CN110850196A - 交联聚乙烯电力电缆寿命电应力和/或热应力试验平台 - Google Patents

交联聚乙烯电力电缆寿命电应力和/或热应力试验平台 Download PDF

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Abstract

一种交联聚乙烯电力电缆寿命电应力和/或热应力试验平台，属于电力系统输电技术研究领域。本发明的目的是根据逆幂定律的电老化模型和等温松弛电流法的老化因子相结合的方法，建立交联聚乙烯电力电缆寿命电应力和/或热应力试验平台。本发明将试验长电缆等分成三段短电缆，并分别安装电缆端部接头，再用等温松弛电流法分别测量每段的老化因子，采用逐步升压法击穿试验电缆，给出电、热和电热联合老化电缆的剩余寿命，依据试验数据推断工作电压下不同缆芯温度下电缆的使用寿命，收集电缆运行中热历史数据，给出电缆预期使用寿命。本发明实现非破坏性试验达到破坏性试验相同的目标。

Description

交联聚乙烯电力电缆寿命电应力和/或热应力试验平台
技术领域
本发明属于电力系统输电技术研究领域。
背景技术
交联聚乙烯(XLPE)电力电缆具有运行可靠、不占地面空间和受外界影响小等优点，逐渐承担起城市电网中电能传输的作用。XLPE电缆运行中受到电应力、热应力、机械应力以及环境应力的联合作用，绝缘逐渐老化而导致失效。XLPE电缆生产厂商给出的电缆预期使用寿命约为30年，但实际使用寿命与周围环境和负荷电流密切相关。负荷电流、护套环流和流过绝缘层的阻性电流均会使电缆本体发热，缆芯温度稳定在90℃的恒定负荷电流值被称之为载流量。负荷电流低于载流量，电缆的输送能力未充分得到利用，负荷电流高于载流量，电缆的使用寿命将缩短。
电力系统运行经验表明，电力设备在寿命周期内可靠性可分为3个时期，即故障率较高的初始期、故障率较低的偶发期和故障率较高的老化期，存在明显的“浴盆”曲线规律。初始期故障率较高是由于设备制造质量或安装工艺不良造成的，老化期故障率较高是由于绝缘逐渐劣化造成的。国内XLPE电缆已开始进入寿命终止期，目前老化诊断方法尚未形成标准，而因制造工艺及材料的差异，直接将国外标准用于国内电缆老化诊断，可能误判电缆老化程度，过早退役造成建设资金的巨大浪费，过晚退役造成电缆运行事故频繁。深入研究XLPE电缆老化诊断技术，开发电缆寿命综合评估系统，是解决电缆最佳退役时间节点的唯一途径。
发明内容
本发明的目的是根据逆幂定律的电老化模型和等温松弛电流法的老化因子相结合的方法，建立交联聚乙烯电力电缆寿命电应力和/或热应力试验平台。
本发明步骤是：
(1)逆幂定律的电老化模型
Ent＝C或
Figure BDA0002240637120000011
式中E为绝缘材料承受的电场强度；n被称为电压耐力系数或电缆寿命指数；t为加压时间；C和n是常数；
(2)等温松弛电流法测量的老化因子
当U0作用到电介质上tc段时间后撤掉，然后令电介质短路放电，此时产生的去极化松弛电流用以下三阶指数衰减函数表示：
Figure BDA0002240637120000012
式中，ai和τi与电介质材料的特性有关，ai是对陷阱的密度的反应，τi是对陷阱的深度的反应，I0表明了电流最终达到平衡时的稳态值；
表征电缆老化状态的老化因子A为：
Figure BDA0002240637120000013
式中：Q(τ2)为电缆绝缘内晶体与无定形的界面极化决定的量；Q(τ3)为由绝缘内老化引起的各种极化决定的量；其中：
Figure BDA0002240637120000021
Figure BDA0002240637120000022
(3)电、热和电热联合加速老化试验步骤：
①将试验长电缆等分成三段短电缆，并分别安装电缆端部接头，再用等温松弛电流法分别测量每段的老化因子；采用数理统计中的t检验法，确认长电缆和三段短电缆之间以及每段短电缆之间的老化因子不存在显著性差异；
②电老化、热老化和电热联合老化：将三段短电缆连接，取每一试验周期为15天，且在每一试验周期结束后测量老化因子；
③老化因素评价：基于逆幂定律给出电老化寿命损失与老化因子增量之间函数关系，并基于老化因子增量评估热老化和电热联合老化的电缆寿命损失；
④采用逐步升压法击穿试验电缆，给出电、热和电热联合老化电缆的剩余寿命；并基于老化因子综合评价电、热对电缆老化的作用；
⑤依据试验数据推断工作电压下不同缆芯温度下电缆的使用寿命，收集电缆运行中热历史数据，给出电缆预期使用寿命。
本发明的有益效果是：基于逆幂定律的电老化模型中的逐步升压法，最终需将电缆击穿，是一种典型的破坏性试验，也是目前能直接给出电缆寿命唯一方法。等温松弛电流法测量老化因子，是一种非破坏性试验方法。本发明的电、热和电热联合老化试验与等温松弛电流法相结合，建立电老化的寿命损失与等温松弛老化因子增量函数关系，并最终通过老化因子实现对热老化和电热联合老化程度的评定，实现非破坏性试验达到破坏性试验相同的目标。
附图说明
图1是本发明工艺流程图；
图2是本发明三段短电缆连接关系图。
具体实施方式
本发明建立电、热和电热联合老化试验平台：(1)在一定周期内，对试验电缆进行电、热和电热联合加速老化试验，并在完成加速老化试验后，采用等温松弛电流法测量老化因子；(2)重复(1)中内容，进行若干周期的加速老化和等温松弛试验；(3)采用逐步升高电压的电老化法击穿电缆，记录升压时间，计算电缆剩余寿命。本发明详细流程见流程图1。
