交联聚乙烯电缆寿命检测方法
【专利摘要】本发明提供了一种交联聚乙烯电缆寿命检测方法，通过试验测定电缆的寿命，以试验数据温度、光照强度、氧气浓度和湿度信息作为变量，训练神经网络，建立好电缆寿命预测神经网络后，输入待测电缆将要铺设环境中的温度、光照强度、氧气浓度和湿度信息，神经网络计算给出电缆的寿命预测值，以对电缆的预期使用寿命，剩余寿命做出评估，为电缆更换提供参考。克服了传统电缆寿命检测方法的不足，不会破坏电缆的结构，评估结果偏差小，检测结果准确。对电缆的铺设和更换提供参考，减少更换电缆的繁琐工序，能够减少材料的浪费，节约成本，较少事故隐患，较少因为电缆而发生的火灾等灾害。
【专利说明】
交联聚乙稀电缆寿命检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电缆检测技术领域，更具体地说，涉及一种交联聚乙烯电缆寿命的预 测方法。
【背景技术】
[0002] 对电缆的寿命进行检测和评估，是合理安排电缆更换，保证电力供应安全可靠的 一个重要技术手段，也是在智能电网中实现对电缆有效管理的极其重要的部分。随着电气 设备越来越先进，越来越普遍，电力电缆的使用量也会越来越多。
[0003] 电线电缆产品在正常使用条件下，性能缓慢地变坏直至丧失其工作性能得过程称 为"老化"。电缆老化原因主要分为： 1)电气老化 电气老化指的是在电场长期作用下，由于电缆制造中的质量缺陷，施工中机械与外力 作用伤害，绝缘物中的空隙、裂纹等，造成局部电场不均匀，诱发局部放电，以导体的变异 部、空隙、杂质为起点，局部破坏，发展成树枝化，渐渐地导致绝缘破坏。电老化机理很复杂， 它包含因为绝缘击穿产生。放电引起的一系列物理和化学效应。
[0004] 固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论： 1.达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的 主要原因是电子，因而称为"电击穿"。
[0005] 2.在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击 穿破坏，这被称为"热击穿"。
[0006] )热老化 热老化指的是绝缘介质负荷电流变化及短路电流引起的热伸缩、材料氧化、热分解等 化学变化以及硬度变化、龟裂等物理变化引起的老化和绝缘材料性能降低。其化学结构在 热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影 响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环 境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要 是氧化反应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从C一H 键中H的脱离开始的。
[0007] 热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显 著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，XLPE材料被认为当拉伸率 从初始的400%-600%降低到100%时寿命终止。
[0008] )机械老化 机械老化是电缆系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。 这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的 流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破 坏绝缘的现象，这种现象也被称为"电一机械击穿'。
[0009] )水老化 水浸入电缆后（制造时或施工与运行中接头浸潮等），由于电场的叠效果，在电场不均 匀及电场力集中点形成水树枝化。通常有内导水树枝化、蝴蝶水树枝化和外导水树枝化阵。
