CN116127757A - 基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法及装置，属于电缆附件检测技术领域，所述方法包括以下步骤：获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压，所述的初始面压即初始径向机械应力，其允许范围为0.1～0.25MPa之间；根据时‑温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，所述的老化后面压的允许界面压力的下限为0.1MPa；根据时‑温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。本发明对电缆附件寿命进行预测，提前解决了因电缆附件老化导致的电缆故障问题。

Description

基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法及装置，属于电缆附件检测技术领域。

背景技术

35kV及以下冷缩型电力电缆附件大多使用硅橡胶作为绝缘，利用预扩张过程中硅橡胶绝缘产生的抗拒力，使硅橡胶绝缘回弹，从而将电缆附件紧裹在电缆本体上，具有安装操作简单且绝缘性能良好的优点。硅橡胶作为一种高分子绝缘材料，具有长链特征，分子运动必须克服摩擦阻力，不可能瞬时完成，表现出明显的时间依赖性，即松弛特性。

硅橡胶绝缘长期处于拉伸状态下，抗拒变形的作用力会随时间的推移逐渐变小，表现出应力松弛特性。应力松弛反映硅橡胶分子链段运动和化学键断裂情况，可以对材料的力学性能以及尺寸稳定性做出评价。

但是，真实的长期服役环境老化试验通常是费时费力的，这使得直接对服役中的电缆附件寿命预测变得十分困难。因此，需要研制一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，对电缆附件寿命进行预测，提前解决因电缆附件老化导致的电缆故障问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法及装置，能够对电缆附件寿命进行预测，提前解决因电缆附件老化导致的电缆故障问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，包括以下步骤：

获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压(界面压力)，所述的初始面压即初始径向机械应力，其允许范围为0.1～0.25MPa之间；

根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，所述的老化后面压的允许界面压力的下限为0.1MPa；

根据时-温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；

根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述电缆附件包括10kV冷缩式户外终端。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述获取电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压，包括：

根据电缆附件的轴对称性，利用Solidworks软件分别建立未扩径的电缆附件和电缆附件套接与电缆本体的1/4三维实体模型；

将模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件中进行仿真计算，获得电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，包括：

化学应力松弛动力学表达式为：

y＝e^-kt (1)

式中，y为相对应力，k为反应速率常数，k＝A₀e^-E/RT，e为自然对数的底，R为气体常量，A₀为频率因子，E为表观活化能，T为松弛老化温度；

由应力松弛反应动力学方程可推得时-温等效原理方程：

式中，t为时间，T为温度；

利用高温反推室温下应力松弛特性，对化学应力松弛动力学表达式两边同时求对数，令y＝F_t/F₀，得：

ln(F_t/F₀)＝-kt   (3)

对曲线方程(3)进行修正得：

ln(F_t/F₀)＝-kt^θ   (4)

式中，F_t为老化后面压，F₀为初始面压，θ为修正系数；

利用式(4)反推计算长期运行期间的界面机械应力，获得电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命，包括：

基于时-温等效原理，将拟合松弛曲线中老化后面压临近允许界面压力下限值时的时间作为电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述不同温度包括140℃和180℃，所述伸长率包括安装后电缆附件的最大内侧径向伸长率160％，以及存储时预扩张电缆附件最大径向伸长率300％。

第一方面，本发明实施例提供的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置，包括：

数据获取模块，用于获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压，所述的初始面压即初始径向机械应力，其允许范围为0.1～0.25MPa之间；

数据计算模块，用于根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，所述的老化后面压的允许界面压力的下限为0.1MPa；

松弛曲线拟合模块，用于根据时-温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；

寿命预测模块，用于根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述电缆附件包括10kV冷缩式户外终端。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据获取模块获取电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压的具体过程为：

根据电缆附件的轴对称性，利用Solidworks软件分别建立未扩径的电缆附件和电缆附件套接与电缆本体的1/4三维实体模型；

将模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件中进行仿真计算，获得电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据计算模块根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压的具体过程为：

