本發(fā)明提出了一種船用電纜絕緣材料老化壽命評估方法，屬于電氣設(shè)備絕緣診斷
技術(shù)領(lǐng)域：
。涉及的專利分類號H01B基本電氣元件。
背景技術(shù)：
：電纜絕緣材料的老化是電纜失效的重要原因。老化使電纜的各種性能變差，最終導(dǎo)致絕緣擊穿或短路。一般情況下，低壓電纜可接近性好、更換工程量小，電纜壽命評估可以使用破壞性方法，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)更換電纜即可解決問題。因此，低壓電纜快速無損的壽命評估方法研究一直沒有得到足夠重視，缺少相關(guān)的技術(shù)資料。在某些特殊場合，如船舶上，由于特殊的使用環(huán)境，如高濕度、高鹽霧、高溫、長期彎曲擠壓等，使電纜和其他一些重要電纜的橡膠絕緣更容易老化，最終導(dǎo)致電纜失效。船用電纜均為低壓電纜(額定電壓工頻交流1kV及以下)，常用的絕緣材料為乙丙橡膠材料，由于缺乏有效無損的電纜壽命評估方法，目前對船用電纜一般都定期更換。船舶主干電纜多為穿過耐壓船體及承壓艙壁的電纜，一般認(rèn)為與船體同壽命，當(dāng)進(jìn)行維修時(shí)，更換電纜是一項(xiàng)工程量巨大且繁重的作業(yè)；沒有充分依據(jù)的更換或必須更換而不實(shí)施，必然造成人力物力的浪費(fèi)，甚至帶來事故隱患?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道表明低壓橡膠絕緣電纜老化的主要原因?yàn)闊崂匣丛谘鯕獯嬖诤褪軣釛l件下，絕緣材料緩慢喪失工作性能的過程。對于橡膠材料熱老化性能的評定或者說安全壽命評定，國際公認(rèn)的方法為加速熱老化試驗(yàn)和熱壽命評定試驗(yàn)，統(tǒng)稱為加速壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)屬于單因子溫度的試驗(yàn)，基本思想是利用高應(yīng)力下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征。其關(guān)鍵在于建立壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，由此可以實(shí)現(xiàn)外推正常應(yīng)力水平下壽命特征的目的。這種壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系就是加速模型，或稱為加速方程。國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC60216和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20028-2005中應(yīng)用阿累尼烏斯方程所進(jìn)行的評估試驗(yàn)是眾所公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)和推算方法。加速熱壽命試驗(yàn)屬于破壞性方法，或者稱為有損的方法。目前的電纜絕緣狀態(tài)檢測方法中，采取的多是離線、破壞性的實(shí)驗(yàn)分析手段，會對電纜的正常工作以及后續(xù)工作壽命造成一定影響，而且實(shí)驗(yàn)周期長，無論是工作效率還是降低成本方面都有待提高。被用來評估電纜絕緣狀態(tài)的傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的檢測需求，需要提出一種能夠保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)滿足可操作性和效率等方面要求的新檢測方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種能夠無損、快速有效的評估低壓橡膠絕緣電纜剩余壽命的方法，達(dá)到評估低壓電纜壽命的目的，具有如下步驟：第一步：在不同老化溫度和老化時(shí)間下對電纜絕緣材料進(jìn)行加速熱老化實(shí)驗(yàn)，快速模擬電纜絕緣材料的老化過程，獲取基于斷裂伸長率的壽命方程，EAB＝-Aexp(t/B)+C(1)并由時(shí)間溫度平移算法求出的活化能推導(dǎo)出壽命外推方程：式中：EAB為斷裂伸長率；t為絕緣材料的加速熱老化時(shí)間，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定；A、B、C為與材料老化有關(guān)的系數(shù)；tT為外推溫度下壽命，即所求未知量；T1為熱老化最低溫度，即120℃；T為外推溫度，即電纜的工作溫度