CN112379229B - 一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，包括以下步骤：样品制备、电老化试验、数据处理和性能评估，计算工作电压下海底光缆绝缘最大场强，假设海底光缆设计寿命为25年，根据由以上步骤得出的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式计算绝缘失效概率，可由此值评估整个海底光缆系统的绝缘电老化可靠性。通过上述方式，本发明所述的有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，建立了绝缘电老化寿命试验模型，给定了试验方法、环境条件、试验样本、试验样品的处理方法，可以指导典型有中继海底光缆的绝缘电老化寿命试验，得出了海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布，并指导典型有中继海底光缆绝缘设计。
Description
技术领域
本发明涉及海底光缆技术领域，特别是涉及一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法。
背景技术
有中继海底光缆系统可以通过中继器进行光信号放大，从而实现超长距光信号传输。中继系统需由岸基通过海底光缆进行远端供电，随着跨洋海底光缆通信系统传输距离不断加大，通信容量不断提高，典型的跨太平洋海底光缆通信系统，通信跨距超过10000公里，光纤容量达到16纤对32芯，使得海底光缆上运行的直流电压等级越来越高，已超过15千伏，达到18千伏，甚至20千伏。海底光缆需在此条件下稳定运行25年，这对海底光缆的绝缘可靠性提出了极为苛刻的要求，一旦发生绝缘故障，将导致整个系统无法工作，并带来巨大的维修成本。因而，在海底光缆正式运营前对其进行绝缘可靠性评估变得尤为重要。
业界传统的试验方法是依据ITU-976标准中绝缘加速老化反幂定律T*Vn＝C，其中T为绝缘电老化寿命，V为电压，C为常数，n为绝缘电老化寿命指数，由海底光缆系统实际运行电压及可靠性寿命，设计出试验电压及该电压下的绝缘寿命接受标准，存在如下缺陷：
(1)绝缘加速老化反幂定律中未针对特定运行条件下的海底光缆指明绝缘电老化寿命指数n，业内通常选取的4.75不仅误差很大，甚至会误导对绝缘电老化寿命的评估；
(2)采用提高电压加速电老化时，未给定合理的试验电压范围，若为了降低试验时间而过高提升试验电压，会导致过高的试验场强，使得绝缘的老化机理发生质的变化，得出的试验结果用以评估正常工作电压下绝缘电老化寿命误差较大；
(3)绝缘性能测试结果具有较大的分散性，一般认为特定条件下绝缘电老化寿命具有统计学规律，业界传统的试验方法未明确如何采用样本估计总体。
因此亟待基于现有理论建立起完备的有中继海底光缆绝缘电老化寿命试验模型及评估方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，针对业界传统的海底光缆绝缘电老化试验方法的不足，基于绝缘电老化累积击穿威布尔分布规律，统计学试验与分析方法，设计出完备的有中继海底光缆绝缘电老化寿命试验模型与评估方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，包括以下步骤：
样品制备：采用海底光缆作为样品进行试验，样本容量为m，每个样品一端去除绝缘，露出铜导体，制备至少3个样本；
电老化试验：
在水箱中注入人工海水，海水接地，将样品放入水箱中，两端露出水面；
样品的铜导体端连接直流高压发生器，试验电压设置为4倍工作电压；
在试验电压条件下持续保压，监测绝缘漏电流，直至漏电流增大，电压回落，记录下保压时间，即为样品在4倍工作电压下的电老化寿命；
将一组样本中的m个样品依次进行上述试验，得到m个样品在4倍工作电压条件下的电老化寿命；
将试验电压设置为5倍工作电压，换一组样本重复上述步骤，得到第二组样本中m个样品在5倍工作电压条件下的电老化寿命；
将试验电压设置为6倍工作电压，换一组样本重复上述步骤，得到第三组样本中m个样品在6倍工作电压条件下的电老化寿命；
数据处理：
海底光缆绝缘电老化累积击穿概率分布满足Φ(E,t)＝1-exp(-c×ta×Eb)
式中，φ(E,t)为绝缘在电场强度E作用下持续时间t，绝缘发生击穿故障的概率；a、b、c为与绝缘材料\环境条件有关的常数；