化学应力松弛动力学表达式为：

y＝e^-kt   (1)

式中，y为相对应力，k为反应速率常数，k＝A₀e^-E/RT，e为自然对数的底，R为气体常量，A₀为频率因子，E为表观活化能，T为松弛老化温度；

由应力松弛反应动力学方程可推得时-温等效原理方程：

式中，t为时间，T为温度；

利用高温反推室温下应力松弛特性，对化学应力松弛动力学表达式两边同时求对数，令y＝F_t/F₀，得：

ln(F_t/F₀)＝-kt   (3)

对曲线方程(3)进行修正得：

ln(F_t/F₀)＝-kt^θ   (4)

式中，F_t为老化后面压，F₀为初始面压，θ为修正系数；

利用式(4)反推计算长期运行期间的界面机械应力，获得电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述寿命预测模块根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命的具体过程为：

基于时-温等效原理，将拟合松弛曲线中老化后面压临近允许界面压力下限值时的时间作为电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述不同温度包括140℃和180℃，所述伸长率包括安装后电缆附件的最大内侧径向伸长率160％，以及存储时预扩张电缆附件最大径向伸长率300％。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，包括以下步骤：获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压；根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压；根据时-温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。本发明对电缆附件寿命进行预测，提前解决了因电缆附件老化导致的电缆故障问题，从而有助于提高电缆附件及电力电缆的长期运行稳定性。

本发明实施例的技术方案的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置具有与一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法同样的有益效果。

附图说明：

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置结构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的140℃下不同伸长率的应力松弛曲线示意图(图3(a)为140℃下130％伸长率的应力松弛曲线，图3(b)为140℃下160％伸长率的应力松弛曲线，图3(c)为140℃下200％伸长率的应力松弛曲线，图3(d)为140℃下300％伸长率的应力松弛曲线)；

图4是根据一示例性实施例示出的180℃下不同伸长率的应力松弛曲线示意图(图4(a)为180℃下130％伸长率的应力松弛曲线，图4(b)为180℃下160％伸长率的应力松弛曲线，图4(c)为180℃下200％伸长率的应力松弛曲线，图4(d)为180℃下300％伸长率的应力松弛曲线)；

图5是根据一示例性实施例示出的一种仿真模型结构示意图(图5(a)为未扩径电缆终端(1/4结构)示意图，图5(b)为电缆终端套接与电缆本体(1/4结构)示意图)；

图6是根据一示例性实施例示出的一种不同工况下电缆终端温度分布图(图6(a)是导体载流量为500A时电缆终端温度分布图，图6(b)是导体温度为90℃时电缆终端温度分布图)；

图7是根据一示例性实施例示出的一种电缆终端安装后形状变化以及应力分布图(图7(a)是应力分布以及形状变化示意图，图7(b)是径向机械应力取值位置示意图)；

图8是根据一示例性实施例示出的不同温度和伸长率下的拟合应力松弛曲线示意图(图8(a)是2#试样的拟合应力松弛曲线示意图，图8(b)是4#试样的拟合应力松弛曲线示意图)；

图9是根据一示例性实施例示出的一种160％伸长率下30年后的松弛特性示意图；

图10是根据一示例性实施例示出的一种300％伸长率下30年后的松弛特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，包括以下步骤：

获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压，所述的初始面压即初始径向机械应力，其允许范围为0.1～0.25MPa之间；

根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，所述的老化后面压的允许界面压力的下限为0.1MPa；

根据时-温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；

根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述电缆附件包括10kV冷缩式户外终端。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述获取电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压，包括：

根据电缆附件的轴对称性，利用Solidworks软件分别建立未扩径的电缆附件和电缆附件套接与电缆本体的1/4三维实体模型；

将模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件中进行仿真计算，获得电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，包括：

化学应力松弛动力学表达式为：

y＝e^-kt   (1)

