CN103472363A - 交联聚乙烯电缆剩余寿命评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，包括以下步骤：获取电缆残余击穿电压。计算电缆老化速度，计算电缆老化速度的公式为：Sd＝(H*E-Sy)/N。其中，Sd为老化速度；Sy为电缆残余击穿电压；H为电缆主绝缘设计厚度；E为电缆主绝缘设计耐电场强度；N为电缆已运行的年数。计算剩余使用寿命，计算剩余使用寿命的公式为：SK＝(H*E-SZ)/Sd-N。其中，SK为电缆剩余使用寿命，SZ为电缆的寿命终止电压。获取电缆残余击穿电压进一步包括以下步骤：对各相电缆导体和铜屏蔽带之间测量其主绝缘的绝缘电阻；在各相电缆导体和铜屏蔽带之间施加工频电压；进行工频逐级击穿电压试验的测试，以获取基于电缆主绝缘的残余击穿电压。

Description

交联聚乙烯电缆剩余寿命评价方法

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，更具体地说，涉及一种交联聚乙烯电缆剩余寿命评价方法。

背景技术

现有电缆的寿命预测方法，主要是针对新制造电缆，在实验室条件下，采用加速老化来模拟运行电缆绝缘的剩余耐电强度，从而通过不同的数学模型来推测电缆的使用寿命，以下介绍几种现有技术中的电缆寿命预测方法：

(1)非破坏性电气性能测试

电缆残余寿命预测研究，国内开展较晚，国外20世纪60年代就开始了关于交联聚乙烯电缆绝缘弱点检出和老化检测技术的研究，至今仍在不断发展。日本是开展交联聚乙烯电缆绝缘老化检测技术研究较早的国家，对于6kV级，检测技术有非在线式和在线式。非在线式包括残留电压、反吸收电流、直流泄漏电流、电位衰减法，残留电荷、直流电压叠加法等。在线式包括直流成分、脉动法，直流电压叠加法等。

以上剩余寿命评估的方法都比较偏向于定性分析，而对于定量分析而言，也只能给出非常大致的范围，国内外缺乏一个评估标准，来检测各种评估方法的准确性。

(2)破坏性电气性能测试

根据局部放电等因素对绝缘引起的电老化所得交联聚乙烯电缆的寿命方程为

Uⁿt＝c    (1)

式中，U是电缆所施加的电压、n为电缆的寿命指数、t为电缆寿命、C为常数。

目前国内外电缆的寿命评价主要从寿命方程(1)式为依据，将电缆试品分成二组，分别进行逐级升压击穿试验近似简化法求取寿命指数。每一级加压持续时间第一组为T1、第二组为T2，至击穿为止。最后一级持续的时间第一组为t1、第二组为t2。电压施加级数第一组为P1，第二组为P2，由此寿命方程(1)式可以改写为：

第一组：

$[u^n+q^n{u}^n+q^{2n}{u}^n+\·\·\·+q^{n(p_1-1)}{u}^n]T_1+q^{n{p}_1}{u}^n{t}_2=c---\left(2\right)$

第二组：

$[u^n+q^n{u}^n+q^{2n}{u}^n+\·\·\·+q^{n(p_1-1)}{u}^n]T_2+q^{n{p}_2}{u}^n{t}_1=c---\left(3\right)$

经过数学解方程推导得出寿命指数n值近似式：

$n=\frac{\ln (T_2/T_1)}{(P_1-P_2)\ln q}---\left(4\right)$

目前采用寿命指数n值近似式，在电缆的剩余寿命评价实际应用的方法有：

1)加速热老化试验

首先对同一种电缆样品进行分组，并对电缆绝缘材料设置不同的温度点下多个周期的热老化，对电缆绝缘材料进行加速热老化。然后在不同的温度点下快速模拟电缆的老化过程中，取T1为1min、T2为20min，初始电压为30kV，电压按一定比例q增加，相邻的电压比q＝1.06，采用分步加压法对电缆绝缘材料进行工频逐级击穿电压试验测试，再通过寿命方程(2)式、(3)式及(4)式计算求取n值，获取基于电缆绝缘材料的电缆寿命指数。

以上方法采用加速老化模拟来求得电缆的寿命，必然不可避免地存在误差。事实上，运行中直埋方式敷设的电缆老化与多种环境因子有关，其各种环境、条件难以真实地得到模拟，通过加速老化来模拟电缆的老化过程，进行电缆寿命评价或预测，其各个过程中环节中不可避免地带来偏差或人为因素的影响。

