CN102944777B - 电缆使用寿命检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电缆使用寿命检测方法，分别通过三种不同的检测方式检测出电缆的寿命值：测量电缆退极化过程中的等温松弛电流，计算老化因子，获得第一使用寿命值；对电缆试样进行热老化处理，测量热老化失效时间和相应的老化温度，获得所述被测电缆在额定工作温度下的第二使用寿命值；对被测电缆施加击穿电压，获得第三使用寿命值；并根据三个测得的使用寿命值，准确确定所述被测电缆的平均使用寿命。由于检测涉及的参数分别考虑了电极化、热老化和电击穿对电缆的使用寿命的影响，因此使测得的电缆使用寿命更加准确。

Description

电缆使用寿命检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统检测的技术领域，特别是涉及一种电缆使用寿命检测方法。

背景技术

电缆的寿命研究一直是电力行业的关注焦点。在我国，电力电缆，特别是交联聚乙烯绝缘电力电缆的使用已有多年，运行时间在10年以上的高压交联电缆数量也已经很多，在部分地区，110kV交联电缆运行时间超过10年以上的长度有几百公里，而这些电缆由于出自不同的生产厂家以及不同的布设条件和运行条件等等，目前的质量情况和寿命状态也不尽相同。确切地了解这些电缆的质量状况对于电网的安全运行以及今后的电网规划意义非常重大。

目前，对于交联电缆的寿命评定来说，虽然人们已经研究多年，而且已经有较多不同的方法或手段。在非在线条件下评定交联电缆寿命可利用的方法大致可以分成以下两种：电量法和非电量法。其中电量法又分破坏性方法和非破坏性方法，其中：破坏性电量法，如耐压法、预击穿局部放电法；非破坏性电量法，如介电频谱法，残余电荷法，等温松弛退极化电流法，损耗电流谐波分量法等；非电量法，如热老化法、切片法、活化能法、热延伸变化率法、缺陷能态评估法、红外光谱等。

但是每一种方法都有各自的优点和局限性，每种方法侧重的表征电缆寿命的参数不同，因此不同方法所评估的结果可能存在一定的偏差，导致检测结果不够准确。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够更准确地测量电缆使用寿命的方法。

一种电缆使用寿命检测方法，包括以下步骤：

在被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加极化直流电压，经过预定时间之后，对所述被测电缆进行退极化处理，并记录退极化过程中的等温松弛电流；

其中，所述等温松弛电流采用下式进行拟合：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{a}_i\·e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}}$

其中，参数α_i、τ_i为电介质材料的特性参数，α_i为陷阱的密度，τ_i＝R_DiC_Di为陷阱的深度，其中C_D1和R_D1对应于主体极化过程、C_D2和R_D2对应于无定形与晶体界面的影响过程、C_D3和R_D3对应于由于老化造成的界面中的金属盐和水合离子的影响过程，I₀为被测电缆最终达到平衡时的稳态电流值；

根据所述等温松弛电流计算所述被测电缆的老化因子，其中，以在时间常数τ₂和τ₃时的去极化电流来计算老化因子A，即：

$A=\frac{I_D\left({\mathrm{\τ}}_3\right)\·{\mathrm{\τ}}_3}{I_D\left({\mathrm{\τ}}_2\right)\·{\mathrm{\τ}}_2}$

根据所述老化因子对应的击穿电压计算所述被测电缆的第一使用寿命值；

对所述被测电缆截取电缆试样，对所述电缆试样进行热老化处理，记录所述电缆试样的热老化失效时间和相应的老化温度，计算所述被测电缆在额定工作温度下的第二使用寿命值；

在所述被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加逐级增加的电压，测量所述被测电缆的绝缘层的击穿电压，根据所述击穿电压计算所述被测电缆的第三使用寿命值；

