CN115616346A - 三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法 - Google Patents

三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，所采取的技术方案包括乙丙橡胶试样制作、老化因子强度确定、多因子老化兼性能测试、老化指数提取和剩余寿命评估。本发明给出了适用于动态高压电缆的多老化因子确定方法，结合多因子老化实验，通过老化指数建立了描述老化因子与三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆寿命的关系图；实际评估动态高压电缆寿命时仅需测量老化指数，即可通过老化因子与寿命的关系图得到动态高压电缆的中位寿命和特征寿命，降低了评估三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆寿命的难度。

Description

三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法
技术领域
本发明涉及动态电缆绝缘寿命评估领域，尤其是一种常经受多老化因子作用和以三元乙丙橡胶为绝缘的动态高压电缆剩余寿命评估方法。
背景技术
动态型高压电缆是适用于电缆需要移动的场合的供电电缆，如漂浮式海上风电场中风电机组和变电站使用的高压电缆；或煤矿井下采煤机供电用高压电缆。漂浮式海上风电场中风电机组和变电站使用动态式乙丙橡胶绝缘高压电缆，其必须能够适应浮式海上风电机组或变电站在风暴期间的极端位移，并有足够的耐疲劳性能来应对整个20年生命周期内的循环运动造成的绝缘老化。煤矿使用的乙丙橡胶绝缘移动电缆运行环境湿度高，长期运行在拉拽、弯曲、挤压、潮湿、重载等工作环境中，这些多因子作用不仅使绝缘寿命大幅降低，也造成乙丙橡胶分子链断裂，形成微米级气隙等缺陷。绝缘老化或缺陷会引起漏电、短路或放电等故障，不仅会导致人身触电、绝缘撕裂、电缆断线，甚至引起电缆着火或瓦斯爆炸等安全事故，严重影响供电可靠性。
因此，动态高压电缆在使用中除要受电因子和热因子作用以外，还要受如拉伸、挤压等机械力的作用，出现多因子老化。多因子作用下，动态型高压电缆的绝缘老化过程变得复杂而难以估计。针对动态高压电缆使用中存在的电、热、机械应力等因子联合作用后绝缘剩余寿命评估难的问题，实现评估动态型高压电缆绝缘剩余寿命寿命，对保障动态高压电缆使用场合的供电可靠性具有重要意义。
发明内容
为了解决背景技术中，三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆经受多老化因子作用后剩余寿命难以评估的问题，本发明的目的是提供一种三元乙丙橡胶为绝缘的动态高压电缆经受多因子老化后的剩余寿命评估方法，有利于掌握电缆绝缘状态。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，所采取的技术方案包括乙丙橡胶试样制作、老化因子强度确定、多因子老化兼性能测试、老化指数提取和剩余寿命评估。
选用一种多因子老化兼性能测试平台由交直流两用高压电源、保护电阻、高压开关、PEEK夹具、滑动导轨、乙丙橡胶试样、PEEK支柱、不锈钢电极架、黄铜电极、低压开关、电流表和温控箱组成；其中，交直流两用高压电源的高压端与保护电阻的一端连接，保护电阻的另一端与高压开关和不锈钢电极架的高压端连接，PEEK夹具由4块PEEK块组成，每两块为一组PEEK夹具，两组夹具分别固定在滑动导轨的支架上，乙丙橡胶试样的两端分别夹于每组夹具的两块PEEK的中间，通过移动滑动导轨的支架位置控制乙丙橡胶试样被拉伸的长度，即机械率；不锈钢电极架由两块不锈钢板组成，通过4根PEEK支柱支撑，在下部的不锈钢板作为电极，与乙丙橡胶试样的一面接触，并与低压开关和电流表的一端连接；在上部的不锈钢板作为高压端，通过黄铜电极与乙丙橡胶试样的另一面接触，且与开关和保护电阻的另一端连接；PEEK夹具、滑动导轨、乙丙橡胶试样、PEEK支柱、不锈钢电极架、黄铜电极均放入温控箱中，温控箱的金属外壳接地，交直流两用高压电源、开关、电流表的接地端采用一点接点的方式与接地端子连接。
当移动安装在滑动导轨上的两组PEEK夹具，将夹在夹具中的乙丙橡胶试样拉伸到所需的机械率后，通过滑动导轨上的固定螺丝固定，此时施加的机械应力为拉伸力；将砝码放在不锈钢电极架上部的不锈钢板上，通过调整砝码的重量达到所需的机械率，所施加的机械应力为挤压力。
