CN109188215A - 一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法。故障模拟器的可拆卸故障模拟端包括从内到外呈同心圆结构的第一金属层、第一半导电层、乙丙橡胶绝缘层和第二半导电层。劣化处理方法包括对故障模拟端进行不同温度和时间的劣化处理。故障测评方法包括获取参考频谱曲线、测试频谱曲线，计算老化损耗因数和分析判定的步骤。本发明的有益效果在于，故障模拟器可模拟乙丙橡胶电缆终端绝缘的老化故障，通过更换故障模拟端调整终端绝缘老化故障的程度，实现多维模拟；测评方法能够将终端故障程度分级，对终端绝缘状态实现多维、全面、准确的测评。

Description

一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法

技术领域

本发明涉及电缆终端故障测评技术领域，特别是一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法。

背景技术

乙丙橡胶电缆由于具有较强的可弯折性，以及较高的耐低温能力和介电性能，在高铁列车供电系统中有着不可取代的重要作用，并且随着高速铁路的继续快速发展，乙丙橡胶电缆在未来铁路系统中有着广阔的应用前景。电缆终端作为电缆与受电弓或车载变压器等电气设备相连接的重要部分，是电缆中绝缘能力最为薄弱的部分，并且由于其特殊的设计结构将导致终端内部电场畸变严重，造成电缆终端发热严重，再加上高铁列车运行环境温度复杂多变，将会使得电缆终端绝缘的老化现象明显，严重的老化故障会对列车供电系统稳定性造成恶劣影响。而由于电缆终端的结构设计原因，以及对高铁列车运行可靠性的要求越来越高，一旦发生供电系统的故障将很难及时更换，并会造成非常恶劣的社会影响，因此及时了解电缆终端的老化情况对于保证高铁列车安全运行具有重要的意义。

利用搭建的电缆终端老化故障模拟平台对终端进行介电响应测试是研究和检测终端老化故障的公认有效手段。然而现有的进行老化故障模拟的研究大多是针对乙丙橡胶块状材料，无法真实反映电缆终端特殊的结构对检测方法的影响作用；同时，通常使用工频介损值或绝缘电阻法来对电缆终端的绝缘性能进行判断，误判的概率较大，并且不能灵敏地反映绝缘的老化状态，使得评估结果不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法，包括以下的模拟及测试步骤：

步骤1：组装乙丙橡胶电缆终端故障模拟器；

1.1该故障模拟器包括可拆卸故障模拟端(5)；可拆卸故障模拟端(5)包括从内到外呈同心圆结构的第一金属层(15)、第一半导电层(16)、乙丙橡胶绝缘层(17)和第二半导电层(18)，第二半导电层(18)的外侧还设置有扣合的2块半圆筒形紧固绝缘筒(19)，半圆筒形紧固绝缘筒(19)的外侧还设置有扣合的2个U型紧固组件(11)；

1.2该故障模拟器还包括与可拆卸故障模拟端(5)结构相同的右侧固定模拟端(4)和左侧固定模拟端(6)；左侧固定模拟端(6)、可拆卸故障模拟端(5)和右侧固定模拟端(4)依次排列，第一金属层(15)、第一半导电层(16)和第二半导电层(18)各自依次连接，且第一金属层(15)的相互连接处还设置有保证紧密连接的凹陷和凸起；

1.3该故障模拟器还包括套装在左侧紧固胶塞(7)内的终端缆芯插孔(8)，以及套装在右侧紧固胶塞(2)内的终端缆芯插头(1)，终端缆芯插孔(8)连接到左侧固定模拟端(6)的第一金属层(15)左侧，终端缆芯插头(1)连接到右侧固定模拟端(4)的第一金属层(15)右侧；左侧紧固胶塞(7)、左侧固定模拟端(6)、可拆卸故障模拟端(5)、右侧固定模拟端(4)、和右侧紧固胶塞(2)共同封装在冷缩式伞裙(3)内；

