船用電纜絕緣材料老化壽命評估方法與流程
2023-11-07 07:34:42 1
本發明提出了一種船用電纜絕緣材料老化壽命評估方法，屬於電氣設備絕緣診斷
技術領域：
。涉及的專利分類號H01B基本電氣元件。
背景技術：
：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，發現問題後及時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，缺少相關的技術資料。在某些特殊場合，如船舶上，由於特殊的使用環境，如高溼度、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，由於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。船舶主幹電纜多為穿過耐壓船體及承壓艙壁的電纜，一般認為與船體同壽命，當進行維修時，更換電纜是一項工程量巨大且繁重的作業；沒有充分依據的更換或必須更換而不實施，必然造成人力物力的浪費，甚至帶來事故隱患。現有的文獻報導表明低壓橡膠絕緣電纜老化的主要原因為熱老化，即在氧氣存在和受熱條件下，絕緣材料緩慢喪失工作性能的過程。對於橡膠材料熱老化性能的評定或者說安全壽命評定，國際公認的方法為加速熱老化試驗和熱壽命評定試驗，統稱為加速壽命試驗。加速壽命試驗屬於單因子溫度的試驗，基本思想是利用高應力下的壽命特徵去外推正常應力水平下的壽命特徵。其關鍵在於建立壽命特徵與應力水平之間的關係，由此可以實現外推正常應力水平下壽命特徵的目的。這種壽命特徵與應力水平之間的關係就是加速模型，或稱為加速方程。國際電工委員會標準IEC60216和中國國家標準GB/T20028-2005中應用阿累尼烏斯方程所進行的評估試驗是眾所公認的實驗和推算方法。加速熱壽命試驗屬於破壞性方法，或者稱為有損的方法。目前的電纜絕緣狀態檢測方法中，採取的多是離線、破壞性的實驗分析手段，會對電纜的正常工作以及後續工作壽命造成一定影響，而且實驗周期長，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的傳統方法已經無法滿足現在的檢測需求，需要提出一種能夠保證檢測結果的準確性，同時滿足可操作性和效率等方面要求的新檢測方法。技術實現要素：本發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餘壽命的方法，達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間下對電纜絕緣材料進行加速熱老化實驗，快速模擬電纜絕緣材料的老化過程，獲取基於斷裂伸長率的壽命方程，EAB＝-Aexp(t/B)+C(1)並由時間溫度平移算法求出的活化能推導出壽命外推方程：式中：EAB為斷裂伸長率；t為絕緣材料的加速熱老化時間，由實驗標準確定；A、B、C為與材料老化有關的係數；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合平移因子計算得到；第二步：在進行加速熱老化的溫度和時間節點內，測量電纜絕緣材料的介質損耗角正切值，獲取在0.01Hz-1Hz頻率範圍內的介質損耗角正切值積分值，獲取基於積分值的電纜壽命方程：tanδ＝Dexp(logt/E)+F(3)式中：tanδ為介質損耗角正切值0.01Hz-1Hz範圍的積分值，對電纜段試樣進行相同熱老化處理後，由瑞典美格公司的絕緣診斷儀器IDAX300測量其介質損耗角正切值；t為絕緣材料的加速熱老化時間；由實驗標準確定；D、E、F為與材料老化有關的係數；第三步：由斷裂伸長率的壽命方程和介質損耗角正切值積分值的壽命方程得出兩者的關聯關係方程：第四步：對於同一種類型電纜，通過現場測量其介質損耗角正切值在0.01Hz-1Hz積分值，由關聯關係方程得到相對應的斷裂伸長率值，進而由斷裂伸長率的壽命外推方程對電纜壽命進行評估。優選的，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；每一個加速老化溫度下的試驗周期一般採用等差級數，最後一個取樣時間應接近壽命終止指標。優選的，第二步中將所得不同溫度、不同老化時間下所得斷裂伸長率和介質損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz積分值平移到最低老化溫度，並對平移後的斷裂伸長率數值進行曲線擬合，得到基於斷裂伸長率電纜壽命方程(2)和介質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℃下的特徵值平移到120℃的過程中所對應的比例值稱為平移因子。