2)击穿电压对比法

将同一规格运行了一定年限的电缆与新品电缆样品分别分成二组，取T1为1min、T2为20min，初始电压运行电缆为30kV，新品电缆为60kV，电压按一定比例q增加，相邻的电压比q＝1.06，采用分步加压法对电缆绝缘材料进行工频逐级击穿电压试验测试，再通过寿命方程(2)式、(3)式及(4)式计算求取n值，获取基于运行与新品电缆绝缘材料的电缆寿命指数，用线形回归方法来计算二组电缆样品的平均击穿电压。然后通过运行与新品电缆平均击穿电压的比较，得到运行电缆的原始(新品时)耐电强度，并根据运行电缆已运行的年限，得到运行电缆绝缘的耐电强度年损失数，最终通过运行电缆须保证的剩余寿命最低残余电压比较，得到电缆的剩余使用寿命。

以上方法采用运行与新品电缆平均击穿电压的比较，推导出电缆绝缘的耐电强度年损失数同样会带来偏差。事实上，不同时期、不同制造厂生产的同一规格电缆，由于其不同的制造工艺、结构、材料的配置等设计的差异均会影响电缆的实际使用寿命，比较得到的电缆主绝缘剩余耐电强度必然会有差异，由此得到的电缆寿命预测会有一定的偏差。

3)加速热老化结合介质损耗角正切值试验

该试验方法通过加速热老化过程中，同时测量绝缘材料介质损耗角正切值，获得基于绝缘材料介质损耗角正切值的电缆寿命方程和电缆寿命终止时的介质损耗角正切的临界值。

实验表明，绝缘击穿不仅仅是由电树枝通道形成，而且还与水分通道有关。有水比无水击穿电压低，损耗因数大。高温比低温击穿电压低，损耗因数大。高频比低频击穿电压低，损耗因数大。具体的绝缘强度与损耗因数的关系是模糊的，绝缘强度取决于电缆中最薄弱环节(电树最大的地方)，损耗因素取决于电缆的平均条件(平均电树生长)，由此难以从介质损耗角正切值来定量判断电缆的剩余寿命。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种交联聚乙烯电缆剩余寿命评价方法，来解决现有技术中存在的各种不足。

根据本发明，提供一种交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，包括以下步骤：获取电缆残余击穿电压。计算电缆老化速度，计算电缆老化速度的公式为：Sd＝(H*E-Sy)/N。其中，Sd为老化速度(单位：kV/年)；Sy为电缆残余击穿电压(单位：kV)；H为电缆主绝缘设计厚度(单位：mm)；E为电缆主绝缘设计耐电场强度(单位：kV/mm)；N为电缆已运行的年数(单位：年)。计算剩余使用寿命，计算剩余使用寿命的公式为：SK＝(H*E-SZ)/Sd-N。其中，SK为电缆剩余使用寿命，SZ为电缆的寿命终止电压。获取电缆残余击穿电压进一步包括以下步骤：对各相电缆导体和铜屏蔽带之间测量其主绝缘的绝缘电阻；在各相电缆导体和铜屏蔽带之间施加工频电压；进行工频逐级击穿电压试验的测试，以获取基于电缆主绝缘的残余击穿电压。

根据本发明的一实施例，在获取电缆残余击穿电压步骤之前，先制作试验样品，步骤为：选择同一回路电缆中的不同区段、且运行敷设环境条件相对较差的现场更换下线电缆。制作成每段长度为3米的试验样品。除制作终端头须剥离电缆两端各0.5米的外护套、铜屏蔽带及半导层外，其余部位均保留外护套、铜屏蔽带及半导层。

根据本发明的一实施例，耐电场强度为电缆实际厚度×(20～30)kV/mm。

根据本发明的一实施例，电缆的寿命终止电压为12kV～18kV。

根据本发明的一实施例，进行工频逐级击穿电压试验的级差为1.1～1.2，加压时间为15min～20min。

根据本发明的一实施例，单相电缆每组包括9段共9个试验样品，三相电缆每组包括3段共9个试验样品。

根据本发明的一实施例，当每一组电缆在同一级或连续二级发生累计三个或三个以上试验样品击穿时，其三个以上击穿的加压级数定为最终级数。残余电压强度为最终级数的击穿电压。