步骤2：故障模拟器的可拆卸模拟端的劣化处理；

2.1准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度80℃～90℃，时间4～5小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘未劣化的故障模拟端；

2.2准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度100℃～110℃，时间10～15小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘轻度劣化的故障模拟端；

2.3准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度120℃～130℃，时间20～30小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘中度劣化的故障模拟端；

2.4准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度140℃～150℃，时间50～60小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘重度劣化的故障模拟端；

步骤3：乙丙橡胶电缆终端故障模拟器的测试

针对步骤2中得到的不同处理的故障模拟端，依照步骤1分别进行组装，获得含有不同劣化程度故障模拟端的乙丙橡胶电缆终端故障模拟器，对该故障模拟器进行测试，包括以下步骤：

3.1：取未劣化的终端故障模拟器为参考终端，进行不同频率点的复介电常数测试，频率范围为0.01Hz～1000Hz，选取不同频率共测试n个点，n取50，第i个测试点的频率记为f_i，该点的复介电常数虚部记作G_0,i，i∈[1,n]；

3.2：取待测评的终端故障模拟器为待测终端，进行不同频率点的复介电常数测试，频率范围为为0.01Hz～1000Hz，选取不同频率共测试n个点，n取50，第i个测试点的频率记为f_i，该点的复介电常数虚部记作G_X,i，i∈[1,n]；

3.3：计算老化损耗因数，包括：

3.3.1：定义函数G₀(f)和G_X(f)，如下：

式中，ε_∞为光频介电常数；ε₀为参考终端的静介电常数；τ₀为参考终端的特征弛豫时间，α₀和β₀分别为描述参考终端频谱模型G₀(f)特征的形状参数和尺度参数，均为无量纲常数；ε_X为待测终端的静介电常数；τ_X为待测终端的特征弛豫时间，α_X和β_X分别为描述待测终端频谱模型G_X(f)特征的形状参数和尺度参数，均为无量纲常数；且α₀、β₀、α_X、β_X均满足：α₀,β₀,α_X,β_X∈(0,1]；

3.3.2：以参考终端所有测试点复介电常数虚部G_0,1、G_0,2、G_0,3、……G_0,n为拟合数据点的纵坐标数值，以对应测试点的频率值f₁、f₂、f₃、……f_n为拟合数据点的横坐标数值，使用步骤3.3.1中所定义函数G₀(f)，利用最小二乘方法进行参数拟合，确定并得到τ₀、α₀、β₀；

以待测终端所有测试点复介电常数虚部G_X,1、G_X,2、G_X,3、……G_X,n为拟合数据点的纵坐标数值，以对应测试点的频率值f₁、f₂、f₃、……f_n为拟合数据点的横坐标数值，使用步骤3.3.1中所定义函数G_X(f)，利用最小二乘方法进行参数拟合，确定并得到τ_X、α_X、β_X；

3.3.3：定义积分差ΔG_i如下，

式中，i为整数，1≤i≤50；f_i为步骤3.1和3.2中第i个测试点的频率；

3.3.4：计算终端老化损耗因数η，如下：

式中，为3.3.3中所求得各频段的积分差ΔG_i的平均值，表达式如下：

进一步地，还包括以下步骤：

步骤1：若η≤1.3，则待测终端无故障；否则，待测终端存在故障，继续分析判定；

步骤2：令测试频谱模型G_X(f)中，平均划分频段后，相邻两频段积分面积差A_i，

式中，i为整数，1≤i≤49；f_i为第i个测试点的频率；

步骤3：计算待测终端频段差异系数μ，如下：

步骤4：当0.5＜μ≤1.5，则待测终端轻度绝缘老化；当1.5＜μ≤2.5，则待测终端中度绝缘老化；当μ＞2.5，则待测终端重度绝缘老化。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的乙丙橡胶电缆终端故障模拟器可真实、有效、方便地模拟乙丙橡胶电缆终端绝缘的老化故障，并且可以通过更换故障模拟端调整终端绝缘老化故障的程度，实现多维模拟。

