CN108918989A - 一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法，包括以下步骤：1)对相同规格的未服役电缆绝缘进行加速热氧老化试验，获取不同温度和老化时间下电缆绝缘材料的多种状态参数C_i；2)选择特征参数；3)计算90℃下电缆的老化时间L；4)得到服役电缆的剩余寿命。与现有技术相比，本发明能够指导电缆的运维、退役和更换，既减少电缆过早更换造成的浪费，又降低电缆不及时更换因老化导致的突发故障和非计划停电事故发生的概率，大大提高电网的可靠性，减少由于电缆故障停电造成的设备损伤及其它经济损失，解决电网在电缆运维方面的技术难题。

Description

一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法

技术领域

本发明涉及一种，尤其是涉及一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法。

背景技术

电缆线路是城市电网的重要组成部分，随着电缆服役时间和数量的增长，其运行状态以及剩余使用寿命引起了人们的关注。在运行过程中，电缆绝缘受到力、热、电等环境因素的长时间作用发生老化，导致机械性能及电气性能劣化，严重时将引发安全事故。

目前采用在线检测和离线检测相结合的办法来减少电力电缆故障的发生。考虑到电网中的电缆数量众多，运维人员数量有限，在较短时间内了解电缆绝缘的老化状态较为困难，同时，在线检测的成本高。因此，通过评估服役电缆的剩余寿命有针对性地维护和更换电缆，对于提高电力系统的安全性和经济性具有重要意义。

通常采用阿伦尼乌斯公式来预测电缆的热老化寿命，具体做法是将电缆绝缘样本在几个较高的温度下进行加速老化实验，以电缆绝缘的断裂伸长率下降为原来的50％作为电缆寿命终止的标准，得到不同温度下电缆使用寿命的对数与温度的倒数的线性关系，从而外推得到电缆在90℃工作时的使用寿命。阿伦尼乌斯公式对于电缆绝缘热老化寿命评估具有重要的意义，然而在具体应用过程中存在以下问题：(1)每一根电缆都需要进行热老化试验，试验周期长；(2)失效标准只基于一种力学参数断裂伸长率，不能综合反映电缆老化状态，影响寿命预测的准确性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法，该方法无需对多个服役电缆进行热老化试验，缩短了试验周期，多参数的综合分析提高了寿命评估的可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法，包括以下步骤：

1)对相同规格的未服役电缆绝缘进行加速热氧老化试验，获取不同温度和老化时间下电缆绝缘材料的多种状态参数C_i；

2)选择特征参数；

3)计算90℃下电缆的老化时间L；

4)得到服役电缆的剩余寿命。

优选地，所述的1)中的多种状态参数C_i包括但不限于断裂伸长率、羰基指数、起始分解温度、热裂解活化能、熔融温度、击穿场强。

优选地，所述的2)中选择特征参数原则为：

使用多个参数预测电缆剩余寿命时，需要选择和剩余寿命相关性大的参数，排除那些与剩余寿命相关性小或是不相关的参数，通过显著性检验，提取与剩余寿命相关性最大的参数

优选地，所述的3)计算90℃下电缆的剩余寿命具体为：

利用阿伦尼乌斯公式原理，对步骤2)中获得的特征参数参数进行曲线拟合并外推得到90℃时该状态参数达到某值时需要的老化时间，将90℃下老化时间L建模为特征参数的多元线性回归函数，方程如下：

L＝a₀+a₁C₁+a₂C₂+a₃C₃+a₄C₄+a₅C₅

其中C₁为断裂伸长率、C₂为热裂解活化能、C₃为羰基指数、C₄为熔融温度、C₅为击穿场强，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为通过多元回归分析得到的参数。

优选地，所述的4)具体为：

测试服役电缆试样的特征参数，带入步骤3)得到的多元线性回归方程中，求得该服役电缆对应90℃老化至相同状态所需要的老化时间L，则其剩余寿命为

L_remain＝L₀-L

式中L₀为该电缆在90℃工作时的总寿命。

优选地，所述的1)中加速老化试验的温度个数为3～5个，温度不宜超过160℃；状态参数的测试需要多次测量取平均值，以保证数据的可靠性

优选地，通过显著性分析选择特征参数，显著水平界限为0.025。

优选地，外推得到电缆工作温度90℃时该状态参数达到某值时需要的老化时间，不同值的个数不少于6个。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一方面，该方法基于绝缘材料的电、热、力多个方面的状态参数，相比于单因素的断裂伸长率更加全面、准确；另一方面，该方法无需对每一根服役电缆进行加速热氧老化实验，只需对待测电缆的绝缘层进行特征参数测试，将特征参数值代入多元线性回归函数即可得到待测电缆的剩余寿命。本发明能够指导电缆的运维、退役和更换，既减少电缆过早更换造成的浪费，又降低电缆不及时更换因老化导致的突发故障和非计划停电事故发生的概率，大大提高电网的可靠性，减少由于电缆故障停电造成的设备损伤及其它经济损失，解决电网在电缆运维方面的技术难题。