海底光缆绝缘电老化寿命试验采用统计学的分级理论由样本估计总体，样本容量10以下取中值等级、95％等级和5％等级对应的等级表，其中，中值等级，即50％等级的含义为，海底光缆总体绝缘电老化失效的分配为，50％的总体在寿命低于中值下失效，50％的总体在寿命高于中值下失效，95％等级和5％等级含义同理；
将每个试验电压下m个样品的绝缘电老化寿命试验结果从小到大递增排列，并取自然对数；
三个等级表中样本容量为m的那列数据，设某个数据为φ，处理成
将每一个试验电压下，样品电老化寿命试验数据取自然对数后为横坐标，各等级数据为纵坐标，在坐标纸上描绘出所有数据点，每一组数据点基于最小二乘法拟合出一根直线，绝缘电老化累积击穿威布尔分布中时间的指数a基于中值等级、95％等级和5％等级的估计值取对应直线斜率的平均值；
计算样品在各个试验电压条件下的最大试验场强，将试验场强取自然对数作为横坐标，不同试验电压下各等级线截距作为纵坐标，将数据点描绘在坐标纸上，并采用最小二乘法对应每种等级线拟合出一根直线，绝缘电老化累积击穿威布尔分布中场强的指数b基于中值等级、95％等级和5％等级的估计值可取对应直线的斜率，绝缘电老化累积击穿威布尔分布中c基于中值等级、95％等级和5％等级的估计值可取对应直线的截距；
性能评估：
根据上述数据处理方法，得到基于中值等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式、基于95％等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式以及基于5％等级的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式；
计算工作电压下海底光缆绝缘最大场强，假设海底光缆设计寿命为25年，根据由以上步骤得出的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式计算绝缘失效概率，可由此值评估整个海底光缆系统的绝缘电老化可靠性；
由上述步骤建立的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式可用于指导绝缘设计，所述海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式包括基于中值等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式、基于95％等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式以及基于5％等级的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式，针对特定的海底光缆系统可由系统运行电压与系统设计寿命推算出满足特定绝缘失效概率的最大电场强度，并由此计算得出海底光缆的绝缘壁厚。
在本发明一个较佳实施例中，所述样品长度为10m。
在本发明一个较佳实施例中，优选的样本容量为10。
在本发明一个较佳实施例中，所述样品一端露出铜导体的长度不短于5cm。
在本发明一个较佳实施例中，试验电压应保证在该电压条件下样品电老化寿命不低于100h，并不高于5000h。
在本发明一个较佳实施例中，典型的工作电压取值15kV。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，建立了绝缘电老化寿命试验模型，给定了试验方法、环境条件、试验样本、试验样品的处理方法，可以指导典型有中继海底光缆的绝缘电老化寿命试验，得出了海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布，可用于评估海底光缆系统绝缘电老化可靠性，并指导典型有中继海底光缆绝缘设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，其中：
图1是本发明一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法一较佳实施例的结构示意图；
图2是海底光缆绝缘电老化寿命试验数据处理表；
图3是另一海底光缆绝缘电老化寿命试验数据处理表。
具体实施方式
下面将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。
请参阅图1～图3，本发明实施例包括：
一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，包括以下步骤：
样品制备：采用海底光缆作为样品进行试验，每段样品长度为10m，在本实施例中，样本容量为10，每个样品1一端去除绝缘，露出铜导体4，样品一端露出铜导体4的长度不短于5cm，制备3个样本；
