CN112765776A - 一种交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法及系统，属于电力设备电气绝缘检测领域。具体做法是：根据交联聚乙烯电缆的紫外‑可见光谱，获取交联聚乙烯电缆的光谱参数；根据交联聚乙烯电缆的光谱参数采用预置曲线公式计算曲线的横、纵坐标，并绘制对应的曲线图；根据曲线图中曲线线性部分的延长线与x轴的交点得到待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度；由待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度得到与其负相关的老化程度，完成交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估。本发明方法是一种非接触、非破坏的测试方法，操作简单易行，结果准确可靠，为电缆绝缘老化状态的评估提供了新的表征量。

Description

一种交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法及系统
技术领域
本发明属于电力设备电气绝缘检测领域，具体涉及一种基于光学带隙宽度的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法及系统。
背景技术
随着电力系统规模的扩大，电力电缆的使用量逐年增加，其中交联聚乙烯绝缘电缆凭借着优异的性能成为中高压电缆的主力军。在长时间的运行过程中，电缆绝缘材料受到多种因素的作用会发生老化，导致故障频发，威胁着电力系统的安全可靠运行。交联电缆的设计寿命一般为30～40年，目前我国多条电缆线路已经处于设计使用寿命的中后期，对电缆绝缘进行状态评估具有重要意义。
电缆绝缘的状态评估通常是基于绝缘材料老化导致其性能和结构的变化而进行的，研究表明，老化会破坏电缆绝缘材料的微观结构，导致材料力学性能、热学性能以及电学性能下降。利用多种测试技术能够获得反映电缆绝缘材料劣化程度的性能参数，在结构方面，X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱等常被用来分析交联聚乙烯的微观结构，获得的参数有结晶度、羰基指数等，结晶度越小、羰基指数越大，电缆绝缘老化越严重；反映电气性能的参数有击穿场强、介质损耗因数等，击穿场强越小、介质损耗因数越大，电缆绝缘老化越严重；拉伸试验是获得力学性能的主要方法，测量得到的断裂伸长率是常用的反映电缆绝缘老化状态的性能之一，断裂伸长率越小电缆绝缘老化越严重。
虽然，已有的技术手段为表征交联聚乙烯电缆绝缘的老化状态提供了上述的一些选择，然而，聚合物的老化过程十分复杂，电缆绝缘在不同方面的老化程度通常是不同的，仅凭借上述报道的技术手段是不可能完全表征电缆的老化程度，为了丰富电缆绝缘老化状态的评估手段，提高状态评估的准确性，有必要发展新的老化状态评估方法。
发明内容
本发明提供了一种交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法及系统，为交联聚乙烯电缆绝缘老化状态提供了新的表征量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，包括：
根据交联聚乙烯电缆的紫外-可见光谱，获取交联聚乙烯电缆的光谱参数；
根据交联聚乙烯电缆的光谱参数采用预置曲线公式计算曲线的横、纵坐标，并绘制对应的光学带隙计算曲线图；
根据光学带隙计算曲线图中曲线线性部分的延长线与x轴的交点得到待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度；
由待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度得到与其负相关的老化程度，完成交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估。
优选地，所述预置曲线公式为：
(αhν)1/n＝B(hν-Eg)；
α＝A/d；
ν＝λ/c；
计算的光学带隙计算曲线图的横坐标为hν，纵坐标为(αhν)1/n；
式中，α为吸收系数；h为普朗克常数，h＝6.626×10-34J·s；ν为光频率；n为与电子跃迁类型相关的参数，此处n＝1/2；B为一常数；Eg为光学带隙；A为吸光度；d为试样厚度；λ为波长；c为光速。
优选地，所述光谱参数包括：交联聚乙烯电缆试样的光谱的吸光度、波长、吸收系数和光频率。
优选地，所述交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度与其负相关的老化程度，具体为：光学带隙宽度越小，老化程度越严重。
优选地，所述交联聚乙烯电缆试样为片状试样。
进一步优选地，片状交联聚乙烯电缆试样的厚度为0.5mm。
本发明还公开了一种基于光学带隙宽度的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估系统，包括：
光谱参数获取模块，用于根据交联聚乙烯电缆的紫外-可见光谱获取交联聚乙烯电缆的光谱参数；
曲线绘制模块，用于根据交联聚乙烯电缆的光谱参数采用预置曲线公式计算曲线的横、纵坐标，并绘制对应的光学带隙计算曲线图；
