检测阻抗 Zd产生的脉冲电压进行采集、放大和显示处理，得到检测阻抗Z (1两端的脉冲电压△ U d，结合 样品电容cx、耦合电容Ck和检测阻抗的电容C d，计算出局部放电量q。
[0016] 作为一种实施方案，所述局部放电量q的计算，如下式：
【主权项】
1. 基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，所述绝缘电缆为XLPE绝缘 电缆，其特征在于：所述方法包括局部放电量测试、逐级耐压测试、热老化测试W及活化能 测试，具体如下： 局部放电量测试：对XLPE绝缘电缆样品进行脉冲电流测试，对样品施加一个电压变化 量，记录样品产生的电压变化量，结合测试中使用到的各种电容参数，计算出电缆样品的局 部放电量； 逐级耐压测试：对XLPE绝缘电缆样品施加一个交流电压并持续一段时间，然后W某个 步长逐级升高施加的交流电压大小，各级持续相同的时间，直至电缆样品被击穿，记录击穿 电压、逐级级数与最后一击持续时间，从而计算出电缆样品的剩余寿命； 热老化测试；从XLPE绝缘电缆样品中制备适量绝缘的哑铃试验样品，放置在多个温 度水平下循环地进行若干个周期的老化，在每个周期之间，把样品恢复到室温或一个标准 温度下；延长连续热暴露或循环热老化直至规定的终点，即达到样品断裂伸长率保留率为 50%的规定终点，测量并记录样品的老化温度及其对应的热老化失效时间；根据测得的数 据，先绘制多个温度点下的样品断裂伸长率保留率与老化时间的关系曲线，再绘制多个温 度点下的样品失效曲线，根据实际运行环境的温度情况，得到电缆样品的剩余寿命； 活化能测试；取电热老化前、后的XLI^E绝缘电缆样品制备绝缘的哑铃试验样品，分 为电热老化前样品和电热老化后样品；将电热老化前、后样品放置在高温炉中逐步升温受 热分解，用分析天平称量样品的质量变化，同时记录在炉中的温度T;先绘制样品残留率 Mass%与温度T的热失重曲线，再根据化学反应动力学理论与Arrhenius方程计算出电热 老化前、后样品的活化能，W获得电缆样品的活化能变化趋势； 根据上述局部放电量测试计算出的局部放电量，获得XLPE绝缘电缆样品的绝缘状态； 根据上述逐级耐压测试、热老化测试和活化能测试的测试结果，获得XLPE绝缘电缆样品的 剩余寿命数值范围。
2. 根据权利要求1所述的基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，其特 征在于；所述局部放电量测试，具体如下： 产生一次局部放电时，样品两端产生一个瞬时的电压变化量AU，此时经过一禪合电容Ck禪合到一检测阻抗Zd上，回路中就会产生一脉冲电流I，将脉冲电流I流经检测阻抗Zd产 生的脉冲电压进行采集、放大和显示处理，得到检测阻抗Zd两端的脉冲电压AUd，结合样品 电容Cy、禪合电容Ck和检测阻抗的电容Cd，计算出局部放电量q。
3. 根据权利要求2所述的基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，其特 征在于：所述局部放电量q的计算，如下式：
其中，Cy为样品电容，Ck为禪合电容，Cd为检测阻抗的电容，q为局部放电量。
4. 根据权利要求1所述的基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，其特 征在于；所述逐级耐压测试中，计算电缆样品的剩余寿命，具体如下： a) 采用威布尔分布函数，如下式： F(E，t) =l_exp =cons(3) 其中，E表示电缆样品两端电压，t表示时间参数，a、P分别表示时间和电压击穿的分 散程度，C、cons表示常数； b) 由式（3)得E0t° =cons,令n= 0 /a，则； E"t=cons(4) 其中，n表示寿命指数； C)采用逐级耐压测试满足下式： 化。+62。+…+En_。t+En叮N=E。。T 妨 其中，El表示第一级施加的电压，EW表示第N级施加的电压，T表示每级电压持续时间，N表示逐级级数，Tw表示最后一级持续时间，E。表示电缆样品的额定工作电压，T表示电缆 样品的寿命；取n= 9。 d)根据击穿电压、逐级级数与最后一击持续时间，利用式（5)计算出电缆样品的剩余 〇
5. 根据权利要求1所述的基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，其特 征在于：所述热老化测试中，样品断裂伸长率保留率的计算，具体如下： 先测量样品的初始断裂伸长率，再测量样品在各温度点下的断裂伸长率，求得样品的 断裂伸长率保留率，如下式；
(6) 其中，K表示样品断裂伸长率保留率；k。表示样品初始断裂伸长率；k表示样品断裂伸 长率。
6. 根据权利要求1所述的基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，其特 征在于；所述活化能测试中，根据化学反应动力学理论与Arrhenius方程计算出电热老化 前、后样品的活化能，具体如下： a) 由化学反应速率方程与Arrhenius方程，得到：
其中，a表示样品的受热分解率，m。表示样品的起始质量，Him表示样品的终止质量；niT表示温度时的质量，K表示化学反应常数，抑的表示化学反应机制函数； b) 令升温速率0 =dT/化，根据式（7)和式（8)整理得到：
(9) 等式两边取W10为底的对数，得到： (10)
【专利摘要】本发明公开了一种基于理、化、电特性的绝缘电缆剩余寿命综合评估方法，所述绝缘电缆为XLPE绝缘电缆，所述方法包括局部放电量测试、逐级耐压测试、热老化测试以及活化能测试，根据所述局部放电量测试计算出的局部放电量，获得XLPE绝缘电缆样品的绝缘状态；根据所述逐级耐压测试、热老化测试和活化能测试的测试结果，获得XLPE绝缘电缆样品的剩余寿命数值范围。本发明方法能够集合电缆老化评估的多项指标，联系宏观和微观上的变化情况，从物理性能、化学性能、电学性能三个方面完整地分析了电缆的剩余寿命数据，对线路改造与电网规划有重要的指导意义。
【IPC分类】G01N25-00, G01N5-04, G01R31-12
【公开号】CN104793111
【申请号】CN201510148747
【发明人】金尚儿, 刘刚
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年3月31日