采用了本发明的技术方案，完全利用电缆运行过程中的实际老化特性，并依据运行电缆的设计参数来评价实际运行电缆的剩余寿命，无需模拟电缆老化及运行的各种环境、条件，有效解决了采用加速老化模拟，或采用不同制造工艺、结构、材料配置的新旧电缆比较等评价电缆的寿命存在偏差问题。本评价方法具有检测的准确性、可靠性和可信性度高等优点，能够对交联聚乙烯电缆的实际剩余使用寿命作出真实、客观地评价。另外本发明具有评价方法简单、操作方便、经济实用、简便易行等特点。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是本发明交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法的总体逻辑流程图。

图2是图1中测量残余击穿电压的具体方法流程图。

图3是图1中剩余使用寿命评价的具体方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法通过三个主要步骤来实现：

步骤11：制作试验样品；

步骤12：测量残余击穿电压；

步骤13：评价剩余使用寿命。

在步骤11中，选择同一回路电缆中的不同区段、且运行敷设环境条件相对较差的现场更换下线电缆，制作成每段长度为3米的试验样品。除制作终端头须剥离电缆两端各0.5米的外护套、铜屏蔽带及半导层外，其余部位均保留外护套、铜屏蔽带及半导层。在常温下，将保留有外护套、铜屏蔽带及半导层试部分的验样品电缆浸于装有水的容器中，试验样品电缆浸于水中的时间不小于2小时。

如图2所示，图1的步骤12主要包括以下几个步骤：

步骤121：选择第一级试验电压值；

步骤122：选择试验样品；

步骤123：选择逐级击穿电压级差q；

步骤124：选择逐级击穿电压时间T；

步骤125：逐级电压及残余击穿电压测量。

本发明需要评价现场运行中电缆的实际寿命，因此对运行电缆剩余寿命评价时，如何选择逐级击穿电压第一级起始值十分关键。由于现场实际运行的电缆其接入的系统运行方式不尽相同，对于不同运行系统中的运行电缆，其承受系统可能产生的最大内部过电压是完全不同的，基于不同运行系统可能产生的最大内部过电压为依据。

表1给出了电阻或直接接地系统及非电阻或不接电系统的第一级起始值的计算方法。

表1

例如：对于某条3kV运行电缆，其接入系统运行方式是小电阻接接地系统，则其第一级电压值为3.6kV至4.8kV之间。

同时，对于表1需要说明的是：若评价电缆能承受选择的第一级电压值，则可以按本专利提供的评价方法开展评价，即可以开展2.2-3.5项；若评价电缆在选择的第一级电压值下电缆连续发生3次或3次以上的击穿，则评价的运行电缆已接近寿命终止年限，电缆已无需再做剩余寿命评价。

在步骤122中，单相电缆每组由9段共9个试验样品组成，三相电缆每组由3段共9个试验样品组成。

在步骤123中，工频逐级击穿电压级差q的选择为：级差q按1.1～1.2来选择。

在步骤124中，加压时间T的选择：加压时间T按15min～20min来选择(无说明T均按20min取值)。

在步骤125中，上述参数确定后，进行上述9个每段试验样品工频逐级电压及残余击穿电压的测量。

如图3所示，图1的步骤13主要包括以下几个步骤：

步骤131：电缆耐电场强度取值；

步骤132：寿命终止电压取值；

步骤133：残余击穿电压取值；

步骤134：运行老化速度取值；

步骤135：计算剩余使用寿命。

在步骤131中，测量样品电缆主绝缘的厚度，可得到试验样品电缆的主绝缘实际厚度。对于3～10kV等级的电缆主绝缘耐电场强度按(20～30)kV/mm来选择。为此，电缆新品时的耐电场强度＝实际厚度×(20～30)kV/mm。

如10kV试验样品电缆的主绝缘厚度为4mm，则电缆新品时的耐电场强度为5×(20～30)＝100kV～120kV。

在步骤132中，按电缆运行过程中能承受系统可能产生的最大内部过电压(见表1所示)为依据，并通过计算可分别得到3～10kV不同电压等级电缆的寿命终止电压，这里用SZ表示电缆寿命终止电压。

如10kV电压等级的小电阻接地系统或直接接地系统，其电缆的残余击穿场强一般取值为U＝6×(2～3)＝12kV～18kV。

在步骤133中，通过工频逐级击穿电压试验，可得到运行一定年限后的实际剩余击穿电压强度。当每一组电缆在同一级或连续二级发生累计三个或三个以上试验样品击穿时，其三个以上击穿的加压级数定为最终级数，残余电压强度取最终级数的击穿电压，这里用Sy来表示电缆残余击穿电压。