；αT為平移因子；Ea為絕緣材料的活化能；由阿累尼烏斯方程結(jié)合平移因子計(jì)算得到；第二步：在進(jìn)行加速熱老化的溫度和時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，測量電纜絕緣材料的介質(zhì)損耗角正切值，獲取在0.01Hz-1Hz頻率范圍內(nèi)的介質(zhì)損耗角正切值積分值，獲取基于積分值的電纜壽命方程：tanδ＝Dexp(logt/E)+F(3)式中：tanδ為介質(zhì)損耗角正切值0.01Hz-1Hz范圍的積分值，對電纜段試樣進(jìn)行相同熱老化處理后，由瑞典美格公司的絕緣診斷儀器IDAX300測量其介質(zhì)損耗角正切值；t為絕緣材料的加速熱老化時(shí)間；由實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定；D、E、F為與材料老化有關(guān)的系數(shù)；第三步：由斷裂伸長率的壽命方程和介質(zhì)損耗角正切值積分值的壽命方程得出兩者的關(guān)聯(lián)關(guān)系方程：第四步：對于同一種類型電纜，通過現(xiàn)場測量其介質(zhì)損耗角正切值在0.01Hz-1Hz積分值，由關(guān)聯(lián)關(guān)系方程得到相對應(yīng)的斷裂伸長率值，進(jìn)而由斷裂伸長率的壽命外推方程對電纜壽命進(jìn)行評估。優(yōu)選的，在第一步中，選取120℃、135℃、150℃和165℃為電纜絕緣材料的加速老化溫度；每一個(gè)加速老化溫度下的試驗(yàn)周期一般采用等差級數(shù)，最后一個(gè)取樣時(shí)間應(yīng)接近壽命終止指標(biāo)。優(yōu)選的，第二步中將所得不同溫度、不同老化時(shí)間下所得斷裂伸長率和介質(zhì)損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz積分值平移到最低老化溫度，并對平移后的斷裂伸長率數(shù)值進(jìn)行曲線擬合，得到基于斷裂伸長率電纜壽命方程(2)和介質(zhì)損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz積分值的電纜壽命方程(3)；其中，將165℃、150℃和135℃下的特征值平移到120℃的過程中所對應(yīng)的比例值稱為平移因子。優(yōu)選的，在第一步中，由平移因子結(jié)合阿倫尼烏斯方程推導(dǎo)出電纜的活化能，進(jìn)而求出電纜壽命方程的具體步驟如下：由Arrhenius方程可知，反應(yīng)的速率k與exp(-Ea/RT)成正比，即：式中：k為反應(yīng)速率；A為指前因子；Ea為活化能，kJ/mol；R為氣體摩爾常數(shù)，8.314J/mol﹒k；T為絕對溫度，K。反應(yīng)時(shí)間t與k成反比，而αT與t成反比，故對于不同時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)移因子αT1、αT2假設(shè)αT2＝1，T2＝393K，代入式(6)并取對數(shù)可得：對lnαT與1/393-1/T做圖，得到斜率為Ea/R，從而得到活化能數(shù)值；將計(jì)算得到的活化能數(shù)值帶入式(7)可得：即為壽命預(yù)測方程。優(yōu)選的，斷裂伸長率EAB通過加速熱老化實(shí)驗(yàn)得到：選用船用現(xiàn)役乙丙橡膠絕緣電纜作為實(shí)驗(yàn)材料，制作啞鈴試樣；實(shí)驗(yàn)的過程嚴(yán)格遵循GB/T2951.11-2008和GB/T2951.12-2008里面的規(guī)定來操作，首先把試樣削去凸脊或磨平，使其厚度滿足規(guī)定要求；用游標(biāo)卡尺測出每一個(gè)試樣的寬度和厚度，剔除不符合實(shí)驗(yàn)要求的試樣；樣段垂直懸掛在老化烘箱的中部，樣段之間的距離設(shè)置為50mm，樣段所占烘箱的容積應(yīng)不大于2％；每一組老化試樣在達(dá)到規(guī)定的老化時(shí)間后取出需要置于23±5℃的溫度下至少16h，避免陽光直接照射；然后用電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)，取得電纜的斷裂伸長率數(shù)據(jù)。