CN106199350B - 一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法 - Google Patents

一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，包括下列步骤：加速老化步骤:在恒温恒湿的条件下使大电流通过完好的橡塑电缆，直至橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿，总时间为T，在总时间T内以相同的时间间隔取n‑1个时间点，依次记为t1、t2、……tn‑1，同时令t0＝0，tn＝T；对比数据库建立步骤：在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并进行扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试；并在对比数据库中建立上述测试或分析数据与从t0～tn间的各个时间点的对应关系；评估步骤：根据待测的橡塑电缆中的主绝缘材料的数据确定橡塑电缆的剩余寿命。

Description

一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法
技术领域
本发明涉及电缆测试领域的一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法。
背景技术
与油浸电缆、气体绝缘电缆等相比，橡塑电力电缆具有敷设简单、维修方便等优点，当前电压等级10～220kV的电网已主要选用主绝缘材料为低密度聚乙烯的橡塑电缆。一般橡塑电力电缆的运行寿命设计值为20至30年，但是电缆的实际运行寿命不可避免地受周围环境条件、负荷电流大小及波动的限制，橡塑电缆在电应力、热应力，机械应力以及环境应力的联合作用下，其主绝缘材料的绝缘性能会逐渐发生老化与劣化，并最终导致主绝缘材料的绝缘失效而击穿。由橡塑电缆中的主绝缘材料缺陷引发的常见老化形态有水树枝、电树枝和局部放电。
电力运行管理部门迫切关心的问题是，电缆系统在实际工况条件下长期运行后，特别是服役时间接近设计寿命时，是应该继续保持运行以使效益最大化还是退出运行以免发生停电事故造成严重损失。因此，对橡塑电缆中的主绝缘材料进行老化状态评估可以有效的避免电力事故的发生并减少经济损失。
橡塑电缆中的主绝缘材料是高分子材料，高分子材料在湿润气候条件或复杂的地下环境下会呈现多种老化特征。根据是否属于电学物理量，可将橡塑电缆的绝缘诊断参数大抵分为非电量参数和电量参数。而现阶段，大部分的学者只是从微观或者电学中的一个角度来评估电缆中的主绝缘材料的老化状态。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，其能够克服传统橡塑电缆绝缘老化状态评估方法测试数据单一的缺陷，对橡塑电缆绝缘老化状态评估的有效性得以提高。
实现上述目的的一种技术方案是：一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，包括下列步骤：
加速老化步骤：在恒温恒湿的条件下使大电流通过完好的橡塑电缆，加速橡塑电缆的老化，直至橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿，得到从橡塑电缆通电到橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿的总时间T，在所述的总时间T内，以相同的时间间隔取n-1个时间点，依次记为t1、t2、……tn-1，同时令t0＝0，tn＝T；
对比数据库建立步骤：在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并进行扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试；并在对比数据库中建立上述分析或测试数据与从t0～tn间的各个时间点的对应关系；
评估步骤：通过测量待评估的橡塑电缆中的主绝缘材料的扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试的数据在从t0～tn间的各个时间点间的分布情况，选取上述分析或测试数据分布最为集中的区间所在的时间点ti，其中i＝0～n，计算橡塑电缆的剩余寿命T′，计算公式为：
其中T0为待评估的橡塑电缆已使用时间。
进一步的，所述对比数据库中还包括：橡塑电缆生产厂家、生产日期、生产批次、生产工艺、敷设方式和接头工艺。
再进一步的，该橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，还包括数据优化步骤，即再利用神经网络分析算法，使所述对比数据库不断学习各种不同状态橡塑电缆的扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试的数据，对所述对比数据库进行优化，并在优化完成后返回评估步骤。
进一步的，所述的大电流的强度为50～100A。
进一步的，对比数据库建立步骤中,
扫描电镜的数据为样品的水枝化程度；
激光衍射粒度分析的数据为样品粒度的均值和方差；