優選的，在第一步中，由平移因子結合阿倫尼烏斯方程推導出電纜的活化能，進而求出電纜壽命方程的具體步驟如下：由Arrhenius方程可知，反應的速率k與exp(-Ea/RT)成正比，即：式中：k為反應速率；A為指前因子；Ea為活化能，kJ/mol；R為氣體摩爾常數，8.314J/mol﹒k；T為絕對溫度，K。反應時間t與k成反比，而αT與t成反比，故對於不同時間點轉移因子αT1、αT2假設αT2＝1，T2＝393K，代入式(6)並取對數可得：對lnαT與1/393-1/T做圖，得到斜率為Ea/R，從而得到活化能數值；將計算得到的活化能數值帶入式(7)可得：即為壽命預測方程。優選的，斷裂伸長率EAB通過加速熱老化實驗得到：選用船用現役乙丙橡膠絕緣電纜作為實驗材料，製作啞鈴試樣；實驗的過程嚴格遵循GB/T2951.11-2008和GB/T2951.12-2008裡面的規定來操作，首先把試樣削去凸脊或磨平，使其厚度滿足規定要求；用遊標卡尺測出每一個試樣的寬度和厚度，剔除不符合實驗要求的試樣；樣段垂直懸掛在老化烘箱的中部，樣段之間的距離設置為50mm，樣段所佔烘箱的容積應不大於2％；每一組老化試樣在達到規定的老化時間後取出需要置於23±5℃的溫度下至少16h，避免陽光直接照射；然後用電子拉力試驗機進行機械拉伸實驗，取得電纜的斷裂伸長率數據。優選的，材料老化有關的係數A、B、C通過數學擬合得到：將各溫度組下不同老化時間對應的斷裂伸長率實驗數據輸入軟體originpro，選擇一階衰減指數函數數學模型，所選指數數學模型具體形式如下：EAB＝-Aexp(t/B)+C(1)將各溫度組下斷裂伸長率數據根據平移因子平移到基準溫度，選取所有數據點根據選定的數學模型進行計算機非線性自動擬合，擬合係數越接近於1，說明擬合度越高，其準確性也越高。優選的，材料老化有關的係數D、E、F通過數學擬合得到：將各老化溫度組下不同老化時間測得的介質損耗角正切值經過積分計算後輸入軟體originpro，選擇一階衰減指數數學模型，所選指數數學模型具體形式如下：tanδ＝Dexp(logt/E)+F(3)將各溫度下的介質損耗角正切值積分計算結果根據平移因子平移到基準溫度，選取所有數據點根據選定的數學模型進行計算機非線性自動擬合，擬合係數越接近於1，說明擬合度越高，其準確性也越高。優選的，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-溫平移法將高溫加速老化下的數據外推至較低溫度，構建不同溫度下的斷裂伸長率主曲線，進而外推至實際工作溫度下材料斷裂伸長率與壽命的變化規律；將高溫下的數據水平方向移動，各試驗溫度Ti下的平移因子αTi為：式中，trefi為Ti平移至基準溫度後對應的老化時間，tTi為Ti平移前的老化時間；各溫度組移至基準溫度的平移因子為待優化參數，為了能更精確的對曲線進行擬合，建立曲線的非線性歸化方程，將每個老化溫度下的數據向基準溫度平移，通過比較平移後的擬合度來選取最佳值；最優擬合度為：其中：式中，αT1＝1，αTi>1(i＝2,…,m＝4)；i為每個溫度組的順序號；j＝1,….ni為第i組內的順序號；Eij為各組下對應的斷裂伸長率，tij為各組下的老化時間；按照以上步驟，對熱老化試驗所得試驗數據進行主曲線構造和擬合，選擇最低老化溫度為基準溫度。有益效果：採用本發明後，在對電纜絕緣狀態和壽命進行評估過程中，因斷裂伸長率為破壞性實驗，且不和現場直接測量得到，而介質損耗角正切值曲線為無損、現場可直接測量。因此，在現場分析中可以依據測量得到的介質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和壽命進行判斷。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。具體實施方式一、本發明的原理對電纜絕緣材料樣品進行加速熱老化實驗，快速模擬電纜絕緣材料的老化過程，獲取不同老化時間和老化溫度下的斷裂伸長率值，由時間‐溫度平移算法對曲線進行平移，並由平移因子求出活化能。以目前國際公認的斷裂伸長率降低到初始值的50％作為壽命終止指標，獲取基於斷裂伸長率的電纜壽命方程。平移曲線的方程應該具有以下形式：EAB＝-Aexp(t/B)+C(1)壽命外推方程應該具有以下形式：式中：EAB為斷裂伸長率，t為絕緣材料的加速熱老化時間；A、B、C為與材料老化有關的係數，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間下對電纜段絕緣材料進行加速熱老化，並測量不同老化溫度和老化時間下絕緣材料的介質損耗角正切值曲線。選取每個溫度點和時間點下測量得到的介質損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz的頻率範圍內的數據進行積分運算，獲取基於電纜絕緣材料介質損耗角正切值在0.01Hz-1Hz的頻率範圍內積分值的電纜壽命方程，該方程應具有以下形式：tanδ＝Dexp(logt/E)+F(3)式中：tanδ為介質損耗角正切值0.01Hz-1Hz範圍的積分值，t為絕緣材料的加速熱老化時間；D、E、F為與材料老化有關的係數。