優(yōu)選的，材料老化有關(guān)的系數(shù)A、B、C通過數(shù)學(xué)擬合得到：將各溫度組下不同老化時(shí)間對應(yīng)的斷裂伸長率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入軟件originpro，選擇一階衰減指數(shù)函數(shù)數(shù)學(xué)模型，所選指數(shù)數(shù)學(xué)模型具體形式如下：EAB＝-Aexp(t/B)+C(1)將各溫度組下斷裂伸長率數(shù)據(jù)根據(jù)平移因子平移到基準(zhǔn)溫度，選取所有數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)選定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)非線性自動擬合，擬合系數(shù)越接近于1，說明擬合度越高，其準(zhǔn)確性也越高。優(yōu)選的，材料老化有關(guān)的系數(shù)D、E、F通過數(shù)學(xué)擬合得到：將各老化溫度組下不同老化時(shí)間測得的介質(zhì)損耗角正切值經(jīng)過積分計(jì)算后輸入軟件originpro，選擇一階衰減指數(shù)數(shù)學(xué)模型，所選指數(shù)數(shù)學(xué)模型具體形式如下：tanδ＝Dexp(logt/E)+F(3)將各溫度下的介質(zhì)損耗角正切值積分計(jì)算結(jié)果根據(jù)平移因子平移到基準(zhǔn)溫度，選取所有數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)選定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)非線性自動擬合，擬合系數(shù)越接近于1，說明擬合度越高，其準(zhǔn)確性也越高。優(yōu)選的，平移因子αT通過以下方法得到：為了消除測量溫度的影響，利用時(shí)-溫平移法將高溫加速老化下的數(shù)據(jù)外推至較低溫度，構(gòu)建不同溫度下的斷裂伸長率主曲線，進(jìn)而外推至實(shí)際工作溫度下材料斷裂伸長率與壽命的變化規(guī)律；將高溫下的數(shù)據(jù)水平方向移動，各試驗(yàn)溫度Ti下的平移因子αTi為：式中，trefi為Ti平移至基準(zhǔn)溫度后對應(yīng)的老化時(shí)間，tTi為Ti平移前的老化時(shí)間；各溫度組移至基準(zhǔn)溫度的平移因子為待優(yōu)化參數(shù)，為了能更精確的對曲線進(jìn)行擬合，建立曲線的非線性歸化方程，將每個(gè)老化溫度下的數(shù)據(jù)向基準(zhǔn)溫度平移，通過比較平移后的擬合度來選取最佳值；最優(yōu)擬合度為：其中：式中，αT1＝1，αTi>1(i＝2,…,m＝4)；i為每個(gè)溫度組的順序號；j＝1,….ni為第i組內(nèi)的順序號；Eij為各組下對應(yīng)的斷裂伸長率，tij為各組下的老化時(shí)間；按照以上步驟，對熱老化試驗(yàn)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主曲線構(gòu)造和擬合，選擇最低老化溫度為基準(zhǔn)溫度。有益效果：采用本發(fā)明后，在對電纜絕緣狀態(tài)和壽命進(jìn)行評估過程中，因斷裂伸長率為破壞性實(shí)驗(yàn)，且不和現(xiàn)場直接測量得到，而介質(zhì)損耗角正切值曲線為無損、現(xiàn)場可直接測量。因此，在現(xiàn)場分析中可以依據(jù)測量得到的介質(zhì)損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz的積分值，利用式(4)和式(2)的壽命方程，即可對電纜的絕緣狀態(tài)和壽命進(jìn)行判斷。附圖說明圖1斷裂伸長率擬合曲線。圖2曲線積分值擬合曲線。具體實(shí)施方式一、本發(fā)明的原理對電纜絕緣材料樣品進(jìn)行加速熱老化實(shí)驗(yàn)，快速模擬電纜絕緣材料的老化過程，獲取不同老化時(shí)間和老化溫度下的斷裂伸長率值，由時(shí)間‐溫度平移算法對曲線進(jìn)行平移，并由平移因子求出活化能。以目前國際公認(rèn)的斷裂伸長率降低到初始值的50％作為壽命終止指標(biāo)，獲取基于斷裂伸長率的電纜壽命方程。平移曲線的方程應(yīng)該具有以下形式：EAB＝-Aexp(t/B)+C(1)壽命外推方程應(yīng)該具有以下形式：式中：EAB為斷裂伸長率，t為絕緣材料的加速熱老化時(shí)間；A、B、C為與材料老化有關(guān)的系數(shù)，tT為外推溫度下壽命，T1為熱老化最低溫度，T為外推溫度，αT為平移因子，Ea為絕緣材料的活化能。在相同的老化溫度和老化時(shí)間下對電纜段絕緣材料進(jìn)行加速熱老化，并測量不同老化溫度和老化時(shí)間下絕緣材料的介質(zhì)損耗角正切值曲線。