如某10kV电缆工频逐级击穿电压试验数据如表2所示，则电缆残余击穿电压为54kV。

编号	第1级	第2级	第3级	第4级	第5级	第6级	第7级	第8级	第9级
										1	18	22	26	31	37	45	54	65
2	18	22	26	31	37	45	54	击穿
										3	18	22	26	31	37	击穿
4	18	22	26	31	37	45	54	65
										5	18	22	26	31	37	45	击穿
6	18	22	26	31	37	45	54	击穿
										7	18	22	26	31	37	45	击穿
8	18	22	26	31	37	45	54	击穿
										9	18	22	26	31	37	45	54	击穿

表2

另外，试验样品在工频逐级击穿电压试验测试过程中，若在第一级发生二次击穿，则应再增加一组试验样品；若在第一级发生三次击穿或增加一组试验样品后二组电缆累计有三次击穿，则电缆使用寿命评判为已接近寿命终止阶段。

在步骤134中，按电缆已运行的实际年限，根据电缆的剩余耐电强度，可通过计算得到电缆每年的耐电场强度损耗，这里用Sd来表示老化速度，则Sd＝(H*E-Sy)/N。

其中：

Sd为老化速度(单位：kV/年)；

Sy为电缆残余击穿电压(单位：kV)；

H为电缆主绝缘设计厚度(单位：mm)；

E为电缆主绝缘设计耐电强度(单位：kV/mm)；

N为电缆已运行的年数(单位：年)N取值需大于5，5年内电缆的剩余寿命评估不适用本发明所述方法。

在步骤135中，用运行电缆的实际绝缘厚度，乘以电缆绝缘的设计耐电强度，可得到电缆的原始击穿电压强度。电缆的原始击穿电压强度，减去电缆的寿命终止电压，再除以电缆的老化速度就可得到电缆的使用寿命。电缆的使用寿命可用来表示SM，则

SM＝(H*E-SZ)/Sd

电缆剩余使用寿命可用SK来表示，则

SK＝SM-N

作为本发明的一个优选实施方式，普遍认为，供配电系统中的高压电缆的设计寿命为25～30年。为此，如何准确把握运行了20年以上高压电缆的剩余使用寿命，为电缆更换提供科学的依据成为一个十分重要的课题。下面通过两个实施例来具体说明本发明的技术方案。

实施例1

原料场负责主生产线原料的输送，整个区域共有266个3kV高压回路电缆，累计电缆长度超过125公里。原料场电缆至2004已投运22年，为了解该区域电缆的绝缘性能状况和寿命情况，为此在2004年取出了两种环境下的电缆(同一回路)，两种环境分别是直埋的和槽架。电缆为日本滕仓电缆公司制造，制造时间是1980年。试样电缆共有三个回路组成，电缆运行电压为3kV，主绝缘设计耐电强度为20kV/mm，电缆绝缘主材料为交联聚乙烯，主绝缘厚度为2.5mm，截面为3×35mm2，。原料场供电系统为小电阻接地系统。

表3、表4为同一回路的直埋与槽架电缆逐级击穿电压数据，其中，表3为直埋电缆逐级击穿电压数据(直埋电缆长期受地下水及地面沉降影响)，表4为槽架电缆逐级击穿电压数据。

表3

由表3可得直埋电缆的残余击穿电压为18.6kV，则：

Sd＝[H*E-Sy]/N＝(2.5×20-18.6)÷22＝1.427kV/年；

SM＝(H*E-SZ)/Sd＝(2.5×20-3.6)÷1.427＝32.5年；

由此可知：直埋电缆的剩余使用寿命还有32.5-22＝10.5年。

表4

由表4可得槽架电缆的残余击穿电压为32.1kV，则：

Sd＝[H*E-Sy]/N＝(2.5×20-32.1)÷22＝0.814kV/年；

SM＝(H*E-SZ)/Sd＝(2.5×20-3.6)÷0.814＝57年；

由此可知：槽架电缆的剩余使用寿命还有57-22＝37年。

实施例2

试样电缆运行电压为3kV或10kV，主绝缘设计耐电强度20kV～30kV/mm，电缆绝缘主材料为交联聚乙烯，3kV主绝缘厚度为4mm、截面为3×250mm2，10kV主绝缘厚度为5mm、截面为3×240mm2。能环部供电系统为小电阻接地系统。

表5为3kV电缆逐级击穿电压数据，表6为直埋敷设日本制造的10kV电缆逐级击穿电压数据，表7为直埋敷设国产的10kV电缆逐级击穿电压数据。其中，直埋电缆长期受地下水影响。