其中，对所述被测电缆施加的逐级增加的电压符合二参数的威布尔分布，其概率分布函数为：

$F\left(u\right)=1-e^{-{\left(\frac{u}{u_0}\right)}^b}$

根据逐级击穿电压的试验结果数据，求得威布尔分布参数u₀和b，然后根据逐级击穿电压u的分布函数，求出平均击穿电压即：

$\stackrel{\‾}{u}=u_0\mathrm{\Γ}(1+\frac{1}{b})$

其中，为伽玛函数；

通过下式计算出所述被测电缆在承受平均击穿电压时的寿命：

Uⁿt＝C

其中，U是所述被测电缆所施加的电压，n为寿命指数，t为电缆寿命，C为常数；

所述第三使用寿命值作为基础值，再以所述第一使用寿命值、所述第二使用寿命值对所述第三使用寿命值进行校正，获得所述被测电缆的平均使用寿命。

本发明的电缆使用寿命检测方法中，分别通过三种不同的检测方式检测出电缆的寿命值：测量电缆退极化过程中的等温松弛电流，计算老化因子，获得第一使用寿命值；对电缆试样进行热老化处理，测量热老化失效时间和相应的老化温度，获得所述被测电缆在额定工作温度下的第二使用寿命值；对被测电缆施加击穿电压，获得第三使用寿命值；并根据三个测得的使用寿命值，计算所述被测电缆的平均使用寿命。由于检测涉及的参数分别考虑了电极化、热老化和电击穿对电缆的使用寿命的影响，因此使测得的电缆使用寿命更加准确。

附图说明

图1是本发明电缆使用寿命检测方法的流程示意图；

图2是测量被测电缆的等温松弛电流的接线示意图；

图3是测量被测电缆的等温松弛电流的等效电路图；

图4为被测电缆进行热老化的DSC曲线示意图；

图5为被测电缆热老化失效时间和老化温度的关系示意图；

图6是对被测电缆施加的逐级升压曲线示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明电缆使用寿命检测方法的流程示意图。

所述电缆使用寿命检测方法，包括以下步骤：

S101，在被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加极化直流电压，经过预定时间之后，对所述被测电缆进行退极化处理，并记录退极化过程中的等温松弛电流；根据所述等温松弛电流计算所述被测电缆的老化因子，根据所述老化因子对应的击穿电压计算所述被测电缆的第一使用寿命值；

S102，对所述被测电缆截取电缆试样，对所述电缆试样进行热老化处理，记录所述电缆试样的热老化失效时间和相应的老化温度，计算所述被测电缆在额定工作温度下的第二使用寿命值；

S103，在所述被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加逐级增加的电压，测量所述被测电缆的绝缘层的击穿电压，根据所述击穿电压计算所述被测电缆的第三使用寿命值；

S104，根据所述第一使用寿命值、所述第二使用寿命值和所述第三使用寿命值，计算所述被测电缆的平均使用寿命。

通过检测电极化、热老化和电击穿对电缆的使用寿命的影响参数，因此使测得的电缆使用寿命更加准确。采用多种检测手段对高压交联电缆及接头进行剩余寿命的评估，使检测结果更加全面、可靠，可以为今后高压电缆线路的维护、安全运行和改造提供有力依据。

对于上述步骤S101，请参阅图2及图3，图2与图3分别是测量所述被测电缆的等温松弛电流的接线图及等效电路图。其中，R_ISL与R_OSL分别为电缆的内外半导电屏蔽层的单位体积电阻，在计算过程中可以忽略；R_K与U_K分别为电缆绝缘的单位长度电阻与电容；R与L为电缆导体单位长度电阻与电感；R_E为放电限流电阻；R_M为测量保护电阻。通过对图3中方框圈出的部分进行计算可得出绝缘老化对测得的电流的影响。其中，图中有三对等效的电容和电阻，分别对应着三种极化过程：C_D1和R_D1对应于主体极化；C_D2和R_D2对应于无定形与晶体界面的影响；C_D3和R_D3对应于由于老化造成的界面中的金属盐和水合离子的影响。所以可用三阶指数衰减函数对电缆的等温松弛电流进行拟合：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{a}_i\·e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}}---\left(1\right)$

其中，参数α_i、τ_i为电介质材料的特性参数，α_i为陷阱的密度，τ_i(τ_i＝R_DiC_Di)为陷阱的深度，I₀为电缆最终达到平衡时的稳态电流值。

优选地，步骤S101中施加的极化直流电压取1kV，对标准中压电缆，忽略空间电荷效应，均匀电场情况下的最大电场强度约为E＝240V/mm。这个电场强度给每个带电粒子施加约0.0036eV的动能，所以电荷注入是不可能的，1kV直流电压下绝缘层内部的最高场强为118kV/mm，电子可以从中获得的能量为0.59eV。由于电缆的材料聚乙烯中原子间的最低的键能为1.43eV，因此，这种检测方法是非破坏性的。