本申请所给出的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，具体如下：
(1)乙丙橡胶试样制作
使用动态高压电缆绝缘用三元乙丙橡胶生胶片经热压硫化后，以约120℃/min的速率冷却至室温，并在60℃的真空干燥箱中静置48小时；得到的乙丙橡胶试样厚度不大于0.5mm，长度约为180mm，宽度约为60mm。
(2)老化因子强度确定，具体包括电因子的强度、温度因子的强度和机械应力的强度；
所述电因子的强度，为电缆运行时施加在绝缘上的额定电场强度，等于电缆运行的额定电压除以绝缘层的厚度；
所述温度因子的强度，根据额定电场强度下，施加温度后寿命不低于tT小时的最高温度，在电缆运行时的导体温度和该最高温度之间选取n个温度点，n个温度点之间满足相邻两温度的倒数之差等于温度相关系数的递减等比数列；设定电缆所用三元乙丙橡胶绝缘的长期最高允许温度T0和短时极限运行温度Tmax；电缆使用时的环境温度Tr；运行时的导体温度Tc；额定电场强度下，施加温度后寿命不低于约tT小时的最高温度；各温度电满足0<Tr<Tc<T0<Tmax<TtT关系；
所述机械应力的强度，使用机械率来表示。机械率的强度是根据额定电场强度下，施加所选定的温度因子强度时，乙丙橡胶发生破坏时施加的最大机械率确定，即在0和最大机械率之间选取i个点，每个机械率点的间隔与机械率相关系数kF有关。
(3)多因子老化和性能测试；使用多因子老化兼性能测试平台，根据电因子、温度因子和机械应力的因子强度对乙丙橡胶试样同时施加三种因子进行老化；具体包括温度施加、机械应力施加、电场施加、循环老化和性能测量；
①所述温度施加是设定温控箱的温度为所需的温度因子强度，待温度达到设定值以后，等待30分钟；
②所述机械应力施加是在乙丙橡胶试样温度达到温度因子强度后，对乙丙橡胶试样施加所需的机械率；待机械率达到所需要的值以后，应在温控箱中静置30分钟，确保温度和机械率达到稳定值；
③所述电场施加是在高压开关为打开，低压开关为闭合状态下，打开交直流两用高压电源，切换到交流电压输出，从零开始逐渐升高输出电压值，使其达到所要求的电场强度对应的电压值，开始多因子老化测试；
④所述循环老化和性能测量是在每老化18小时后，关闭交直流两用高压电源，保持温度因子和机械应力不变，维持6小时，在维持的6小时期间测试性能；性能测试是设定交直流两用高压电源为直流输出，对乙丙橡胶试样施加与老化所施加电因子的电场强度对应的电压值尽量相近的电压值5s后，打开低压开关和电流表，以间隔不大于5s的时间持续记录电流4小时；记录完后闭合低压开关，关闭电流表，关闭交直流两用高压电源的输出，闭合高压开关；待6小时到达以后，重新打开交直流两用高压电源的交流输出，再次老化18小时；之后如此反复，直到试样发生击穿，或交直流两用高压电源的输出电流大于1mA，或性能测量过程中电流表的电流超过1mA。
所述交直流两用高压电源的交流电压范围为0～50kV，直流电压为0～+50kV，容量为50kVA；保护电阻为水电阻，其阻值根据施加于乙丙橡胶试样的电压最大值，按照0.1Ω/V确定，耐压值应不低于交直流两用高压电源的最大输出电压的2倍。黄铜电极9为直径40mm，厚度10mm的圆柱电极。温控箱12的温控范围为室温～250℃。电流表11为飞安表，电流可测范围为0.1fA～20mA。
(4)老化指数提取，对测量得到的所有电流曲线进行拟合，得到电流的表达式；再根据电流表达式计算得出反应乙丙橡胶试样老化状态的老化指数；
所述电流曲线拟合是将每次测量得到的电流使用具有时间常数参数的三相指数衰减函数拟合，根据拟合得到的相关系数α1、α2、α3和时间常数τ1、τ2、τ3计算老化指数V；
Figure BDA0003926020970000041
(5)剩余寿命评估，根据设定的电因子、温度因子和机械应力对乙丙橡胶进行老化得到的不同老化时间的电流曲线，得出老化指数与剩余寿命的关系，再将实际测量得到的电缆绝缘的老化指数带入关系式中，得到绝缘的剩余寿命。老化评估包括老化指数增长速率确定、温度相关常数b和c的计算、机械应力相关常数p和q及V0的计算、剩余寿命评估，老化指数V与剩余寿命L的关系满足；
Figure BDA0003926020970000042
式中：L0为乙丙橡胶绝缘在额定电场强度和长期最高允许温度T0时的设计寿命，单位为小时；α为相关参数，且大于0。
