CN108828416A - 一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法 - Google Patents

一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，对XLPE电缆绝缘进行切片，制作不同的目标试样，对目标试样制作电极后置于在介电谱测试仪中，测得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”；获得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”随频率的变化曲线，对得到的介电常数实部ε'进行数学计算，获得介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化，从而对XLPE电缆绝缘老化状态进行表征。本发明方法有效避免了低频范围直流电导对介电松弛过程的影响，相比于传统的介电常数实部和介电常数虚部，变化规律更加明显，具有更清晰明确的老化状态指示作用，方法操作简单，评估结果准确。

Description

一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评 估方法
技术领域
本发明属于电力设备绝缘检测领域，具体涉及一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法。
背景技术
交联聚乙烯(XLPE)电缆凭借着优异的机械性能和介电性能被广泛应用于电力传输网络中，然而，在运行过程中电缆绝缘受到热、电场以及其他环境因素的影响，性能发生劣化，如变硬、开裂、电导率增大以及介电损耗增大等。XLPE电缆的设计使用寿命一般为30年，我国已有相当数量的电缆进入寿命的中后期，发生故障的概率也大幅度增加，因此，对电缆绝缘进行老化状态表征十分必要。
电介质的介电响应特性不仅是电介质的重要性能之一，同时也是探索电介质内部分子链运动、载流子跃迁等微观响应特性的重要手段。研究表明，电介质性能劣化，尤其是早期性能劣化，首先体现为其高温低频。工程电介质早期劣化与高温低频条件下的介电响应具有密切的联系。对高温低频介电响应的认识是进一步理解电介质劣化、尤其早期劣化特性的关键。然而在高温低频区域，直流电导分量占比逐渐增加，甚至占据主导地位。此时，在频域介电谱中直流电导分量叠加在具有长松弛时间的低频介电松弛过程上，部分、甚至完全遮盖低频介电松弛的现象。
当前，通常使用介电常数虚部来评估电缆绝缘老化状态，变化规律不明显，导致评估结果存在偏差，不能及时反映出电缆绝缘老化状态。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，该方法简单易行，评估结果可靠，能够反映出电缆绝缘的老化状态。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，包括以下步骤：
1)试样准备：将交联聚乙烯电缆绝缘切成若干片，清除切片表面杂质，取其中一个切片作为未老化的目标试样，再取出若干片分别进行加热老化处理，加热不同时间段后取出，作为老化状态表征的目标试样；
2)电极制作：对目标试样的正反两面进行离子溅射，形成两个金属电极；
3)介电谱测试：将目标试样放置在介电谱测试系统中，设置测试温度、频率范围以及电压，启动介电谱测试仪，测量交联聚乙烯电缆绝缘的复介电常数的频率特性，获得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”随频率的变化曲线；
4)对导数计算：对得到的介电常数实部ε'进行数学计算，获得介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化；
5)老化状态评估：根据步骤4)获得的介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化结果判断交联聚乙烯电缆绝缘老化状态。
优选地，步骤1)中，取出三片切片进行加热老化处理：具体是将切片放置于干燥箱中，在100℃～150℃下进行加热老化实验，老化时间分别为10天、20天和50天，将老化后的三种切片分别作为老化状态表征的三种目标试样，加上未老化目标试样一共制备出四种目标试样。
优选地，步骤1)中的目标试样的厚度小于0.5mm。
优选地，步骤1)中，对交联聚乙烯电缆绝缘进行切片，得到直径为30mm～50mm的圆形切片。
进一步优选地，经步骤2)电极制作处理后，圆形切片的有效电极直径为20mm～40mm。
优选地，步骤3)中的介电谱测试仪采用Novocontrol Concept 80宽带介电谱测试仪，测试温度为30℃～90℃，测试频率为10-1Hz～106Hz，测试电压为1V。
优选地，步骤4)中，介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数由德拜方程与介电常数虚部ε”建立联系如下式：
其中，εs和ε∞分别为静态介电常数和光频介电常数，τ为松弛时间。
优选地，步骤5)中，根据变化结果判断如下：低频范围的峰值越大，老化程度越严重；低频范围的峰值频率越小，老化程度越严重。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，首次创新地使用具有介电损耗物理意义的参数对导数——相比于传统的介电常数谱图和介电损耗谱图，老化状态的指示更加清晰明确，根据介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化结果就能够判断交联聚乙烯电缆绝缘老化状态。本发明的评估方法简单易行，评估结果可靠，成功地避免了直流电导过程对低频介电损耗的影响，为科学研究和工程应用提供了重要的参考价值。
附图说明
图1为本发明实施例1四种目标试样在80℃测试温度下，介电常数实部随频率的变化关系图；
图2为本发明实施例1四种目标试样在80℃测试温度下，介电常数虚部随频率的变化关系图；
图3为本发明实施例1四种目标试样在80℃测试温度下，随频率的变化关系图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明是通过测试电缆绝缘在一定温度下的介电谱，采用谱图对电缆绝缘老化状态进行表征，实施例选取的目标试样取材于110kV未服役XLPE电缆绝缘。
实施例1
基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，包括以下步骤：
1)试样准备：
