CN108627742A - 一种用于评估电缆老化及运行电缆状态的非破坏性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于评估电缆老化及运行电缆状态的非破坏性方法。本方法对两种极化后的XLPE电缆试样以及不同运行年限下电缆试样去极化过程的等温松弛电流特性进行分析，得到陷阱分布特性等相关参数，为聚合物的绝缘状态分析提供了理论支持。本方法可以给出电缆绝缘的老化情况，并且无需参考敷设电缆的运行历史就可以获得它的残余寿命。本发明是一种非破坏性的测量，不仅可以用于评价电缆绝缘性能的优劣，还可以得到其内部空间电荷及陷阱分布的特性，可用于对电缆绝缘性能的评价。
Description
技术领域
本发明属于电气绝缘领域，涉及了一种用于评估电缆老化及运行电缆状态的非破坏性方法，特别涉及一种结合绝缘内部陷阱分布特性等相关参数的评价方法。
背景技术
电缆绝缘的老化是影响电缆电气性能的重要因素，所以对实际运行电缆的老化状态及绝缘寿命评估一直是业内关注的焦点。
在现有技术中，耐压法、介质损耗因素法是目前常用来评价交联聚乙烯(XLPE)电缆的实验手段。其中，首先，耐压法是一种直接判断电缆绝缘性能的方法，能够较为准确地对电缆寿命进行评估，但是这种方法难以准确区分分布性缺陷与集中性缺陷对电缆寿命的影响，且耐压后如果对电缆芯的放电时间不够，其残余电荷会影响绝缘电阻的测量。而且在实验过程中，该方法需要不断与新电缆的参数进行比较，处理数据较为繁琐。其次，介质损耗因素法主要依据谐波分析实现介质损耗角δ的测量，由于电力系统的工频信号在各种因素的影响下，其基波频率会有一定波动，并不总是理想的50Hz，且依据谐波分析法对介质损耗角δ的测试与分析也会由于“频谱泄露”现象产生较大的误差。这些缺点都限制了这两种方法的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，本发明的目的在于提供一种用于评估电缆绝缘老化及运行电缆状态的非破坏性方法，可以更加准确的从微观角度对实际运行电缆的绝缘性能进行评判，并与传统的评判方法相比，既有一定的一致性，又具有更广的适用性及准确性。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例的一方面提供一种用于评估电缆老化及运行电缆状态的非破坏性方法，其包括以下步骤：
步骤一，对所有被测电缆试样进行老化预处理，并对电缆两端进行可靠电磁屏蔽；
步骤二，对所有测电缆试样进行极化处理，一端可靠绝缘，另一端接高压直流电源，极化时间设定为1800s，极化场强为240V/mm；
步骤三，将极化后的所有电缆进行瞬时短路以去除表面的自由电荷；
步骤四，测量并记录等温松弛电流，对应的退极化时间设定为1800s；
步骤五，根据每一被测电缆的等温松弛电流进行分析，确定电缆老化程度与等温松弛电流的关联关系。
其中，所述步骤一进一步包括：
选择多条抗水树XLPE电缆和普通XLPE电缆，分别采用未老化、以及不同的加速老化方式及老化时间，获得经预处理后的被测电缆试样；同时选择不同使用年限的普通XLPE电缆作为被测电缆试样；其中，加速老化方式包括：在水中加速老化以及在空气中加速老化。
其中，在所述步骤五中，进一步选择以下参数对运行电缆状态进行表征：等温松弛电流、极化贡献和老化因子。
其中，在所述步骤五中，通过测得数据以等温松弛电流I为纵坐标，时间t为横坐标，得到不同老化程度的抗水树XLPE与普通XLPE电缆、以及不同运行年限电缆的等温松弛电流随时间的变化关系，其中，随着电缆老化程度以及运行年限的增加，试样的松弛电流初始值增大；且电流衰减时间变长。
其中，在所述步骤五中，通过采用三阶指数衰减函数对松弛电流曲线进行拟合，以等温松弛电流与时间的乘积I*t为纵坐标，时间的对数logt为横坐标，得到拟合曲线I*t～logt，通过曲线的峰值以及峰值的移动情况来获得试样的老化程度以及内部陷阱的分布情况。
其中，在所述步骤五中，通过测得数据计算不同松弛过程的极化贡献，并绘制柱状图，通过极化贡献的变化趋势结合试样的老化程度进行分析，获得相应关系。
其中，在所述步骤五中，通过计算老化引起的极化贡献(Q2)与界面极化贡献(Q3)的比值得到老化因子A，其中，随着电缆运行年限的增加老化因子的数值随之增大，即电缆的老化程度加深。