選取每個(gè)溫度點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)下測量得到的介質(zhì)損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz的頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲取基于電纜絕緣材料介質(zhì)損耗角正切值在0.01Hz-1Hz的頻率范圍內(nèi)積分值的電纜壽命方程，該方程應(yīng)具有以下形式：tanδ＝Dexp(logt/E)+F(3)式中：tanδ為介質(zhì)損耗角正切值0.01Hz-1Hz范圍的積分值，t為絕緣材料的加速熱老化時(shí)間；D、E、F為與材料老化有關(guān)的系數(shù)。對同一種規(guī)格型號的電纜的絕緣材料，利用式(1)和式(3)消除時(shí)間t，推導(dǎo)出0.01Hz-1Hz介質(zhì)損耗角正切值積分值與斷裂伸長率的數(shù)學(xué)關(guān)系，即：本發(fā)明在獲得電纜壽命方程的過程中遵循以下原則：(1)實(shí)驗(yàn)過程中依據(jù)根據(jù)美國火力電站電纜試驗(yàn)規(guī)范與IEC60216標(biāo)準(zhǔn)，選取120℃、135℃、150℃和165℃為電纜絕緣材料的加速老化溫度。每一個(gè)加速老化溫度下的試驗(yàn)周期一般采用等差級數(shù)，最后一個(gè)取樣時(shí)間應(yīng)接近壽命終止指標(biāo)。(2)將所得不同溫度、不同老化時(shí)間下所得斷裂伸長率和介質(zhì)損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz積分值平移到最低老化溫度(120℃)，并對平移后的斷裂伸長率數(shù)值進(jìn)行曲線擬合，得到基于斷裂伸長率電纜壽命方程(2)和介質(zhì)損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz積分值的電纜壽命方程(3)。其中，將165℃、150℃和135℃下的硬度保留率值平移到120℃的過程中所對應(yīng)的比例值稱為平移因子。(3)由平移因子結(jié)合阿倫尼烏斯方程推導(dǎo)出電纜的活化能，進(jìn)而求出電纜壽命方程。二、實(shí)施例(1)根據(jù)美國火力電站電纜試驗(yàn)規(guī)范與IEC60216標(biāo)準(zhǔn)，135℃為老化必選溫度，其余等級差為15℃，且取4個(gè)老化溫度為最佳，選取120℃、135℃、150℃和165℃作為試驗(yàn)電纜絕緣材料的老化溫度。將老化后的試樣置于真空袋中放置16h后測試其斷裂伸長率，每個(gè)溫度點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)下測量5個(gè)試樣值。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，取平均值作為實(shí)際測量值。測試數(shù)據(jù)如表1所示。表1斷裂伸長率測試數(shù)據(jù)溫度(℃)老化時(shí)間t(h)EAB(％)溫度(℃)老化時(shí)間t(h)EAB(％)16524605.1815048609.6216548546.3615096603.5416572489.45150144523.6416596423.19150192481.19165120337.65150240367.25165144262.58150288300.21165168157.25150336281.54165192108.54150384242.3616521697.89150432171.2413596627.84120120647.57135144616.32120192627.24135192588.21120264615.32135240541.24120336588.69135360525.64120456575.36135456497.68120648525.25135648427.31120868465.21135744338.971201108393.68135984293.611201348227.21(2)對熱老化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用時(shí)溫平移法將高溫下數(shù)據(jù)平移到120℃，并進(jìn)行曲線擬合，可以得到如圖1所示曲線，其中將165℃、150℃和135℃下的斷裂伸長率平移到120℃的過程中所對應(yīng)的平移因子αT＝(12.995.11.61)。