如前所述，由对应的等效的电容和电阻计算出的时间常数τ₃对应着老化造成的界面中的盐和水合离子的影响，与之相关的参数会随着老化程度的加剧而变大；而时间常数τ₂对应于无定形晶体界面的影响，在老化的过程中，与之相关的参数基本不变。所以以在时间常数τ₂和τ₃时的去极化电流来计算老化因子A，即：

$A=\frac{I_D\left({\mathrm{\τ}}_3\right)\·{\mathrm{\τ}}_3}{I_D\left({\mathrm{\τ}}_2\right)\·{\mathrm{\τ}}_2}---\left(2\right)$

根据计算出的老化因子A，可以估算出所述被测电缆的击穿电压。例如老化因子A与电缆老化情况的关系如下表所示：

其中，U₀为所述被测电缆正常工作的额定电压，从上述的分析可以发现，等温松弛电流的物理意义十分明确，因此具有良好的电缆寿命诊断功能。并且等温松弛电流的检测结果可以直接获得电缆的残余击穿电压以及残余寿命。对所述被测电缆的等温松弛电流的检测结果可以通过数据库软件，按照DINVDE0276标准和诊断结果协议内的数据材料自动搜索耐压诊断值。

在一个优选实施方式中，所述步骤S101中，测量等温松弛电流的步骤通过以下子步骤执行：

S11，对被测电缆的预处理；

对所有被测电缆的样品进行测试前处理，先对包裹所述被测电缆两端的外屏蔽层剥离，剥离的长度在10cm左右即可，同时对剥离后的电缆部分需要用无水乙醇清洗剥离过程中留下的污垢，使测量过程中的表面泄露电流尽可能地减小。

S12，对被测电缆的电磁屏蔽；

鉴于退极化的等温松弛电流在pA级，易受外界电磁干扰影响，需要对所述被测电缆的样品两端进行可靠的电磁屏蔽，例如采用可伸缩铝箔波纹管进行屏蔽处理。

S13，对被测电缆极化；

对被测电缆的样品，一端可靠绝缘，另一端接极化用的高压直流电源，导体缆芯接正，外金属屏蔽接地，极化时间优选设置为1800s。

S14，对被测电缆极化之后进行瞬时短路；

测量所述被测电缆的等温松弛电流前，先将极化后的所述被测电缆经过1MD电阻短路5s，以去除表面自由电荷，减少表面电荷对检测结果的影响。

S15，对被测电缆的等温松弛电流测量。

采用计算机控制，记录等温松弛电流(电流表可选Keithley6517A)，对应退极化时间优选设置为1800s，电流的采样速率为2Sa/s。

对于上述步骤S102，请参阅图4，图4为进行热老化的DSC曲线示意图。

在本步骤中主要采用差热分析设备测量差热分析曲线，如DSC或者DMA，或者采用光学显微镜，给从所述被测电缆上切片下来的电缆试样进行染色后观察试片中水树的分布，以此判断所述被测电缆的老化程度，或者利用存热老化的手段确定表征电气绝缘材料或电缆耐热性。下面以GB/T11026电气绝缘材料的热老化为例，来说明热老化的试验方法，包括以下步骤：

S21，在所述被测电缆上截取电缆试样，通常是对绝缘层截取；

S22，把电缆试样分成几组，分别在几个预定的温度下进行热老化，既可以连续的老化，也可以循环地进行若干周期的老化，在周期之间，通常把电缆试样恢复到室温或另一个标准温度；

S23，对电缆试样进行测试，优选为进行抗拉强度测试，以检测老化程度，检测过程可以对截取的电缆试样采用非破坏性测试或破坏性测试；

S24，延长连续热老化或循环老化的时间，直至预定的终点，其中，所述预定的终点为达到试样失效，或者被测参数变化达到预定程度；

S25，根据老化程序和测试的结果数据作图，图的横轴为热老化失效时间，纵轴为老化温度，如图5。由于电缆在正常运行时，其导体表面温度一般为90度或以下，所以在图上查出90度下的热寿命作为该电缆剩余寿命，如图5所示。

