CN112485617A - 一种电缆的绝缘老化状态评估方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请属于电力设备电气绝缘检测领域，尤其涉及一种电缆的绝缘老化状态评估方法和装置。本申请公开的基于直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE来判断电缆绝缘的老化状态，直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE越大，电缆绝缘的老化程度越严重。本申请提出了一种电缆的绝缘老化状态评估方法和装置，不必知道投入运行前电缆绝缘的历史数据即可判断电缆绝缘的老化状态，可简单准确地判断电缆绝缘的老化状态。
Description
技术领域
本申请属于电力设备电气绝缘检测领域，尤其涉及一种电缆的绝缘老化状态评估方法和装置。
背景技术
交联聚乙烯绝缘电缆凭借着优良的电气和理化性能，被广泛应用于电力输电系统。在长期的运行过程中，电缆绝缘材料会受到多种因素的作用发生老化，其性能也会下降，影响电力系统的安全性与可靠性。交联聚乙烯电缆的设计使用时间一般为30～40年，目前我国已经有许多线路处于设计使用时间的中后期，因此有必要对交联聚乙烯电缆绝缘老化状态进行评估。
目前对电缆绝缘老化状态的评估通常是利用多种测试技术获得能够表征材料结构和性能劣化的特征量，例如通过拉伸试验获得断裂伸长率，通过扫描电子显微镜观测晶体形态，又或是通过电学性能测试获得击穿场强、介质损耗因数等电学参数。
然而，由于各条线路的电缆在生产厂家、原料组成、生产工艺等方面存在差异，因此投入运行前电缆绝缘的性能数值各不相同，运行维护部门也无法准确得知相应线路电缆在未投入运行时的历史数据。因此，只知道目标试样在测试时刻的性能参数很难准确判断电缆绝缘的老化程度。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本申请提出了一种电缆的绝缘老化状态评估方法和装置，不必知道投入运行前电缆绝缘的历史数据即可判断电缆绝缘的老化状态，可简单准确地判断电缆绝缘的老化状态。
本申请第一方面提供了一种电缆的绝缘老化状态评估方法，包括以下步骤：
S101、将绝缘电缆切割成若干片，制得若干个绝缘电缆片，其中一个作为未热老化的第一目标试样，其余作为热老化的第二目标试样；
S102、对每个所述第二目标试样进行对应预设的老化处理；
S103、分别对未热老化的所述第一目标试样和已热老化的所述第二目标试样的正反面设置金属电极；
S104、分别测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样的厚度d，并测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样在预设不同的直流偏压U下的介电常数εr；
S105、根据S104的直流偏压U下的介电常数εr，分别计算所述第一目标试样和所述第二目标试样的直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，其中，E为直流电压下的电场强度E＝U/d，以电场强度E为横坐标，对应的εr为纵坐标，绘制εr～E关系线性曲线；所述直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE为所述εr～E关系线性曲线的斜率；
S106、根据S105得到的所述直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，判断所述绝缘电缆的绝缘老化状态。
作为优选，所述绝缘电缆为交联聚乙烯电缆。
其中，所述绝缘电缆为110kV交联聚乙烯电缆。
作为优选，S101中还包括清除所述第一目标试样和所述第二目标试样表面的杂质。
其中，所述清除杂质的方法包括用无水乙醇清除所述第一目标试样和所述第二目标试样表面的杂质，干燥后作为目标试样。
作为优选，S101中，所述第一目标试样和所述第二目标试样的厚度范围为0.5±0.2mm，直径范围为30～100mm
其中，所述绝缘电缆片可以为相同尺寸的圆片，所述绝缘电缆片的厚度为0.5mm；直径为50mm；所述绝缘电缆片也可以为任意厚度的圆片。
作为优选，所所述老化处理为将所述第二目标试样在150℃～160℃下老化，所述老化时间不少于72h。其中，所述老化处理为150～160℃温度下进行阶段性加速热老化。
更为优选，所述老化处理为将所述第二目标试样在155℃℃下老化72h～288h。
作为优选，S102中，所述设置金属电极的方法为离子溅射法或电镀法。
作为优选，所述介电常数εr的测定温度为15℃～35℃，所述介电常数εr的测定频率设置为1Hz～100Hz，所述介电常数εr的测定交流电压为0.5V～2V，所述直流偏压U为0.1～0.9kV
更为优选，所述介电常数εr的测定温度为20℃，所述介电常数εr的测定频率设置为10Hz，所述介电常数εr的测定交流电压为1V，所述直流偏压U为0.1～0.9kV。
本申请第二方面提供了一种电缆的绝缘老化状态评估装置，包括：
电缆切片机，具体用于将绝缘电缆切割成若干片，制得若干个绝缘电缆片，其中一个作为未热老化的第一目标试样，其余作为热老化的第二目标试样；
老化单元，具体用于对每个所述第二目标试样进行对应预设的老化处理；
电极处理单元，具体用于分别对未热老化的所述第一目标试样和已热老化的所述第二目标试样的正反面设置金属电极；
