CN105445626A - 一种低压多芯电缆剩余寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压多芯电缆剩余寿命评估方法，包括对低压多芯电缆样品绝缘材料进行低压多芯电缆工作时的模拟试验，给出关于低压多芯电缆实际工作温度的阿氏寿命评估方程；测量低压多芯电缆绝缘材料的绝缘值，获得基于电缆绝缘值的电缆剩余寿命方程和电缆寿命终止时的绝缘电阻值；根据阿氏寿命评估方程和电缆剩余寿命方程计算电缆寿命，根据阿氏寿命评估方程的判定结果对电缆剩余寿命方程的结果进行验证；根据现场工程实施过程中测量得到的低压多芯电缆绝缘值，利用电缆剩余寿命方程，对现场低压多芯电缆的剩余寿命做出估算。该方法可以在现场对多芯电缆的剩余寿命做出迅速而准确的评估，为多芯电缆的维修和更换提供了充分的依据，大大节省了人力、物力和财力。

Description

一种低压多芯电缆剩余寿命评估方法

技术领域

本发明属于电气设备诊断技术领域，涉及到低压多芯电缆的绝缘状态检测，特别涉及到一种低压多芯电缆剩余寿命评估方法。

背景技术

随着工业自动化水平的不断提高，各种大型设备，如航天飞机、船舶军舰、火车地铁、甚至普通汽车，内部的电缆网络规模日益增大。其内部电缆种类繁多，各类电源线、高低频信号线混杂在一起，电气环境十分复杂，经常因为潮湿、腐蚀、高低温等环境因素以及外力作用的影响而发生短路、断线、绝缘老化等问题。这些电缆故障严重地影响了设备性能，甚至可能会带来巨大的损失和灾难。

如果电缆绝缘性能达到老化末期，接近失效而未及时更换，不仅会造成电气设备损坏，甚至会发生火灾或爆炸事故，严重的可能导致整个系统的崩馈，甚至带来生命危险。如果电缆未达到老化寿命末期就提前更换，又会造成巨大的浪费。

目前，国内外还尚未出台更换电缆的通用标准，加之国内、国外电缆制作工艺及材质的不同，很难借鉴，所以急需研究特定的电缆在使用过程中的相关数据，为电缆的更换提供充分的依据。

测量绝缘电阻值是发现电力设备是否有贯通的集中性缺陷、整体受潮或贯通性受潮等缺陷的一种手段。对于良好洁净的绝缘体，无论绝缘体内或是表面的离子数都很少，电导电流很小，绝缘电阻值很大。如果绝缘存在贯通的集中性缺陷，例如开裂、脏污，特别是受潮以后，绝缘体的导电离子数会急剧增加，电导电流则明显上升，绝缘电阻会大幅度下降。实践证明，绝缘电阻大小能灵敏的反映绝缘状态，有效地发现电缆的贯穿性缺陷，并与电缆剩余寿命有着密切的关系。电缆的绝缘电阻值是研究绝缘材料的品质、特性和绝缘结构以及电缆在各种运行条件下的使用性能等方面的重要参数。

申请人在先申请了一件中国专利，申请号为201410178517.X，公开了一种超小型并行处理器电缆测试系统及测试方法。此测试系统可对多芯电缆进行在线监测，快速有效的获取电缆的绝缘值。可以根据绝缘值对被测缆的绝缘情况进行判断，利用数据挖掘技术找出电缆剩余寿命的发展规律，从而估算电缆剩余寿命。

发明内容

针对上述背景技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种低压多芯电缆剩余寿命评估方法，达到较为准确而迅速的评估低压多芯电缆剩余寿命的目的。