[0010] 橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况相比 较绝缘介质特性要低。这一现象被称为"浸水课电现象"。对产生"浸水课电现象"的缘材料 进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因为这种树枝结构水有关，并且 是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树枝区别，称之为水树水树枝在充满水的状 态下看起来是白色的，但是干燥后就不易观察到。水树枝多见结晶性材料如聚乙烯和交联 聚乙稀，而在无定型材料的PVC、丁基橡胶等聚合物中少发现。此外，水树枝在直流电压的作 用下较难产生，但是在交流电压作用下较易产生，频电压也能促使水树枝的产生。
[0011] 电缆老化的因素一般涉及电、热、机械与环境等方面。
[0012] 电力电缆试验技术严重滞后于电力电缆制造和应用技术。国家关于绝缘电力电缆 (XLPE)投运后的试验方法、标准和运行规程大多在20世纪70年代颁布，比较陈旧落后，有的 甚至是沿用油纸绝缘电力电缆的试验方法。直流耐压试验常用于油介质电气设备的预防性 诊断试验，20世纪90年代初期之前，国内外普遍沿用油纸绝缘电缆的试验方法，常采取离线 直流耐压破坏性试验作为绝缘电力电缆竣工交接试验和周期性预防性试验的唯一手段。
[0013] 直流耐压试验常用于油介质电气设备的预防性诊断试验，20世纪90年代初期之 前，国内外普遍沿用油纸绝缘电缆的试验方法，常采取离线直流耐压破坏性试验作为绝缘 电力电缆竣工交接试验和周期性预防性试验的唯一手段。理论分析计算、试验研究和长期 积累的大量实际运行经验表明：一方面，由于直流耐压试验过程是向电缆绝缘介质注入大 量的空间电荷过程，空间电荷限于介质良好的绝缘性能而不能及时泄漏。这些残留空间电 荷积聚形成的局部电场与外施工频电场迭加，畸变介质内部电场分布，严重损伤电缆绝缘， 往往使得试验合格的电力电缆在投入运行后几小时或几十小时内就发生电缆绝缘击穿故 障，甚至发生多点击穿故障。另一方面，直流耐压试验的电压取值很高，试验时间较长，直流 电场促使介质中的水树枝向电树枝转变，周期性的直流耐压试验无疑是导致电缆绝缘早期 劣化，相对缩短电缆安全运行寿命。据统计:在1962-1999年间，直流耐压试验合格后投入运 行的电缆在短期内发生故障的次数约占电缆运行故障总次数的。这一事实再次说明了直流 耐压试验不仅不能够及时发现电缆运行缺陷，反而使电力电缆的绝缘损伤较大，缩短电缆 运行寿命。到目前为止，许多国家包括中国在内，已不再采用直流耐压试验作为交联聚乙烯 绝缘电力电缆的预防性试验手段。
[0014] 交联聚乙烯电线电缆所采用得橡皮、塑料等高分子材料，促使老化得因素主要有： 氧气得存在，在受热条件下工作，受日光辐射，臭氧的作用，以及低温下弯曲移动、磨耗，材 料的裂解或聚合，材料组分的迀移和挥发，受油或溶剂的侵蚀等等。在这些因素中热与氧是 材料老化的主要因素，热氧老化将普遍发生于各种使用环境中，尤其是在大气中，因此研究 和考核产品的热氧老化是极为重要的。橡皮、塑料等高分子材料能够吸收外界的氧气，并在 本体内扩散，氧原子可以与橡胶、树脂起化学反应(氧化)而引起交联以至使材料丧失优良 的弹性、柔软性并使机械性能逐步变坏，最后也引起电气性能的丧失。橡塑材料中的部分配 合剂(如增塑剂)被氧化，氧化生成物有的可挥发，有的有可促进老化过程，产品在热状态下 工作，因为温度愈高，材料的分子热运动将大大增加，同时由于热的作用，材料的裂解，组分 的迀移或挥发也必然加剧，这些现象统称为"热老化"。因此产品所采用的橡塑材料的热老 化与材料的品质、配方工艺有很大的关系、如橡皮的热老化除了与橡胶品种有关外，还取决 于防老体系和硫化体系。加入防老剂能够使氧化生成的中间产物钝化而延迟氧化，但防老 剂本身在一定温度下也会挥发、消耗以致失去作用。聚氯乙稀塑料的热老化性能主要与稳 定体系有关。