第一计算单元，具体用于分别测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样的厚度d，并测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样在预设不同的直流偏压U下的介电常数εr；
第二计算单元，具体用于所述直流偏压U下的介电常数εr，分别计算所述第一目标试样和所述第二目标试样的直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，其中，E为直流电压下的电场强度E＝U/d，以电场强度E为横坐标，对应的εr为纵坐标，绘制εr～E关系线性曲线；所述直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE为所述εr～E关系线性曲线的斜率；
判断单元，具体用于所述直流偏压下介电常数的变化率d r/dE，判断所述绝缘电缆的绝缘老化状态。
与现有技术相比，本申请具有以下有益的技术效果：
本申请公开的基于直流偏压下介电常数变化率的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，首次创新地使用直流偏压下介电常数的变化率来判断电缆绝缘的老化状态，本申请发现直流偏压下介电常数是表征绝缘材料老化特性的有效手段。本申请的评估方法简单易行，评估结果可靠，成功地避免了不同电缆绝缘之间的历史数据不同且未知的问题，为科学研究和工程应用提供了重要的参考价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例中四种目标试样的介电常数 r随电场强度E变化的关系图，其中“点”为实测数据，“线”为线性拟合结果。
图2为本申请实施例中四种目标试样在直流偏压下介电常数变化率随老化时间的变化曲线。
具体实施方式
本申请提供了了一种电缆的绝缘老化状态评估方法和装置，用于解决现有技术中判断电缆绝缘的老化程度的方法困难度大以及准确性低的技术缺陷。
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
其中，以下实施例所用试剂或样品均为市售或自制。
本申请是通过测试交联聚乙烯电缆绝缘试样在不同直流偏压U下的介电常数εr，采用直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE对交联聚乙烯电缆绝缘老化状态进行评估。
其具体实现步骤如下：
1)准备试样：对交联聚乙烯电缆绝缘进行切片，制得若干个绝缘电缆片，获得厚度d为0.5mm直径为50mm的圆形试样，用无水乙醇清除表面杂质，干燥后作为老化状态表征的目标试样。本实施例选取的目标试样取自110kV交联聚乙烯电缆绝缘，切片后在155℃下进行加速热老化实验，老化时间为72h、216h与288h，加上未老化试样一共四种目标试样；
2)制作电极：对步骤1)的四种目标试样的正反两面进行离子溅射，形成两个金属电极，目标试样的有效电极的直径为30mm。
3)测量直流偏压下的介电常数εr：将2)的四种目标试样放置在介电谱测试系统中，设置测试温度、频率和电压U，启动介电谱测试仪，测量交联聚乙烯电缆绝缘的介电常数εr，获得不同电场强度E下目标试样的介电常数εr，如图1所示。
介电谱测试仪采用Novocontrol concept 80介电谱测试仪；本实施例的测试温度为20℃，频率设置为10Hz，交流电压为1V，设置直流电压U为0.1、0.3、0.5、0.7和0.9kV。
4)计算直流偏压下介电常数的变化率：根据步骤3)中不同直流偏压U下测试得到的介电常数εr，计算直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，其中E为直流电压下的电场强度，E＝U/d。以电场强度E为横坐标，对应的εr为纵坐标，绘制εr～E关系图，线性拟合后获得的斜率即为直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE。
5)老化状态评估：根据步骤4)获得的直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，判断不同的交联聚乙烯电缆绝缘的老化状态。直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE越大，交联聚乙烯电缆绝缘的老化程度越严重。
具体的说，步骤1)的四种目标试样分别标记为目标试样1、目标试样2、目标试样3和目标试样4；目标试样1未老化处理，测定其在温度为20℃，频率设置为10Hz，交流电压为1V，直流电压U为0.1、0.3、0.5、0.7和0.9kV条件下的介电常数εr：绘制成εr～E线性关系曲线，如图1的未老化曲线，通过未老化曲线得到图2中老化时间为0h的变化率dεr/dE；目标试样2在155℃老化72h，测定其在温度为20℃，频率设置为10Hz，交流电压为1V，直流电压U为0.1、0.3、0.5、0.7和0.9kV条件下的介电常数εr：绘制成εr～E线性关系曲线，如图1的155℃老化72h曲线，通过155℃老化72h曲线得到图2中老化时间为72h的变化率dεr/dE；如此类推，得到图2中四种目标试样在直流偏压下介电常数变化率随老化时间的变化曲线。通过比较不同的绝缘电缆的直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，即可评估得到不同绝缘电缆的老化状态。
其中，绝缘电缆片的厚度d可以一致也可以不一致，绝缘电缆片的厚度d与测定的电场强度E有关。