式中，y为相对应力，k为反应速率常数，k＝A₀e^-E/RT，e为自然对数的底，R为气体常量，A₀为频率因子，E为表观活化能，T为松弛老化温度；

对于高分子材料，升高温度和延长时间具有等效性，即时-温等效原理。在应力松弛过程中，应力松弛模量E随时间的增长而变小，也可以认为lnE与时间成反比；另一方面松弛时间τ越大，高分子链越难以运动，不易变形，甚至其刚性有所提高，故lnE与τ成正比，所以由应力松弛反应动力学方程可推得时-温等效原理方程：

式中，t为时间，T为温度；

利用高温反推室温下应力松弛特性，对化学应力松弛动力学表达式两边同时求对数，令y＝F_t/F₀，得：

ln(F_t/F₀)＝-kt   (3)

对曲线方程(3)进行修正得：

ln(F_t/F₀)＝-kt^θ   (4)

式中，F_t为老化后面压，F₀为初始面压，θ为修正系数；

利用式(4)反推计算长期运行期间的界面机械应力，获得电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命，包括：

基于时-温等效原理，将拟合松弛曲线中老化后面压临近允许界面压力下限值时的时间作为电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述不同温度包括140℃和180℃，所述伸长率包括安装后电缆附件的最大内侧径向伸长率160％，以及存储时预扩张电缆附件最大径向伸长率300％。

如图2所示，本发明实施例提供的一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置，包括：

数据获取模块，用于获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压，所述的初始面压即初始径向机械应力，其允许范围为0.1～0.25MPa之间；

数据计算模块，用于根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，所述的老化后面压的允许界面压力的下限为0.1MPa；

松弛曲线拟合模块，用于根据时-温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；

寿命预测模块，用于根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述电缆附件包括10kV冷缩式户外终端。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据获取模块获取电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压的具体过程为：

根据电缆附件的轴对称性，利用Solidworks软件分别建立未扩径的电缆附件和电缆附件套接与电缆本体的1/4三维实体模型；

将模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件中进行仿真计算，获得电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据计算模块根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压的具体过程为：

化学应力松弛动力学表达式为：

y＝e^-kt   (1)

式中，y为相对应力，k为反应速率常数，k＝A₀e^-E/RT，e为自然对数的底，R为气体常量，A₀为频率因子，E为表观活化能，T为松弛老化温度；

对于高分子材料，升高温度和延长时间具有等效性，即时-温等效原理。在应力松弛过程中，应力松弛模量E随时间的增长而变小，也可以认为lnE与时间成反比；另一方面松弛时间τ越大，高分子链越难以运动，不易变形，甚至其刚性有所提高，故lnE与τ成正比，所以由应力松弛反应动力学方程可推得时-温等效原理方程：

式中，t为时间，T为温度；

利用高温反推室温下应力松弛特性，对化学应力松弛动力学表达式两边同时求对数，令y＝F_t/F₀，得：

ln(F_t/F₀)＝-kt   (3)

对曲线方程(3)进行修正得：

ln(F_t/F₀)＝-kt^θ   (4)

式中，F_t为老化后面压，F₀为初始面压，θ为修正系数；

利用式(4)反推计算长期运行期间的界面机械应力，获得电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述寿命预测模块根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命的具体过程为：

基于时-温等效原理，将拟合松弛曲线中老化后面压临近允许界面压力下限值时的时间作为电缆附件的寿命。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述不同温度包括140℃和180℃，所述伸长率包括安装后电缆附件的最大内侧径向伸长率160％，以及存储时预扩张电缆附件最大径向伸长率300％。

下面对本发明实施例的技术方案进行验证。

1试样制备。

将甲基乙烯基硅橡胶、白炭黑和结构化控制剂等成分按一定比例混合成混炼胶；在温度为135℃、压力为10MPa的平板硫化机上模压12min，制得厚度分别为1mm和5mm的试样若干。各试样的主要成分及质量份数见表1。

