CN112446136A - 一种基于微元化物理模型的电缆寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于微元化物理模型的电缆寿命预测方法，将电缆试样分别在90℃、110℃和130℃下进行热老化实验，在不同老化时间下取样测量其断裂伸长率保留率数值，再将实验所得数据代入建模方程，得到不同的t0和v值，对t0和v值进行数据拟合，以确定最佳拟合值。对三组不同温度下对应的t0和v值再进行数据拟合，分别得到t0和v关于温度的函数关系，回带建模方程，得到断裂伸长保留率关于温度和时间的函数。本发明将失效标准的力学参数断裂伸长率保留率作为时间和温度相关的函数，一方面可以代入断裂伸长率保留率为50％时，求出电缆在额定工作温度下的电缆寿命，一方面也可直观显示绝缘材料性能受温度和老化时间影响的下降趋势。
Description
技术领域
本发明属于电缆检测技术领域，具体涉及一种基于微元化物理模型的电缆寿命预测方法。
背景技术
随着电气设备越来越先进，越来越普遍，电力电缆的使用量也越来越多。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。
目前针对电缆的检测方法通常是巡视检查和绝缘电阻检测，采用这些手段可以大致分析电缆的运行状态，但是并不能确定其老化程度和使用寿命等信息。而橡胶绝缘电力电缆在运行中，热老化是导致其老化的关键因素，绝缘材料在受热条件下会发生降解反应，使得电缆绝缘性能逐渐降低。因此，开展电力电缆的热老化寿命分析工作尤为重要，评估电缆寿命,可以为确定电缆最佳检修时机与更换策略提供支持，提高电缆利用率，减少电力运维成本，降低经济损失。也可以预防电缆因绝缘老化失效而导致的安全隐患，保障电力系统的正常运行。
专利文献CN107590314 A公开的一种基于matlab的电缆寿命数据评估方法，本发明基于matlab软件，设定电缆老化的函数符合阿列纽斯曲线，将其对数化，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，通过对输入的三组不同温度对应下的试验时间和断裂伸长率保留率数据进行拟合，求出不同温度对应下断裂伸长率保留率为50％时寿命时间，生成三组x,y值，再进行拟合，根据拟合直线得到热寿命与温度值的函数关系。但基于阿列纽斯曲线得出的最终结果只显示了电缆的热寿命与温度值间的函数关系，未建立断裂伸长率保留率与老化时间和温度的函数关系，对受老化时间和温度影响下绝缘材料力学性能的下降趋势并未涉及，不够全面。
专利文献CN 106771891 A公开的一种电热联合老化的交联聚乙烯电缆剩余寿命评价方法中，通过对待评估交联聚乙烯电缆进行差式扫描量热实验，得到热老化化学反应活化能，利用电缆剩余寿命评估公式，结合电缆实际运行工况，计算得出电缆剩余寿命。但该方法无法从理论上建立常规法所具备的绝缘材料老化性能与老化程度之间的关系,并缺少重复性实验对其稳定性进行验证,具有一定的局限性。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明目的在于提供了一种基于微元化物理模型的电缆寿命预测方法，建立一个基于物理的预测模型，将失效标准的力学参数断裂伸长率保留率作为时间和温度相关的函数，更能直观反映老化时间及温度对电缆绝缘材料性能的影响。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
该基于微元化物理模型的电缆寿命预测方法，包括以下步骤：
S1：利用微分法，将电缆试样分成若干个单位立方体块，再将每个单位立方体块分为m个子立方体，m为正整数；
S2：假定在m个子立方体中，n个子立方体被降解，令每个单位立方体中退化部分体积比为Vd,则每个子立方体块边长为d,可表示为d＝(Vd/n)1/3；令k是沿x、y或z方向上的任意轴线退化的子立方体的数目，可表示为k＝n1/3；
S3：设定电缆试件为一个单位长度，所以分母为1，具体如下：
1)试样老化前断裂伸长率EABbefore：
EABbefore＝α×1-1/1 (1)
其中：α-伸长因子，为大于1的实数；
2)试样老化后断裂伸长率EABafter：