所述老化指数增长速率确定是计算由温度引起的老化指数V的增长速率ΔVT和机械应力引起的老化指数V增长速率ΔVF，代入老化指数的表达式，得到修订后的老化指数V的表达式；其中老化指数预测方程：
Figure BDA0003926020970000043
式中：V0为电缆未老化的老化指数初始值；t为老化时间，t＝0时，满足V＝V0。
所述温度相关常数b和c的计算是根据老化因子强度确定中确定的电因子和温度因子强度，对乙丙橡胶试样进行多因子老化，老化过程中不施加任何机械应力，得到每个温度下的不同老化时刻的电流曲线。对所有电流曲线分别拟合，得到每一个温度时不同老化时的老化指数，然后对同一温度下不同老化时间的老化指数进行拟合，得到每一个温度T下温度相关常数b(Tm)和c(Tm)。
所述机械应力相关常数p和q及V0的计算是根据老化因子强度确定中得到的电因子和温度因子强度，分别在不同温度下，对乙丙橡胶试样进行不同机械应力强度下的多因子老化，得到每个温度下不同机械应力强度时，在不同老化时刻的电流曲线。对每条电流曲线拟合得到每一个温度和每一个机械应力时不同老化时间的老化指数。然后结合该温度下b和c的值，对同一温度和同一个机械应力下不同老化时间的老化指数进行拟合，即得到每一个温度和每一个机械应力下的机械应力相关常数p(Tm,Fm)和q(Tm,Fm)及V0(Tm,Fm)。
所述剩余寿命评估是根据老化指数V与剩余寿命L的关系，取额定电场强度、Tmax和Fmax下的老化时间tr为剩余寿命Lr；试样击穿后，在未击穿区域测量乙丙橡胶试样的电流计算得到的老化指数为Vr，将Lr和Vr带入老化指数V与剩余寿命L的关系式中，得到相应的相关参数α；然后由老化指数V与剩余寿命L的关系式计算得到老化指数对应的寿命。将老化指数、寿命、及对应的机械率和温度数据以老化指数为横坐标绘制成老化因子与寿命的关系图；根据实际测量得到的某电缆绝缘的老化指数，在老化因子与寿命的关系图中得到最大可能寿命与最小可能寿命，再得出由中位寿命和特征寿命表示的电缆的剩余寿命。
本发明的有益效果是：给出了适用于动态高压电缆的多老化因子确定方法，结合多因子老化实验，通过老化指数建立了描述老化因子与三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆寿命的关系图；实际评估动态高压电缆寿命时仅需测量老化指数，即可通过老化因子与寿命的关系图得到动态高压电缆的中位寿命和特征寿命，降低了评估三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆寿命的难度。
附图说明
图1为多因子老化兼性能测试平台；
图2为测量和拟合得到的典型电流曲线；
图3为老化因子和寿命与老化状态关系图。
图中：1、交直流两用高压电源；2、保护电阻；3、高压开关；4、PEEK夹具；5、滑动导轨；6、乙丙橡胶试样；7、PEEK支柱；8、不锈钢电极架；9、黄铜电极；10、低压开关；11、电流表；12、温控箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种适用于常经受多老化因子作用和以三元乙丙橡胶为绝缘的动态高压电缆剩余寿命评估方法，实现交流10kV及以下动态高压电缆用乙丙橡胶绝缘经受电、热、机械应力等老化因子同时老化后的剩余寿命评估。具体实现过程是基于多因子老化兼性能测试平台实现。多因子老化兼性能测试平台如图1所示，其结构主要包括：交直流两用高压电源1、保护电阻2、高压开关3、PEEK夹具4、滑动导轨5、乙丙橡胶试样6、PEEK支柱7、不锈钢电极架8、黄铜电极9、低压开关10、电流表11和温控箱12；其中，交直流两用高压电源1的高压端与保护电阻2的一端连接，用于向乙丙橡胶试样施加交流或直流电压，交直流两用高压电源1的交流电压范围为0～50kV，直流电压为0～+50kV，容量为50kVA。保护电阻的2的另一端与高压开关3和不锈钢电极架8的高压端连接，保护电阻2为水电阻，其阻值根据施加于乙丙橡胶试样6的电压最大值，按照0.1Ω/V确定，耐压值应不低于交直流两用高压电源1的最大输出电压的2倍。PEEK夹具4由4块厚度为20mm和边长为80mm的PEEK块组成，每两块为一组PEEK夹具，两组夹具分别固定在滑动导轨5的支架上，乙丙橡胶试样6的两端分别夹于每组夹具的两块PEEK的中间，通过移动滑动导轨5的支架位置控制乙丙橡胶试样被拉伸的长度，即机械率。不锈钢电极架8由两块厚10mm的不锈钢板组成，通过4根PEEK支柱支撑，在下部的不锈钢板作为电极，与乙丙橡胶试样6的一面接触，并与低压开关10和电流表11的一端连接；在上部的不锈钢板作为高压端，通过黄铜电极9与乙丙橡胶试样6的另一面接触，且与开关3和保护电阻2的另一端连接。黄铜电极9为直径40mm，厚度10mm的圆柱电极。PEEK夹具4、滑动导轨5、乙丙橡胶试样6、PEEK支柱7、不锈钢电极架8、黄铜电极9均放入温控箱12中，温控箱12的金属外壳接地，温控箱12的温控范围为室温～250℃。交直流两用高压电源1、开关3和10、电流表11的接地端采用图1中一点接点的方式与接地端子连接。电流表11为飞安表，电流可测范围为0.1fA～20mA。