其中，在所述步骤五中，对表征电缆老化及运行电缆状态的不同参数进行比较，随着电缆老化程度的加深及运行年限的增大，松弛电流初始值增大，衰减时间增长，陷阱深度变深，陷阱电荷密度变大，极化贡献以及老化因子也随之增大。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
在本发明的实施例中，通过对极化后的新型抗水树XLPE电缆(K型电缆)和10kVXLPE电缆(P型电缆)去极化过程的松弛电流特性的分析，提取陷阱分布特性等绝缘内部的相关信息并进行数学处理，以对电缆的剩余寿命进行判断。不同运行年限电缆试样的等温松弛电流特性明显不同：随着电缆老化程度以及运行年限的增加，试样的松弛电流初始值增大，且电流衰减时间变长；经分析发现，运行年限较长的电缆试样，陷阱电荷密度增加，陷阱能级加深。本发明的这种测量和表征方法可以用于XLPE电缆电气绝缘性能的评价中，而无需破坏被测的XLPE电缆。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的一种用于评估电缆老化及运行电缆状态的非破坏性方法的一个实施例的主流程示意图；
图2为图1中涉及的极化与去极化电流原理曲线图；
图3为图1中涉及的等温松弛电流测试的实验图；
图4(a)是图1中不同老化方式及老化条件的K型电缆等温松弛电流曲线；
图4(b)是图1中不同老化方式及老化条件的K型电缆I*t～logt拟合曲线；
图5(a)图1中K型电缆松弛过程2(Q2)界面极化贡献；
图5(b)图1中K型电缆松弛过程3(Q3)由于老化而引起的极化贡献；
图6(a)是图1中不同老化方式及老化条件的P型电缆等温松弛电流曲线；
图6(b)是图1中不同老化方式及老化条件的P型电缆I*t～logt拟合曲线；
图7(a)是图1中P型电缆松弛过程2(Q2)界面极化贡献；
图7(b)是图1中P型电缆松弛过程3(Q3)由于老化而引起的极化贡献；
图8(a)是图1中不同运行年限电缆等温松弛电流曲线；
图8(b)是图1中不同运行年限电缆I*t～logt拟合曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图1所示示出了本发明提供的一种用于评估电缆老化及运行电缆状态的非破坏性方法的主流程示意图。在本实施例中，所述方法包括以下步骤：
步骤S10，对所有被测电缆试样进行老化预处理，并对电缆两端进行可靠电磁屏蔽；具体地，步骤S10进一步包括：
选择多条抗水树XLPE电缆和普通XLPE电缆，分别采用未老化、以及不同的加速老化方式及老化时间，获得经预处理后的被测电缆试样；同时选择不同使用年限的普通XLPE电缆作为被测电缆试样；其中，加速老化方式包括：在水中加速老化以及在空气中加速老化。
步骤S11，对所有测电缆试样进行极化处理，一端可靠绝缘，另一端接高压直流电源，极化时间设定为1800s，极化场强为240V/mm；
步骤S12，将极化后的所有电缆进行瞬时短路以去除表面的自由电荷；
步骤S13，测量并记录等温松弛电流，对应的退极化时间设定为1800s；
步骤S14，根据每一被测电缆的等温松弛电流进行分析，确定电缆老化程度与等温松弛电流的关联关系。
进一步的，在所述步骤S14中，进一步选择以下参数对运行电缆状态进行表征：等温松弛电流、极化贡献和老化因子。
在一个例子中，在所述步骤S14中，通过测得数据以等温松弛电流I为纵坐标，时间t为横坐标，得到不同老化程度的抗水树XLPE与普通XLPE电缆、以及不同运行年限电缆的等温松弛电流随时间的变化关系，其中，随着电缆老化程度以及运行年限的增加，试样的松弛电流初始值增大；且电流衰减时间变长。
在一个例子中，在所述步骤S14中，通过采用三阶指数衰减函数对松弛电流曲线进行拟合，以等温松弛电流与时间的乘积I*t为纵坐标，时间的对数logt为横坐标，得到拟合曲线I*t～logt，通过曲线的峰值以及峰值的移动情况来获得试样的老化程度以及内部陷阱的分布情况。
在一个例子中，在所述步骤S14中，通过测得数据计算不同松弛过程的极化贡献，并绘制柱状图，通过极化贡献的变化趋势结合试样的老化程度进行分析，获得相应关系。
在一个例子中，在所述步骤S14中，通过计算老化引起的极化贡献(Q2)与界面极化贡献(Q3)的比值得到老化因子(A)，其中，随着电缆运行年限的增加老化因子的数值随之增大，即电缆的老化程度加深。
在一个例子中，在所述步骤S14中，对表征电缆老化及运行电缆状态的不同参数进行比较，随着电缆老化程度的加深及运行年限的增大，松弛电流初始值增大，衰减时间增长，陷阱深度变深，陷阱电荷密度变大，极化贡献以及老化因子也随之增大。
