CN114113850B - 一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法及系统。通过傅里叶变换红外光谱测试，得到试样抗氧剂特征峰的吸光度，用吸光度来表征抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型对实验得到的抗氧剂消耗数据进行拟合，取拟合最优结果，从而预测抗氧剂含量未来的变化趋势，为电缆老化状态预判提供新途径。该方法简单易行，评估结果准确，为快速准确判断电缆的老化状态及剩余寿命提供重要判据。

Description

一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方 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，具体涉及一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法及系统。

背景技术

电力电缆在电力系统中担任中重要角色，其可靠性直接影响电力系统的运行安全性，交联聚乙烯由于具有突出的电气性能和机械性能，而被大量用于电力电缆绝缘中。在长时间的工作状态下，XLPE电缆绝缘会受到电、机械、热等多种因素的作用而逐步发生劣化，工作可靠性降低，增加了电力系统运行风险，存在巨大的安全隐患。因此，XLPE电缆绝缘老化评估显得尤为重要。

目前XLPE电缆绝缘评估手段有击穿测试、电导率测试、西林电桥测试等，分别得到的参数为击穿场强、电导率、介电常数，但击穿测试为破坏性测试，且在老化前期XLPE绝缘击穿场强会略微升高，优于初始击穿场强，电导率测试容易受到空间电荷的影响，测试结果偶然性较大，西林电桥测试要求试样表面平整度高，容易受到缺陷的影响，导致实验结果准确性较低。

因此，目前的老化评估手段无法做到简便准确地对XLPE绝缘老化状态进行评估，无法对电缆未来的老化状态进行预测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法及系统，能够有效解决无法便捷评估电缆未来的老化状态的技术难题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法，包括：

根据交联聚乙烯电缆的红外光谱，测量目标试样不同老化时间点的抗氧剂的含量；

根据不同老化时间下的抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型进行拟合，得到抗氧剂消耗拟合曲线；

根据抗氧剂消耗动力学模型的拟合结果，对交联聚乙烯电缆寿命进行预测。

优选地，根据交联聚乙烯电缆的红外光谱，测量不同老化时间点的抗氧剂的含量，具体操作如下：

取同一老化方式、不同老化时间的片状交联聚乙烯电缆作为目标试样，利用傅里叶变换红外光谱仪测试目标试样的红外光谱，并由抗氧剂类别提取出不同老化时间点的抗氧剂特征吸收峰吸光度，用于表征抗氧剂含量。

进一步优选地，目标试样的不同老化时间点的选取大于等于3。

进一步优选地，目标试样的切片厚度小于等于0.5mm。

进一步优选地，傅里叶变换红外光谱测试模式为透射模式。

优选地，抗氧剂消耗动力学模型为：

其中，y为抗氧剂含量，A、B为常数项，t为老化时间。

进一步优选地，根据实验室内的普遍性结果，保留一定裕度，选择抗氧剂含量减小至0.005作为寿命终止的标志，由抗氧剂消耗拟合曲线，通过试样当前抗氧剂含量与寿命终止抗氧剂含量0.005的老化时间差，预测剩余使用寿命。

本发明还公开了一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测系统，包括：

抗氧剂含量测量模块，用于根据交联聚乙烯电缆的红外光谱，测量不同老化时间点的抗氧剂的含量；

曲线回执模块，用于根据不同老化时间下的抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型进行拟合得到抗氧剂消耗拟合曲线；

电缆寿命预测模块，用于根据抗氧剂消耗动力学模型的拟合结果，对交联聚乙烯电缆寿命进行预测。

优选地，抗氧剂消耗动力学模型为：

其中，y为抗氧剂含量，A、B为常数项，t为老化时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法，通过傅里叶变换红外光谱测量得到目标试样的红外光谱，提取抗氧剂特征吸收峰的吸光度，用其表示抗氧剂含量，根据实验得到的不同老化时间抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型进行拟合，取拟合效果最优结果，由此，可以实现对抗氧剂含量变化趋势的预测，判断电缆当下以及未来的老化状态，是一种无损、简便的电缆绝缘老化评估方法。该方法能够准确评估电缆老化状态，解决电缆状态预测问题，为科学研究和工程应用提供了重要的参考价值，该方法简单易行，对试样平整度要求不高，为非破坏性实验，评估结果准确，能够预测抗氧剂含量的变化趋势，得到电缆绝缘试样在未来的老化状态，为电缆的老化状态评估及剩余寿命预测提供重要判据。

