CN105388403B - 一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电气设备绝缘诊断技术领域，涉及一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，对低压橡胶电缆的绝缘状态进行检测诊断与剩余寿命评估。首先利用硬度保留率评估电缆寿命；在对电缆绝缘材料进行加速老化试验，得到电缆硬度保留率随老化温度和老化时间变化的寿命方程；最后利用电缆的寿命方程得到电缆的剩余寿命值。由于硬度检测属于快速、无损检测方法，在现场测量时只需测量待测电缆的绝缘层硬度值，即可推导出电缆绝缘状态的寿命评估方程，并对电缆在不同工作温度下的寿命进行评估预测。
Description
技术领域
本发明属于电气设备绝缘诊断技术领域，涉及一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，对低压橡胶电缆的绝缘状态进行检测诊断与剩余寿命评估。
背景技术
随着社会自动化程度的逐步提高，电气系统也随之日趋复杂，电缆承担着传输电能和信号的重要任务。由于电缆安全使用寿命在相关的技术规范中无明确要求，业内普遍认可的电缆设计安全寿命为20-30年。但是在实际的工作环境中受油雾、热、辐射、机械等因素的影响，其绝缘层材料容易老化，导致绝缘性能下降甚至失效，引起电气系统失效，严重时引发火灾。
日常维护中，主要通过对电缆日常运行状态查询，电缆外观目视检查或者使用绝缘电阻检测的手段对电缆绝缘状态进行判断。对于较为明显的电缆绝缘破损或击穿情况，通过以上手段可定性的确定电缆是否适合继续运行，但不能明确指出电缆绝缘的老化程度，对于剩余寿命的预测更是无从下手。
针对电缆绝缘状态的检测和寿命评估方法，国内外提出了很多检测手段，如表1所示。国内外各界对这些试验方法的评价意见分歧较大，本发明也对这些方法从多个方面进行分析比较，这些试验方法均存在不完善之处,其实际可操作性、与工频电压试验的等效性、发现电缆绝缘早期缺陷的有效性等尚在研究、积累运行经验过程之中。
表1 电缆检测手段
从目前的研究状态来看，对低压电缆的寿命评估主要采用实验室加速热老化，模拟电缆的老化过程，以国际上公认的阿伦尼乌斯方程为理论基础，由老化后试样的断裂伸长率下降到150％为判断依据来进行寿命预测。但是该方法属于破坏性试验，试验周期比较长，加上一些场合可以用来做试验的电缆样品少，导致该方法对电缆绝缘状态的评估具有一定的局限性。而低压电缆日常的负荷电压和电流比较小，电缆老化是一个缓慢的过程，使得低压电缆的绝缘无损检测方法没有引起足够的重视，也缺少相关的标准和判据。所以无损检测方法对于低压电缆绝缘状态的检测具有十分重要的意义。
低压电缆的老化主要是由于导体发热引起温度上升，进而造成绝缘层发生热氧老化。随着使用年限的增加或者是电缆温度的升高，绝缘层材料的硬度值也会不断增加。硬度值表示材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力。不论是对于金属材料还是非金属材料，市场上对于硬度值的测量的仪器及测试标准都有较详细的规范，所以对于材料的硬度检测具有快速、简洁的优点。所以，我们可以通过测量硬度来估算电缆的使用寿命，达到快速、无损检测的目的。
发明内容
现有的低压电缆的寿命评估方法多数属于破坏性试验，试验周期比较长，对电缆绝缘状态的评估具有一定的局限性，针对现有技术的不足，本发明提供一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，该方法对低压电缆无破坏性，能够无损、快速有效的评估低压电缆的剩余寿命，
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：
第一步，对低压电缆的绝缘材料进行加速老化试验，获取不同温度和老化时间下电缆绝缘材料的硬度值，并由公式(1)可得到不同老化温度和老化时间下的硬度保留率值；
1)将低压电缆绝缘材料样品按照国家标准GB/T 2951.11-2008和国际电工委员会标准IEC60811-1-1:2001,IDT，选取试验标准试样，将其制成哑铃型试样，所述的哑铃型试样厚度为0.8mm-2.0mm，厚度差小于0.1mm。
2)按照美国火力电站电缆试验规范与IEC60216标准，选取哑铃型试样加速老化温度，其中135℃为加速老化试验必选温度；每一个加速老化温度下的试验周期一般采用等差级数，且温度差以15℃为宜，取4～10个为最佳。本专利选取135℃、150℃、165℃和180℃为低压电缆绝缘材料的加速老化温度。
3)对哑铃型试样进行加速老化试验，老化后取出的哑铃型试样以不受应力的方式在待测试环境下放置一定时间，测试其在各个老化时间点的硬度值，据GB/T531.2-2009标准，每个加速老化温度和试验周期下测量多个哑铃型试样的硬度值，求取平均值作为该哑铃型试样的硬度值；所述的放置时间为不少于16h，不超过6天。
4)本发明提出采用硬度保留率对老化后的试样硬度值进行分析，由公式(1)得到不同老化温度和老化时间下的硬度保留率值；所述硬度保留率是指100度减去当前样品的测试硬度值与100度的比值，即：