2、本发明乙丙橡胶电缆终端故障测评方法能够将终端故障程度分级，对终端绝缘状态实现多维、全面、准确的测评。

附图说明

图1为乙丙橡胶电缆终端故障模拟器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步的说明。

图1为高铁列车用乙丙橡胶电缆终端故障模拟器的结构示意图，包括终端缆芯插头(1)、右侧紧固胶塞(2)、冷缩式伞裙(3)、右侧固定模拟端(4)、可拆卸故障模拟端(5)、左侧固定模拟端(6)、左侧紧固胶塞(7)、终端缆芯插孔(8)、左侧U型紧固组件(9)、紧固螺栓(10)、中间U型加宽紧固组件(11)、双紧固螺栓(12)、右侧U型紧固组件(13)、紧固螺栓(14)；右侧固定模拟端(4)、可拆卸故障模拟端(5)、左侧固定模拟端(6)均由从内到外呈同心圆结构的第一金属层(15)、第一半导电层(16)、乙丙橡胶绝缘层(17)、第二半导电层(18)组成，分别对应电缆终端内部的缆芯层、内半导电层、绝缘层、外半导电层，模拟模块中的各层经挤压工艺进行贴合；第二半导电层(18)外侧，均由2块可拆卸的半圆柱形紧固绝缘筒(19)进行紧密挤压和固定；右侧固定模拟端(4)、可拆卸故障模拟端(5)、左侧固定模拟端(6)中，各模拟端的第一金属层(15)左侧均凹陷2mm，右侧均突出2mm，保证上述各模拟端均紧密连接。

在具体的试验中，通过对可拆卸故障模拟端(5)的乙丙橡胶绝缘层(17)进行不同老化温度和老化时间的劣化处理，改变第一金属层(15)与第二半导电层(18)之间的介电常数，实现模拟乙丙橡胶电缆终端绝缘层老化故障的功能；当需要模拟绝缘层无老化故障或老化故障程度较轻的情况，通过对终端进行运行温度80℃～110℃附近的劣化处理来实现，老化时间4～15小时，并可根据具体要求进行调整；当需要加重绝缘层老化故障程度时，通过对可拆卸故障终端(5)进行老化温度为120℃～150℃劣化处理来实现，老化时间20～60小时，由具体要求确定。由于老化故障不可逆，故将有数组可拆卸故障模拟端(5)可供使用，并实现4个等级故障程度，即终端绝缘未老化、终端绝缘轻度老化、终端绝缘中度老化以及终端绝缘重度老化。

故障模拟器使用时，选用一种故障状态的可拆卸故障模拟端(5)，使用紧固绝缘筒(19)进行紧密挤压和固定，拧紧中间U型加宽紧固组件(11)上的双紧固螺栓(12)，并依次加装冷缩式伞裙(3)、右侧紧固胶塞(2)、左侧紧固胶塞(7)，完成电缆终端故障模拟器的搭建。

本发明还提供了一种乙丙橡胶电缆终端故障测评方法，可以对乙丙橡胶电缆终端故障模拟器模拟的乙丙橡胶电缆终端绝缘老化故障进行测试。具体如下：

步骤一：取未劣化的终端故障模拟器为参考终端，进行不同频率点的复介电常数测试，频率范围为0.01Hz～1000Hz，选取不同频率共测试n个点，n取50，第i个测试点的频率记为f_i，该点的复介电常数虚部记作G_0,i，i∈[1,n]；

步骤二：取待测评的终端故障模拟器为待测终端，进行不同频率点的复介电常数测试，频率范围为0.01Hz～1000Hz，选取不同频率共测试n个点，n取50，第i个测试点的频率记为f_i，该点的复介电常数虚部记作G_X,i，i∈[1,n]；