對同一種規格型號的電纜的絕緣材料，利用式(1)和式(3)消除時間t，推導出0.01Hz-1Hz介質損耗角正切值積分值與斷裂伸長率的數學關係，即：本發明在獲得電纜壽命方程的過程中遵循以下原則：(1)實驗過程中依據根據美國火力電站電纜試驗規範與IEC60216標準，選取120℃、135℃、150℃和165℃為電纜絕緣材料的加速老化溫度。每一個加速老化溫度下的試驗周期一般採用等差級數，最後一個取樣時間應接近壽命終止指標。(2)將所得不同溫度、不同老化時間下所得斷裂伸長率和介質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℃)，並對平移後的斷裂伸長率數值進行曲線擬合，得到基於斷裂伸長率電纜壽命方程(2)和介質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℃的過程中所對應的比例值稱為平移因子。(3)由平移因子結合阿倫尼烏斯方程推導出電纜的活化能，進而求出電纜壽命方程。二、實施例(1)根據美國火力電站電纜試驗規範與IEC60216標準，135℃為老化必選溫度，其餘等級差為15℃，且取4個老化溫度為最佳，選取120℃、135℃、150℃和165℃作為試驗電纜絕緣材料的老化溫度。將老化後的試樣置於真空袋中放置16h後測試其斷裂伸長率，每個溫度點和時間點下測量5個試樣值。為了提高數據的準確性，在對數據進行處理時，取平均值作為實際測量值。測試數據如表1所示。表1斷裂伸長率測試數據溫度(℃)老化時間t(h)EAB(％)溫度(℃)老化時間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)對熱老化的試驗數據利用時溫平移法將高溫下數據平移到120℃，並進行曲線擬合，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為加速熱老化時間(h)。(3)結合Arrhenius方程：可得對於不同時間點平移因子αT1、αT2可得：本發明將曲線轉移到最低溫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)可得基於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為電纜實際運行溫度(K)。(5)對電纜段試樣在同樣老化溫度和老化時間下加速熱老化，測量其介質損耗角正切值曲線，選取每個溫度點和時間點下測量得到的介質損耗角正切值曲線在0.01Hz-1Hz的頻率範圍內的數據進行積分運算，結果如表2所示：表20.01Hz-1Hz範圍內tanδ積分值(6)對熱老化的試驗數據利用時溫平移法將高溫下66數據平移到120℃，並進行曲線擬合，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℃的過程中所對應的平移因子αT＝(10.64.11.31)。介質損耗角正切值積分值在老化溫度為120℃隨老化時間變化的擬合曲線的老化方程為：(7)根據式(5)和式(9)可建立起介質損耗角正切值0.01Hz-1Hz範圍內積分值與斷裂伸長率之間的聯繫：(8)實驗首先選取相同規格的未老化電纜段試樣進行介質損耗角正切值測量，其在0.01Hz-1Hz頻率區間的測量的介質損耗角正切值如表3所示：表3現場測量數據取樣頻率f(Hz)介質損耗角正切值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)得到對應的斷裂伸長率為618.1613％。根據實驗所用船用乙丙橡膠電纜長期工作的溫度範圍，由電纜壽命預測方程(9)得到電纜在不同工作溫度下的剩餘使用壽命如表4。表4不同溫度下電纜段試樣的壽命得到電纜依據介質損耗角正切值積分值計算的剩餘工作壽命結論後，本專利用斷裂伸長率測試的結果對上述結論進行驗證，啞鈴試樣初始值為658.04％，依據斷裂伸長率計算標準，由電纜壽命預測方程(9)可推算得到不同工作溫度下電纜的剩餘使用壽命如表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餘工作壽命結論相近，本發明的方法是有效的。本發明針對船用電纜絕緣材料，結合加速熱壽命試驗，以斷裂伸長率壽命特徵為依據，給出介質損耗角正切值積分值特徵與橡膠材料老化程度之間關聯規律，建立基於介質損耗角正切值的壽命方程，實現快速無損船用電纜壽命評估。本發明方法區別於現有方法之處在於採用介質損耗角正切值積分值作為其絕緣材料的壽命特徵，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狀態給出評估結論，又能夠對電纜的剩餘壽命進行推斷。當前第1頁1 2 3