式中，p为硬度保留率，X为老化后试样的硬度值，硬度值由硬度计直接测量得到。硬度保留率的计算过程中只需测量老化后的硬度值即可得到硬度保留率值，与初始值无关。
第二步，将不同加速老化温度和老化时间下的硬度保留率值平移到最低加速老化温度下，并对平移后的数值进行曲线拟合，得到基于硬度保留率的电缆老化方程，结合阿伦尼乌斯方程，最终建立基于硬度保留率的电缆寿命外推方程；本专利的最低加速老化温度下为135℃，将180℃、165℃和150℃下的硬度保留率值平移到135℃的过程中所对应的比例值称为平移因子；由平移因子结合阿伦尼乌斯方程推导出电缆的活化能，进而求出基于硬度保留率的电缆寿命外推方程。
第三步，结合待测同类型电缆在实际工作过程中的硬度保留率值和工作温度，利用基于硬度保留率的电缆老化方程，得到当前硬度保留率对应于135℃下的老化时间，再利用基于硬度保留率的电缆寿命外推方程得出电缆在不同工作温度下剩余寿命的评估结果。
本发明提出采用硬度保留率对老化后的试样硬度值进行分析，即本发明在现场实际测试时只需要对待测电缆的绝缘层进行硬度测试。硬度保留率的测量方法在测试过程中不会对电缆绝缘层材料造成破坏，属于无损检测方法。测试结束后只需由所测硬度值得到硬度保留率值，再由基于硬度保留率的电缆老化方程和基于硬度保留率的电缆寿命外推方程即可得到电缆的寿命。
附图说明
附图是硬度保留率拟合曲线。
具体实施方式
第一步，对低压电缆的绝缘材料进行加速老化试验，获取不同温度和老化时间下电缆绝缘层的硬度值，并由公式(1)可得到不同老化温度和老化时间下的硬度保留率值；
1)将电缆绝缘材料样品按照国家标准GB/T 2951.11-2008和国际电工委员会标准IEC60811-1-1:2001,IDT，选取试验标准试样，将其制成哑铃型试样，所述的哑铃型试样厚度为0.8mm-2.0mm，厚度差小于0.1mm。
2)按照美国火力电站电缆试验规范与IEC60216标准，选取哑铃型试样加速老化温度，135℃为老化必选温度，其余等级差为15℃，且取4个老化温度为最佳，本专利选取135℃、150℃、165℃和180℃为低压电缆绝缘材料的加速老化温度。
3)对哑铃型试样进行加速老化试验，老化后取出的试样以不受应力的方式在待测试环境下放置2天(放置时间不少于16h，不超过6天)，测试其在各个老化时间点的硬度值，据GB/T531.2-2009标准，每个加速老化温度和试验周期下测量5个哑铃型试样的硬度值，为了提高数据的准确性，在对数据进行处理时，取平均值作为实际测量值，带入公式(1)测试数据如表1所示。由公式(1)可知在硬度保留率的计算过程中只需测量老化后的硬度值即可得到硬度保留率值，与初始值无关。
表1 硬度测试值与硬度保留率计算值
第二步，利用时温叠加原理，将不同加速老化温度和老化时间下的硬度保留率值平移到最低加速老化温度135℃下，并对平移后的数值进行曲线拟合，得到附图所示的曲线，其中将180℃、165℃和150℃下的硬度保留率值平移到135℃的过程中所对应的平移因子aT＝(26、6.6、2.3、1)，进而得到135℃条件下，基于硬度保留率的电缆老化方程为：
P＝23.58637-0.0095X-7.70998X2 (2)
其中P为电缆绝缘材料在135℃下硬度保留率，X为加速热老化时间(h)。将180℃的硬度保留率(20.13、17.25、14.37、12.25、7.75)带入公式(2)得到该硬度保留率在135℃曲线上对应的时间为(293.78、480、638.88、744.03、953.91),这样，180℃上的每个点平移到135℃所对应的比例关系为(24.5、24、26.6、26.6、29.8)，所以，180℃曲线平移到135℃的平移范围为(24-29.8)。
将165℃的硬度保留率(20.63、19.25、16.87、13.87、9.25)带入公式(2)得到该硬度保留率在135℃曲线上对应的时间为(257.42、354.48、502.26、664.46、880.25),这样，165℃上的每个点平移到135℃所对应的比例关系为(7.2、5.9、6.0、6.9、8.1)，所以，165℃曲线平移到135℃的平移范围为(5.9-8.1)。
将150℃的硬度保留率(20.5、17.6、13.81、10.87、8.31)带入公式(2)得到该硬度保留率在135℃曲线上对应的时间为(267.01、450.09、667.49、808.31、920.45),这样，180℃上的每个点平移到135℃所对应的比例关系为(1.9、2.3、2.5、2.4、2.3)，所以，150℃曲线平移到135℃的平移范围为(1.9-2.5)。
计算平移因子的最优拟合度方法为：
其中：
式中:平移因子αT1＝1，αTi>1(i＝2,…,m＝4)；i为个温度组的顺序号；j＝1,….ni＝5为第i组内的顺序号；HAij为各组下对应的硬度保留率，tij为各组下的老化时间。由于手动计算繁琐，可采用编程的方法实现计算。计算过程中将150℃、165℃和180℃的数据值分别与平移到135℃，求得150℃、165℃和180℃下单独的平移因子。经过计算，平移因子为aT＝(26、6.6、2.3、1)时的最优拟合度为0.9584，其他平移因子的最优拟合度均小于0.9854，比如aT＝(24、5.9、1.9、1)时的拟合度为0.9267，因此选择aT＝(26、6.6、2.3、1)为，180℃、165℃和150℃等温度下的硬度保留率值平移到135℃的过程中所对应的平移因子。