为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：

一种低压多芯电缆剩余寿命评估方法，包括如下步骤：

1)对低压多芯电缆样品的绝缘材料进行电缆工作时的模拟试验，给出关于低压多芯电缆实际工作温度的阿氏寿命评估方程；

2)对低压多芯电缆绝缘材料进行模拟试验的同时测量低压多芯电缆绝缘材料的绝缘值，获得基于电缆绝缘值的电缆剩余寿命方程和电缆寿命终止时的绝缘电阻值；

3)对同种规格的低压多芯电缆，根据阿氏寿命评估方程和电缆剩余寿命方程计算电缆寿命，根据阿氏寿命评估方程的判定结果对电缆剩余寿命方程的结果进行验证；

4)根据现场工程实施过程中测量得到的低压多芯电缆绝缘值，利用电缆剩余寿命方程，对现场低压多芯电缆的剩余寿命做出估算。

进一步地，所述阿氏寿命评估方程如下：

$\frac{P_{0i}}{P_i}=\exp \[\frac{E_0}{k}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T_i})\]$

L＝t₀/ΣP₀(1)

式中，T_i为电缆导体的温度(K)；P_i为电缆导体在T_i温度下的时间占一天时间的百分比；T₀为老化温度(K)；t₀为在T₀温度下的老化时间(h)；E₀为电缆绝缘对应于设定的损坏终点的活化能(eV)；P_0i为电缆在T₀环境温度下寿命与各个T_i工作温度下电缆寿命之比；k为玻尔兹曼常数，L为电缆的寿命值。

进一步地，选择电缆绝缘对应于设定的损坏终点的活化能E₀在60％的永久伸长率时的活化能作为寿命终止时的参数。

进一步地，所述电缆导体的温度T_i，通过下式得到：

$\frac{P_2^2}{P_1^2}=\frac{T_{i2}-T_{a2}-D_2}{T_{i1}-T_{a1}-D_1}---\left(3\right)$

式中，P为电缆的载流量(A)；T_i为电缆导体的温度(℃)；T_a为环境温度(℃)；D为介质损耗温升(℃)；下标为1的代表电缆在标称条件下的参数；下标为2的代表电缆的实际工作参数，电缆工作的实际温度T_i2由实测的载流量和环境温度计算获得。

进一步地，所述电缆寿命方程如下：

y＝Aln(x)+B(2)

式中，A、B分别为待定系数，x为多芯电缆绝缘值，y为电缆剩余寿命。

进一步地，根据阿氏寿命评估方程的判定结果减去电缆剩余寿命方程的结果，即得到电缆使用年限，由实际使用年限与计算得到的电缆使用年限比较进行电缆剩余寿命方程验证。

进一步地，所述步骤4)中，利用超小型并行处理器电缆测试系统对现场工程实施过程中低压多芯电缆测量得到低压多芯电缆绝缘值。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明提出的低压多芯电缆剩余寿命评估方法可以在现场对多芯电缆的剩余寿命做出迅速而准确的评估，为多芯电缆的维修和更换提供了充分的依据，大大节省了人力、物力和财力。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的技术方案是通过实验室结合现场测试的方法，对低压多芯电缆剩余寿命进行评估，它包括如下步骤：

1)对电缆样品的绝缘材料进行电缆工作时的模拟试验，其中环境温度和载流量要一致。模拟电缆工作过程，给出关于电缆实际工作温度的阿氏寿命评估方程：

$\frac{P_{0i}}{P_i}=\exp \[\frac{E_0}{k}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T_i})\]$

L＝t₀/ΣP₀(1)

式中，T_i为电缆导体的温度(K)；P_i为电缆导体在T_i温度下的时间占一天时间的百分比；T₀为老化温度(K)；t₀为在T₀温度下的老化时间(h)；E₀为电缆绝缘对应于设定的损坏终点的活化能(eV)；P_0i为电缆在T₀环境温度下寿命与各个T_i工作温度下电缆寿命之比；k为玻尔兹曼常数，L为电缆的寿命值。

2)对电缆绝缘材料进行模拟试验的同时测量电缆绝缘材料的绝缘值，获得基于电缆绝缘值的电缆寿命方程和电缆寿命终止时的绝缘电阻值，该寿命方程具有以下形式：

y＝Aln(x)+B(2)

式中，A、B分别为待定系数，与电缆绝缘材料及结构有关，x为多芯电缆绝缘值，Y为电缆剩余寿命。

3)对同种规格的低压多芯电缆，根据公式(1)和公式(2)计算电缆寿命，根据公式(1)的判定结果对公式(2)的结果进行验证：

L-y＝电缆使用年限。

4)在多芯电缆工作的过程中，电缆绝缘材料所运行的实际温度是不可检测的，而电缆绝缘材料的绝缘值是可现场检测的。因此，根据现场工程实施过程中测量得到的电缆绝缘值，利用公式(2)的基于绝缘电阻值的寿命方程，即可迅速对现场电缆的剩余寿命做出估算。