[0015] 对于动力和照明线路来说，采用的橡胶绝缘电缆在使用过程中，由于橡胶的氧化 分解作用，使硫化橡胶的电物理和机械性能发生变化:变硬、变脆，在橡皮上形成裂纹，空气 和水分填充在裂纹中使电缆老化加剧，最终导致绝缘击穿或短路。此外，电缆使用环境恶劣 加速电缆绝缘层材料的老化。所以对电缆失效尚无合适的标准，以及对电缆寿命缺少有效 的研究和估计方法，因而对电缆的更换就带有很大的盲目性，并且更换电缆工序繁琐并且 是一项价格非常昂贵且繁重的作业，其结果必然造成材料的浪费或带来事故的隐患。所以， 对一电缆寿命的确切评价不仅从保证电力设备工作可靠性的观点来看是重要的，而且从预 防火灾的角度来看也是很重要的。
[0016] 专利文献CN 104089838 A中公开了一种基于硬度的电缆绝缘寿命快速检测方法， 通过获取老化实验过程中不同温度和时间点下电缆绝缘层硬度的数据，建立对应所述的多 种不同电缆的老化模型;一分析待检测电缆绝缘层的硬度和使用温度，带入所述的老化模 型，得到待检测电缆绝缘层的使用寿命。但是主要采用温度和硬度建立老化模型来评价电 缆的寿命，不够全面，使得到的电缆寿命也不够精确。
[0017] 专利文献CN 103605054 A中公开了一种交联聚乙烯电缆的老化检测方法，本发明 涉及一种IOkV交联聚乙烯电缆水树枝老化检测系统，该系统包括：IOkV交联聚乙烯待测 电缆，所述IOkV交联聚乙烯待测电缆外部绝缘层接地，电缆芯线与开关模块输入端SO连 接，开关模块输出端分为S1、S2、S3及S4四端，在Sl端与地之间连接直流电源单元，S2端 直接接地，在S3端与地之间连接重频脉冲单元，在S4端与地之间连接由交流方波单元串 接检测电阻R的电路，在检测电阻R两端连接微电流仪，微电流仪通过串行总线与计算机 连接。本发明可更彻底的将由重复频率脉冲诱导出的预脱陷电荷转变成泄漏电流，使测量 结果更真实的反映水树枝老化程度。但是主要是高压交联聚乙烯电缆的检测，对于低压交 联聚乙烯电缆的老化及寿命检测没有涉及。
[0018] 不同的交联聚乙烯电缆其老化速度和寿命是不同的，在不同的环境中使用，其寿 命也会有很大的不同，因此需要一种有效的交联聚乙烯电缆寿命检测方法，以评估电缆在 实际使用环境中的预期寿命，为后期更换电缆和电缆的铺设及管线设备改造提供参考。
【发明内容】
[0019] 有鉴于此，本发明提供了一种交联聚乙烯电缆寿命检测方法，采用影响交联聚乙 烯电缆老化的温度、光照强度、氧气浓度和湿度信息作为变量，训练神经网络，建立好电缆 寿命预测神经网络后，输入待测电缆环境的温度、光照强度、氧气浓度和湿度信息，神经网 络计算给出电缆的寿命预测值，以对电缆的预期寿命做出评估，为电缆更换提供参考。本发 明技术方案如下： 一种交联聚乙烯电缆寿命检测方法，其特征在于，包括:建立试验系统，测试交联聚乙 烯电缆的寿命，所示试验系统通过设定多组温度、光照强度、氧气浓度和湿度的值，测试多 组不同试验条件下交联聚乙烯电缆的寿命;将多组温度、光照强度、氧气浓度和湿度试验信 息作为自变量，利用所述自变量构成训练样本； 建立三层BP神经网络，利用所述训练样本对建立的BP神经网络进行训练，将所述训练 样本输入到三层BP神经网络，计算得到电缆寿命值;将通过神经网络计算得到电缆寿命值 与实验测量的电缆寿命值对比，调整三层BP神经网络的权值和阈值，直至计算值与实验测 量值的相差足够小或为零，从而确定三层BP神经网络的权值和阈值； 选取待测电缆的使用环境参数，输入到训练好的BP神经网络中，神经网络给出对电缆 寿命的预测结果。
[0020] 进一步的，通过工频法测试电缆的介质损耗角来判断电缆的绝缘性能，进而确定 电缆的寿。
[0021] 进一步的，三层BP神经网络包括输入层、中间层和输出层。
[0022]进一步的，选取100-200组电缆的试验数据值作为训练样本。
[0023]进一步的，通过介损测试仪对试验箱中的电缆进行介质损耗角测试;介损测试仪 工作频率范围为〇. ΟΟΟΙΗζ-ΙΚΗζ。
[0024]进一步的，待测试电缆样品长度不小于3m。