对XLPE电缆绝缘进行切片，获得厚度小于0.3mm、直径为50mm的圆形切片，用无水乙醇清除表面杂质，取其中一个切片作为未老化试样；
取其余3个切片放置于干燥箱中，在130℃下进行加热老化实验，3个切片的老化处理时间分别为10天、20天和50天，获得3个不同的老化试样；
一共获得四个目标试样(1个未老化目标试样、3个老化目标试样)；
2)电极制作：对目标试样的正反两面进行离子溅射(喷金)，形成两个金属电极，目标试样的有效电极的直径为40mm。
3)介电谱测试：将目标试样放置在介电谱测试系统中，设置测试温度、频率范围以及电压，启动介电谱测试仪，测得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”；测量XLPE电缆绝缘的复介电常数(复介电常数包括了介电常数实部和介电常数虚部)的频率特性，获得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”随频率的变化曲线，如图1和图2。
介电谱测试仪采用Novocontrol Concept 80宽带介电谱测试仪；
本实施例的测试温度为80℃，频率范围为10-1Hz～106Hz，测试电压为1V。
4)对导数计算：对得到的介电常数进行数学计算，获得介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化，如图3。角频率＝2π*频率，频率是测试的时候设置的，从10-1Hz～106Hz测很多点。
对导数可由德拜方程与介电常数虚部ε”建立如下联系：
其中，εs和ε∞分别为静态介电常数和光频介电常数，τ为松弛时间。
5)老化状态表征：根据步骤4)获得的介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化结果判断交联聚乙烯电缆绝缘老化状态：
低频范围的峰值越大，老化程度越严重；低频范围的峰值频率越小，老化程度越严重。
参照图1和图2，可以看出，随着老化时间的增长，XLPE电缆绝缘的介电常数实部ε'在整个测试频率范围内逐渐增大，介电常数虚部ε”曲线出现一个损耗峰，两个传统参数一定程度上显示出了材料介电性能的变化，但是变化规律不够明确，同时，老化50天后的试样，低频下的直流电导过程显现在曲线上。而本发明采用对导数来表征XLPE电缆绝缘老化状态的方法，随频率的变化关系如图3所示。可以看出，老化后的XLPE电缆绝缘试样的在低频出现损耗峰，该损耗峰的值随着老化时间的增大明显增大，峰的位置向低频方向移动。
因此说明，可以采用低频范围下损耗峰的峰值和峰值频率表征电缆的老化状态，峰值越大，老化程度越严重；峰值频率越小，老化程度越严重。
实施例2
1)试样准备：对XLPE电缆绝缘进行切片，获得厚度为0.5mm、直径为40mm的圆形试样，用无水乙醇清除表面杂质，取其中一切片作为未老化试样，取其余若干切片放置于干燥箱中，在150℃下进行加热老化实验，老化时间为10天、20天和50天，加上未老化试样一共为四种目标试样。
2)电极制作：对目标试样的正反两面进行离子溅射，形成两个金属电极，圆形有效电极的直径为30mm。
3)介电谱测试：将试样放置在介电谱测试仪中，设置测试温度、频率范围以及电压，启动介电谱测试仪，测量XLPE电缆绝缘的复介电常数的频率特性，测得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”，获得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”随频率的变化曲线。
介电谱测试仪采用Novocontrol Concept 80宽带介电谱测试仪；
本实施例的测试温度为75℃，频率范围为10-1Hz～106Hz，测试电压为1V。
4)对导数计算：对得到的介电常数实部ε'进行数学计算，获得介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化。
对导数可由德拜方程与介电常数虚部ε”建立如下联系：
其中，εs和ε∞分别为静态介电常数和光频介电常数，τ为松弛时间。
5)老化状态表征：低频范围的峰值越大，老化程度越严重；低频范围的峰值频率越小，老化程度越严重。
实施例3
1)试样准备：对XLPE电缆绝缘进行切片，获得厚度为0.2mm、直径为30mm的圆形试样，用无水乙醇清除表面杂质，取其中一切片作为未老化试样，取其余若干切片放置于干燥箱中，在100℃下进行加热老化实验，老化时间为10天、20天和50天，加上未老化试样一共为四种目标试样。
2)电极制作：对目标试样的正反两面进行离子溅射，形成两个金属电极，圆形有效电极的直径为20mm；
3)介电谱测试：将试样放置在介电谱测试仪中，设置测试温度、频率范围以及电压，启动介电谱测试仪，测得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”；测量XLPE电缆绝缘的复介电常数的频率特性，获得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”随频率的变化曲线。
本实施例的测试温度为30℃，频率范围为10-1Hz～106Hz，测试电压为1V。
4)对导数计算：对得到的介电常数ε'进行数学计算，获得介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化。
对导数可由德拜方程与介电常数虚部ε”建立如下联系：
其中，εs和ε∞分别为静态介电常数和光频介电常数，τ为松弛时间。
5)老化状态表征：低频范围的峰值越大，老化程度越严重；低频范围的峰值频率越小，老化程度越严重。
综上所述，对XLPE电缆绝缘进行切片，制作不同的目标试样，对目标试样制作电极后置于在介电谱测试仪中，测得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”；获得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”随频率的变化曲线，对得到的介电常数ε'进行数学计算，获得介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化，从而对XLPE电缆绝缘老化状态进行表征。本发明使用具有介电损耗物理意义的参数对导数—避免了低频范围直流电导对介电松弛过程的影响，相比于传统的介电常数实部和介电常数虚部，变化规律更加明显，具有更清晰明确的老化状态指示作用，低频范围的峰值越大，老化程度越严重；低频范围的峰值频率越小，老化程度越严重。

