CN113759222A - 一种观测海洋电缆动态老化绝缘层的结构与缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种观测海洋电缆动态老化绝缘层的结构与缺陷的方法，包括S1，对N组匀质等长的电缆分别进行不同次数的曲挠，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第N组所述电缆曲挠次数达到疲劳破坏曲挠次数M，获得N组不同老化程度的电缆，以模拟海洋环境对电缆的动态老化过程；S2，使用X射线仪对N组电缆进行X射线衍射，获得衍射图谱，观测绝缘层的晶体结构；使用电缆局部放电测量系统对N组电缆进行加压，获得放电频谱图，观测电缆的气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷。通过对N组电缆进行不同次数的曲挠来模拟海洋环境的动态载荷对电缆的影响，然后观测电缆绝缘层的结构损伤及晶格变化，为性能提升提供了依据。

Description

一种观测海洋电缆动态老化绝缘层的结构与缺陷的方法

技术领域

本发明属于海洋电缆绝缘层设计领域，更具体地，涉及一种观测海洋动态电缆动态老化绝缘层的结构与缺陷的方法。

背景技术

近年来，随着海洋领域浮式风场的发展，浮式风机的高压直流长距离输电越来越成为一种趋势。为了保证浮式风机的运输电安全与电缆的机械-电器耦合强度安全，需要对电缆绝缘层进行结构观测，为改善电缆的绝缘性能提供依据。

然而，现有技术中通常通过高温高压的方式对电缆进行老化处理，难以真实模拟海洋环境的动态载荷对电缆的影响，从而导致观测结论不够全面、精准，也难以为电缆的绝缘性能提升提供依据。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种观测海洋电缆动态老化绝缘层的结构与缺陷的方法，其目的在于通过模拟海洋环境的动态载荷对电缆的影响来观测不同老化程度的电缆绝缘层结构，为改善电缆的绝缘性能提供依据。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种观测海洋电缆动态老化绝缘层的结构与缺陷的方法，包括以下步骤：

S1，对N组匀质等长的电缆分别进行不同次数的曲挠，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第N组所述电缆曲挠次数达到疲劳破坏曲挠次数M，获得N组不同老化程度的电缆，以模拟海洋环境对电缆的动态老化过程；

S2，使用X射线仪对N组电缆进行X射线衍射，获得衍射图谱，以观测电缆在不同老化程度下绝缘层的晶体结构；使用电缆局部放电测量系统对N组电缆进行加压，获得放电频谱图，以观测电缆在不同老化程度下的气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷。

上述技术方案，通过对N组电缆进行不同次数的曲挠来模拟海洋环境的动态载荷对电缆的影响，然后利用X射线衍射以对电缆进行衍射，电缆材料内的组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定电缆的衍射图谱，X射线透过电缆绝缘层这种结晶高聚物时，由于光的衍射而形成的衍射峰的位置和高低来确定晶型和结晶度的，通过峰位移和峰宽化可以分析晶体局部畸变和内应力，因此可以根据X衍射图谱获得电缆中成分、内部原子或分子的结构及形态，从而便于观测电缆绝缘层的结构变化，而利用电缆局部放电测量系统对电缆进行加压，电缆两端会产生一个瞬时的电压变化，此时经过一耦合电容耦合到检测阻抗上，回路中就会产生脉冲电流，将脉冲电流流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、放大和显示处理，就可显示出不同缺陷特征的放电频谱图，从而可以观测电缆在不同老化程度下的气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷，为海洋电缆绝缘层的改善提供依据。

优选地，S1中，相邻组所述电缆曲挠次数依次等差递增，每次递增量为m，1000≤m≤5000。

优选地，S1中，每次递增量为m：

当电缆的曲挠次数在M/4+1至M/2范围内，相邻组所述电缆曲挠次数递增等差m满足3000≤m≤5000；当电缆的曲挠次数在M/2+1至3M/4范围内，相邻组所述电缆曲挠次数递增等差m满足2000≤m≤3000；当电缆的曲挠次数在3M/4+1至M范围内，相邻组所述电缆曲挠次数递增等差m满足1000≤m≤2000。

优选地，还包括S3，比对S2对不同老化程度的电缆电树枝或水树枝的影响，以及气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷放电频谱图的放电大小与相位的变化趋势。

优选地，S1中使用电缆曲挠试验仪对电缆进行曲挠，所述电缆曲挠试验仪的滑轮行程不小于1000mm，可曲挠长度为200-1500mm，所述电缆长度为5000mm。

优选地，所述X射线仪包括X射线源、IP板或DR板、CR扫描仪、图像处理系统，所述电缆放置在所述X射线源与所述IP板或DR板之间，所述图像处理系统与所述CR扫描仪以及所述IP板或DR板均信号连接。