附图说明

图1为本发明实施例中155℃下不同老化时间的目标试样在1185～1110cm^-1波数范围内的红外光谱；

图2为本发明实施例中未老化目标试样在1185～1110cm^-1波数范围内的红外光谱分峰图；

图3为本发明实施例中155℃下商用110kV新电缆的不同老化时间目标试样拉伸强度、抗氧剂1035含量实验值及抗氧剂1035消耗拟合曲线；

图4为本发明实施例中155℃下商用110kV、运行时间为4年的电缆的不同老化时间目标试样拉伸强度、抗氧剂1035含量实验值及抗氧剂1035消耗拟合曲线。

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：

目前XLPE绝缘老化状态评估手段准确性不高，且缺少对XLPE绝缘老化状态的预测方法，难以得知电缆老化在未来的状态。抗氧剂能够延缓XLPE绝缘老化，增加电缆使用寿命，当抗氧剂消耗完后，电缆性能会加速劣化。抗氧剂在XLPE电缆绝缘中普遍存在，其含量能够通过傅里叶变换红外光谱法测得，操作简单方便，不会对试样造成破坏，通过测定3个及以上不同老化时间下的抗氧剂含量，利用消耗动力学模型，不仅能够对电缆老化状态进行评估，还能预测电缆以后的状态，从根本上解决了现有测试方法操作繁琐、准确度不高的缺点，为电缆寿命预测提供重要途径。因此，采用抗氧剂含量来对XLPE绝缘的老化状态进行评估与预测是合理且可行的。

本发明开发了一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法，通过傅里叶变换红外光谱测试，得到试样抗氧剂特征峰的吸光度，用吸光度来表征抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型对实验得到的抗氧剂消耗数据进行拟合，取拟合最优结果，从而预测抗氧剂含量未来的变化趋势，为电缆老化状态预判提供新途径，具体包括以下步骤：

1)测量抗氧剂含量：取同一老化方式、不同老化时间的片状试样，将试样表面擦拭干净作为目标试样，利用傅里叶变换红外光谱仪测试目标试样的红外光谱，并由抗氧剂类别，提取出不同老化时间点的抗氧剂特征吸收峰吸光度，将特征峰的吸光度作为抗氧剂含量；

2)使用抗氧剂消耗动力学模型对实验结果进行拟合：根据实验得到的不同老化时间下的抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型进行拟合，得到抗氧剂消耗拟合曲线；

3)寿命预测：由抗氧剂消耗动力学模型的拟合结果，对电缆当下老化状态进行评估，对电缆未来的状态进行预测。

所述步骤1)中，目标试样的老化时间点大于等于3。

所述步骤1)中，傅里叶变换红外光谱测试模式为透射模式。

所述步骤2)中，抗氧剂消耗动力学模型为：

其中，y为抗氧剂含量，A、B为常数项，t为老化时间。

所述步骤2)中，对数据进行拟合，取拟合效果最优结果，横坐标为时间的平方，纵坐标为抗氧剂含量，即抗氧剂特征峰吸光度。

所述步骤3)中，将抗氧剂含量减小至0.005作为寿命终止的标志。由抗氧剂消耗动力学模型曲线，通过试样当前抗氧剂含量与寿命终止抗氧剂含量0.005的老化时间差，预测剩余使用寿命。