为了便于理解本发明的原理。下面将以举例的方式对上述步骤进行说明。一并结合图2至图8(b)所示。其中，图2为图1中涉及的极化与去极化电流原理曲线图；而图3为图1中涉及的等温松弛电流测试的实验图。
在本发明的实施例中，采用10kV新型抗水树XLPE电缆(K型电缆)和10kV普通XLPE电缆(P型电缆)作为被测电缆试样。具体地：
首先，请参照表1所示，表1中给出一个例子中10kV新型抗水树XLPE电缆(K型电缆)和10kV普通XLPE电缆(P型电缆)样品分类。
表1
不同老化方式所对应的老化条件如下：
1)在水中加速老化：样品导体内注水，且电缆有效试验段置于水管内，加电压27.5kV，加电流使导体温度达到95-100℃，每个循环加热8小时，冷却16小时，可以理解的是，其中上述各数值仅为举例，在实际过程中可以进行相应调整。
2)在空气中加速老化：电缆置于空气中，加电压27.5kV，加电流使导体温度达到95-100℃，每个循环加热8小时，冷却16小时。
对K型电缆分别进行等温松弛电流测试，极化过程所加电压大小为1080V，极化时间为1800s；极化过程后，短路2秒，然后进行去极化电流测试，去极化电流测试时间为1800s。等温松弛电流测试结果如图4(a)所示。
参照图4(a)可以看出，随着老化程度的加深，等温松弛电流曲线呈现出一定的变化趋势。随着老化程度加深，松弛电流曲线衰减时间变长，且曲线起始的衰减电流值增大。但是从图中可以看出，K2试样松弛电流变化反常。K3试样松弛电流变化非常大。
参照图4(b)，采用三阶指数衰减函数对松弛电流曲线进行拟合，并绘制I*t～logt曲线图。其中从上至下分别表示K2、K1、K4、K3对应的曲线；在I*t～logt曲线中存在一个明显的峰值，这表明有一种极化形式占据主导地位。随着老化程度的加深，曲线峰值呈现向右移动的趋势，这表明随着老化程度的加深，试样的陷阱深度变深。此外，随着老化的加深，试样的陷阱电荷密度增大。
如表2所示，表2中给出了一个例子中K型电缆试样拟合系数。
表2
从表格2中可以看出，随着老化程度的加深，老化因子A大致呈现增大的趋势，这表明老化因子A可以用以评价电缆的老化状态。其中，a1、τ1、a2、τ2、a3、τ3是拟合得到的参数，它们与电介质材料的特性有关，ai反应了各个极化过程的陷阱密度；i是各个极化过程的松弛时间，反应了各个极化过程的陷阱深度。
参照图5(a)和5(b)所示，每种极化形式的贡献可以如下式所示：
老化因子A可由Q3与Q2的比值得到：
松弛过程2(Q2)表示界面极化贡献，松弛过程3(Q3)表示由于老化而引起的极化贡献，分别计算K型电缆的极化贡献。由图5(a)和5(b)可以看出，松弛过程2与松弛过程3的极化贡献随着老化程度的加深大致呈现增大的趋势。这表明，老化程度加深会分别使得松弛过程2与松弛过程3的极化程度增大。
对P型电缆分别进行等温松弛电流测试，过程与对K型电缆进行等温松驰电流测试的过程相同。
参照图6(a)所示，图中，从上至下分别对应P4、P3和P2的相应曲线；其中，等温松弛电流曲线呈现出一定的变化趋势。随着加速老化程度的加深松弛电流曲线衰减时间变长，曲线起始的衰减电流值增大。
参照图6(b)所示，采用三阶指数衰减函数对松弛电流曲线进行拟合，并绘制I*t～logt曲线，图中从上至分分别对应P4、P3和P2的相应曲线。在I*t～logt曲线中存在一个明显的峰值，这表明有一种极化形式占据主导地位。随着老化程度的加深，曲线峰值呈现向右移动的趋势，这表明随着老化程度的加深，试样的陷阱深度变深。随着老化的加深，试样的陷阱电荷密度增大。
如表3所示，表3中给出了一个例子中P型电缆试样拟合系数。
表3
由表3可以看出，随着老化程度的加深，老化因子A大致呈现增大的趋势，这表明老化因子A可以用以评价电缆的老化状态。
参照图7(a)和图7(b)所示，按照式(1-1)与式(1-2)分别计算P型电缆的极化贡献。松弛过程2与松弛过程3的极化贡献随着老化程度的加深大致呈现增大的趋势。这表明，老化程度加深会分别使得松弛过程2与松弛过程3的极化程度增大。
参照图8(a)所示，XLPE电缆松弛电流的曲线分布与运行年限关系较大。运行年限越久，等温松弛电流初始值越大，衰减时间越长。
参照图8(b)所示，按照等温松弛电流理论绘制I*t～logt拟合曲线。由此可知，I*t～logt曲线与运行年限关系较大。随着运行年限的增加，陷阱浓度呈增大趋势，陷阱能级深度也呈现增大趋势。
