CN113624711A - 电缆绝缘材料老化状态的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆绝缘材料老化状态的评估方法，包括如下步骤：获得空气环境的频谱信息；获得未老化电缆绝缘材料样品的频谱信息，记为未老化频谱信息；获得待测老化电缆绝缘材料样品的频谱信息，记为待测老化频谱信息；参考频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)r，未老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)u，待测老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)s；排除所有参考频谱的未老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)u‑r，排除所有参考频谱的待测老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)s‑r；选择(fi,Hi)u‑r和(fi,Hi)s‑r中吸收峰最显著的谱线，计算特征吸收峰比；通过线性关系t＝αx+x0获得待测样品的老化时间。
Description
技术领域
本发明属于电气绝缘、电磁波和无损检测技术领域，具体涉及一种基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态的评估方法。
背景技术
电气绝缘是电力安全的重要保障，随着国民经济的增长，电力传输朝着超高压、大容量的方向发展，使得材料的绝缘问题愈发凸显，如电缆绝缘材料热老化、水树枝老化和电树枝老化等多种老化现象的发生。而核电厂中绝缘材料面临的运行环境更加恶劣，环境温度可达100℃，湿度可达100％，辐射剂量率可达0.7Gy/h。然而，绝缘材料大量使用于核电厂安全壳内部，一座典型的压水堆，其安全壳内安装的电缆近1000英里长。因此，为了反应堆的安全稳定运行，针对绝缘材料的老化机理研究和发展合适的无损监检测技术尤为必要。
核电相关法规亦要求对核电设备关键部件进行在役和役前无损检测、评价以及运行中的有效监测。绝缘材料老化状态的检测目的在于判断其是否适合可靠运行和评估其残余寿命。传统的绝缘材料老化检测方法包括空间电荷检测、绝缘电阻检测、温度监测、介电谱、FTIR分子振动光谱及X衍射等方法。然而，对于绝缘材料，现有的诊断技术并不能提供绝缘材料老化的自由基级微观变化的有效无损检测信息，所以需要发展新型的监检测方法，以探究老化引起的绝缘微观结构变化情况。
太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz–10THz之间的远红外电磁辐射，近二十年来光学技术在THz频段取得了巨大的进步，为THz波提供了合适的光源和探测手段，THz科学和技术才得以快速发展。THz波具有相干性和低光子能量等优点，基于THz波的成像技术可以同时辨别样品的形貌特征和组成成分，是一个优异的无损检测技术。绝缘材料在不同老化状态下，组分、分子内部化学结构、微观作用力存在不同，从而对THz波产生不同的频谱响应，分析频谱信息即可对绝缘材料老化状态进行评估。
目前基于太赫兹方法的电缆绝缘材料老化状态评估方法基本依赖于折射率计算公式，该公式与样品厚度密切相关，在进行老化状态评估之前需进行样品厚度测量，同时针对太赫兹光谱的二次计算较为繁琐。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态的评估方法，其不依赖于样品厚度，分析简单，结果准确。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态的评估方法，包括如下步骤：
(1)利用太赫兹时域光谱系统获取空气环境的时域光谱曲线，并通过算法获得空气环境的频谱信息，记为参考频谱信息；
(2)利用太赫兹时域光谱系统获得未老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，并通过算法获得未老化电缆绝缘材料样品的频谱信息，记为未老化频谱信息；
(3)利用太赫兹时域光谱系统获得待测老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，并通过算法获得待测老化电缆绝缘材料样品的频谱信息，记为待测老化频谱信息；
(4)分析步骤(1)～(3)中得到的频谱信息，即空气环境的参考时域光谱曲线、未老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线和待测老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，其中参考频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)r，未老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)u，待测老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)s；排除所有参考频谱的未老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)u-r，排除所有参考频谱的待测老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)s-r；
(5)选择(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中吸收峰最显著的谱线，计算特征吸收峰比x＝Hs-r/Hu-r；
(6)待测样品老化时间t和计算特征吸收峰比x存在以下线性关系t＝αx+x0；
(7)根据(5)和(6)中t-x线性关系，获得待测样品的老化时间，老化时间越长，代表老化程度越高，老化越严重。