光学带隙宽度获取模块，用于根据光学带隙计算曲线图中曲线线性部分的延长线与x轴的交点得到待测试样的光学带隙宽度；
老化状态评估模块，用于根据待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度得到与其负相关的老化程度，进行交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估。
优选地，所述曲线绘制模块配置有如下的预置曲线公式：
(αhν)1/n＝B(hν-Eg)；
α＝A/d；
ν＝λ/c；
式中，α为吸收系数；h为普朗克常数，h＝6.626×10-34J·s；ν为光频率；n为与电子跃迁类型相关的参数，此处n＝1/2；B为一常数；Eg为光学带隙；A为吸光度；d为试样厚度；λ为波长；c为光速；其中，曲线图为(αhν)1/n～hν。
优选地，所述的老化状态评估模块中配置的交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度与其负相关，具体为：光学带隙宽度越小，老化程度越严重。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的基于光学带隙宽度的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，根据交联聚乙烯电缆的紫外-可见光谱，获取交联聚乙烯电缆的光谱参数；根据交联聚乙烯电缆的光谱参数采用预置曲线公式计算曲线的横、纵坐标，并绘制对应的曲线图；根据曲线图中曲线线性部分的延长线与x轴的交点得到待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度；由待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度得到与其负相关的老化程度，完成交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估。该方法采用光学带隙宽度来表征电缆绝缘老化状态，为电缆绝缘老化状态提供了一个新的表征量，具有评估准确、分析速度快、简单易行、无损测试、对试样制备要求低等优点，可以成为现有状态评估技术的补充方法，为电力公司全面准确地评估电缆绝缘的老化状态提供重要依据。
本发明公开了基于上述评估方法的评估系统，是一种非接触、非破坏的测试系统，操作简单易行，结果准确可靠，为电缆绝缘老化状态的评估提供了新的表征量。
附图说明
图1为本发明提供的基于光学带隙宽度的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法的流程框图；
图2为本发明实施例七种不同老化程度目标样的紫外-可见光谱；
图3为本发明实施例七种不同老化程度目标样的(αhν)1/n～hν曲线图；
图4为本发明实施例七种目标样的光学带隙宽度随老化时间的变化曲线。
具体实施方式：
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，为本发明提供的一种基于光学带隙宽度的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，包括：
获取至少两个待测的交联聚乙烯电缆试样，可以是未老化试样，也可以是已老化的试样，对每个待测的交联聚乙烯电缆试样进行紫外-可见光谱测试，得到每个交联聚乙烯电缆的紫外-可见光谱；在各个紫外-可见光谱中获取各个交联聚乙烯电缆的光谱参数，所述光谱参数包括：交联聚乙烯电缆试样的光谱的吸光度、波长、吸收系数和光频率。逐一对每个交联聚乙烯电缆试样的光谱参数进行计算并绘制曲线图可得到各个交联聚乙烯电缆试样的光学带隙宽度；根据获得的光学带隙宽度判断不同的交联聚乙烯电缆试样的老化状态。
优选地，所述在各个所述紫外-可见光谱中获取各个所述交联聚乙烯电缆的光谱参数，逐一对各组所述光谱参数进行计算并绘制曲线图可得到各个所述交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度具体为：
在各个所述紫外-可见光谱中获取各个所述交联聚乙烯电缆的光谱参数，逐一对各组所述光谱参数根据预置曲线公式进行计算并绘制光学带隙计算曲线图，得到各个所述交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度；
其中，所述预置曲线公式为：
(αhν)1/n＝B(hν-Eg)
α＝A/d
ν＝λ/c
式中，α为吸收系数；h为普朗克常数，等于6.626×10-34J·s；ν为光频率；B为一常数；Eg为光学带隙宽度；A为吸光度；d为试样厚度；λ为波长；c为光速；n为与电子跃迁类型相关的参数，电子跃迁过程为直接从价带跃迁到导带称为直接跃迁，n＝2；电子跃迁需要声子参与的跃迁过程称为间接跃迁，n＝1/2，在交联聚乙烯中，电子跃迁为间接跃迁，因此，此处n取1/2。
其中，光学带隙计算曲线图为(αhν)1/n～hν，曲线中横坐标为光子能量，纵坐标表达为一种参数，可以理解为吸收系数与光子能量乘积的平方根。光学带隙宽度为外推曲线上的线性部分与x轴的交点。
优选地，所述光学带隙宽度与所述老化状态之间的关系为所述光学带隙宽度越小，老化程度越严重。
本发明的以下实施例以选取7种不同老化程度的待测试样为例，7种试样分别为：未老化、老化72h、老化144h、老化216h、老化288h、老化360h及老化432h。