参照图1和图2图可以看出，未老化试样(老化时间为0h)的介电常数εr随直流电场的增大基本保持不变，介电常数的变化率dεr/dE约为0.003；随着老化时间的增长，外加直流偏压对交联聚乙烯电缆绝缘试样介电常数的影响逐渐增大，即介电常数的变化率增大，经过288h热老化的交联聚乙烯试样，其介电常数的变化率dεr/dE增大为0.026，是未老化试样的9倍。
综上所述，本申请是一种基于直流偏压下介电常数变化率的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法。本申请的方法简单易行，评估结果准确，不必知道投入运行前电缆绝缘的历史数据即可判断电缆绝缘的老化状态。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种电缆的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、将绝缘电缆切割成若干片，制得若干个绝缘电缆片，其中一个作为未热老化的第一目标试样，其余作为热老化的第二目标试样；
S102、对每个所述第二目标试样进行对应预设的老化处理；
S103、分别对未热老化的所述第一目标试样和已热老化的所述第二目标试样的正反面设置金属电极；
S104、分别测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样的厚度d，并测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样在预设不同的直流偏压U下的介电常数εr；
S105、根据S104的直流偏压U下的介电常数εr，分别计算所述第一目标试样和所述第二目标试样的直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，其中，E为直流电压下的电场强度E＝U/d，以电场强度E为横坐标，对应的εr为纵坐标，绘制εr～E关系线性曲线；所述直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE为所述εr～E关系线性曲线的斜率；
S106、根据S105得到的所述直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，判断所述绝缘电缆的绝缘老化状态。
2.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述绝缘电缆为交联聚乙烯电缆。
3.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，S101中还包括清除所述第一目标试样和所述第二目标试样表面的杂质。
4.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，S101中，所述第一目标试样和所述第二目标试样的厚度范围为0.5±0.2mm，直径范围为30～100mm。
5.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述老化处理为将所述第二目标试样在150℃～160℃下老化，所述老化时间不少于72h。
6.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述老化处理为将所述第二目标试样在155℃下老化72h～288h。
7.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，S102中，所述设置金属电极的方法为离子溅射法或电镀法。
8.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述介电常数εr的测定温度为15℃～35℃，所述介电常数εr的测定频率设置为1Hz～100Hz，所述介电常数εr的测定交流电压为0.5V～2V，所述直流偏压U为0.1～0.9kV。
9.根据权利要求1所述的绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述介电常数εr的测定温度为20℃，所述介电常数εr的测定频率设置为10Hz，所述介电常数εr的测定交流电压为1V，所述直流偏压U为0.1～0.9kV。
10.一种电缆的绝缘老化状态评估装置，其特征在于，包括：
电缆切片机，具体用于将绝缘电缆切割成若干片，制得若干个绝缘电缆片，其中一个作为未热老化的第一目标试样，其余作为热老化的第二目标试样；
老化单元，具体用于对每个所述第二目标试样进行对应预设的老化处理；
电极处理单元，具体用于分别对未热老化的所述第一目标试样和已热老化的所述第二目标试样的正反面设置金属电极；
第一计算单元，具体用于分别测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样的厚度d，并测定已设置金属电极的所述第一目标试样和已设置金属电极的所述第二目标试样在预设不同的直流偏压U下的介电常数εr；
第二计算单元，具体用于所述直流偏压U下的介电常数εr，分别计算所述第一目标试样和所述第二目标试样的直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，其中，E为直流电压下的电场强度E＝U/d，以电场强度E为横坐标，对应的εr为纵坐标，绘制εr～E关系线性曲线；所述直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE为所述εr～E关系线性曲线的斜率；
判断单元，具体用于所述直流偏压下介电常数的变化率dεr/dE，判断所述绝缘电缆的绝缘老化状态。
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