[0025] 本发明的有益效果是:采用神经网络建立电缆寿命预测模型，一种交联聚乙烯电 缆寿命检测方法，采用影响交联聚乙烯电缆老化的温度、光照强度、氧气浓度和湿度信息作 为变量，训练神经网络，建立好电缆寿命预测神经网络后，输入待测电缆环境的温度、光照 强度、氧气浓度和湿度信息，神经网络计算给出电缆的寿命预测值，以对电缆的预期寿命做 出评估，为电缆更换提供参考，克服了传统电缆寿命检测方法的不足，不会破坏电缆的结 构，评估结果偏差小，检测结果准确。对电缆的更换提供参考，减少更换电缆的繁琐工序，能 够减少材料的浪费，节约成本，较少事故隐患，较少因为电缆而发生的火灾等灾害。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明实施例介损测试仪测试结构示意图。
[0027]图2为本发明实施例电缆寿命预测的流程图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图以实施例的方式详细描述本发明。
[0029] 人工神经网络(Artificial Neural Networks)也简称为神经网络（NNs)或称作连 接模型(Connection Model)，是指在信息和计算机科学等领域内向生物学习过程中而构造 的神经网络。它是一种模仿人脑神经网络行为特征，由大量神经元广泛互联而成为一种复 杂网络系统，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通 过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。本发明提出了一种 基于神经网络的电缆寿命预测方法，采用影响交联聚乙烯电缆老化的温度、光照强度、氧气 浓度和湿度信息作为变量，训练神经网络，建立好电缆寿命预测神经网络后，输入待测电缆 环境的温度、光照强度、氧气浓度和湿度信息，神经网络计算给出电缆的寿命预测值，以对 电缆的预期寿命做出评估。
[0030] 本发明交联聚乙烯寿命检测方法的具体流程如图2所示。
[0031] SI:通过加速老化试验，利用工频试验法检测电缆的寿命。加速老化试验，通过提 高试验条件的温度，测试出电缆的寿命值。
[0032]本发明中通过工频法来测试被测电缆的状态。工频法原理如图1所示，介质损耗角
,统计分析表明tan5大于1%表示绝缘不良。本发明中采用介 损测试仪测量电缆的介质损耗角。将电缆放入试验箱中，采用设定好的温度、光照强度、氧 气浓度和湿度数据，通过提高温度，对电缆进行加速老化试验。因为在常规条件下，电缆的 寿命一般为20-30年，所以自然老化试验测试不现实，本发明中通过提高温度采用加速老化 试验方法，测得电缆的寿命值。在加速老化试验时，采用介损测试仪实时测量电缆的介质损 耗角，当介质损耗角tanS大于1%，记下实验时间，即为电缆的寿命值。对相同规格的电缆，测 试多组数据条件下的电缆实验寿命值，优选100-200组数据。
[0033] S2、取电缆实验的100-200组温度、光照强度、氧气浓度和湿度值作为自变量。
[0034] S3、将S2中的自变量作为训练样本，建立三层BP神经网络，选取150组数据作为训 练样本对建立的BP神经网络进行训练。本实施例中优选150组电缆试验参数数据对三层BP 神经网络进行训练。电缆试验参数值与实际施加在电缆上的数值存在一定的偏差，选取的 数据过少，存在一定的随机性，这样训练得到的神经网络误差就会比较大，对寿命预测的误 差也会很大;选取的环境参数数据组过多会引入不必要的数据偏差，因为选取了过多数据， 出现偏差很大数据点的概率就会提高，容易引起训练神经网络的偏差，且选取过多的数据， 会增加工作量。经过多次试验证明，采用100-200组的参数数据训练得到神经网络误差较。 给中间层权值和阈值赋较小的初始值。将训练样本输入到三层BP神经网络，计算得到电缆 寿命值;将通过神经网络计算得到电缆寿命值和与实验测量得到的寿命值对比，根据计算 值与实际值的差值调整中间层权值和阈值的大小，重复训练步骤，直至计算值与实际值的 相差足够小或为零，从而确定三层BP神经网络的中间层权值和阈值;得到训练好的三层BP 人工神经网络。