具体过程包括：乙丙橡胶试样制作、老化因子强度确定、多因子老化兼性能测试、老化指数提取和剩余寿命评估。
(1)乙丙橡胶试样制作
将动态高压电缆绝缘用三元乙丙橡胶生胶片(以下简称为乙丙橡胶)预热后进行热压硫化。所用乙丙橡胶生胶片为未硫化，但是已经密炼，填入硫化剂和其他填料，以三元乙丙橡胶为基体的胶片。热压温度为165℃，压力为4MPa，硫化时间为15min。硫化得到的乙丙橡胶试样以约120℃/min的速率冷却至室温后，放置于温度为60℃的真空干燥箱中静置48小时。为避免老化过程中施加的电压太高，出现局部放电损坏乙丙橡胶试样，其厚度应不大于0.5mm。使用时将乙丙橡胶试样裁剪为长度约为180mm，宽度约为60mm的长方形样片。在乙丙橡胶试样时，应先用酒精擦拭其表面，并静置至少12小时。
(2)老化因子强度确定
老化因子包括电因子、温度因子和机械应力三种。各种老化因子强度的选择方法如下：
①电因子的强度
电因子的强度使用电缆运行时施加在绝缘上的额定电场强度E0；可根据电缆运行的额定电压U0和绝缘层的厚度d，使用公式E0＝U0/d计算得到。
例如：动态高压电缆中的采煤机拖拽电缆的运行额定电压为3.3kV，绝缘厚度约为4mm，则施加于需要老化的乙丙橡胶试样两端的电场强度应为0.825kV/mm。
②温度因子的强度
温度因子的强度选择需同时考虑：电缆所用三元乙丙橡胶绝缘的长期最高允许温度T0和短时极限运行温度Tmax；电缆使用时的环境温度Tr；运行时的导体温度Tc；额定电场强度下，施加温度后寿命不低于约tT小时的最高温度TtT。以上温度应满足0<Tr<Tc<T0<Tmax<TtT。这里的时间tT可选择100小时，或者根据温度的相互关系Tr<Tc<T0<Tmax<TtT，保证tT小于时间tTmax(空气中，温度为Tmax，施加额定电场强度下，乙丙橡胶发生击穿所需的时间)，但tT不应大于100小时。
温度因子强度确定方法是在[Tc,TtT]之间选取n个温度点，n应大于等于4，且包括Tc和TtT。各温度点满足相邻两温度的倒数之差等于温度相关系数的k递减等比数列，即
Figure BDA0003926020970000071
式中：m为2,3,4,……,n；T1等于Tc；Tn等于TtT；kT为与温度相关的系数，满足
Figure BDA0003926020970000072
例如：动态高压电缆中的采煤机拖拽电缆运行时的线芯温度Tc为60℃，短时极限运行温度Tmax为120℃，乙丙橡胶绝缘的长期最高允许温度T0为90℃，T100小时为150℃，则T1为60℃，Tn为150℃。如n取5，则kT为0.025。根据式(1)可得温度因子强分别为60℃、71℃、86℃、109℃和150℃。
③机械应力的强度
选取机械应力的强度时，使用机械率F来表示所施加的机械应力。机械率定义为在一定机械应力作用下，乙丙橡胶破坏时，沿受力方向乙丙橡胶尺寸的变化量与未经受机械应力作用时乙丙橡胶初始状态下前述受力方向尺寸的比值。
机械应力为拉伸力时，机械率为乙丙橡胶被拉断时两夹具间(即沿拉伸力方向)长度增量与初始时两夹具间长度的百分比。机械应力为挤压力时，机械率为乙丙橡胶被挤压破裂时两夹具间长度减量与初始时两夹具间长度的百分比。
机械率的强度选择需先测量在额定电场强度下，施加所选定的温度因子强度时，乙丙橡胶发生破坏时施加的最大机械率Fmax。最大机械率Fmax的测量方法是，首先对乙丙橡胶施加所需的电场强度和温度30分钟后，从零开始逐渐增大机械率，直到乙丙橡胶发生击穿，此时的机械率为Fb；然后，更换新的乙丙橡胶，对乙丙橡胶施加相同的电场强度和温度30分钟后，先施加40％Fb的机械率，在此条件下等待20s。若乙丙橡胶不发生击穿，则将机械率提高5％Fb后，再等待20s。若不击穿，继续升高5％Fb的机械率，直到乙丙橡胶发生击穿。机械率升高过程应尽量快，且升高过程中所用时间需计入20s的等待时间内。如30分钟后击穿发生在升高机械率过程中，或尚未达到20s，则取前一次所施加的机械率为最大机械率Fmax。应保证击穿发生在机械率升高5次，或5次以上。