表1：各试样的主要成分及质量份数

2拉伸应力松弛试验。

参考标准GB/T 9871-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶老化性能的测定拉伸应力松弛实验》中的C试验方案对试样进行测试。将制备好的哑铃型硅橡胶试样放置到拉力试验机的夹持器上，调节拉力机夹持器的分离速度至50mm/min，拉伸至固定长度后再将试样放松，快速重复应变循环5次，第5次循环时记为初始拉力(F₀)。实验完毕后，将试样从拉力试验机上取下，放入已达到所要求的试验温度的老化箱中，24h后将试样取出，在标准实验室温度下静置(30±5)min，随后将试样安装在拉力机上，再次快速循环拉伸5次，记录下第5次循环拉力(F_t)。在2h之内将取出的试样放回老化箱，间隔24h后，重复上述测量，共测量14天。

3硅橡胶绝缘的拉伸应力松弛特性。

当硅橡胶绝缘长期处于扩张状态时，其内应力会随时间的延长而衰减，即应力松弛现象。10kV电缆终端安装后，内侧径向伸长率范围一般为130％～160％，工厂存储时处于预扩张阶段，径向伸长率范围约为200％～300％。因此选定温度处于140℃和180℃下，伸长率处于130％～300％之间，对硅橡胶绝缘进行拉伸应力松弛试验，所得应力松弛特性如图3和图4所示。

对比图3和图4可知，硅橡胶的伸长率越大，应力松弛现象越明显。试验温度为140℃时，拉伸应力随时间的延长而逐渐减小，交联度越低，下降程度越明显。而试验温度为180℃时，拉伸应力在实验前期有较短时间的上升，随后下降，且交联度越低，上升和下降的变化幅度越高。

通过分析可知，扩张状态下，硅橡胶分子链由蜷曲状态变为拉伸状态，缠结点发生移动。扩张程度越大，缠结点移动距离越远，应力松弛越大。140℃下，硅橡胶逐渐发生断链降解，链段运动的阻力下降，出现应力松弛现象，交联度较低的试样交联网络结构破坏更为严重，链段运动势垒过低，导致应力松弛更加明显。而180℃与硫化温度接近，硅橡胶的老化状态取决于力学降解和结构硅氧化过程的竞争效应。老化前期主要发生结构硅氧化再交联反应，交联度上升，且交联度较低的试样Si-H活性位点空闲，更容易发生交联反应。交联度的增加使分子链的缠结作用加强，拉伸应力上升，并且交联反应程度越大，拉伸应力上升越明显。而老化后期主要发生主链的断裂，交联密度降低，对分子链段松弛的限制作用减弱，导致拉伸应力下降，且交联度较高的试样分子间作用力更强，分子链断裂程度较小，松弛速度较慢。可见，适当提高硅橡胶的交联度，可以增强其耐松弛能力，相比于交联度较小的4^#试样，2^#试样交联结构更加完善，耐松弛能力较强。

4硅橡胶应力松弛对界面机械应力的影响。

化学应力松弛动力学表达式为：

y＝e^-kt   (1)

式中，y为相对应力，k为反应速率常数，k＝A₀e^-E/RT，e为自然对数的底，R为气体常量，A₀为频率因子，E为表观活化能，T为松弛老化温度；

对于高分子材料，升高温度和延长时间具有等效性，即时-温等效原理。在应力松弛过程中，应力松弛模量E随时间的增长而变小，也可以认为lnE与时间成反比；另一方面松弛时间τ越大，高分子链越难以运动，不易变形，甚至其刚性有所提高，故lnE与τ成正比，所以由应力松弛反应动力学方程可推得时-温等效原理方程：

式中，t为时间，T为温度；

利用高温反推室温下应力松弛特性，对化学应力松弛动力学表达式两边同时求对数，令y＝F_t/F₀，得：

ln(F_t/F₀)＝-kt   (3)

对曲线方程(3)进行修正得：

ln(F_t/F₀)＝-kt^θ   (4)