[0035] S4、选取待检测寿命的电缆实际使用环境中的温度、光照强度、氧气浓度和湿度数 据，输入到训练好的三层BP神经网络中，神经网络计算给出对电缆寿命的预测结果。
[0036]三层BP神经网络计算出电缆的预测寿命后，预测寿命是电缆的整个使用寿命，减 去已经使用的时间，即可得到该待测电缆的剩余寿命参考值，预测的剩余寿命可提供参考， 为更换电缆及相关设备提供参考，避免电缆的浪费，能够有效的节约资源，同时也节约了人 力成本。
[0037]本发明提供了一种交联聚乙烯电缆的寿命检测方法，通过试验测定电缆的寿命， 以试验数据温度、光照强度、氧气浓度和湿度信息作为变量，训练神经网络，建立好电缆寿 命预测神经网络后，输入待测电缆将要铺设环境中的温度、光照强度、氧气浓度和湿度信 息，神经网络计算给出电缆的寿命预测值，以对电缆的预期使用寿命，剩余寿命做出评估， 为电缆更换提供参考。采用神经网络建立电缆寿命预测模型，通过试验测试电缆温度、光照 强度、氧气浓度和湿度信息四种参数来评价电缆的使用寿命，克服了传统电缆寿命检测方 法的不足，不会破坏电缆的结构，评估结果偏差小，检测结果准确。对电缆的铺设和更换提 供参考，减少更换电缆的繁琐工序，能够减少材料的浪费，节约成本，较少事故隐患，较少因 为电缆而发生的火灾等灾害。
[0038]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通 技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案 的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种交联聚乙烯电缆寿命检测方法，其特征在于，包括:采用加速老化试验测试交联 聚乙烯电缆的寿命，所示试验通过设定多组温度、光照强度、氧气浓度和湿度的值，测试多 组不同试验条件下交联聚乙烯电缆的寿命;将多组温度、光照强度、氧气浓度和湿度试验信 息作为自变量，利用所述自变量构成训练样本； 建立三层BP神经网络，利用所述训练样本对建立的BP神经网络进行训练，将所述训练 样本输入到三层BP神经网络，计算得到电缆寿命值;将通过神经网络计算得到电缆寿命值 与实验测量的电缆寿命值对比，调整三层BP神经网络的权值和阈值，直至计算值与实验测 量值的相差足够小或为零，从而确定三层BP神经网络的权值和阈值； 选取待测电缆的使用环境的温度、光照强度、氧气浓度和湿度参数，输入到训练好的BP 神经网络中，神经网络给出对交联聚乙烯电缆寿命的预测结果。2. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，通过工频法测试交联聚乙烯电缆的寿 命。3. 根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述工频法包括利用介损测试仪测试 电缆的介质损耗角。4. 根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述介损测试仪工作频率范围为 Ο.ΟΟΟΙΗζ-ΙΚΗζο5. 根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，待测试电缆样品长度不小于3m。6. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述三层BP神经网络包括输入层、中 间层和输出层。7. 根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，选取100-200组电缆的试验数据值作 为训练样本。
【文档编号】G06N3/02GK105842598SQ201610427314
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】张利, 赵苏
【申请人】国家电网公司, 国网河南省电力公司检修公司