所述步骤1)～3)中，作为目标试样的切片厚度小于等于0.5mm。

实施例1：

下面以商用110kV新的交联聚乙烯电缆绝缘为例，用傅里叶变换红外光谱法测试其抗氧剂含量：

本实施例所用的傅里叶变换红外光谱仪为赛默飞公司的iN10型傅里叶变换红外光谱仪，将目标试样放入样品室，设置模式为透射，采集次数为32次，分辨率为4cm^-1。具体包括以下步骤：

1)测量抗氧剂含量：切取厚度为0.5mm，边长为100mm的片状试样，用无纺布蘸取无水乙醇，将试样表面擦拭干净，采用烘箱热老化方式处理目标试样，老化温度为155℃，老化时间分别为0h、72h、144h、216h、288、336h、360h。将不同老化时间的目标试样置于傅里叶变换红外光谱系统中进行测试，设置模式为透射模式，采集次数为32次，分辨率为4cm^-1，抗氧剂1035的特征吸收峰为1159cm^-1，由此对目标试样在1185～1110cm^-1波数范围内的红外光谱进行分析，如图1所示，对光谱进行分峰处理，得到1159cm^-1特征吸收峰的吸光度，以未老化试样分峰结果为例，如图2所示；

从图1可以看出，随着老化时间的增加，抗氧剂1035的特征吸收峰的吸光度在逐渐减小，这说明抗氧剂在试样老化过程中不断消耗，含量逐渐减少。

从图2可以看出，选择1130cm^-1、1150cm^-1、1159cm^-1、1176cm^-1波数作为峰中心进行分峰处理，拟合度高，通过分峰，可以得到1159cm^-1特征吸收峰的吸光度，用来表示抗氧剂含量。

2)使用抗氧剂消耗动力学模型对实验结果进行拟合：根据抗氧剂在交联聚乙烯中的反应式主要为：

R·+O₂→ROO·(2)

AOH+ROO·→ROOH+AO·(3)

其中，RH为XLPE分子链，R·为烷基自由基，ROO·为过氧自由基，AOH为抗氧剂，ROOH为氢过氧化物，AO·为抗氧剂自由基，结合自由基浓度随时间变化的动力学方程式，可以得到抗氧剂含量与老化时间的关系式：

其中，y为抗氧剂AOH的含量，A和B为常数项，t为老化时间。根据实验得到的不同老化时间下的抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学函数进行拟合，取拟合效果最优结果，得到拟合曲线，A＝0.07433，B＝2.95×10^-5，结果如图3所示，另外，图3中还描述了目标试样拉伸强度随老化时间的变化。

从图3可以看出，抗氧剂消耗动力学模型拟合曲线与实验得到的抗氧剂含量高度拟合，说明本发明建立得到的抗氧剂消耗动力学模型能够成功地模拟抗氧剂的消耗过程。另外，图3中目标试样的拉伸强度先缓慢变化，而后在360h时急剧减小，目标试样严重劣化，处于不可用状态，目标试样寿命终止，由拉伸强度得到的目标试样寿命为336h。由抗氧剂消耗拟合曲线，当抗氧剂含量y为0.005时，对应的老化寿命为图中虚线所对应时间点，可以看出，由抗氧剂消耗拟合曲线得到的寿命比由拉伸强度得到的寿命略微小一些，这为电缆寿命评估保留了合适的安全裕度，这证明了抗氧剂消耗动力学模型的可靠性。

当已知同一老化方式、不同老化时间的3个及以上目标试样的抗氧剂含量时，就可利用抗氧剂消耗模型进行拟合，预测未来时刻抗氧剂的消耗过程，计算剩余寿命，解决了现有检测手段操作繁琐、准确度不高的问题，仅由若干不同老化时间的点，通过红外测试，就能实现对电缆老化状态的评估，以及对电缆的寿命预测。

3)寿命预测：由抗氧剂消耗动力学模型函数，当抗氧剂含量y为寿命终止抗氧剂含量0.005时，计算得到对应的老化时间t₁，结合试样目前的老化时间t₂，即可计算得到剩余寿命Δt＝t₁-t₂。