步骤三：计算老化损耗因数，包括：

3.1：定义函数G₀(f)和G_X(f)，如下：

式中，ε_∞为光频介电常数；ε₀为参考终端的静介电常数；τ₀为参考终端的特征弛豫时间，α₀和β₀分别为描述参考终端频谱模型G₀(f)特征的形状参数和尺度参数，均为无量纲常数；ε_X为待测终端的静介电常数；τ_X为待测终端的特征弛豫时间，α_X和β_X分别为描述待测终端频谱模型G_X(f)特征的形状参数和尺度参数，均为无量纲常数；且α₀、β₀、α_X、β_X均满足：α₀,β₀,α_X,β_X∈(0,1]；

3.2：以参考终端所有测试点复介电常数虚部G_0,1、G_0,2、G_0,3、……G_0,n为拟合数据点的纵坐标数值，以对应测试点的频率值f₁、f₂、f₃、……f_n为拟合数据点的横坐标数值，使用步骤3.3.1中所定义函数G₀(f)，利用最小二乘方法进行参数拟合，确定并得到τ₀、α₀、β₀；

以待测终端所有测试点复介电常数虚部G_X,1、G_X,2、G_X,3、……G_X,n为拟合数据点的纵坐标数值，以对应测试点的频率值f₁、f₂、f₃、……f_n为拟合数据点的横坐标数值，使用步骤3.3.1中所定义函数G_X(f)，利用最小二乘方法进行参数拟合，确定并得到τ_X、α_X、β_X；

3.3：定义积分差ΔG_i如下，

式中，i为整数，1≤i≤50；f_i为步骤一和步骤二中第i个测试点的频率；

3.4：计算终端老化损耗因数η，如下：

式中，为3.3中所求得各频段的积分差ΔG_i的平均值，表达式如下：

进一步地，可以对故障模拟器模拟的乙丙橡胶电缆终端绝缘老化故障程度进行评判。具体如下：

步骤1：若η≤1.3，则待测终端无故障；否则，待测终端存在故障，继续分析判定；

步骤2：令测试频谱模型G_X(f)中，按照步骤3.3.2的方法平均划分频段后，相邻两频段积分面积差A_i，

式中，i为整数，1≤i≤49；f_i为步骤一和步骤二中第i个测试点的频率；

步骤3：计算待测终端频段差异系数μ，如下：

步骤4：当0.5＜μ≤1.5，则待测终端轻度绝缘老化；当1.5＜μ≤2.5，则待测终端中度绝缘老化；当μ＞2.5，则待测终端重度绝缘老化。

Claims (2)

1.一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法，其特征在于，包括以下的模拟及测试步骤：

步骤1：组装乙丙橡胶电缆终端故障模拟器；

1.1该故障模拟器包括可拆卸故障模拟端(5)；可拆卸故障模拟端(5)包括从内到外呈同心圆结构的第一金属层(15)、第一半导电层(16)、乙丙橡胶绝缘层(17)和第二半导电层(18)，第二半导电层(18)的外侧还设置有扣合的2块半圆筒形紧固绝缘筒(19)，半圆筒形紧固绝缘筒(19)的外侧还设置有扣合的2个U型紧固组件(11)；

1.2该故障模拟器还包括与可拆卸故障模拟端(5)结构相同的右侧固定模拟端(4)和左侧固定模拟端(6)；左侧固定模拟端(6)、可拆卸故障模拟端(5)和右侧固定模拟端(4)依次排列，第一金属层(15)、第一半导电层(16)和第二半导电层(18)各自依次连接，且第一金属层(15)的相互连接处还设置有保证紧密连接的凹陷和凸起；

1.3该故障模拟器还包括套装在左侧紧固胶塞(7)内的终端缆芯插孔(8)，以及套装在右侧紧固胶塞(2)内的终端缆芯插头(1)，终端缆芯插孔(8)连接到左侧固定模拟端(6)的第一金属层(15)左侧，终端缆芯插头(1)连接到右侧固定模拟端(4)的第一金属层(15)右侧；左侧紧固胶塞(7)、左侧固定模拟端(6)、可拆卸故障模拟端(5)、右侧固定模拟端(4)、和右侧紧固胶塞(2)共同封装在冷缩式伞裙(3)内；