优选地，所述电缆局部放电测量系统包括调压器、分压器、滤波放大器、传感器、示波器和计算机，所述调压器、分压器、滤波放大器用于对所述电缆加压，产生脉冲电流。

优选地，所述电缆为直流高压输电电缆。

优选地，所述电缆为交联聚乙烯电缆，包括有一根缆芯和位于缆芯外的护套层，所述缆芯从内到外依次包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层，所述绝缘层为交联聚乙烯；或者

所述电缆为交联聚乙烯电缆，包括有多根缆芯和位于缆芯外的护套层，所述缆芯从内到外依次包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层，多根所述缆芯与所述护套层之间还依次设有填充层，包带层、铠装层，所述绝缘层为交联聚乙烯。

优选地，S2中获得衍射图谱后还包括：根据布拉格定律

计算不同老化程度的所述电缆绝缘层内的聚乙烯晶系的晶格变化，其中d为晶面间距，a为晶体的晶格间距，h、k及l为布拉格平面的密勒指数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明通过对电缆进行模拟不同次数的海洋环境载荷，提出了一个观测电缆结构缺陷变化的方法，进一步的能够对电缆曲挠老化后绝缘层气隙缺陷、尖端缺陷、爬电等缺陷以及绝缘层晶体结构变化进行结构性的观测与实验，为海洋电缆结构的改进以及电缆寿命的准确预测提供了一种新的思路与方法。

2.电缆绝缘层晶体结构与工艺过程也有很强的联系，通过本实验方法能够真实反映电缆在制造、安装、运行过程中暴露出来的具有代表性的结构、特性问题，从而为改善和控制电缆绝缘层的绝缘性能提供了试验依据。

附图说明

图1是电缆的两种剖面结构示意图；

图2是电缆气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷的示意图；

图3是使用X射线衍射仪获得电缆绝缘层衍射图谱的结构示意图；

图4是使用电缆局部放电测量系统获得电缆的放电频谱图的结构示意图。

图中，1、导体；2、导体屏蔽层；3、绝缘层；4、绝缘屏蔽层；5、金属屏蔽层；6、填充层；7、包带层；8、铠装层；9、护套；10、X射线源；11、电缆；12、IP板或DR板；13、CR扫描仪；14、图像处理系统；15、计算机；16、示波器；17、传感器；18、调压器；19、分压器；20、滤波放大器；21、检测阻抗。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出一种观测海洋动态电缆绝缘层结构与缺陷的方法，包括以下步骤：

S1，对N组匀质等长的电缆分别进行不同次数的曲挠，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第N组所述电缆曲挠次数达到疲劳破坏曲挠次数M，获得N组不同老化程度的电缆，以模拟海洋环境对电缆的动态老化过程；

S2，使用X射线仪对N组电缆进行X射线衍射，获得衍射图谱，以观测电缆在不同老化程度下绝缘层的晶体结构；使用电缆局部放电测量系统对N组电缆进行加压，获得放电频谱图，以观测如图2所示的电缆在不同老化程度下的气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷。

由于海洋环境会对电缆造成不同程度的拉伸、弯曲以及剪切等形式的载荷，因此，本申请S1中分成了N组匀质等长的电缆，N组电缆的曲挠次数依次递增，最大老化程度的电缆则为达到疲劳破坏曲挠次数M的电缆，因此获得了N组不同老化程度的电缆，从而可以模拟海洋环境对电缆的动态老化过程。然后在S2中对这N组不同老化程度的电缆进行衍射图谱观测和放电频谱图观测，从而可以获得不同老化程度下，电缆绝缘层晶体结构情况以及各类缺陷的情况，即可以模拟观测到电缆受到海洋动态载荷后的各类缺陷的变化情况，为海洋电缆绝缘层的绝缘性改善提供了依据，也为海洋电缆寿命的准确预测提供了一种新的思路与方法。

在一些实施例中，S1中，相邻组所述电缆曲挠次数依次等差递增，每次递增量为m，1000≤m≤5000。例如，疲劳破坏曲挠次数M为20万次，对200组电缆进行不同曲挠次数试验，每一组电缆的曲挠次数分别从1000、2000、3000递增至20万次，获得200组不同老化程度的电缆，也可以为对50组电缆进行不同曲挠次数试验，试验次数分别为4000、8000、16000直到20万次，获得50组不同老化程度的电缆，每组电缆曲挠次数的递增量m不超过5000次的前提下，总体实验次数可以减少以适应实验条件的变化，而每组电缆匀质等长，避免了外在因素所带来的误差。