未退化部分其伸长因子a保持为原始值，退化部分伸长因子令为ad，退化的个数为n1/3,则退化部分总长度为∑dk＝n1/3×(Vd/n)1/3,未退化部分长度为1-∑dk；
EABafter＝[α×(1-∑dk)+αd×(∑dk)-1]/1 (2)
3)断裂伸长率保留率σ：
σ＝EABafter/EABbefore≈1-(Vd)1/3 (3)
4)v是由断裂伸长率的定义表征，可以用指数分布的累积分布函数表示：
σ＝1-(1-e-vt)1/3 (4)
其中，v表示降解速率；
假定t0时刻开始发生降解反应，方程(4)可转化为如下(5)和(6)：
σ＝1，t≤t0 (5)
S4：在不同老化时间下取样测量其断裂伸长率保留率数值，再将所得数据代入建模方程，得到不同的t0和v值，对t0和v值进行数据拟合，以确定最佳拟合值。
进一步地，上述步骤S4将电缆试样分别在90℃、110℃和130℃下进行热老化实验。
本发明的有益效果：
本发明利用微元法对电缆绝缘材料的断裂伸长保留率在不同温度下，受老化时间影响的下降曲线进行建模，建立一种基于物理的预测模型，将失效标准的力学参数断裂伸长率保留率作为时间和温度相关的函数，一方面可以代入断裂伸长率保留率为50％时，求出电缆在额定工作温度下的电缆寿命，一方面也可直观显示绝缘材料性能受温度和老化时间影响的下降趋势。
附图说明
图1是电缆试样微元化模型图；
图2是本发明的方法流程图。
附图标记说明：
1-电缆哑铃状试样微元化模型；2-单位子立方体块。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
下面结合附图1和2对本发明进行详细说明。
利用微分法，将电缆试样分成若干个单位立方体块，电缆试样采用电缆哑铃状试样微元化模型1，再将每个单位立方体块分为m个单位子立方体2，m为大的正整数。假定在m个子立方体中，n个子立方体被降解。令每个单位立方体中退化部分体积比为Vd,则每个子立方体块边长为d,可表示为d＝(Vd/n)1/3。在单位立方体中，假定退化是均匀的，令k是沿x、y或z方向上的任意轴线退化的子立方体的数目，可表示为k＝n1/3。为了简化推导过程，本文对试件设定了一个单位长度，所以分母为1。
1)试样老化前断裂伸长率(EABbefore)：
EABbefore＝α×1-1/1 (1)
α:伸长因子，为大于1的实数
2)试样老化后断裂伸长率(EABafter)：
未退化部分其伸长因子a保持为原始值，退化部分伸长因子令为ad(退化部分无延展性，ad无限接近于1)，退化的个数为n1/3,则退化部分总长度为∑dk＝n1/3×(Vd/n)1/3,未退化部分长度为1-∑dk。
EABafter＝[α×(1-∑dk)+αd×(∑dk)-1]/1 (2)
αd:接近于1
3)断裂伸长率保留率σ：
σ＝EABafter/EABbefore≈1-(Vd)1/3 (3)
表1、降解量的变化趋势
在反应控制的降解中，Vd遵循表1所示的下降速率v，其中v并不是由化学反应来测量，而是由断裂伸长率的定义表征，累计的虚拟退化部分为列(b)的总和，可以用指数分布的累积分布函数表示：
即σ＝1-(1-e-vt)1/3 (4)
v:降解速率
断裂伸长率保留率在老化初期下降速率较慢，基本趋于稳定，材料几乎未降解，假定t0时刻开始发生降解反应，方程(4)可转化为如下(5)和(6)：
σ＝1，t≤t0 (5)
以上述建模方程(4)和(5)为基础，将电缆试样分别在90℃、110℃和130℃下进行热老化实验，在不同老化时间下取样测量其断裂伸长率保留率数值，再将实验所得数据代入建模方程，得到不同的t0和v值，对t0和v值进行数据拟合，以确定最佳拟合值。对三组不同温度下对应的t0和v值再进行数据拟合，分别得到t0和v关于温度的函数关系，回带建模方程，得到断裂伸长保留率关于温度和时间的函数。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
步骤一：前期准备
1)试样制备
利用GB/T 2951.1.1997电缆绝缘和护套材料通用试验方法中，关于试样制备及处理中规定制备试样，在试样选好后通过力学拉伸试验测量初始断裂伸长率。
2)温度选取