电老化试验(环境条件：温度20±5℃，相对湿度≤40％),
在水箱2中注入人工海水3，海水接地，如图1所示，将样品1放入水箱中，两端露出水面；
在本实施例中，样品的铜导体端连接直流高压发生器5，试验电压应保证在该电压条件下样品电老化寿命不低于100h，并不高于5000h，典型的试验电压可由4倍工作电压开始，往上递增，超长距海底光缆系统运行的工作电压一般不低于15kV，在本实施例中，工作电压取值15kV，试验电压开始设置为4倍工作电压，也就是说，试验电压可先设置为60kV；
在试验电压条件下持续保压，监测绝缘漏电流，直至漏电流增大，电压回落，记录下保压时间，即为样品在4倍工作电压下的电老化寿命；
将一组样本中的m个样品依次进行上述试验，得到10个样品在4倍工作电压条件下的电老化寿命，本次试验中10个样品在60kV电压条件下的电老化寿命依次为1760.1h，1385.3h，734.4h，1915.9h，1039.9h，842.3h，1856.0h，1639.4h，945.9h，1265.9h；
在本实施例中，将试验电压设置为5倍工作电压，即75kV，换一组样本重复上述步骤，得到第二组样本中10个样品在5倍工作电压条件下的电老化寿命，10个样品在75kV电压条件下的电老化寿命依次为615.4h，416.0h，265.7h，659.2h，496.0h，288.0h，639.8h，538.2h，335.8h，587.2h；
将试验电压设置为6倍工作电压，即90kV，换一组样本重复上述步骤，得到第三组样本中10个样品在6倍工作电压条件下的电老化寿命，10个样品在90kV电压条件下的电老化寿命依次为289.2h，137.6h，170.6h，120.0h，305.6h，289.2h，320.0h，155.2h，208.0h，228.8h；
数据处理：
海底光缆绝缘电老化累积击穿概率分布满足Φ(E,t)＝1-exp(-c×ta×Eb)
式中，φ(E,t)为绝缘在电场强度E作用下持续时间t，绝缘发生击穿故障的概率；a、b、c为与绝缘材料\环境条件有关的常数。
海底光缆绝缘电老化寿命试验采用统计学的分级理论由样本估计总体，样本容量10以下取中值等级、95％等级和5％等级对应的等级表，如表1，表2，表3所示，其中，中值等级，即50％等级的含义为，海底光缆总体绝缘电老化失效的分配为，50％的总体在寿命低于中值下失效，50％的总体在寿命高于中值下失效，95％等级和5％等级含义同理；
表1样本容量10以下中值等级表
表2样本容量10以下5％等级表
表3样本容量10以下95％等级表
将每个试验电压下10个样品的绝缘电老化寿命试验结果从小到大递增排列，并取自然对数(表4)；
表4样品电老化寿命试验结果处理
三个等级表中样本容量为10的那列数据，设某个数据为φ，处理成
表5样本容量为10各等级数据处理
| 样品 | 中值等级 | 95％等级 | 5％等级 |
| 1 | -2.6686 | -1.2052 | -5.2760 |
| 2 | -1.7250 | -0.6907 | -3.2836 |
| 3 | -1.2030 | -0.3467 | -2.3931 |
| 4 | -0.8219 | -0.0667 | -1.8170 |
| 5 | -0.5087 | 0.1759 | -1.3801 |
| 6 | -0.2303 | 0.4076 | -1.0170 |
| 7 | 0.0331 | 0.6403 | -0.6934 |
| 8 | 0.2996 | 0.8913 | -0.3865 |
| 9 | 0.5949 | 1.1946 | -0.0716 |
| 10 | 0.9944 | 1.6636 | 0.3011 |
在本实施例中，将每一个试验电压下，样品电老化寿命试验数据取自然对数后为横坐标，各等级数据为纵坐标，在坐标纸上描绘出所有数据点，每一组数据点基于最小二乘法拟合出一根直线(图2)，如图2所示，60kV试验电压下中值线L1:y＝3.1377x-22.949，95％等级线L2:y＝2.4686x-17.377，5％等级线L3:y＝4.6162x-34.594，75kV试验电压下中值线L4:y＝3.186x-20.066，95％等级线L5:y＝2.4746x-14.912，5％等级线L6:y＝4.7463x-30.714，90kV试验电压下中值线L7:y＝3.0975x-17.072，95％等级线L8:y＝2.4387x-12.762，5％等级线L9:y＝4.5545x-25.934。绝缘电老化累积击穿威布尔分布中时间的指数a基于中值等级的估计值可取直线L1，L4，L7斜率的平均值，为3.1404；基于95％等级的估计值可取直线L2，L5，L8斜率的平均值，为2.4606；基于5％等级的估计值可取直线L3，L6，L9斜率的平均值，为4.6390；