本发明在获得电缆剩余寿命方程的过程中遵循以下原则：

1)选择电缆在60％的永久伸长率时的活化能作为寿命终止时的参数；

2)确定评估前的实验室老化试验的温度和老化时间；

3)确定电缆的工作环境温度和电缆载荷电流；

4)选择能反映电缆主要性能的参数作为考核的性能参数，此性能参数应该能灵敏地反映电缆随热老化时间变化地规律，并且能够准确测试，试验数据具有良好的重复性。并选定此项参数低于某一个值时，即为寿命终止临界值。本发明选择电缆绝缘材料的绝缘值为参考指标。

5)加速热老化时间的选择。在模拟试验温度下加速热老化试验时，选择偶数天，得出老化曲线的实测点数。

6)在模拟试验温度下进行热老化试验，求出模拟试验温度下试品性能参数与热老化时间的关系曲线。

7)将模拟温度下的寿命时间与电缆绝缘值的关系做成曲线，就是被测试品的寿命曲线。

下面以评估已航行25年的未更换的3芯主干电缆的剩余寿命为例对本发明做详细说明。

电缆参数及工作条件：100V，4/0AWG，1000米3芯电缆

活化能：对应于60％永久相对伸长率的活化能为E₆₀＝1.13eV

烘箱老化试验：150℃时可工作504h即14天

载荷：65％的时间为224A，35％的时间为100A

环境温度：45％的时间为50℃，40％的时间为40℃，15％的时间为30℃。

(1)基于电缆实际工作温度的电缆寿命方程

4/0AWG，1000米，3芯电缆在导体温度为90℃，环境温度为40℃时允许的载流量为280A。根据公式可求出电缆的实际工作温度。

$\frac{P_2^2}{P_1^2}=\frac{T_{i2}-T_{a2}-D_2}{T_{i1}-T_{a1}-D_1}*\frac{234.5+T_{i1}}{234.5+T_{i2}}---\left(3\right)$

上式中P为电缆的载流量(A)，T_i为电缆导体的温度(℃)，T_a为环境温度(℃)，D为介质损耗温升(℃)。式中下标为1的代表电缆在标称条件下的参数。下标为2的代表电缆实际的工作参数，即P₁＝280A，T_i1＝90℃，T_a1＝40℃,D₁＝0.32，则电缆的实际工作温度T_i2可由实测的载流量和环境温度计算获得。见下表。

表1电缆实际工作温度表

P2	D2	Ta2	Ti2
				224	0.32	50	81.26
200	0.32	50	74.45
				224	0.32	40	70.17
200	0.32	40	63.61
				224	0.32	30	59.09
200	0.32	30	52.76

电缆实际工作温度确定后，可由下述公式计算电缆寿命： $\frac{P_{0i}}{P_i}=\exp \[\frac{E_0}{k}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T_i})\]$

L＝t₀/ΣP₀

其中，T_i为电缆导体的温度；P_i为电缆导体在T_i温度下的时间占一天时间的百分数，按上述数据计算得0.65*0.45＝0.2925等；T₀为老化温度；t₀为在T₀温度下的老化时间；P_0i为电缆在T₀环境温度下寿命与各个T_i电缆导体的温度下电缆寿命之比；L为电缆的寿命值；E₀为电缆绝缘对应于设定的损坏终点的活化能，k为玻尔兹曼常数。

上式中E₆₀＝1.13,t₀＝504h，T₀＝150℃。

表2电缆寿命

Ti(℃)	Pi	Pi60
			81.26	0.2925	0.00071738
74.45	0.1575	0.00018719

70.17	0.2600	0.00019317
			63.61	0.1400	0.0004936
59.09	0.0975	0.0002024
			52.76	0.0525	0.000005074 -->
	ΣPi＝1	ΣPi60＝0.00117231