试验温度的选取，需比电缆导体的额定工作温度高(10±2)℃，如果电缆导体工作温度未知，则比电缆绝缘材料的最高额定温度高(10±2)℃。选择90℃、110℃和130℃共3个温度作为电缆加速热老化温度。
3)取样间隔时间选取
取样间隔过短，试样老化特征值变化不显著，造成试验周期加长。取样间隔过长，相邻数据的变化梯度过大，会导致测量值变化趋势严重偏离实际的老化趋势。当测量本次断裂伸长率数值与上次测量的断裂伸长率值变化梯度较大时，则缩短老化取样问隔时间，总原则是保证试样老化性能变化参数，断裂伸长率的变化梯度不超过10％。
步骤二：实验结果采集及处理
1)实验结果采集
电缆的加速热老化试验在3个温度下分3组进行，在90℃、110℃和130℃共3个温度下，分别选定12个不同的老化时间，对试样进行检测，通过力学拉伸实验，测量其断裂伸长率，得到不同温度的老化时间下的断裂伸长率初始数值。将所得每一温度下的12组数据除以老化前断裂伸长率，得到电缆老化的断裂伸长率保留率，实验所得数据为(ti,σi),其中i为1,2,3...12。
2)实验数据拟合及处理
将所得到的实验数据(ti,σi)分别代入建模方程(4)，(5)中，得到不同的t0和v值，对不同的t0和v值代入方程(4)和(5)进行拟合分析，与实验数据离散分布趋势对比，确定最佳拟合的t0和v值。分别得到T1＝90℃,T2＝110℃,T3＝130℃对应的t0和v值，假设得到的值分别为t1,t2,t3，为不同温度下某一时刻开始降解的时间；得到v1,v2,v3,对应值为不同温度下的降解速率。再对(T1，v1)；(T2,v2)；(T3,v3)进行线性拟合，同理对(T1,t1)；(T2,t2)；(T3,t3)进行线性拟合。分别得到v和t0关于温度的线性函数。再回带方程(4)和(5)，最终得到断裂伸长率保留率关于温度和老化时间的函数。GB/T 20028---2005中提出可以采用断裂伸长率P作为电缆绝缘老化性能特征值，并以断裂伸长率下降到原始值的50％作为老化性能失效的临界值。给定断裂伸长保留率50％，以及电缆额定工作温度，即可代入所得函数，外推得出电缆的老化寿命。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (2)
1.一种基于微元化物理模型的电缆寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用微分法，将电缆试样分成若干个单位立方体块，再将每个单位立方体块分为m个子立方体，m为正整数；
S2：假定在m个子立方体中，n个子立方体被降解，令每个单位立方体中退化部分体积比为Vd,则每个子立方体块边长为d,可表示为d＝(Vd/n)1/3；令k是沿x、y或z方向上的任意轴线退化的子立方体的数目，可表示为k＝n1/3；
S3：设定电缆试件为一个单位长度，所以分母为1，具体如下：
1)试样老化前断裂伸长率EABbefore：
EABbefore＝α×1-1/1 (1)
其中：α-伸长因子，为大于1的实数；
2)试样老化后断裂伸长率EABafter：
未退化部分其伸长因子a保持为原始值，退化部分伸长因子令为ad，退化的个数为n1/3,则退化部分总长度为∑dk＝n1/3×(Vd/n)1/3,未退化部分长度为1-∑dk；
EABafter＝[α×(1-∑dk)+αd×(∑dk)-1]/1 (2)
3)断裂伸长率保留率σ：
σ＝EABafter/EABbefore≈1-(Vd)1/3 (3)
4)v是由断裂伸长率的定义表征，可以用指数分布的累积分布函数表示：
σ＝1-(1-e-vt)1/3 (4)
其中，v表示降解速率；
假定t0时刻开始发生降解反应，方程(4)可转化为如下(5)和(6)：
σ＝1，t≤t0 (5)
S4：在不同老化时间下取样测量其断裂伸长率保留率数值，再将所得数据代入建模方程，得到不同的t0和v值，对t0和v值进行数据拟合，以确定最佳拟合值。
2.根据权利要求1所述的基于微元化物理模型的电缆寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S4将电缆试样分别在90℃、110℃和130℃下进行热老化实验。
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