表5

由表5可得电缆的残余击穿电压至少大于46.2kV，则：

Sd＝[H*E-Sy]/N＝(4×20-46.8)÷28＝1.186kV/年；

SM＝(H*E-SZ)/Sd＝(4×20-3.6)÷1.186＝64年；

由此可知：一期日本制造隧道敷设方式的3kV电缆的剩余使用寿命至少还有64-28＝36年。

表6

由表6可得电缆的残余击穿电压为53.8kV，则：

(1)当设计耐电强度取25kV/mm时，

Sd＝[H*E-Sy]/N＝(5×25-53.8)÷28＝2.54kV/年；

SM＝(H*E-SZ)/Sd＝(5×25-5.4)÷2.54＝47年；

电缆剩余使用寿命还有47-28＝19年。

(2)当设计耐电强度取30kV/mm时，

Sd＝[H*E-Sy]/N＝(5×30-53.8)÷28＝3.44kV/年；

SM＝(H*E-SZ)/Sd＝(5×30-5.4)÷3.44＝42年；

电缆剩余使用寿命还有42-28＝14年。

由此可知：一期日本制造直埋方式敷设的10kV电缆剩余使用寿命还有14～19年。

表7

由表7可得电缆的残余击穿电压为53.8kV，则：

(1)当设计耐电强度取25kV/mm时，

Sd＝[H*E-Sy]/N＝(5×25-53.8)÷15＝4.75kV/年；

SM＝(H*E-SZ)/Sd＝(5×25-5.4)÷4.75＝25年；

电缆剩余使用寿命还有25-15＝10年。

(2)当设计耐电强度取30kV/mm时，

Sd＝[H*E-Sy]/N＝(5×30-53.8)÷15＝6.41kV/年；

SM＝(H*E-SZ)/Sd＝(5×30-5.4)÷6.41＝22.6年；

电缆剩余使用寿命还有22.6-15＝7.6年。

由此可知：二期国产制造的直埋方式敷设的10kV电缆剩余使用寿命还有7～10年。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，其特征是，包括以下步骤：

获取电缆残余击穿电压；

计算电缆老化速度，所述计算电缆老化速度的公式为：

Sd＝(H*E-Sy)/N，其中，

Sd为老化速度(单位：kV/年)；

Sy为电缆残余击穿电压(单位：kV)；

H为电缆主绝缘设计厚度(单位：mm)；

E为电缆主绝缘设计耐电场强度(单位：kV/mm)；

N为电缆已运行的年数(单位：年)；

计算剩余使用寿命，所述计算剩余使用寿命的公式为：

SK＝(H*E-SZ)/Sd-N，其中，

SK为电缆剩余使用寿命，SZ为电缆的寿命终止电压；

所述获取电缆残余击穿电压进一步包括以下步骤：

对各相电缆导体和铜屏蔽带之间测量其主绝缘的绝缘电阻；

在所述各相电缆导体和铜屏蔽带之间施加工频电压；

进行工频逐级击穿电压试验的测试，以获取基于电缆主绝缘的所述残余击穿电压。

2.如权利要求1所述的交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，其特征是：

在获取所述残余击穿电压步骤之前，先制作试验样品；

所述制作试验样品步骤为：

选择同一回路电缆中的不同区段、且运行敷设环境条件相对较差的现场更换下线电缆；

制作成每段长度为3米的试验样品；

除制作终端头须剥离电缆两端各0.5米的外护套、铜屏蔽带及半导层外，其余部位均保留外护套、铜屏蔽带及半导层。

3.如权利要求1所述的交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，其特征是：

所述耐电场强度为电缆实际厚度×(20～30)kV/mm。

4.如权利要求1所述的交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，其特征是：

所述电缆的寿命终止电压为12kV～18kV。

5.如权利要求1所述的交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，其特征是：

所述进行工频逐级击穿电压试验的级差为1.1～1.2，加压时间为15min～20min。

6.如权利要求2所述的交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，其特征是：

单相电缆每组包括9段共9个试验样品，三相电缆每组包括3段共9个试验样品。

7.如权利要求6所述的交联聚乙烯电缆剩余寿命的评价方法，其特征是：

当每一组电缆在同一级或连续二级发生累计三个或三个以上试验样品击穿时，其三个以上击穿的加压级数定为最终级数；

所述残余电压强度为所述最终级数的击穿电压。

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