计算样品在各个试验电压条件下的最大试验场强，60kV下最大场强为36.68kV/mm，75kV下最大场强为45.85kV/mm，90kV下最大场强为55.02kV/mm，将试验场强取自然对数作为横坐标，不同试验电压下各等级线截距作为纵坐标，将数据点描绘在坐标纸上，如图3所示，并采用最小二乘法对应每种等级线拟合出一根直线，中值等级线L11:y＝14.437x-75.058，95％等级线L12:y＝11.37x-58.356，5％等级线L13:y＝21.212x-111.27。绝缘电老化累积击穿威布尔分布中场强的指数b基于中值等级的估计值可取直线L11的斜率，14.437；基于95％等级的估计值可取直线L12的斜率，11.37；基于5％等级的估计值可取直线L13的斜率，21.212；绝缘电老化累积击穿威布尔分布中c基于中值等级的估计值可取exp(直线L11截距)，2.5277e-33；基于95％等级的估计值可取exp(直线L12截距)，4.5322e-26；基于5％等级的估计值可取exp(直线L13截距)，4.7430e-49；
性能评估：
根据上述数据处理方法，得到基于中值等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式为：Φ(E,t)＝1-exp(-2.5277e-33×t3.1404×E14.437)；基于95％等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式为：Φ(E,t)＝1-exp(-4.5322e-26×t2.4606×E11.37)；基于5％等级的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式为：Φ(E,t)＝1-exp(-4.7430e-49×t4.6390×E21.212)；
在本实施例中，计算工作电压15kV下海底光缆绝缘最大场强为9.1701kV/mm，假设海底光缆设计寿命为25年，根据由以上步骤得出的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式计算绝缘失效概率为：1.16％(中值等级估计)，5.34％(95％等级估计)，0.07％(5％等级估计)，可由此值评估整个海底光缆系统的绝缘电老化可靠性；
由上述步骤建立的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式可用于指导绝缘设计，针对特定的海底光缆系统可由系统运行电压与系统设计寿命推算出满足特定绝缘失效概率的最大电场强度，并由此计算得出海底光缆的绝缘壁厚。
综上所述，本发明指出的一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，基于有中继海底光缆的应用环境，建立了绝缘电老化寿命试验模型，给定了试验方法，环境条件，试验样本，试验样品的处理方法，并针对有中继海底光缆绝缘电老化寿命试验，提出了试验电压的合理范围，避免了试验条件引起绝缘电老化机理变化而导致试验模型失效，针对有中继海底光缆绝缘电老化寿命试验，基于统计学分级理论，给出了由试验样本估计总体的方法，并给出了基于此模型评估海底光缆在给定工作电压下和设计寿命中绝缘发生失效概率的置信区间，基于建立的海底光缆绝缘电老化试验模型，给出了具体的试验数据处理方法，得到绝缘电老化累积击穿威布尔分布模型中的各项系数，由此得出了绝缘电老化累积击穿概率分布，可由此概率分布评估典型有中继海底光缆的绝缘电老化可靠性，另一方面可用以指导典型有中继海底光缆的绝缘设计。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
样品制备：采用海底光缆作为样品进行试验，样本容量为m，每个样品一端去除绝缘，露出铜导体，制备至少3个样本；
电老化试验：
在水箱中注入人工海水，海水接地，将样品放入水箱中，两端露出水面；
样品的铜导体端连接直流高压发生器，试验电压设置为4倍工作电压；
在试验电压条件下持续保压，监测绝缘漏电流，直至漏电流增大，电压回落，记录下保压时间，即为样品在4倍工作电压下的电老化寿命；
将一组样本中的m个样品依次进行上述试验，得到m个样品在4倍工作电压条件下的电老化寿命；