步骤2：故障模拟器的可拆卸模拟端的劣化处理；

2.1准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度80℃～90℃，时间4～5小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘未劣化的故障模拟端；

2.2准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度100℃～110℃，时间10～15小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘轻度劣化的故障模拟端；

2.3准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度120℃～130℃，时间20～30小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘中度劣化的故障模拟端；

2.4准备全新的可拆卸故障模拟端(5)，进行温度140℃～150℃，时间50～60小时的劣化处理，得到乙丙橡胶绝缘重度劣化的故障模拟端；

步骤3：乙丙橡胶电缆终端故障模拟器的测试；

针对步骤2中得到的不同处理的故障模拟端，依照步骤1分别进行组装，获得含有不同劣化程度故障模拟端的乙丙橡胶电缆终端故障模拟器，对该故障模拟器进行测试，包括以下步骤：

3.1：取未劣化的终端故障模拟器为参考终端，进行不同频率点的复介电常数测试，频率范围为0.01Hz～1000Hz，选取不同频率共测试n个点，n取50，第i个测试点的频率记为f_i，该点的复介电常数虚部记作G_0,i，i∈[1,n]；

3.2：取待测评的终端故障模拟器为待测终端，进行不同频率点的复介电常数测试，频率范围为0.01Hz～1000Hz，选取不同频率共测试n个点，n取50，第i个测试点的频率记为f_i，该点的复介电常数虚部记作G_X,i，i∈[1,n]；

3.3：计算老化损耗因数，包括：

3.3.1：定义函数G₀(f)和G_X(f)，如下：

式中，ε_∞为光频介电常数；ε₀为参考终端的静介电常数；τ₀为参考终端的特征弛豫时间，α₀和β₀分别为描述参考终端频谱模型G₀(f)特征的形状参数和尺度参数，均为无量纲常数；ε_X为待测终端的静介电常数；τ_X为待测终端的特征弛豫时间，α_X和β_X分别为描述待测终端频谱模型GX(f)特征的形状参数和尺度参数，均为无量纲常数；且α₀、β₀、α_X、β_X均满足：α₀,β₀,α_X,β_X∈(0,1]；

3.3.2：以参考终端所有测试点复介电常数虚部G_0,1、G_0,2、G_0,3、……G_0,n为拟合数据点的纵坐标数值，以对应测试点的频率值f₁、f₂、f₃、……f_n为拟合数据点的横坐标数值，使用步骤3.3.1中所定义函数G₀(f)，利用最小二乘方法进行参数拟合，确定并得到τ₀、α₀、β₀；

以待测终端所有测试点复介电常数虚部G_X,1、G_X,2、G_X,3、……G_X,n为拟合数据点的纵坐标数值，以对应测试点的频率值f₁、f₂、f₃、……f_n为拟合数据点的横坐标数值，使用步骤3.3.1中所定义函数G_X(f)，利用最小二乘方法进行参数拟合，确定并得到τ_X、α_X、β_X；

3.3.3：定义积分差ΔG_i如下，

式中，i为整数，1≤i≤50；f_i为步骤3.1和3.2中第i个测试点的频率；

3.3.4：计算终端老化损耗因数η，如下：

式中，为3.3.3中所求得各频段的积分差ΔG_i的平均值，表达式如下：

2.如权利要求1所述的一种乙丙橡胶电缆终端绝缘层不同劣化故障模拟方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤1：若η≤1.3，则待测终端无故障；否则，待测终端存在故障，继续分析判定步骤2；

步骤2：令测试频谱模型G_X(f)中，平均划分频段后，相邻两频段积分面积差A_i，

式中，i为整数，1≤i≤49；f_i为第i个测试点的频率；

步骤3：计算待测终端频段差异系数μ，如下：

步骤4：当0.5＜μ≤1.5，则待测终端轻度绝缘老化；当1.5＜μ≤2.5，则待测终端中度绝缘老化；当μ＞2.5，则待测终端重度绝缘老化。