斷裂伸長率在老化溫度為120℃隨老化時(shí)間變化的擬合曲線的電纜壽命方程為：EAB＝-48.107et/644.15+673.482(5)其中EAB為電纜絕緣材料在120℃下斷裂伸長率，t為加速熱老化時(shí)間(h)。(3)結(jié)合Arrhenius方程：可得對于不同時(shí)間點(diǎn)平移因子αT1、αT2可得：本發(fā)明將曲線轉(zhuǎn)移到最低溫120℃，T2為絕對溫度值，固T2＝120+273℃＝393℃，平移因子αT2＝1，可以得到：對lnαT與1/408-1/T做圖可得曲線的斜率為1.2512×10-4，求得活化能為104.03kJ/mol。(4)可得基于斷裂伸長率的電纜壽命外推方程為：其中t為待測溫度下電纜壽命(h)，T為電纜實(shí)際運(yùn)行溫度(K)。(5)對電纜段試樣在同樣老化溫度和老化時(shí)間下加速熱老化，測量其介質(zhì)損耗角正切值曲線，選取每個(gè)溫度點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)下測量得到的介質(zhì)損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz的頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算，結(jié)果如表2所示：表20.01Hz-1Hz范圍內(nèi)tanδ積分值(6)對熱老化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用時(shí)溫平移法將高溫下66數(shù)據(jù)平移到120℃，并進(jìn)行曲線擬合，可以得到如圖2所示曲線，其中將165℃、150℃和135℃下的積分值平移到120℃的過程中所對應(yīng)的平移因子αT＝(10.64.11.31)。介質(zhì)損耗角正切值積分值在老化溫度為120℃隨老化時(shí)間變化的擬合曲線的老化方程為：(7)根據(jù)式(5)和式(9)可建立起介質(zhì)損耗角正切值0.01Hz-1Hz范圍內(nèi)積分值與斷裂伸長率之間的聯(lián)系：(8)實(shí)驗(yàn)首先選取相同規(guī)格的未老化電纜段試樣進(jìn)行介質(zhì)損耗角正切值測量，其在0.01Hz-1Hz頻率區(qū)間的測量的介質(zhì)損耗角正切值如表3所示：表3現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)取樣頻率f(Hz)介質(zhì)損耗角正切值0.010.014330.0220.010170.0460.0082480.10.0067150.220.00560730.460.00473110.003518得到其在0.01Hz-1Hz的積分值為0.004981，代入公式(11)得到對應(yīng)的斷裂伸長率為618.1613％。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用船用乙丙橡膠電纜長期工作的溫度范圍，由電纜壽命預(yù)測方程(9)得到電纜在不同工作溫度下的剩余使用壽命如表4。表4不同溫度下電纜段試樣的壽命得到電纜依據(jù)介質(zhì)損耗角正切值積分值計(jì)算的剩余工作壽命結(jié)論后，本專利用斷裂伸長率測試的結(jié)果對上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，啞鈴試樣初始值為658.04％，依據(jù)斷裂伸長率計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，由電纜壽命預(yù)測方程(9)可推算得到不同工作溫度下電纜的剩余使用壽命如表5所示。表5不同溫度下電纜啞鈴試樣的壽命比較表4和表5可以看出，兩種評估方法得出的電纜在不同工作溫度的剩余工作壽命結(jié)論相近，本發(fā)明的方法是有效的。本發(fā)明針對船用電纜絕緣材料，結(jié)合加速熱壽命試驗(yàn)，以斷裂伸長率壽命特征為依據(jù)，給出介質(zhì)損耗角正切值積分值特征與橡膠材料老化程度之間關(guān)聯(lián)規(guī)律，建立基于介質(zhì)損耗角正切值的壽命方程，實(shí)現(xiàn)快速無損船用電纜壽命評估。本發(fā)明方法區(qū)別于現(xiàn)有方法之處在于采用介質(zhì)損耗角正切值積分值作為其絕緣材料的壽命特征，是一種新的、快速無損的低壓電纜壽命評估方法，既可以對電纜的絕緣技術(shù)狀態(tài)給出評估結(jié)論，又能夠?qū)﹄娎|的剩余壽命進(jìn)行推斷。當(dāng)前第1頁1 2 3