在另一些实施例中，S1中，每次递增量为m：当电缆的曲挠次数在M/4+1至M/2范围内，相邻组电缆曲挠次数递增等差m满足3000≤m≤5000；当电缆的曲挠次数在M/2+1至3M/4范围内，相邻组电缆曲挠次数递增等差m满足2000≤m≤3000；当电缆的曲挠次数在3M/4+1至M范围内，相邻组电缆曲挠次数递增等差m满足1000≤m≤2000。这是因为，在M/4+1至M/2范围之间的时候，由于与疲劳破坏次数M的差距还较大，因此该区间内的递增等差m可以较大，当然，在1至M/4范围之间的时候，递增等差m可以更大，超过5000，也可以更小，不做限制，而在3M/4+1至M范围内的时候，已经逐渐接近疲劳破坏次数M，因此递增等差m需较小，即每组在1000-2000范围内。

进一步地，由于每组电缆的曲挠次数不同，因此可将电缆分为轻度老化、一般老化、过度老化等，还包括S3，在S2中进行X射线衍射与加压后，比对S2对不同老化程度的电缆电树枝或水树枝的影响，以及气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷放电频谱图的放电大小与相位的变化趋势。

进一步地，N组电缆，每组可以包含一根或多根电缆。本申请实施例以一根电缆为例进行说明。可以理解的，每组包含多根电缆也是每次测试一根电缆。同组的多根电缆曲绕次数一致，测试数据进行平均，以便更好的消除电缆本身差异带来的影响。

进一步地，S1中使用电缆曲挠试验仪对电缆进行曲挠，具体地，给电缆曲挠试验仪加载电源电压后，曲挠试验仪电机带动滑轮来回运动，两个滑轮曲挠速度不同，从而给电缆一个曲挠行程。进一步地，电机驱动滑轮，滑轮行程不小于1000mm，可曲挠长度为200-1500mm，电缆的长度优选为5000mm，将电缆对应联接在两边的接线柱上，重锤用以悬挂于电缆末端作为配重，先将电流旋钮调节到0处，合上电源开关，按动通电按钮，通电灯亮，调节电流调节旋钮，施加标准规定的负载电流，当需要对电缆间施加电压时，应合上电缆线间电压开关，最后设置对应的曲挠试验次数，从而可以分别获得N组不同曲挠次数的电缆。现有技术中，使用电缆曲挠试验仪通常是对电缆进行机械强度、使用寿命及安全进行试验，主要考核电缆在受到外界的机械拉伸和弯曲等应力时，软导体的绞合线丝是否断裂而降低电的传输性能，或者刺破绝缘而降低绝缘电气性能，还有绝缘在受到力的作用时，是否变形或者开裂而影响电缆的电气性能等，属于疲劳试验的范畴。而本申请中利用曲挠试验仪对N组电缆分别进行不同次数的曲挠，来模拟海洋环境对电缆的动态载荷影响，为海洋电缆绝缘层的绝缘性改善提供了依据。

进一步地，电缆为直流高压输电电缆。直流高压输电电缆的绝缘层材料可以为天然橡胶、聚氯乙烯、合成橡胶、聚乙烯或交联聚乙烯等。

进一步地，电缆为交联聚乙烯电缆，包括有一根缆芯和位于缆芯外的护套层，缆芯从内到外依次包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层，绝缘层为交联聚乙烯。或者电缆包括有多根缆芯和位于缆芯外的护套层，缆芯从内到外依次包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层，多根缆芯与护套层之间还依次设有填充层，包带层、铠装层，绝缘层为交联聚乙烯。交联聚乙烯电缆经过曲挠试验后，产生热老化行为，绝缘表面的异极性电荷多转变为同极性电荷，同时空间电荷随着时间也逐渐增多，电缆绝缘层内部电场发生畸变，会加速绝缘的劣化，降低绝缘层的绝缘性能，甚至发生击穿行为。

XLPE交联聚乙烯电缆为网状立体结构，具有十分优异的耐热性能，在300℃以下不会分解及碳化，长期工作温度可达90℃，热寿命可达40年，保持了PE原有的良好绝缘特性，且绝缘电阻进一步增大，介质损耗角正切值很小，且受温度影响不大，由于在大分子间建立了新的化学键，其硬度、刚度、耐磨性和抗冲击性均有提高，在对N组电缆进行了不同次数的曲挠试验后，可以选择再对电缆进行绝缘击穿实验，剖切电缆发生击穿部分的绝缘层截面，从而获取电缆绝缘层的剖面，便于S2中的观测。