本发明采用等温松弛电流法测量试验电缆的初始老化因子。将试验电缆分成三段，在电、热和电热联合老化试验平台上对三段电缆同时进行电、热和电热联合加速老化试验【其中第一段电老化电缆施加电压为额定相电压的m(m＝1.5-2.5)倍；热老化是采用加热变压器，让第二段热老化电缆中通过大电流，从而使缆芯温度达到或超过90℃；电热联合老化是使第三段电缆上保持有第一段电缆上相同的电压和第二段电缆上相同的电流。】。基于逆幂定律的电老化模型给出一定周期T内，m倍相电压损失寿命为mnT(n为电压耐力系数或电缆寿命指数)，以此寿命损失标定等温松弛电流法的老化因子增加量。热和电热联合作用对电缆寿命的影响，均以等温松弛老化因子增加量进行评估。在进行若干个周期电、热和电热联合老化试验和等温松弛电流测量后，采用逐步升压的电老化法击穿电缆，并最终给出电缆寿命。本发明的最终目的是采用老化因子判定电缆老化程度和剩余寿命。
本发明详细步骤是：
1、逆幂定律的电老化模型
XLPE绝缘电缆在实际运行中会受到多种应力的作用，其中最为显著的就是电应力和热应力。采用式(1)反应绝缘材料电老化的一般规律，表明电老化是不同电压各自作用时间的一个累积过程，最终造成绝缘材料的老化击穿。
Ent＝C或
Figure BDA0002240637120000031
式中E为绝缘材料承受的电场强度；n被称为电压耐力系数或电缆寿命指数；t为加压时间；C和n是常数，取决于电缆绝缘材料以及其他因素的影响，可以通过试验来确定。上世纪80-90年代生产的电缆n＝9，所以试验周期T内，m倍相电压损失寿命为m9T。
2、等温松弛电流法测量的老化因子
等温松弛电流理论是以微观世界中存在的电子陷阱以及电子的运动为研究对象，以公式推导的形式得出电流与时间的特征关系，并由此来表征绝缘体与半导体内的电子陷阱分布这一情况。当U0作用到电介质上tc段时间后撤掉，然后令电介质短路放电，此时产生的去极化松弛电流可以用一下三阶指数衰减函数表示：
Figure BDA0002240637120000032
式中，ai和τi与电介质材料的特性有关，ai是对陷阱的密度的反应，τi是对陷阱的深度的反应，I0表明了电流最终达到平衡时的稳态值。等温松弛电流中的τ1、τ2、τ3代表着三个不同松弛过程，由于电缆在不同的老化阶段测得的等温松弛电流是不同的，所以其对应的τ1、τ2、τ3值及关系也应该是不同的。
为方便等温松弛电流法在工程检测中的应用，表征电缆老化状态的老化因子A为：
Figure BDA0002240637120000033
式中：Q(τ2)为电缆绝缘内晶体与无定形的界面极化决定的量；Q(τ3)为由绝缘内老化引起的各种极化决定的量。老化因子随电缆老化程度的增加而增大，其计算式分别为：
Figure BDA0002240637120000034
Figure BDA0002240637120000035
3、电、热和电热联合加速老化试验系统
电、热和电热联合加速老化试验系统如图2所示。在采用等温松弛电流法测量老化因子后，将一段较长电缆分成三段，第一段只加电压进行电老化，第二段只加电流进行热老化，第三段加与第一段相同的电压和第二段相同的电流，进行电热联合老化。
图2说明：
大电流箱：为试验电缆提供工频大电流，电流调节范围：0-10kA；
串联谐振耐压装置：为试验电缆提供工频高电压，电压调节范围：0-3U0(U0为电缆额定相电压)；
样品1：电热联合老化电缆，该电缆具有与样品2相同的电压，并同时具有样品3相同的电流(即样品1和样品3的缆芯温度相同)；
样品2：电老化电缆，试验电压2U0；
样品3：热老化电缆，试验中缆芯温度分别为90℃、100℃、110℃和120℃。
4、电缆老化程度评价
分别测量三段电缆的老化因子。确定电老化电缆寿命损失与老化因子增量间的关系，并采用老化因子评定热老化和电热联合老化电缆的老化程度，用于判断电应力和热应力对电缆老化的贡献率。
5、老化因子综合评估电、热老化因素
对进行若干电、热和电热联合老化电缆，采用逐步升压法最终击穿电缆，记录电缆所加电压、加压时间和击穿电压及击穿时间，计算电缆剩余寿命。基于老化因子综合分析电、热因素对电缆老化影响，并基于电缆运行电、热历史数据给出电缆预期使用寿命。
6、具体实施步骤
(1)测量老化因子：取一根长度不小于15米且两端带端部接头的试验长电缆，等温松弛电流法测量该长电缆老化因子。将试验长电缆等分成3段短电缆，并分别安装电缆端部接头，再用等温松弛电流法分别测量每段的老化因子。采用数理统计中的t检验法，确认长电缆和3段短电缆之间以及每段短电缆之间的老化因子不存在显著性差异。
(2)电老化、热老化和电热联合老化：试验接线如图2所示，取每一试验周期为15天(360小时)，且在每一试验周期结束后测量老化因子。1)第一周期：电压取2倍电缆工作的相电压U0，电流取电缆的静态载流量，所示该周期内热老化和电热联合老化的电缆缆芯温度为90℃；2)第二周期：电压取2倍电缆工作的相电压U0，电流借助于有限元ANSYS分析软件，使该电流下该周期内热老化和电热联合老化的电缆缆芯温度为100℃；3)第三周期：电压取2倍电缆工作的相电压U0，电流借助于有限元ANSYS分析软件，使该电流下该周期内热老化和电热联合老化的电缆缆芯温度为110℃；4)第四周期：电压取2倍电缆工作的相电压U0，电流借助于有限元ANSYS分析软件，使该电流下该周期内热老化和电热联合老化的电缆缆芯温度为120℃。
(3)老化因素评价：基于逆幂定律给出电老化寿命损失与老化因子增量之间函数关系，并基于老化因子增量评估热老化和电热联合老化的电缆寿命损失。采用数理统计中的t检验法：1)确认在(2)中第一周期缆芯温度为90℃时，电缆热老化不显著，电老化显著程度，以及电热联合老化中热因素是否加剧了电老化；2)确认在(2)中第二-四周期电缆热老化显著程度以及电热老化中电因素对电缆老化的贡献率；3)确认在(2)中第二-四周期电热联合老化的寿命损失是否大于电因素和热因素单独作用寿命损失之和。
(4)采用逐步升压法击穿试验电缆，给出电、热和电热联合老化电缆的剩余寿命。并基于老化因子综合评价电、热对电缆老化的作用。
(5)依据试验数据推断工作电压下不同缆芯温度下电缆的使用寿命。收集电缆运行中热历史数据，给出电缆预期使用寿命。