参见图2，为本实施例七种不同老化程度目标样的紫外-可见光谱图，根据预置公式分别对七种目标样的对紫外-可见光谱进行计算可绘制出光学带隙计算曲线图，即(αhν)1/n～hν曲线图，其中，α为吸收系数，可由吸光度A除以试样厚度d求得，此处厚度d为0.25mm；h为普朗克常数，等于6.626×10-34J·s；ν为光频率，可由波长λ除以光速c获得。以hν作为横坐标，(αhν)1/n作为纵坐标，绘制(αhν)1/n～hν曲线图，通过对(αhν)1/n～hν曲线中线性部分的延长线与x轴的交点确定各个目标样的光学带隙宽度。
其中，所述预置曲线公式为：
(αhν)1/n＝B(hν-Eg)
α＝A/d
ν＝λ/c
式中，α为吸收系数；h为普朗克常数，等于6.626×10-34J·s；ν为光频率；n为与电子跃迁类型相关的参数，此处等于1/2；B为一常数；Eg为光学带隙宽度；A为吸光度；d为试样厚度；λ为波长；c为光速。
请参阅附图4，为本发明实施例七种目标样的光学带隙宽度随老化时间的变化曲线，从图中可以看出未老化、老化72h、老化144h、老化216h、老化288h、老化360h和老化432h试样的光学带隙宽度分别为3.41eV、3.28eV、3.13eV、2.99eV、2.97eV、2.78eV和2eV，交联聚乙烯的光学带隙宽度随着老化时间的增长逐渐减小，因此光学带隙越小，交联聚乙烯电缆绝缘的老化程度越严重。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，包括：
根据交联聚乙烯电缆的紫外-可见光谱，获取交联聚乙烯电缆的光谱参数；
根据交联聚乙烯电缆的光谱参数采用预置曲线公式计算曲线的横、纵坐标，并绘制对应的光学带隙计算曲线图；
根据光学带隙计算曲线图中曲线线性部分的延长线与x轴的交点得到待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度；
由待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度得到与其负相关的老化程度。
2.根据权利要求1所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述预置曲线公式为：
(αhν)1/n＝B(hν-Eg)；
α＝A/d；
ν＝λ/c；
计算得到光学带隙计算曲线图的横坐标为hν，纵坐标为(αhν)1/n；
式中，α为吸收系数；h为普朗克常数，h＝6.626×10-34J·s；ν为光频率；n为与电子跃迁类型相关的参数，此处n＝1/2；B为一常数；Eg为光学带隙；A为吸光度；d为试样厚度；λ为波长；c为光速。
3.根据权利要求1所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述光谱参数包括：交联聚乙烯电缆试样的光谱的吸光度、波长、吸收系数和光频率。
4.根据权利要求1所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度与老化程度负相关。
5.根据权利要求1所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，所述交联聚乙烯电缆试样为片状试样。
6.根据权利要求5所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估方法，其特征在于，片状交联聚乙烯电缆试样的厚度为0.5mm。
7.一种交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，包括：
光谱参数获取模块，用于根据交联聚乙烯电缆的紫外-可见光谱获取交联聚乙烯电缆的光谱参数；
曲线绘制模块，用于根据交联聚乙烯电缆的光谱参数采用预置曲线公式计算曲线的横、纵坐标，并绘制对应的光学带隙计算曲线图；
光学带隙宽度获取模块，用于根据光学带隙计算曲线图中曲线线性部分的延长线与x轴的交点得到待测试样的光学带隙宽度；
老化状态评估模块，用于根据待测交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度得到与其负相关的老化程度评估结果。
8.根据权利要求7所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，所述曲线绘制模块配置有如下的预置曲线公式：
(αhν)1/n＝B(hν-Eg)；
α＝A/d；
ν＝λ/c；
式中，α为吸收系数；h为普朗克常数，h＝6.626×10-34J·s；ν为光频率；n为与电子跃迁类型相关的参数，此处n＝1/2；B为一常数；Eg为光学带隙；A为吸光度；d为试样厚度；λ为波长；c为光速；其中，曲线图为(αhν)1/n～hν。
9.根据权利要求7所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，所述的老化状态评估模块中配置的交联聚乙烯电缆的光学带隙宽度与老化程度负相关。
10.根据权利要求7所述的交联聚乙烯电缆绝缘老化状态评估系统，其特征在于，待测交联聚乙烯电缆采用厚度为0.5mm的片状试样。
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