机械率F的强度是在(0％,Fmax)之间选取i个点，i应大于等于4。确定依据为
log10Fj＝jkF-1 (式3)
式中：j为1,2,3,……,i+1；Fi+1等于Fmax；kF为与机械率相关的系数，满足
(i+1)kF＝log10Fi+1 (式4)
例如：当施加的应力为拉伸力，在额定电场强度3kV/mm，温度因子强度为120℃，乙丙橡胶发生破坏时施加的最大机械率Fmax为3。如i取5，即F6为3，则根据式(4)，kF为0.2462。再根据式(3)得出，在额定电场强度3kV/mm，温度因子强度为120℃时，机械率的强度分别为0.18、0.31、0.55、0.97和1.7。
(3)多因子老化兼性能测试
多因子老化与性能测试是根据电因子、温度因子和机械应力的因子强度对乙丙橡胶试样同时施加三种因子进行老化。具体包括温度施加、机械应力施加、电场施加、循环老化和性能测量。
温度施加是将PEEK夹具4、滑动导轨5、乙丙橡胶试样6、PEEK支柱7、不锈钢电极架8、黄铜电极9放入温控箱12中，设定温控箱12的温度为所需的温度因子强度，待温度达到设定值以后，等待30分钟，确保放入温控箱12中的乙丙橡胶试样温度达到设定的温度因子强度。
机械应力施加是在试样温度达到温度因子强度后，对试样施加所需的机械率。当施加的机械应力为拉伸力时，通过移动安装在滑动导轨5上的两组PEEK夹具4，将夹在夹具中的乙丙橡胶试样拉伸到所需的机械率后，通过滑动导轨5上的固定螺丝固定。当施加的机械应力为挤压力时，将砝码放在不锈钢电极架8上部的不锈钢板上，通过调整砝码的重量达到所需的机械率。待机械率达到所需要的值以后，应在温控箱12中静置30分钟，确保温度和机械率达到稳定值。
电场施加是在打开高压开关3，闭合低压开关10后，打开交直流两用高压电源1，切换到交流电压输出，从零开始逐渐升高输出电压值，使其达到所要求的电场强度对应的电压值。多因子老化开始，并计时。
循环老化和性能测试是在每老化18小时后，关闭交直流两用高压电源1，闭合高压开关3，保持温度因子和机械应力不变，维持6小时。在维持的6小时期间测试性能。性能测试是在关闭交直流两用高压电源1，高压开关3闭合30分钟以后进行，具体过程为设置交直流两用高压电源1为直流输出，调节电压输出值为+500V、+1000V、+2500V或+5000V中的一个，具体电压值应与老化所施加电因子的电场强度对应的电压值尽量相近。如电场强度为1kV/mm，乙丙橡胶试样厚度为0.5mm，则交流电压为500V，用于性能测试的交直流两用高压电源1的直流电压应选择为+500V。电压确定后，打开高压开关3，保持低压开关10闭合，打开交直流两用高压电源1的高压输出，使直流电压施加于乙丙橡胶试样1；5s后，打开低压开关10，启动电流表11，测量流过试样的电流，并使用计算机记录电流，电流记录间隔应不大于5s，持续记录4小时，如图2为测量得到的电流曲线。记录完后的操作过程和顺序为，闭合低压开关10，关闭电流表11，关闭交直流两用高压电源1的输出，闭合高压开关3。待6小时到达以后，重新打开交直流两用高压电源1的交流输出，再次老化18小时。待老化18小时后，关闭交直流两用高压电源1，闭合高压开关3，保持温度因子和机械应力不变，维持6小时，并在此期间测试性能。之后如此反复，直到试样发生击穿，或交直流两用高压电源1的输出电流大于1mA，或性能测量过程中电流表11的电流超过1mA。
(4)老化指数提取
老化指数提取是对测量得到的所有电流曲线进行拟合后得到电流的表达式，再根据电流表达式计算得出反应乙丙橡胶试样老化状态的老化指数。
电流曲线拟合是将每次测量得到的电流使用具有时间常数参数的三相指数衰减函数拟合，即
Figure BDA0003926020970000101
式中：I为每次测量得到的电流；t为时间；α1、α2和α3为相关系数，且均大于零；τ1、τ2和τ3为时间常数，且τ1<τ2<τ3；I0为没有介质时的电流，且I0>0。
拟合后的电流曲线如图2中拟合曲线。然后根据拟合得到的相关系数α1、α2和α3，时间常数τ1、τ2和τ3计算老化指数V
Figure BDA0003926020970000102
(5)剩余寿命评估
剩余寿命评估是根据设定的电因子、温度因子和机械应力对乙丙橡胶进行时得到的不同老化时间的电流曲线，得到老化指数与剩余寿命的关系，再将实际测量得到的电缆绝缘的老化指数带入关系式中，得到绝缘的剩余寿命。老化评估包括老化指数增长速率确定、温度相关常数b和c的计算、机械应力相关常数p和q及V0的计算，以及剩余寿命评估；