介电谱测试的数据为样品特征介电损耗峰的强度；
荧光光谱分析的数据为样品特征荧光吸收峰的强度；
X射线衍射分析的数据为样品的特征X线衍射峰的强度；
热重分析的数据为样品的热稳定性；
电脉冲测试的数据为样品的空间电荷数量；
拉伸测试的数据为样品的拉伸强度和断裂伸长率。
采用了本发明的一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法的技术方案，包括下列步骤：加速老化步骤：在恒温恒湿的条件下使大电流通过完好的橡塑电缆，加速橡塑电缆的老化，直至橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿，得到从橡塑电缆通电到橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿的总时间T，在所述的总时间T内，以相同的时间间隔取n-1个时间点，依次记为t1、t2、……tn-1，同时令t0＝0，tn＝T；对比数据库建立步骤：在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并进行扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试；并在对比数据库中建立上述分析或测试数据与从t0～tn间的各个时间点的对应关系；评估步骤：通过测量待评估的橡塑电缆中的主绝缘材料的扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试的数据在从t0～tn间的各个时间点间的分布情况，选取上述分析或测试数据分布最为集中的区间所在的时间点ti，其中i＝0～n，计算橡塑电缆的剩余寿命T′，计算公式为：其中T0为待评估的橡塑电缆已使用时间。其技术效果是：克服了传统橡塑电缆绝缘老化状态评估方法测试数据单一的缺陷，对橡塑电缆绝缘老化状态评估的有效性得以提高。
具体实施方式
本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
本发明的一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，包括下列步骤：
加速老化步骤：在恒温恒湿的条件下使大电流通过完好的橡塑电缆，加速橡塑电缆的老化，直至橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿，得到从橡塑电缆通电到橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿的总时间T。在所述的总时间T内，以相同的时间间隔取n-1个时间点，依次记为t1、t2、……tn-1，同时令t0＝0，tn＝T。
大电流的强度一般为50～100A。
对比数据库建立步骤：
a.利用扫描电镜对电缆中的主绝缘材料的水树枝化程度进行观测：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于扫描电镜的电缆绝缘切片，用扫描电镜，观察每一个电缆绝缘切片中是否存在水树枝，并通过扫描电镜中的软件计算水树枝在每个电缆绝缘切片表面所占的面积百分比，即水树枝化程度，并在对比数据库中建立水树枝化程度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系。
b.激光衍射粒度分析：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于激光衍射粒度仪的激光衍射样品，测定每个激光衍射样品中的粒度的分布情况，尤其是粒度的均值和粒度的方差，并在对比数据库中建立粒度的均值和粒度的方差，与从t0～tn间的各个时间点的对应关系。
c.介电谱测试：
电缆中的主绝缘材料的支化、结晶、交联，共聚等都会影响其分子的松弛极化行为，聚合物分子的松弛过程的变化都将在介电谱中都通过特定频率的特征介电损耗峰有所反应。介电谱测试是研究聚合物老化降解的一种有效方法。
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于介电谱仪的介电谱仪样品，测定每个介电谱仪样品的特征介电损耗峰的频率和强度，在对比数据库中建立所有特征介电损耗峰的强度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系。
d荧光光谱分析：
利用聚合物老化过程中所产生的中间产物中的基团，以及最终产物中的基团的荧光光谱来动态描述老化过程，即聚合物老化过程中所产生的中间产物中的基团和最终产物中的基团都有对应的特定频率的特征荧光吸收峰。
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于荧光光谱仪的荧光光谱仪样品，测定每个荧光光谱仪样品中的各个特征荧光吸收峰的频率和强度，在对比数据库中建立所有特征荧光吸收峰的强度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系。
e.X射线衍射分析，即XRD：
通过分析主绝缘材料的物相，以及添加剂的特征X光衍射峰的强度的变化，判断橡塑电缆中的主绝缘材料组分随主绝缘材料老化而变化的情况。