附图说明

图1是本发明实施例未服役电缆在不同温度老化过程中断裂伸长率随老化时间的变化关系曲线图。

图2是本发明实施例未服役电缆在90℃老化过程中不同断裂伸长率所对应的老化时间曲线图。

图3是本发明实施例未服役电缆在90℃老化过程中不同热裂解活化能所对应的老化时间曲线图。

图4是本发明实施例未服役电缆在90℃老化过程中不同羰基指数所对应的老化时间曲线图。

图5是本发明实施例未服役电缆在90℃老化过程中不同熔融温度所对应的老化时间曲线图。

图6是本发明实施例未服役电缆在90℃老化过程中不同击穿场强所对应的老化时间曲线图。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法，用来评估已几根相同规格的服役电缆的剩余寿命。

其具体实现步骤如下：

第一步，对同规格的未服役电缆的绝缘材料进行加速热氧老化试验，获取不同温度和老化时间下电缆绝缘材料的多种状态参数(C_i)，包括断裂伸长率、拉伸强度、羰基指数、起始分解温度、热裂解活化能、熔融温度、结晶度、击穿场强；

1)将未服役电缆绝缘材料样品切片进行105、135、150和160℃四个温度的热氧老化实验；

2)老化完毕后取出足够数量的试样在室温下放置24h，然后对老化后的试样进行拉伸实验获取材料的断裂伸长率和拉伸强度，进行红外光谱实验获取羰基指数，进行热重实验获取起始分解温度和热裂解活化能，进行差示扫描量热实验获取熔融温度和结晶度，进行交流击穿实验获取材料的击穿场强。

第二步，选择特征参数。使用多个参数预测电缆剩余寿命时，需要选择和剩余寿命相关性大的参数，排除那些与剩余寿命相关性小或是不相关的参数。如果对参数不加选择的全部使用，反而使预测的准确度降低。本发明通过显著性检验，提取与剩余寿命相关性大的参数(C_j)。

1)该检验的基本原理就是根据小概率事件不可能发生统计推断原则进行的。通常先规定一个界限，即显著水平，用α表示。在假设检验中，如果小概率事件发生了，我们就有理由怀疑原假设的正确性，从而拒绝原假设。否则，接受原假设。显著水平α一般以α＝0.025表示显著。α＝0.01表示高度显著。检验步骤如下：

(a)建立原假设和备选假设H₀ ^k和H₁ ^k

H₀ ^k：p＝0相关系数为0

H₁ ^k：p≠0相关系数不为0；

(b)对一般情况的第k个参量，可用如下的似然比统计量进行检验。令

式中n为样本容量。当H₀ ^k为真时，T_k渐进服从自由度为(p-k+1)(q-k+1)的χ²分布，且当H₀ ^k不为真时，T_k有偏大的趋势，因而其检验p值为

其中t_k为由(2)求得的T_k的观测值。

(c)给定显著性水平，显著水平给定为α＝0.025。

(d)计算统计量的值

利用上述检验方法，依次就k＝1,2,…,p进行检验。对某个k值

(i)若检验p值小于给定的显著水平α，则认为此参量对典型变量具有显著相关性；

(ii)若检验p值大于给定的显著水平α，则认为此参量对典型变量不具有显著相关性。

2)使用origin专业数据处理软件对实验数据进行显著性检验，各状态参数显著性检验结果见表1。

表1

状态参数	检验p值
		断裂伸长率	0.012
热裂解活化能	0.001
		羰基指数	0.005
熔融温度	0.015
		击穿场强	0.000
起始分解温度	0.500

经过检验，断裂伸长率C₁、热裂解活化能C₂、羰基指数C₃、熔融温度C₄和击穿场强C₅与电缆剩余寿命具有明显相关性；起始分解温度C₆与电缆剩余寿命不具有显著相关性。

第三步，利用阿伦尼乌斯公式原理，对第二步中获得的特征参数进行曲线拟合并外推得到90℃时该状态参数达到某值时需要的老化时间；

1)热老化过程中，若某项性能随时间变化具有线性规律，则其性能变化速率v与温度T服从阿伦尼乌斯方程：

v＝A exp(-E/RT)