①老化指数增长速率确定
设由温度引起的老化指数V的增长速率ΔVT为
ΔVT＝b×ect (式7)
式中：b和c为与温度相关的常数；
由机械应力引起的老化指数V增长速率ΔVF为
ΔVF＝p×eqt (式8)
式中：p和q为与机械应力相关的常数；
由式(7)和(8)的增长速率得到修订后的老化指数V为
Figure BDA0003926020970000111
式中：C为常数。设老化指数V的初始值为V0，代入式(9)中得到最终老化指数预测方程：
Figure BDA0003926020970000112
式中：V0为电缆未老化的老化指数初始值；t为老化时间，t＝0时，式(10)满足V＝V0。
②温度相关常数b和c的计算
当机械率F为零时，由机械应力引起的老化指数V增长速率ΔVF应为1，即与机械应力相关的常数p＝1，q＝0。此时老化指数V的计算式(10)变为
Figure BDA0003926020970000113
根据老化因子强度确定中确定的电因子和温度因子强度Tm，对乙丙橡胶试样进行多因子老化，老化过程中不施加任何机械应力，得到每个温度下的不同老化时刻的电流曲线。使用式(5)对所有电流曲线分别拟合，得到每一个温度Tm时不同老化时间t的老化指数V(Tm,t)，然后对同一温度T下不同老化时间t的老化指数V(Tm,t)根据式(11)进行拟合，即得到每一个温度T下温度相关常数b(Tm)和c(Tm)。
③机械应力相关常数p和q及V0的计算
根据老化因子强度确定中得到的电因子E0和温度因子强度Tm，分别在T1、T2、T3、……、Tn下，对乙丙橡胶试样进行机械应力强度为Fj下的多因子老化，得到每个温度Tm下，施加不同机械应力强度Fj，在不同老化时刻的电流曲线。使用式(5)对分别对每条电流曲线拟合得到每一个温度Tm和每一个机械应力Fm时不同老化时间t的老化指数V(Tm,Fm,t)。然后结合该温度下b和c的值，对同一温度和同一个机械应力下不同老化时间t的老化指数V(Tm,Fm,t)根据式(10)进行拟合，即得到每一个温度和每一个机械应力下的机械应力相关常数p(Tm,Fm)和q(Tm,Fm)及V0(Tm,Fm)。
④剩余寿命评估
老化指数V与剩余寿命L的关系满足
Figure BDA0003926020970000121
式中：L0为乙丙橡胶绝缘在额定电场强度和长期最高允许温度T0时的设计寿命，单位为小时；α为相关参数，且大于0。
相关参数α的计算方法为：取额定电场强度、Tmax和Fmax下的老化时间tr为剩余寿命Lr；试样击穿后，在未击穿区域测量乙丙橡胶试样的电流计算得到的老化指数为Vr，将Lr和Vr带入式(12)，得到相应的相关参数α。
将前面得到的老化指数V(Tm,Fm,t)、V(Tm,t)、相关参数α、测量条件带入式(12)，即可得到老化指数对应的寿命LTm和LTm,Fm。将老化指数V(Tm,Fm,t)、V(Tm,t)，寿命LTm和LTm,Fm，及对应的机械率和温度数据以老化指数为横坐标绘制成如图3所示的老化因子与寿命关系图。图中用圆圈的大小代表机械率的大小，圆圈的颜色深度代表温度的大小，虚线为数据的包络线。
假设实际测量得到的某电缆绝缘的老化指数为Vs，则由图3可以得出老化寿命的区间[Ls1,Ls2]。Ls1和Ls2为Vs与包络线交点对应的寿命，即最大可能寿命与最小可能寿命，单位为小时。由此可以计算出绝缘的中位寿命L0.5为
Figure BDA0003926020970000122
特征寿命Le为：
Le＝(1-e-1)Ls2 (式14)
中位寿命和特征寿命即为三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆的剩余寿命。
例：对动态高压电缆中的3.3kV采煤机拖拽电缆，该电缆在额定电场强度0.825kV/mm和长期最高允许温度90℃时的设计寿命为219000小时。根据老化因子强度确定方法，选择多因子老化的电因子为0.825kV/mm，温度因子为90℃、105℃、120℃和150℃，机械率为0.1、0.3、0.5、0.7和0.9。在这些因子强度下对该电缆使用的乙丙橡胶试样进行多因子老化，得到的老化因子与寿命的关系如图3所示。当这一电缆使用一段时间后，测量得到+2500V时的绝缘电流为图2中测量得到的电流。根据式(5)对这一电流曲线拟合后，由式(6)得到老化指数Vs为3.32。在图3中作图得到对应的寿命区间为[300,59563]。再根据式(13)和(14)可以得出中位寿命为29931小时，特征寿命为37648小时。