Claims (8)

1.一种基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)试样准备：将交联聚乙烯电缆绝缘切成若干片，清除切片表面杂质，取其中一个切片作为未老化的目标试样，再取出若干片分别进行加热老化处理，加热不同时间段后取出，作为老化状态表征的目标试样；
2)电极制作：对目标试样的正反两面进行离子溅射，形成两个金属电极；
3)介电谱测试：将目标试样放置在介电谱测试系统中，设置测试温度、频率范围以及电压，启动介电谱测试仪，测量交联聚乙烯电缆绝缘的复介电常数的频率特性，获得介电常数实部ε'和介电常数虚部ε”随频率的变化曲线；
4)对导数计算：对得到的介电常数实部ε'进行数学计算，获得介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化；
5)老化状态评估：根据步骤4)获得的介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数随频率的变化结果判断交联聚乙烯电缆绝缘老化状态。
2.根据权利要求1所述的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤1)中，取出三片切片进行加热老化处理：具体是将切片放置于干燥箱中，在100℃～150℃下进行加热老化实验，老化时间分别为10天、20天和50天，将老化后的三种切片分别作为老化状态表征的三种目标试样，加上未老化目标试样一共制备出四种目标试样。
3.根据权利要求1所述的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤1)中的目标试样的厚度为0.2mm～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤1)中，对交联聚乙烯电缆绝缘进行切片，得到直径为30mm～50mm的圆形切片。
5.根据权利要求4所述的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，经步骤2)电极制作处理后，圆形切片的有效电极直径为20mm～40mm。
6.根据权利要求1所述的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤3)中的介电谱测试仪采用Novocontrol Concept 80宽带介电谱测试仪，测试温度为30℃～90℃，测试频率为10-1Hz～106Hz，测试电压为1V。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤4)中，介电常数实部ε'对角频率ω对数的一阶导数由德拜方程与介电常数虚部ε”建立联系如下式：
其中，εs和ε∞分别为静态介电常数和光频介电常数，τ为松弛时间。
8.根据权利要求1所述的基于对导数分析方法的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，步骤5)中，根据变化结果判断如下：低频范围的峰值越大，老化程度越严重；低频范围的峰值频率越小，老化程度越严重。
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