将试验电压设置为5倍工作电压，换一组样本重复上述步骤，得到第二组样本中m个样品在5倍工作电压条件下的电老化寿命；
将试验电压设置为6倍工作电压，换一组样本重复上述步骤，得到第三组样本中m个样品在6倍工作电压条件下的电老化寿命；
数据处理：
海底光缆绝缘电老化累积击穿概率分布满足Φ(E,t)＝1-exp(-c×ta×Eb)
式中，φ(E,t)为绝缘在电场强度E作用下持续时间t，绝缘发生击穿故障的概率；a、b、c为与绝缘材料\环境条件有关的常数；
海底光缆绝缘电老化寿命试验采用统计学的分级理论由样本估计总体，样本容量10以下取中值等级、95％等级和5％等级对应的等级表，其中，中值等级，即50％等级的含义为，海底光缆总体绝缘电老化失效的分配为，50％的总体在寿命低于中值下失效，50％的总体在寿命高于中值下失效，95％等级和5％等级含义同理；
将每个试验电压下m个样品的绝缘电老化寿命试验结果从小到大递增排列，并取自然对数；
三个等级表中样本容量为m的那列数据，设某个数据为φ，处理成
将每一个试验电压下，样品电老化寿命试验数据取自然对数后为横坐标，各等级数据为纵坐标，在坐标纸上描绘出所有数据点，每一组数据点基于最小二乘法拟合出一根直线，绝缘电老化累积击穿威布尔分布中时间的指数a基于中值等级、95％等级和5％等级的估计值取对应直线斜率的平均值；
计算样品在各个试验电压条件下的最大试验场强，将试验场强取自然对数作为横坐标，不同试验电压下各等级线截距作为纵坐标，将数据点描绘在坐标纸上，并采用最小二乘法对应每种等级线拟合出一根直线，绝缘电老化累积击穿威布尔分布中场强的指数b基于中值等级、95％等级和5％等级的估计值可取对应直线的斜率，绝缘电老化累积击穿威布尔分布中c基于中值等级、95％等级和5％等级的估计值可取对应直线的截距；
性能评估：
根据上述数据处理方法，得到基于中值等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式、基于95％等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式以及基于5％等级的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式；
计算工作电压下海底光缆绝缘最大场强，假设海底光缆设计寿命为25年，根据由以上步骤得出的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式计算绝缘失效概率，可由此值评估整个海底光缆系统的绝缘电老化可靠性；
由上述步骤建立的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式可用于指导绝缘设计，所述海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布公式包括基于中值等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式、基于95％等级估计的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式以及基于5％等级的海底光缆绝缘电老化累积击穿威布尔概率分布表达式，针对特定的海底光缆系统可由系统运行电压与系统设计寿命推算出满足特定绝缘失效概率的最大电场强度，并由此计算得出海底光缆的绝缘壁厚。
2.根据权利要求1所述的有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，其特征在于，所述样品长度为10m。
3.根据权利要求1所述的有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，其特征在于，优选的样本容量为10。
4.根据权利要求1所述的有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，其特征在于，所述样品一端露出铜导体的长度不短于5cm。
5.根据权利要求1所述的有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，其特征在于，试验电压应保证在该电压条件下样品电老化寿命不低于100h，并不高于5000h。
6.根据权利要求1所述的有中继海底光缆绝缘电老化寿命评估方法，其特征在于，典型的工作电压取值15kV。
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