Claims (8)

1.三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，具体包括：乙丙橡胶试样制作、老化因子强度确定、多因子老化兼性能测试、老化指数提取和剩余寿命评估；
所给出的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，具体如下：
（1）乙丙橡胶试样制作
使用动态高压电缆绝缘用三元乙丙橡胶生胶片经热压硫化后，以约120°C/min的速率冷却至室温，并在60°C的真空干燥箱中静置48小时；得到的乙丙橡胶试样厚度不大于0.5mm，长度约为180mm，宽度约为60mm；
（2）老化因子强度确定，具体包括电因子的强度、温度因子的强度和机械应力的强度；
所述电因子的强度，为电缆运行时施加在绝缘上的额定电场强度，等于电缆运行的额定电压除以绝缘层的厚度；
所述温度因子的强度，根据额定电场强度下，施加温度后寿命不低于tT小时的最高温度，在电缆运行时的导体温度和该最高温度之间选取n个温度点，n个温度点之间满足相邻两温度的倒数之差等于温度相关系数的递减等比数列；设定电缆所用三元乙丙橡胶绝缘的长期最高允许温度T0和短时极限运行温度Tmax；电缆使用时的环境温度Tr；运行时的导体温度Tc；额定电场强度下，施加温度后寿命不低于约tT小时的最高温度；各温度电满足0<Tr<Tc<T0<Tmax<TtT关系；
所述机械应力的强度，使用机械率来表示；机械率的强度是根据额定电场强度下，施加所选定的温度因子强度时，在0和最大机械率之间选取i个点，每个机械率点的间隔与机械率相关系数kF有关；
（3）多因子老化和性能测试；使用多因子老化兼性能测试平台，根据电因子、温度因子和机械应力的因子强度对乙丙橡胶试样同时施加三种因子进行老化；具体包括温度施加、机械应力施加、电场施加、循环老化和性能测量；
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE001
所述温度施加是设定温控箱的温度为所需的温度因子强度，待温度达到设定值以后，等待30分钟；
所述机械应力施加是在乙丙橡胶试样温度达到温度因子强度后，对乙丙橡胶试样施加所需的机械率；待机械率达到所需要的值以后，应在温控箱中静置30分钟，确保温度和机械率达到稳定值；
所述电场施加是在高压开关为打开，低压开关为闭合状态下，打开交直流两用高压电源，切换到交流电压输出，从零开始逐渐升高输出电压值，使其达到所要求的电场强度对应的电压值，开始多因子老化测试；
所述循环老化和性能测量是在每老化18小时后，关闭交直流两用高压电源，保持温度因子和机械应力不变，维持6小时，在维持的6小时期间测试性能；性能测试是设定交直流两用高压电源为直流输出，对乙丙橡胶试样施加与老化所施加电因子的电场强度对应的电压值尽量相近的电压值5s后，打开低压开关和电流表，以间隔不大于5s的时间持续记录电流4小时；记录完后闭合低压开关，关闭电流表，关闭交直流两用高压电源的输出，闭合高压开关；待6小时到达以后，重新打开交直流两用高压电源的交流输出，再次老化18小时；之后如此反复，直到试样发生击穿，或交直流两用高压电源的输出电流大于1mA，或性能测量过程中电流表的电流超过1mA；
（4）老化指数提取，对测量得到的所有电流曲线进行拟合，得到电流的表达式；再根据电流表达式计算得出反应乙丙橡胶试样老化状态的老化指数；
所述电流曲线拟合是将每次测量得到的电流使用具有时间常数参数的三相指数衰减函数拟合，根据拟合得到的相关系数α1、α2、α3和时间常数τ1、τ2、τ3计算老化指数V；
（5）剩余寿命评估，根据设定的电因子、温度因子和机械应力对乙丙橡胶进行老化得到的不同老化时间的电流曲线，得出老化指数与剩余寿命的关系，再将实际测量得到的电缆绝缘的老化指数带入关系式中，得到绝缘的剩余寿命；老化评估包括老化指数增长速率确定、温度相关常数b和c的计算、机械应力相关常数p和q及V 0 的计算、剩余寿命评估。