对于上述步骤S103，请参阅图6，图6是对所述被测电缆施加的逐级升压曲线示意图。首先对所述被测电缆施加一个基础电压，所述基础电压在预计的击穿电压以下，然后逐级增加施加的电压，直到所述被测电缆发生击穿，记录对应的击穿电压。

其中，对所述被测电缆施加的逐级增加的电压符合二参数的威布尔分布，其概率分布函数为：

$F\left(u\right)=1-e^{-{\left(\frac{u}{u_0}\right)}^b}---\left(3\right)$

根据逐级击穿电压的试验结果数据，求得威布尔分布参数u₀和b，然后根据逐级击穿电压u的分布函数和其它数据，可以求出平均击穿电压即：

$\stackrel{\‾}{u}=u_0\mathrm{\Γ}(1+\frac{1}{b})---\left(4\right)$

其中，为伽玛函数。

交联聚乙烯电缆的寿命方程即反幂定律为：

Uⁿt＝C(5)

(5)式中，U是所述被测电缆所施加的电压，n为寿命指数，t为电缆寿命，C为常数。不同年代生产的电缆C值取值不同，比如在80年代生产的，根据当时的历史条件和生产能力，对于交联电缆的寿命指数多取n＝9，利用公式(5)可以计算出所述被测电缆在承受平均击穿电压时的寿命。在本方法中要确定各个参数，包括每组试样的初始施加电压、升压比、每级电压持续时间、升压速度等根据所述被测电缆的实际使用环境设定。

对于上述步骤S104，优选地，以准确性较高的步骤S103检测获得的所述第三使用寿命值作为基础值，再以所述第一使用寿命值、所述第二使用寿命值对所述第三使用寿命值进行校正，获得所述被测电缆的平均使用寿命。另外，也可以通过对上述三个使用寿命值求和再取平均的方式计算所述被测电缆的平均使用寿命。

下面以一个具体的例子说明本发明的电缆使用寿命检测方法：

取被测电缆的样品为7段电缆及接头，为了描述方便，先将样品分成两部分：即A组样品和B组样品，其中A组样品为电缆和接头的组合样品，即中间带有接头，接头每一端电缆的长度约7m。此样品共7段；B组样品为与A组样品相对应的电缆上截取的电缆样品(不带有接头)，每一种样品各两段，每段长度约3米。

具体的检测方法如下：

第一步：先对A组7个样品进行局部放电测试，目的是掌握样品的目前的大致质量状态，同时根据测试结果，对7个样品进行排序，以便进行后续的检测。

第二步：从B组样品上取适量的样品，分别进行热老化。

第三步：对A组样品及B组样品中的剩余样品进行等温松弛电流检测，并根据检测结果进行使用寿命预判，获得所述第一使用寿命值。

第四步：对A组样品中两个样品进行耐压检测，即将样品通过施加电流的方法使导体加热并稳定之90℃，并在此基础上进行阶梯升压的方式进行击穿。电压的施加方式为，先施加起始电压160kV/15min，然后以16kV/5min中的速度递增施加电压，直至样品击穿。并将击穿的结果，按照目前通用的n指数，结合反幂定律来推出所述被测电缆的第三使用寿命值，并将结果与第三步所得到的所述第一使用寿命值进行比较。

第五步：对A组的剩余5个样品进行加速电热老化检测，具体的方法为：通过施加耦合电流的方式使电缆导体始终处于90℃，并始终保持在导体和金属套之间施加2U₀的工频电压，其中，U₀为被测电缆的正常工作电压。检测周期为3个月。并且每隔一个月，要利用等温松弛电流法来检测一次电缆的寿命状态。如果，整个试验周期内样品未击穿，则可以利用3个月后的一次等温松弛电流法来预测此时的寿命状态。并结合3个月期间的电热老化所损失的寿命与3个月之前由等温松弛法所测的数据进行对应。并最终对未击穿的样品进行耐压法检测，方法和程序如第四步，以便获得更多的使用寿命信息。

第六步：根据以上方法所测得所有结果，分别对每个样品进行寿命分析，对每一步所测得的结果，相互之间所存在的差异进行分析，并最终给出每个样品的平均剩余寿命值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种电缆使用寿命检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加极化直流电压，经过预定时间之后，对所述被测电缆进行退极化处理，并记录退极化过程中的等温松弛电流；

其中，所述等温松弛电流采用下式进行拟合：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{a}_i\·e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}}$