Claims (1)

1.一种交联聚乙烯电力电缆寿命电应力和/或热应力试验平台，其特征在于：
(1)逆幂定律的电老化模型
Figure FDA0002240637110000011
式中E为绝缘材料承受的电场强度；n被称为电压耐力系数或电缆寿命指数；t为加压时间；C和n是常数；
(2)等温松弛电流法测量的老化因子
当U0作用到电介质上tc段时间后撤掉，然后令电介质短路放电，此时产生的去极化松弛电流用以下三阶指数衰减函数表示：
Figure FDA0002240637110000012
式中，ai和τi与电介质材料的特性有关，ai是对陷阱的密度的反应，τi是对陷阱的深度的反应，I0表明了电流最终达到平衡时的稳态值；
表征电缆老化状态的老化因子A为：
Figure FDA0002240637110000013
式中：Q(τ2)为电缆绝缘内晶体与无定形的界面极化决定的量；Q(τ3)为由绝缘内老化引起的各种极化决定的量；其中：
Figure FDA0002240637110000014
Figure FDA0002240637110000015
(3)电、热和电热联合加速老化试验步骤：
①将试验长电缆等分成三段短电缆，并分别安装电缆端部接头，再用等温松弛电流法分别测量每段的老化因子；采用数理统计中的t检验法，确认长电缆和三段短电缆之间以及每段短电缆之间的老化因子不存在显著性差异；
②电老化、热老化和电热联合老化：将三段短电缆连接，取每一试验周期为15天，且在每一试验周期结束后测量老化因子；
③老化因素评价：基于逆幂定律给出电老化寿命损失与老化因子增量之间函数关系，并基于老化因子增量评估热老化和电热联合老化的电缆寿命损失；
④采用逐步升压法击穿试验电缆，给出电、热和电热联合老化电缆的剩余寿命；并基于老化因子综合评价电、热对电缆老化的作用；
⑤依据试验数据推断工作电压下不同缆芯温度下电缆的使用寿命，收集电缆运行中热历史数据，给出电缆预期使用寿命。
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