2.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述多因子老化和性能测试，选用一种多因子老化兼性能测试平台，结构包括：由交直流两用高压电源、保护电阻、高压开关、PEEK夹具、滑动导轨、乙丙橡胶试样、PEEK支柱、不锈钢电极架、黄铜电极、低压开关、电流表和温控箱组成；其中，交直流两用高压电源的高压端与保护电阻的一端连接，保护电阻的另一端与高压开关和不锈钢电极架的高压端连接，PEEK夹具由4块PEEK块组成，每两块为一组PEEK夹具，两组夹具分别固定在滑动导轨的支架上，乙丙橡胶试样的两端分别夹于每组夹具的两块PEEK的中间，通过移动滑动导轨的支架位置控制乙丙橡胶试样被拉伸的长度，即机械率；不锈钢电极架由两块不锈钢板组成，通过4根PEEK支柱支撑，在下部的不锈钢板作为电极，与乙丙橡胶试样的一面接触，并与低压开关和电流表的一端连接；在上部的不锈钢板作为高压端，通过黄铜电极与乙丙橡胶试样的另一面接触，且与开关和保护电阻的另一端连接；PEEK夹具、滑动导轨、乙丙橡胶试样、PEEK支柱、不锈钢电极架、黄铜电极均放入温控箱中，温控箱的金属外壳接地，交直流两用高压电源、开关、电流表的接地端采用一点接点的方式与接地端子连接。
3.根据权利要求2所述的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，当移动安装在滑动导轨上的两组PEEK夹具，将夹在夹具中的乙丙橡胶试样拉伸到所需的机械率后，通过滑动导轨上的固定螺丝固定，此时施加的机械应力为拉伸力；将砝码放在不锈钢电极架上部的不锈钢板上，通过调整砝码的重量达到所需的机械率，所施加的机械应力为挤压力。
4.根据权利要求2所述的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述多因子老化和性能测试，循环老化和性能测量中交直流两用高压电源的交流电压范围为0~50kV，直流电压为0~+50kV，容量为50kVA；保护电阻为水电阻，其阻值根据施加于乙丙橡胶试样的电压最大值，按照0.1Ω/V确定，耐压值应不低于交直流两用高压电源的最大输出电压的2倍；黄铜电极9为直径40mm，厚度10mm的圆柱电极；温控箱12的温控范围为室温~250°C；电流表11为飞安表，电流可测范围为0.1fA~20mA。
5.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述老化指数增长速率确定是计算由温度引起的老化指数V的增长速率ΔV T 和机械应力引起的老化指数V增长速率ΔV F ，代入老化指数的表达式，得到修订后的老化指数V的表达式。
6.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述温度相关常数b和c的计算是根据老化因子强度确定中确定的电因子和温度因子强度，对乙丙橡胶试样进行多因子老化，老化过程中不施加任何机械应力，得到每个温度下的不同老化时刻的电流曲线；对所有电流曲线分别拟合，得到每一个温度时不同老化时的老化指数，然后对同一温度下不同老化时间的老化指数进行拟合，得到每一个温度T下温度相关常数b (Tm)和c (Tm)。
7.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述机械应力相关常数p和q及V 0 的计算是根据老化因子强度确定中得到的电因子和温度因子强度，分别在不同温度下，对乙丙橡胶试样进行不同机械应力强度下的多因子老化，得到每个温度下不同机械应力强度时，在不同老化时刻的电流曲线；对每条电流曲线拟合得到每一个温度和每一个机械应力时不同老化时间的老化指数；然后结合该温度下b和c的值，对同一温度和同一个机械应力下不同老化时间的老化指数进行拟合，即得到每一个温度和每一个机械应力下的机械应力相关常数p (Tm, Fm)和q (Tm, Fm)及V 0(Tm, Fm)。
8.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶绝缘动态高压电缆剩余寿命评估方法，其特征在于，所述剩余寿命评估是根据老化指数V与剩余寿命L的关系，取额定电场强度、T max和F max下的老化时间t r为剩余寿命L r；试样击穿后，在未击穿区域测量乙丙橡胶试样的电流计算得到的老化指数为V r，将L r和V r带入老化指数V与剩余寿命L的关系式中，得到相应的相关参数α；然后由老化指数V与剩余寿命L的关系式计算得到老化指数对应的寿命；将老化指数、寿命、及对应的机械率和温度数据以老化指数为横坐标绘制成老化因子与寿命的关系图；根据实际测量得到的某电缆绝缘的老化指数，在老化因子与寿命的关系图中得到最大可能寿命与最小可能寿命，再得出由中位寿命和特征寿命表示的电缆的剩余寿命。
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