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于XRD谱仪的XRD样品，确定每个XRD样品中的所有特征X光衍射峰的衍射角度和强度，从而确定主绝缘材料中各个组分的含量，在对比数据库中建立所有的所有特征X光衍射峰的强度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系，也可以在对比数据库中建立橡塑电缆中的主绝缘材料中所有组分的含量与从t0～tn间的各个时间点之间的对应关系。
f.热重分析：
通过分析不同升温速率下，橡塑电缆中的主绝缘材料的质量随温度的变化，用来研究橡塑电缆中的主绝缘材料的热稳定性和组分。
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于热重分析的热重分析样品。在设定的升温速率下，测定每一个热重分析样品的各个质量突变温度，在对比数据库中建立橡塑电缆中的主绝缘材料的热稳定性与从t0～tn间的各个时间点之间的对应关系。
对于橡塑电缆中的主绝缘材料的热重分析要在多个升温速率下进行，比如5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min等。
上述的测试方法都属于微观方法。
g.电脉冲测试：
对橡塑电缆中的主绝缘材料的空间电荷进行检测，再利用数据补偿技术，相对准确的定量确定橡塑电缆中的主绝缘材料，即电缆绝缘层的空间电荷的数量。而空间电荷的数量即可反映橡塑电缆中的主绝缘材料的缺陷与空位的多少，从而达到评估电缆老化状态的目的。
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于电脉冲测试的电脉冲样品，测定电脉冲样品中的空间电荷的数量，在对比数据库中建立电脉冲样品中空间电荷的数量与从t0～tn间的各个时间点的对应关系。
上述测试属于电学量测试。
h.拉伸测试
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成符合国家标准GBT228-2002的拉伸试样，并按国家标准GBT228-2002规定的拉伸速率对拉伸试样进行拉伸测试，在对比数据库中建立拉伸试样的拉伸强度以及断裂伸长率，与从t0～tn间的各个时间点的对应关系。
同时对比数据库中还应包括所取样橡塑电缆的基本信息，包括橡塑电缆生产厂家、生产日期、生产批次、生产工艺、敷设方式、接头工艺等。
评估步骤为：
通过对比数据库，确定待评估的橡塑电缆中的主绝缘材料的剩余使用寿命。即通过测量待评估的橡塑电缆中的主绝缘材料的水树枝化程度、粒度的均值和粒度的方差、特征介电损耗峰的强度、特征荧光吸收峰的强度、特征X光衍射峰的强度、热稳定性、空间电荷的数量，拉伸强度以及断裂伸长率在从t0～tn间的各个时间点间分布情况，选取上述分析或测试数据分布最为集中的区间所在的时间点ti，其中i＝0～n，计算橡塑电缆的剩余寿命T′，计算公式为：
其中T0为待评估的橡塑电缆已使用时间。
数据优化步骤：利用大数据分析，建立各个批次、各种使用环境、各种使用年限和各种工况下，包括主绝缘材料已经被击穿的橡塑电缆中的主绝缘材料的水树枝化程度、粒度的均值和粒度的方差、特征介电损耗峰的强度、特征荧光吸收峰的强度、特征X光衍射峰的强度、热稳定性、空间电荷的数量，拉伸强度以及断裂伸长率的对比数据库，再利用神经网络分析算法，使所述对比数据库不断学习各种不同状态橡塑电缆的参数及寿命，对所述对比数据库进行优化，得出一套较为科学的橡塑电缆绝缘老化状态评估方法。
利用经过优化的对比数据库，通过测量待评估的橡塑电缆中的主绝缘材料的水树枝化程度、粒度的均值和粒度的方差、特征介电损耗峰的强度、特征荧光吸收峰的强度、特征X光衍射峰的强度、热稳定性、空间电荷的数量，拉伸强度以及断裂伸长率，从而确定待评估的橡塑电缆中的主绝缘材料的剩余使用寿命。
本发明的一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，克服了传统橡塑电缆绝缘老化状态评估方法测试数据单一的缺陷，对橡塑电缆绝缘老化状态评估的有效性得以提高。同时可通过神经网络，对用以进行橡塑电缆绝缘老化状态评估的对比数据库进行不断优化，从而使得橡塑电缆绝缘老化状态评估的有效性得以进一步提高。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，包括下列步骤：
加速老化步骤:在恒温恒湿的条件下使大电流通过完好的橡塑电缆，加速橡塑电缆的老化，直至橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿，得到从橡塑电缆通电到橡塑电缆中的主绝缘材料被击穿的总时间T，在所述的总时间T内，以相同的时间间隔取n-1个时间点，依次记为t1、t2、……tn-1，同时令t0＝0，tn＝T；
对比数据库建立步骤：在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并进行扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试；并在对比数据库中建立上述分析或测试数据与从t0～tn间的各个时间点的对应关系；