将平移因子结合公式(7)阿伦尼乌斯方程，求出基于硬度保留率的电缆寿命外推方程过程为：
式中：k为反应速率；A为指前因子；Ea为活化能，kJ/mol；R为气体摩尔常数，8.314J/mol﹒K；T为绝对温度，K。
因反应时间t与k成反比，而αT与t成反比，故对于不同时间点平移因子αT1、αT2可得：
本专利将曲线转移到最低温135℃，T2为绝对温度值，T2＝135+273K＝408K，平移因子aT＝1，可以得到：
对lnαT与1/408-1/T做图可得曲线的斜率为1.54618×10-4，求得活化能为128.5kJ/mol。
求得的基于硬度保留率的电缆寿命外推方程为：
其中t为待测温度下电缆寿命(h)，T为电缆实际运行温度(K)。
第三步，结合待测同类型电缆在实际工作过程中的硬度保留率值和工作温度，利用基于硬度保留率的电缆老化方程，得到当前硬度保留率对应于135℃下的老化时间，再利用基于硬度保留率的电缆寿命外推方程得出电缆在不同工作温度下剩余寿命的评估结果，寿命外推的过程如下：
如某船上使用30年的同类电缆绝缘层硬度检测得知其硬度为90HA，由公式(1)求得硬度保留率为10％，由式(2)可知135℃加速老化下该电缆的老化时间为842.26h，电缆实际工作温度为80℃，由公式(10)得出
可知电缆的整体寿命为35.17年，电缆剩余寿命为5.17年。
参照本发明所推出135℃条件下，基于硬度保留率的电缆老化方程和基于硬度保留率的电缆寿命外推方程，可以得知在不同的终点水平和不同的工作温度下电缆的寿命。
表2 不同温度和不同终点水平下电缆的寿命
对于现场检测来说，只需知道同类型电缆在当前使用情况下的硬度值与工作温度，就能够根据基于硬度保留率的电缆老化方程和基于硬度保留率的电缆寿命外推方程快速推断出电缆的寿命。可见，通过本发明所得结论可以快速的推算出同类型电缆在当前使用状态下的整体寿命与剩余寿命值，无需大量的试样制作，能够比较简单、快捷、无损的对电缆寿命进行评估。
Claims (5)
1.一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
第一步，对低压电缆的绝缘材料进行加速老化试验，获取不同温度和老化时间下电缆绝缘材料的硬度值，并由公式(1)得到不同老化温度和老化时间下的硬度保留率值；
1)选取低压电缆绝缘材料的试验标准试样，将其制成哑铃型试样；
2)选取哑铃型试样加速老化温度，其中135℃为加速老化试验必选温度；每一个加速老化温度下的试验周期采用等差级数；
3)对哑铃型试样进行加速老化试验，将老化后的哑铃型试样在待测试环境下放置一定时间后，在每个加速老化温度和试验周期下测试哑铃型试样的硬度值；
4)由公式(1)得到不同老化温度和老化时间下的硬度保留率值；
<mrow>
<mi>p</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>100</mn>
<mo>-</mo>
<mi>X</mi>
</mrow>
<mn>100</mn>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，p为硬度保留率，X为老化后哑铃型试样的硬度值；
第二步，将不同加速老化温度和老化时间下的硬度保留率值平移到最低加速老化温度下，并对平移后的数值进行曲线拟合，得到基于硬度保留率的电缆老化方程，结合阿伦尼乌斯方程，得到基于硬度保留率的电缆寿命外推方程；
第三步，结合待测同类型电缆在实际工作过程中的硬度保留率值和工作温度，利用基于硬度保留率的电缆老化方程，得到当前硬度保留率对应于135℃下的老化时间，再利用基于硬度保留率的电缆寿命外推方程得出电缆在不同工作温度下剩余寿命的评估结果。
2.如权利要求1所述的一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，其特征在于，第一步1)中所述的哑铃型试样厚度为0.8mm-2.0mm，厚度差小于0.1mm。
3.如权利要求1或2所述的一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，其特征在于，第一步2)中所述的等差级数的取点为4～10个。
4.如权利要求1或2所述的一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，其特征在于，第一步3)中所述哑铃型试样在待测试环境下的放置时间为不少于16h，不超过6天。
5.如权利要求3所述的一种基于硬度保留率的低压电缆剩余寿命快速检测方法，其特征在于，第一步3)中所述哑铃型试样在待测试环境下的放置时间为不少于16h，不超过6天。
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