步骤(1)-(3)中的太赫兹时域光谱系统为太赫兹时域光谱仪。上述步骤(4)中对应(fi,Hi)u-r的排除为去除参考频谱信息中和未老化频谱信息频率一致的吸收峰组，对应(fi,Hi)s-r的排除为去除参考频谱信息中和待测老化频谱信息中频率一致的吸收峰组；步骤(5)中吸收峰最显著的谱线为(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中谷峰比最小的谱线。
步骤(6)中线性关系的公式t＝αx+x0为通过0h、1000h、2500h、3500h、5000h热老化后样品拟合获得，a代表上升系数，与材料的类型相关，x0代表未老化样品的计算特征吸收峰比，数值为1。
根据本发明的一些优选实施方面，步骤(1)～(3)中的算法为快速傅里叶变换。
根据本发明的一些优选实施方面，步骤(4)中的吸收峰组(f,H)中f代表吸收峰频率，H代表幅度。
根据本发明的一些优选实施方面，所述的样品厚度不超过2mm，以保证获得的信号强度相对背景噪声更为显著。
根据本发明的一些优选实施方面，所述的样品厚度为1mm。
根据本发明的一些优选实施方面，所述太赫兹时域光谱系统的时域光谱曲线时域窗口(即时域波形持续时间)为35-45ps，以使得时域光谱曲线中的每个点的间隔都足够小，结果更加准确。
根据本发明的一些优选实施方面，所述太赫兹时域光谱系统的时域光谱曲线时域窗口为40ps。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态评估方法，实现了对绝缘材料老化状态评估的无损检测，与传统的寿命评估破坏性力学检测技术相比，检测速度快，检测精度高。本发明采用的吸收峰比的方法，有效地消除了背景误差和样品自身误差，检测精度得到有效提高，且无需依赖检测样品的厚度。
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他的附图。
图1为本发明实施例中基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态评估方法流程图；
图2为本发明实施例中基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态评估方法典型测试光谱图。
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的技术方案，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。
本发明的基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态评估方法，包括如下步骤：分别获取空气环境、未老化电缆绝缘材料样品以及待测老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，并获得对应的频谱信息，并将所述频谱信息对应的吸收峰组记分别记为(fi,Hi)r、(fi,Hi)u和(fi,Hi)s；选择(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中吸收峰最显著的谱线，计算特征吸收峰比x＝Hs-r/Hu-r；待测样品老化时间t和计算特征吸收峰比x存在以下线性关系t＝αx+x0；根据特征吸收峰比和所述线性关系获得待测样品的老化时间。
参见图1，本实施例的基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态评估方法，具体包括以下步骤：
S1：利用太赫兹时域光谱系统获取空气环境的参考时域光谱曲线，并通过快速傅里叶变换算法计算其频谱信息，记为参考频谱信息。
S2：利用太赫兹时域光谱系统获得未老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，并通过快速傅里叶变换算法计算其频谱信息，记为未老化频谱信息。
S3：利用太赫兹时域光谱系统获得待测老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，并通过快速傅里叶变换算法计算其频谱信息，记为待测老化频谱信息。
步骤S1-S3中采用的样品厚度不超过2mm，以保证获得的信号强度相对背景噪声更为显著。太赫兹时域光谱系统的时域光谱曲线时域窗口(即时域波形持续时间)为35-45ps，以使得时域光谱曲线中的每个点的间隔都足够小，结果更加准确。
S4：分析空气环境的参考时域光谱曲线、未老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线和待测老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，参考频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)r，未老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)u，待测老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)s；排除所有参考频谱的未老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)u-r，排除所有参考频谱的待测老化频谱信息中的吸收峰组记为(fi,Hi)s-r。
吸收峰组(f,H)中f代表吸收峰频率，H代表幅度。
步骤S4中对应(fi,Hi)u-r的排除为去除参考频谱信息中和未老化频谱信息频率一致的吸收峰组，对应(fi,Hi)s-r的排除为去除参考频谱信息中和待测老化频谱信息中频率一致的吸收峰组。
S5：选择(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中吸收峰最显著的谱线，计算特征吸收峰比x＝Hs-r/Hu-r。