式中：v为反应速率；A为指前因子；E为活化能，kJ/mol；R为气体摩常数，8.314J/mol﹒K；T为绝对温度，K。此外，认定活化能E不随温度的变化而变化。

当给定老化温度T时，即可得出对应的化学反应速率k，即可求出在此温度下材料性能达到某值时对应的老化时间t：

t＝|C_t-C₀|/v

式中：C_t为某老化时间的性能值；C₀为未老化时的初始性能值。

将反应速率v代入上式得

t＝|C_t-C₀|/[A exp(-E/RT)]

两边取对数得

ln t＝ln|C_t-C₀|-ln A+E/RT

由此看来，给定温度下材料性能达到某值时需要的老化时间的对数lnt与温度的倒数1/T具有线性关系。综上所述，给定不同的性能值并以实验所得的不同老化温度T与对应性能值所需要的老化时间t为基础进行lnt-1/T线性拟合，即可外推出90℃老化时，该性能参数达到某值时所需要的老化时间。

2)为了进一步的详细说明，以断裂伸长率为例外推90℃老化时该性能达到某值时所需要的老化时间。

表2

表2为断裂伸长率数值，由表2中的实验数据绘制出图1所示的曲线，通过拟合图1中的四条曲线可以求出不同断裂伸长率对应的lnt-1/T曲线，线性拟合后可求出在90℃老化条件下，断裂伸长率达到指定值需要的老化时间，如图2所示。同时根据图2，可得到电缆在断裂伸长率达到原来的50％(257％)时，对应的已老化时间为32.11年，即新电缆在90℃下的总寿命L₀＝32.11年。

3)类似于断裂伸长率，可以外推得到90℃老化时其他特征参数到达某一值时需要的老化时间，如图3～6所示。

4)将90℃下老化时间L建模为几个特征参数的多元线性回归函数，方程如下：

L＝88.8744-0.13668*C₁-0.00529*C₂+4.38014*C₃+0.00244*C₄-0.05642*C₅

第四步，测试服役电缆试样的特征参数，带入多元线性回归方程中求得该服役电缆对应90℃老化至相同状态所需要的老化时间L。如某服役电缆的特征参数已知，即可根据

L_remain＝L₀-L

＝-56.7644+0.13668*C₁+0.00529*C₂-4.38014*C₃-0.00244*C₄+0.05642*C₅

表3

其中表3为服役电缆的特征参数值，对于服役电缆而言，只需知道该电缆的几个特征参数，就能够根据基于多参数的电缆寿命方程快速推断出该电缆的剩余寿命。可见，通过本发明所得结论可以快速的推算出服役电缆的剩余寿命值，无需耗时高成本的加速热老化试验，能够比较简单、快捷、无损的对电缆寿命进行评估。

因此本发明能够指导电缆的运维、退役和更换，既减少电缆过早更换造成的浪费，又降低电缆不及时更换因老化导致的突发故障和非计划停电事故发生的概率，大大提高电网的可靠性，减少由于电缆故障停电造成的设备损伤及其它经济损失，解决电网在电缆运维方面的技术难题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于多参数的服役电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对相同规格的未服役电缆绝缘进行加速热氧老化试验，获取不同温度和老化时间下电缆绝缘材料的多种状态参数C_i；

2)选择特征参数；

3)计算90℃下电缆的老化时间L；

4)得到服役电缆的剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的1)中的多种状态参数C_i包括但不限于断裂伸长率、羰基指数、起始分解温度、热裂解活化能、熔融温度、击穿场强。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的2)中选择特征参数原则为：

使用多个参数预测电缆剩余寿命时，需要选择和剩余寿命相关性大的参数，排除那些与剩余寿命相关性小或是不相关的参数，通过显著性检验，提取与剩余寿命相关性最大的参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的3)计算90℃下电缆的剩余寿命具体为：

利用阿伦尼乌斯公式原理，对步骤2)中获得的特征参数参数进行曲线拟合并外推得到90℃时该状态参数达到某值时需要的老化时间，将90℃下老化时间L建模为特征参数的多元线性回归函数，方程如下：

L＝a₀+a₁C₁+a₂C₂+a₃C₃+a₄C₄+a₅C₅

其中C₁为断裂伸长率、C₂为热裂解活化能、C₃为羰基指数、C₄为熔融温度、C₅为击穿场强，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为通过多元回归分析得到的参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的4)具体为：

测试服役电缆试样的特征参数，带入步骤3)得到的多元线性回归方程中，求得该服役电缆对应90℃老化至相同状态所需要的老化时间L，则其剩余寿命为

L_remain＝L₀-L

式中L₀为该电缆在90℃工作时的总寿命。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的1)中加速老化试验的温度个数为3～5个，温度不宜超过160℃；状态参数的测试需要多次测量取平均值，以保证数据的可靠性。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过显著性分析选择特征参数，显著水平界限为0.025。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，外推得到电缆工作温度90℃时该状态参数达到某值时需要的老化时间，不同值的个数不少于6个。