式中，F_t为老化后面压，F₀为初始面压，θ为修正系数(取值范围为0～1)；

利用式(4)反推计算长期运行期间的界面机械应力，获得电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压。

为确定10kV冷缩式户外终端硅橡胶绝缘的运行温度以及套接后的初始面压(初始径向机械应力)，根据电缆终端的轴对称性，利用Solidworks软件分别建立未扩径的电缆终端和电缆终端套接与电缆本体的1/4三维实体模型，如图5所示，图5中，1为导电线芯，2为电缆内半导电层，3为交联聚乙烯绝缘，4为硅橡胶绝缘，5为应力锥，6为电缆外半导电层。并将模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件中进行仿真计算。

由图6(a)可得，对于标称截面积为240mm²的10kV交联聚乙烯电缆而言，当达到额定载流量500A时，界面处硅橡胶绝缘处于60℃左右。根据标准GB/T12706.2-2020，交联聚乙烯电力电缆允许的最高导体温度为90℃，由图6(b)可知，此时界面处硅橡胶最高温度处于80℃附近。

当10kV电缆终端以扩径率160％套接于交联聚乙烯电缆时，其形状变化以及应力分布如图7所示，此时径向机械应力(初始面压)F₀为0.188MPa，处于允许范围0.1～0.25MPa之间。

因此，为推算电缆终端长期高温运行期间的界面压力以及室温工厂存储期间的预扩张还原率，取安装后的最大内侧径向伸长率160％，以及工厂存储时预扩张最大径向伸长率300％，根据式(3)拟合得出2^#试样和4^#试样处于140℃和180℃下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线，如图8所示。求出k值后，反推出伸长率为160％时，60℃和80℃下的松弛特性曲线，如图9所示，计算30年后的界面压力如表2所示，并绘制伸长率为300％时，40℃下的松弛特性曲线，如图10所示。

表2：30年后不同温度下的应力松弛特性

由图8和表2可知，温度越高，硅橡胶绝缘应力松弛越快，面压损失越大。2^#试样由于交联度较高，耐松弛能力较强，面压损失较小，30年后界面压力仍可以保持良好的水平。4^#试样交联度较低，面压损失较快，在80℃下运行时，30年后面压下降至0.1150MPa，临近允许界面压力的下限(0.1MPa)。界面压力不足时，容易发生沿面放电现象，严重时将会造成击穿。因此，选用耐松弛能力较强的硅橡胶绝缘，可确保电缆终端的长期可靠运行。

根据冷缩附件生产要求，预扩张还原率不能小于96％，假设工厂的存储周期为2年。由图9所知，当选用2^#试样做终端绝缘时，2年后预扩张还原率为99.25％，满足要求，而若选用4^#试样做终端绝缘，2年后预扩张还原率只有85.76％，低于存储要求，在实际生产中不宜采用。

5结论。

硅橡胶伸长率越大，温度越高，应力松弛现象越明显，适当提高交联度可以提高耐松弛能力。硅橡胶绝缘应力松弛使电缆终端界面压力下降，利用时-温等效原理对界面压力进行预测，当交联度较低，且长期在80℃下运行时，30年后界面压力将临近允许面压的下限(0.1MPa)，若在工厂存储，2年后的预扩张还原率将低于存储要求。

电缆附件与电缆绝缘间良好的界面压力依赖于硅橡胶绝缘处于高弹态时所表现出来的力学性能，硅橡胶长期扩张下发生应力松弛现象，会使界面压力下降，且温度越高、扩张程度越大，应力松弛越明显，界面压力下降越快。本发明利用时-温等效原理，通过提高实验温度，在较短的时间内反推出硅橡胶处于常温下、较长时间内的应力松弛特性，以预测电缆附件长期运行期间的界面压力，进而推断电缆附件的使用寿命。

本发明对电缆附件寿命进行预测，提前解决了因电缆附件老化导致的电缆故障问题。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压，所述的初始面压即初始径向机械应力，其允许范围为0.1～0.25MPa之间；