如表4所示，表4中给出了一个例子中三种不同运行年限的电缆的具体信息。不同运行年限的电缆试样为实际运行的10kV电缆试样，本项目中采用的不同运行年限的10kV电缆试样横截面为400mm2。
表4
如表5所示，给出了对应于表4中不同运行年限电缆试样松弛电流曲线拟合系数。
表5
由表格中老化因子A的变化趋势可得，XLPE电缆老化程度基本按照老化年限呈现增大的趋势。
综上所述，可以通过对实验所得的等温松弛电流进行数学处理来对电缆的剩余寿命进行判断。
实施本发明实施例，具有如下的有益效果：
在本发明的实施例中，通过对极化后的新型抗水树XLPE电缆(K型电缆)和10kVXLPE电缆(P型电缆)去极化过程的松弛电流特性的分析，提取陷阱分布特性等绝缘内部的相关信息并进行数学处理，以对电缆的剩余寿命进行判断。不同运行年限电缆试样的等温松弛电流特性明显不同：随着电缆老化程度以及运行年限的增加，试样的松弛电流初始值增大，且电流衰减时间变长；经分析发现，运行年限较长的电缆试样，陷阱电荷密度增加，陷阱能级加深。本发明的这种测量和表征方法可以用于XLPE电缆电气绝缘性能的评价中，而无需破坏被测的XLPE电缆。。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于评估电缆老化及运行电缆状态的非破坏性方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，对所有被测电缆试样进行老化预处理，并对电缆两端进行可靠电磁屏蔽；
步骤二，对所有测电缆试样进行极化处理，一端可靠绝缘，另一端接高压直流电源，极化时间设定为1800s，极化场强为240V/mm；
步骤三，将极化后的所有电缆进行瞬时短路以去除表面的自由电荷；
步骤四，测量并记录等温松弛电流，对应的退极化时间设定为1800s；
步骤五，根据每一被测电缆的等温松弛电流进行分析，确定电缆老化程度与等温松弛电流的关联关系。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤一进一步包括：
选择多条抗水树XLPE电缆和普通XLPE电缆，分别采用未老化、以及不同的加速老化方式及老化时间，获得经预处理后的被测电缆试样；同时选择不同使用年限的普通XLPE电缆作为被测电缆试样；其中，加速老化方式包括：在水中加速老化以及在空气中加速老化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述步骤五中，进一步选择以下参数对运行电缆状态进行表征：等温松弛电流、极化贡献和老化因子。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过测得数据以等温松弛电流I为纵坐标，时间t为横坐标，得到不同老化程度的抗水树XLPE与普通XLPE电缆、以及不同运行年限电缆的等温松弛电流随时间的变化关系，其中，随着电缆老化程度以及运行年限的增加，试样的松弛电流初始值增大；且电流衰减时间变长。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过采用三阶指数衰减函数对松弛电流曲线进行拟合，以等温松弛电流与时间的乘积I*t为纵坐标，时间的对数logt为横坐标，得到拟合曲线I*t～logt，通过曲线的峰值以及峰值的移动情况来获得试样的老化程度以及内部陷阱的分布情况。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过测得数据计算不同松弛过程的极化贡献，并绘制柱状图，通过极化贡献的变化趋势结合试样的老化程度进行分析，获得相应关系。
7.根据权利要求3或6所述的方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过计算老化引起的极化贡献(Q2)与界面极化贡献(Q3)的比值获得老化因子(A)，其中，随着电缆运行年限的增加老化因子的数值随之增大，即电缆的老化程度加深。
8.根据权利要求3或6所述的方法，其特征在于，在所述步骤五中，对表征电缆老化及运行电缆状态的不同参数进行比较，随着电缆老化程度的加深及运行年限的增大，松弛电流初始值增大，衰减时间增长，陷阱深度变深，陷阱电荷密度变大，极化贡献以及老化因子也随之增大。
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