则电缆寿命为：L₆₀＝t₀/ΣP_i60＝504/0.00117231＝49年，则剩余寿命为24年。

(2)基于电缆绝缘值的电缆剩余寿命方程

对应环境温度下的绝缘值：

对试验数据进行理论分析得关系式为：

y＝Aln(x)+B

经数据分析得：A＝279.39，B＝-354.51，即y＝279.39ln(x)-354.51

(3)现场工程测量绝缘值

通过现场检测电缆绝缘值，其多芯电缆绝缘值为任意两对芯线的绝缘值之和除以检测对数。经计算得1000米3芯电缆绝缘值x＝207。

(4)电缆剩余寿命评估值

将绝缘值x＝207代入基于绝缘值的寿命评估方程

y＝279.39ln(x)-354.51得y＝23，电缆还可使用23年，此电缆已用25年，总寿命为48年。与电缆总寿命49年接近，将电缆绝缘值的临界数据x＝14代入上述方程，电缆还可使用2年，这与用电缆实际温度估算的寿命相近，进一步证明了方程的准确性。

以上所述，仅是本发明针对本发明应用的实施例，可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但并非对本发明做任何限制。按照本发明技术方案，上述实施例可举出很多例子。凡是根据本发明技术方案所给出的范围和对以上实施例所做的任何简单的修改和变更，均属于本发明技术方案的保护范围。大量的实验结果表明，在本发明权利要求书所提出的范围，均可达到本发明的目的。

Claims (7)

1.一种低压多芯电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对低压多芯电缆样品的绝缘材料进行电缆工作时的模拟试验，给出关于低压多芯电缆实际工作温度的阿氏寿命评估方程；

2)对低压多芯电缆绝缘材料进行模拟试验的同时测量低压多芯电缆绝缘材料的绝缘值，获得基于电缆绝缘值的电缆剩余寿命方程和电缆寿命终止时的绝缘电阻值；

3)对同种规格的低压多芯电缆，根据阿氏寿命评估方程和电缆剩余寿命方程计算电缆寿命，根据阿氏寿命评估方程的判定结果对电缆寿命方程的结果进行验证；

4)根据现场工程实施过程中测量得到的低压多芯电缆绝缘值，利用电缆剩余寿命方程，对现场低压多芯电缆的剩余寿命做出估算。

2.根据权利要求1所述的低压多芯电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述阿氏寿命评估方程如下：

L＝t₀/∑P₀(1)

式中，T_i为电缆导体的温度(K)；P_i为电缆导体在T_i温度下的时间占一天时间的百分比；T₀为老化温度(K)；t₀为在T₀温度下的老化时间(h)；E₀为电缆绝缘对应于设定的损坏终点的活化能(eV)；P_0i为电缆在T₀环境温度下寿命与各个T_i工作温度下电缆寿命之比；k为玻尔兹曼常数，L为电缆的寿命值。

3.根据权利要求2所述的低压多芯电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，选择电缆绝缘对应于设定的损坏终点的活化能E₀在60％的永久伸长率时的活化能作为寿命终止时的参数。

4.根据权利要求1所述的低压多芯电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述电缆导体的温度T_i，通过下式得到：

式中，P为电缆的载流量(A)；T_i为电缆导体的温度(℃)；T_a为环境温度(℃)；D为介质损耗温升(℃)；下标为1的代表电缆在标称条件下的参数；下标为2的代表电缆的实际工作参数，电缆工作的实际温度T_i2由实测的载流量和环境温度计算获得。

5.根据权利要求1所述的低压多芯电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述电缆寿命方程如下：

y＝Aln(x)+B(2)

式中，A、B分别为待定系数，x为多芯电缆绝缘值，y为电缆剩余寿命。

6.根据权利要求1所述的低压多芯电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，根据阿氏寿命评估方程的判定结果减去电缆剩余寿命方程的结果，即得到电缆使用年限，由实际使用年限与计算得到的电缆使用年限比较进行电缆寿命方程验证。

7.根据权利要求1所述的低压多芯电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述步骤4)中，利用超小型并行处理器电缆测试系统对现场工程实施过程中低压多芯电缆测量得到低压多芯电缆绝缘值。