吸收峰最显著的谱线为(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中谷峰比最小的谱线。
S6：待测样品老化时间t和计算特征吸收峰比x存在以下线性关系t＝αx+x0。
线性关系的公式t＝αx+x0为通过0h、1000h、2500h、3500h、5000h热老化后样品拟合获得，a代表上升系数，与材料的类型相关，x0代表未老化样品的计算特征吸收峰比，数值为1。
S7：根据t-x线性关系，获得待测样品的老化时间。
以上为了便于叙述和方便理解，特将步骤进行了区分和编号，实际操作时，以上几个步骤如S1-S3获取频谱信息等可以同时进行或无先后顺序的进行。
以下结合图2进一步对本实施例的实施方法进行说明，图2为实施步骤S1～S3之后通过快速傅里叶变化计算得到的频谱信息，其中，样品厚度2mm，时域光谱曲线时域窗口为40ps。
参见图2，(0.557，8.403)属于待参考频谱信息中的吸收峰组(fi,Hi)r中的一组，(0.557，0.149)属于未老化频谱信息中的吸收峰组(fi,Hi)u中的一组，(0.557，0.510)属于测老化频谱信息中的吸收峰组(fi,Hi)s中的一组。由于这3组都属于一个频率下(0.557THz)，所以上述吸收峰组均不属于(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中，该频率下的吸收峰组均需被排除。
继续参见图2，(0.674，0.177)是属于排除所有参考频谱信息中的未老化频谱信息的吸收峰组(fi,Hi)u-r中强度最强的一组，(0.704，0.174)是属于排除所有参考频谱信息中的待测老化频谱信息的吸收峰组(fi,Hi)s-r中强度最强的一组，计算x＝0.983。
根据t-x的线性关系t＝αx+x0，本实施例中材料对应的α为682.6，进而获得待测样品的老化时间672h，得到电缆绝缘材料对应的老化状态。
本发明基于太赫兹时域光谱技术，提供一种基于太赫兹吸收特征光谱的电缆绝缘材料老化状态评估方法，用于电缆绝缘材料老化状态评估。通过获取空气环境、未老化样品、老化样品的太赫兹时域光谱曲线，并计算得到其频谱信息，根据识别吸收峰组，并计算特征吸收峰比，最终获取待测样品的老化时间。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电缆绝缘材料老化状态的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：分别获取空气环境、未老化电缆绝缘材料样品以及待测老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线，并获得对应的频谱信息，并将所述频谱信息对应的吸收峰组记分别记为(fi,Hi)r、(fi,Hi)u和(fi,Hi)s；
选择(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中吸收峰最显著的谱线，计算特征吸收峰比x＝Hs-r/Hu-r；
待测样品老化时间t和计算特征吸收峰比x存在以下线性关系t＝αx+x0；
根据特征吸收峰比和所述线性关系获得待测样品的老化时间。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述(fi,Hi)r为参考频谱信息中的吸收峰组，所述参考频谱信息为空气环境的时域光谱曲线对应得到的频谱信息；
所述(fi,Hi)u为未老化频谱信息中的吸收峰组，所述未老化频谱信息为未老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线对应得到的频谱信息；
所述(fi,Hi)u为待测老化频谱信息中的吸收峰组，所述待测老化频谱信息为待测老化电缆绝缘材料样品的时域光谱曲线对应得到的频谱信息。
3.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，所述(fi,Hi)u-r为排除所有参考频谱信息中的未老化频谱信息的吸收峰组；
所述(fi,Hi)s-r为排除所有参考频谱信息中的待测老化频谱信息的吸收峰组。
4.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于，对应(fi,Hi)u-r的排除为去除参考频谱信息中和未老化频谱信息频率一致的吸收峰组，对应(fi,Hi)s-r的排除为去除参考频谱信息中和待测老化频谱信息频率一致的吸收峰组。
5.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述时域光谱曲线为利用太赫兹时域光谱系统获得。
6.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述频谱信息为通过快速傅里叶变换计算得到。
7.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述吸收峰最显著的谱线为(fi,Hi)u-r和(fi,Hi)s-r中谷峰比最小的谱线。
8.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述线性关系的公式t＝αx+x0为至少通过0h、1000h、2500h、3500h、5000h热老化后样品拟合获得，a代表上升系数，与材料的类型相关，x0代表未老化样品的计算特征吸收峰比，数值为1。
9.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述的样品厚度不超过2mm。
10.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述太赫兹时域光谱系统的时域光谱曲线时域窗口为35-45ps。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211109 |
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