根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，所述的老化后面压的允许界面压力的下限为0.1MPa；

根据时-温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；

根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。

2.根据权利要求1所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，其特征在于，所述电缆附件包括10kV冷缩式户外终端。

3.根据权利要求1所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，其特征在于，所述获取电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压，包括：

根据电缆附件的轴对称性，利用Solidworks软件分别建立未扩径的电缆附件和电缆附件套接与电缆本体的1/4三维实体模型；

将模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件中进行仿真计算，获得电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压。

4.根据权利要求1所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，其特征在于，所述根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，包括：

化学应力松弛动力学表达式为：

y＝e^-kt (1)

式中，y为相对应力，k为反应速率常数，k＝A0e^-E/RT，e为自然对数的底，R为气体常量，A₀为频率因子，E为表观活化能，T为松弛老化温度；

由应力松弛反应动力学方程可推得时-温等效原理方程：

式中，t为时间，T为温度；

利用高温反推室温下应力松弛特性，对化学应力松弛动力学表达式两边同时求对数，令y＝F_t/F₀，得：

ln(F_t/F₀)＝-kt (3)

对曲线方程(3)进行修正得：

ln(F_t/F₀)＝-kt^θ (4)

式中，F_t为老化后面压，F₀为初始面压，θ为修正系数；

利用式(4)反推计算长期运行期间的界面机械应力，获得电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，其特征在于，所述根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命，包括：

基于时-温等效原理，将拟合松弛曲线中老化后面压临近允许界面压力下限值时的时间作为电缆附件的寿命。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测方法，其特征在于，所述不同温度包括140℃和180℃，所述伸长率包括安装后电缆附件的最大内侧径向伸长率160％，以及存储时预扩张电缆附件最大径向伸长率300％。

7.一种基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取电缆附件硅橡胶绝缘的运行温度及其初始面压，所述的初始面压即初始径向机械应力，其允许范围为0.1～0.25MPa之间；

数据计算模块，用于根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压，所述的老化后面压的允许界面压力的下限为0.1MPa；

松弛曲线拟合模块，用于根据时-温等效原理拟合不同温度和伸长率下的拉伸应力呈下降趋势的拟合松弛曲线；

寿命预测模块，用于根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命。

8.根据权利要求7所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置，其特征在于，所述数据获取模块获取电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压的具体过程为：

根据电缆附件的轴对称性，利用Solidworks软件分别建立未扩径的电缆附件和电缆附件套接与电缆本体的1/4三维实体模型；

将模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件中进行仿真计算，获得电缆附件硅橡胶绝缘的初始面压。

9.根据权利要求7所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置，其特征在于，所述数据计算模块根据时-温等效原理计算电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压的具体过程为：

化学应力松弛动力学表达式为：

y＝e^-kt (1)

式中，y为相对应力，k为反应速率常数，k＝A₀e^-E/RT，e为自然对数的底，R为气体常量，A₀为频率因子，E为表观活化能，T为松弛老化温度；

由应力松弛反应动力学方程可推得时-温等效原理方程：

式中，t为时间，T为温度；

利用高温反推室温下应力松弛特性，对化学应力松弛动力学表达式两边同时求对数，令y＝F_t/F₀，得：

ln(F_t/F₀)＝-kt        (3)

对曲线方程(3)进行修正得：

ln(F_t/F₀)＝-kt^θ        (4)

式中，F_t为老化后面压，F₀为初始面压，θ为修正系数；

利用式(4)反推计算长期运行期间的界面机械应力，获得电缆附件硅橡胶绝缘的老化后面压。

10.根据权利要求7所述的基于拉伸应力松弛特性的电缆附件寿命预测装置，其特征在于，所述寿命预测模块根据拟合松弛曲线预测电缆附件的寿命的具体过程为：

基于时-温等效原理，将拟合松弛曲线中老化后面压临近允许界面压力下限值时的时间作为电缆附件的寿命。

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