实施例2：

与实施例1不同的是，本实施例的目标试样是商用110kV、运行时间为4年的交联聚乙烯电缆，取样时间点为0h、72h、216h、288、336h，其余都与实施例1相同。

图4为155℃下不同老化时间目标试样的拉伸强度、抗氧剂1035含量实验值及抗氧剂1035消耗动力学模型拟合曲线。可以看出的是，抗氧剂消耗拟合曲线与实验得到的抗氧剂含量高度拟合，说明本发明建立得到的抗氧剂消耗动力学模型能够成功地模拟抗氧剂的消耗过程。

另外，图中的拉伸强度随着老化时间先缓慢变化，而后在336h时急剧下降，此时目标试样的性能急剧劣化，处于不可用状态，认为目标试样寿命终止，由拉伸强度得到的目标试样寿命为288h。由抗氧剂消耗拟合曲线，当抗氧剂含量y为0.005时，对应的老化寿命即为图中虚线所对应时间点，可以看出，抗氧剂含量y为0.005时对应的寿命比由拉伸强度得到的寿命略小一些，与实施例1中得到的结果相似，这为电缆寿命预测提供了安全裕度，充分证明了模型的可靠性。因此，以抗氧剂含量为0.005作为寿命终止的标志是可行的，用抗氧剂消耗拟合曲线进行拟合是可靠的。

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 (5)

1.一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法，其特征在于，包括：

根据交联聚乙烯电缆的红外光谱，测量目标试样不同老化时间点的抗氧剂的含量，具体操作如下：取同一老化方式、不同老化时间的片状交联聚乙烯电缆作为目标试样，利用傅里叶变换红外光谱仪测试目标试样的红外光谱，并由抗氧剂类别提取出不同老化时间点的抗氧剂特征吸收峰吸光度，用于表征抗氧剂含量；

根据不同老化时间下的抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型进行拟合，得到抗氧剂消耗拟合曲线；其中，抗氧剂消耗动力学模型为：

其中，y为抗氧剂含量，A、B为常数项，t为老化时间；

选择抗氧剂含量减小至0.005作为寿命终止的标志，由抗氧剂消耗拟合曲线，通过试样当前抗氧剂含量与寿命终止抗氧剂含量0.005的老化时间差，预测剩余使用寿命；

根据抗氧剂消耗动力学模型的拟合结果，对交联聚乙烯电缆寿命进行预测。

2.根据权利要求1所述的基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法，其特征在于，目标试样的不同老化时间点的选取大于等于3。

3.根据权利要求1所述的基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法，其特征在于，目标试样的切片厚度小于等于0.5mm。

4.根据权利要求1所述的基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测方法，其特征在于，傅里叶变换红外光谱测试模式为透射模式。

5.一种基于消耗动力学模型的交联聚乙烯电缆绝缘寿命预测系统，其特征在于，包括：

抗氧剂含量测量模块，用于根据交联聚乙烯电缆的红外光谱，测量不同老化时间点的抗氧剂的含量，具体操作为：取同一老化方式、不同老化时间的片状交联聚乙烯电缆作为目标试样，利用傅里叶变换红外光谱仪测试目标试样的红外光谱，并由抗氧剂类别提取出不同老化时间点的抗氧剂特征吸收峰吸光度，用于表征抗氧剂含量；

曲线回执模块，用于根据不同老化时间下的抗氧剂含量，利用抗氧剂消耗动力学模型进行拟合得到抗氧剂消耗拟合曲线；其中，抗氧剂消耗动力学模型为：

其中，y为抗氧剂含量，A、B为常数项，t为老化时间；

选择抗氧剂含量减小至0.005作为寿命终止的标志，由抗氧剂消耗拟合曲线，通过试样当前抗氧剂含量与寿命终止抗氧剂含量0.005的老化时间差，预测剩余使用寿命；

电缆寿命预测模块，用于根据抗氧剂消耗动力学模型的拟合结果，对交联聚乙烯电缆寿命进行预测。

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