进一步地，如图3所示，X射线仪包括X射线源、IP板或DR板、CR扫描仪、图像处理系统，剖切后的电缆沿剖面方向放置在X射线源与IP板或DR板之间，图像处理系统与CR扫描仪以及IP板或DR板均信号连接。X射线源提供X射线，改变X射线源内X射线管阳极靶材质可以改变X射线的波长，调节阳极管的阳极电压可以控制X射线的强度，然后用IP板或DR板来检测X射线的衍射强度及衍射方向，然后通过CR扫描仪及图像处理系统可以获得衍射图谱，对衍射图谱分析就可以观测电缆绝缘层的晶体结构。

进一步地，在S2中获得衍射图谱后，分析的具体步骤可以根据布拉格定律

来计算不同老化程度的所述电缆绝缘层内的聚乙烯晶系的晶格变化，其中d为晶面间距，a为晶体的晶格间距，h、k及l为布拉格平面的密勒指数，当电缆中的待测晶体与X射线的入射束呈不同角度时，那些满足布拉格衍射角的晶面就会被检测出来，体现在衍射图谱上就是具有不同的衍射强度的衍射峰，因此，本申请中用布拉格定律来计算聚乙烯晶系的晶格间距，分析衍射结果，从而获得电缆在不同动态载荷下的晶格变化，为绝缘层性能的提升提供依据。

进一步地，如图4所示，电缆局部放电测量系统包括调压器、分压器、滤波放大器、传感器、示波器和计算机，所述调压器、分压器用于对所述电缆加压，产生脉冲电流。调压器和分压器提供滤波后的电压，电缆在加压情况下发生局部放电时，回路中就会产生脉冲电流，将脉冲电流流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、滤波、放大和显示处理，再经由同轴射频电缆传输至示波器通道，显示出放电频谱图，爬电缺陷的放电起始电压最高，气隙缺陷与划痕缺陷的放电起始电压比较接近，尖端缺陷的放电起始电压较低，气隙缺陷和划痕缺陷的放电量随时间变化较大，而其他缺陷放电则较为稳定，这些缺陷的放电过程虽然相近，但不同缺陷的放电频谱图区别明显，因此便可观测气隙缺陷、尖端缺陷以及爬电缺陷的变化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种观测海洋电缆动态老化绝缘层的结构与缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对N组匀质等长的电缆分别进行不同次数的曲挠，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第N组所述电缆曲挠次数达到疲劳破坏曲挠次数M，获得N组不同老化程度的电缆，以模拟海洋环境对电缆的动态老化过程；

S2，使用X射线仪对N组电缆进行X射线衍射，获得衍射图谱，以观测电缆在不同老化程度下绝缘层的晶体结构；使用电缆局部放电测量系统对N组电缆进行加压，获得放电频谱图，以观测电缆在不同老化程度下的气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，相邻组所述电缆曲挠次数依次等差递增，每次递增量为m，1000≤m≤5000。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，每次递增量为m：

当电缆的曲挠次数在M/4+1至M/2范围内，相邻组所述电缆曲挠次数递增等差m满足3000≤m≤5000；当电缆的曲挠次数在M/2+1至3M/4范围内，相邻组所述电缆曲挠次数递增等差m满足2000≤m≤3000；当电缆的曲挠次数在3M/4+1至M范围内，相邻组所述电缆曲挠次数递增等差m满足1000≤m≤2000。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，还包括S3，比对S2对不同老化程度的电缆电树枝或水树枝的影响，以及气隙缺陷、尖端缺陷和爬电缺陷放电频谱图的放电大小与相位的变化趋势。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中使用电缆曲挠试验仪对电缆进行曲挠，所述电缆曲挠试验仪的滑轮行程不小于1000mm，可曲挠长度为200-1500mm，所述电缆长度为5000mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述X射线仪包括X射线源、IP板或DR板、CR扫描仪、图像处理系统，所述电缆放置在所述X射线源与所述IP板或DR板之间，所述图像处理系统与所述CR扫描仪以及所述IP板或DR板均信号连接。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电缆局部放电测量系统包括调压器、分压器、滤波放大器、传感器、示波器和计算机，所述调压器、分压器、滤波放大器用于对所述电缆加压，产生脉冲电流。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电缆为直流高压输电电缆。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电缆为交联聚乙烯电缆，包括有一根缆芯和位于缆芯外的护套层，所述缆芯从内到外依次包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层，所述绝缘层为交联聚乙烯；或者

所述电缆为交联聚乙烯电缆，包括有多根缆芯和位于缆芯外的护套层，所述缆芯从内到外依次包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层，多根所述缆芯与所述护套层之间还依次设有填充层，包带层、铠装层，所述绝缘层为交联聚乙烯。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，S2中获得衍射图谱后还包括：根据布拉格定律

计算不同老化程度的所述电缆绝缘层内的聚乙烯晶系的晶格变化，其中d为晶面间距，a为晶体的晶格间距，h、k及l为布拉格平面的密勒指数。

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