评估步骤：通过测量待评估的橡塑电缆中的主绝缘材料的扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试的数据在从t0～tn间的各个时间点间的分布情况，选取上述分析或测试数据分布最为集中的区间所在的时间点ti，其中i＝0～n，计算橡塑电缆的剩余寿命T'，计算公式为：其中T0为待评估的橡塑电缆已使用时间,
对比数据库建立步骤中,
扫描电镜的数据为样品的水枝化程度；
激光衍射粒度分析的数据为样品粒度的均值和方差；
介电谱测试的数据为样品特征介电损耗峰的强度；
荧光光谱分析的数据为样品特征荧光吸收峰的强度；
X射线衍射分析的数据为样品的特征X线衍射峰的强度；
热重分析的数据为样品的热稳定性；
电脉冲测试的数据为样品的空间电荷数量；
拉伸测试的数据为样品的拉伸强度和断裂伸长率，
其中方法为：
a.利用扫描电镜对电缆中的主绝缘材料的水树枝化程度进行观测：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于扫描电镜的电缆绝缘切片，用扫描电镜，观察每一个电缆绝缘切片中是否存在水树枝，并通过扫描电镜中的软件计算水树枝在每个电缆绝缘切片表面所占的面积百分比，即水树枝化程度，并在对比数据库中建立水树枝化程度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系,
b.激光衍射粒度分析：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于激光衍射粒度仪的激光衍射样品，测定每个激光衍射样品中的粒度的分布情况，尤其是粒度的均值和粒度的方差，并在对比数据库中建立粒度的均值和粒度的方差，与从t0～tn间的各个时间点的对应关系,
c.介电谱测试：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于介电谱仪的介电谱仪样品，测定每个介电谱仪样品的特征介电损耗峰的频率和强度，在对比数据库中建立所有特征介电损耗峰的强度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系，
d荧光光谱分析：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于荧光光谱仪的荧光光谱仪样品，测定每个荧光光谱仪样品中的各个特征荧光吸收峰的频率和强度，在对比数据库中建立所有特征荧光吸收峰的强度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系，
e.X射线衍射分析：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于XRD谱仪的XRD样品，确定每个XRD样品中的所有特征X光衍射峰的衍射角度和强度，从而确定主绝缘材料中各个组分的含量，在对比数据库中建立所有的所有特征X光衍射峰的强度与从t0～tn间的各个时间点的对应关系，也可以在对比数据库中建立橡塑电缆中的主绝缘材料中所有组分的含量与从t0～tn间的各个时间点之间的对应关系，
f.热重分析：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于热重分析的热重分析样品，在设定的升温速率下，测定每一个热重分析样品的各个质量突变温度，在对比数据库中建立橡塑电缆中的主绝缘材料的热稳定性与从t0～tn间的各个时间点之间的对应关系，
g.电脉冲测试：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成可用于电脉冲测试的电脉冲样品，测定电脉冲样品中的空间电荷的数量，在对比数据库中建立电脉冲样品中空间电荷的数量与从t0～tn间的各个时间点的对应关系，
h.拉伸测试：
在从t0～tn间的各个时间点对橡塑电缆中的主绝缘材料进行取样，并制成符合国家标准GBT228-2002的拉伸试样，并按国家标准GBT228-2002规定的拉伸速率对拉伸试样进行拉伸测试，在对比数据库中建立拉伸试样的拉伸强度以及断裂伸长率，与从t0～tn间的各个时间点的对应关系。
2.根据权利要求1所述的一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于：所述对比数据库中还包括：橡塑电缆生产厂家、生产日期、生产批次、生产工艺、敷设方式和接头工艺。
3.根据权利要求2所述的一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于：其还包括数据优化步骤，即再利用神经网络分析算法，使所述对比数据库不断学习各种不同状态橡塑电缆的扫描电镜测试、激光衍射粒度分析、介电谱测试、荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、电脉冲测试和拉伸测试的数据，对所述对比数据库进行优化，并在优化完成后返回评估步骤。
4.根据权利要求1所述的一种橡塑电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于：所述的大电流的强度为50～100A。
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