其中，参数α_i、τ_i为电介质材料的特性参数，α_i为陷阱的密度，τ_i＝R_DiC_Di为陷阱的深度，其中C_D1和R_D1对应于主体极化过程等效的电容和电阻、C_D2和R_D2对应于无定形与晶体界面的影响过程等效的电容和电阻、C_D3和R_D3对应于由于老化造成的界面中的金属盐和水合离子的影响过程等效的电容和电阻，I₀为被测电缆最终达到平衡时的稳态电流值；

根据所述等温松弛电流计算所述被测电缆的老化因子，其中，以在时间常数τ₂和τ₃时的去极化电流来计算老化因子A，即：

$A=\frac{I_D\left({\mathrm{\τ}}_3\right)\·{\mathrm{\τ}}_3}{I_D\left({\mathrm{\τ}}_2\right)\·{\mathrm{\τ}}_2}$

根据所述老化因子对应的击穿电压计算所述被测电缆的第一使用寿命值；

对所述被测电缆截取电缆试样，对所述电缆试样进行热老化处理，记录所述电缆试样的热老化失效时间和相应的老化温度，计算所述被测电缆在额定工作温度下的第二使用寿命值；

在所述被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加逐级增加的电压，测量所述被测电缆的绝缘层的击穿电压，根据所述击穿电压计算所述被测电缆的第三使用寿命值；

其中，对所述被测电缆施加的逐级增加的电压符合二参数的威布尔分布，其概率分布函数为：

$F\left(u\right)=1-e^{-{\left(\frac{u}{u_0}\right)}^b}$

根据逐级击穿电压的试验结果数据，求得威布尔分布参数u₀和b，然后根据逐级击穿电压u的分布函数，求出平均击穿电压即：

$\stackrel{\‾}{u}=u_0\mathrm{\Γ}(1+\frac{1}{b})$

其中，为伽玛函数；

通过下式计算出所述被测电缆在承受平均击穿电压时的寿命：

Uⁿt＝C

其中，U是所述被测电缆所施加的电压，n为寿命指数，t为电缆寿命，C为常数；

所述第三使用寿命值作为基础值，再以所述第一使用寿命值、所述第二使用寿命值对所述第三使用寿命值进行校正，获得所述被测电缆的平均使用寿命。

2.如权利要求1所述的电缆使用寿命检测方法，其特征在于，在被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加极化直流电压，经过预定时间之后，对所述被测电缆进行退极化处理，并记录退极化过程中的等温松弛电流的步骤包括：

对所述被测电缆进行预处理，将所述被测电缆电磁屏蔽；对所述被测电缆进行极化处理；对所述被测电缆进行瞬时短路处理；测量所述被测电缆的绝缘层上的等温松弛电流。

3.如权利要求2所述的电缆使用寿命检测方法，其特征在于，对所述被测电缆进行预处理的步骤包括：

对包裹所述被测电缆两端的外屏蔽层剥离，对剥离后的电缆用无水乙醇清洗。

4.如权利要求2所述的电缆使用寿命检测方法，其特征在于，对所述被测电缆进行极化处理的步骤包括：

对被测电缆一端绝缘，另一端接高压直流电源，其中，导体缆芯接正，外金属屏蔽接地。

5.如权利要求2所述的电缆使用寿命检测方法，其特征在于，对所述被测电缆进行瞬时短路处理的步骤包括：

将极化后的所述被测电缆通过低电阻短路5s。

6.如权利要求1所述的电缆使用寿命检测方法，其特征在于，对所述电缆试样进行热老化处理的步骤包括：

将所述电缆试样分成若干组，分别在预定的温度下进行热老化；

对所述电缆试样进行抗拉强度测试，检测老化程度；

延长连续热老化时间，直至预定的终点，其中，所述预定的终点为达到试样失效，或者被测参数变化达到预定程度。

7.如权利要求1所述的电缆使用寿命检测方法，其特征在于，在所述被测电缆的缆芯和屏蔽层之间施加逐级增加的电压，测量所述被测电缆的绝缘层的击穿电压的步骤包括：

先对所述被测电缆施加一个基础电压，其中，所述基础电压在预计的击穿电压以下；

逐级增加施加的电压，直到所述被测电缆发生击穿，记录对应的击穿电压。