本發(fā)明涉及交聯(lián)聚乙烯電纜剩余壽命評(píng)價(jià)領(lǐng)域，具體是一種基于逐級(jí)升壓電老化和加速熱老化實(shí)驗(yàn)的老化評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

電纜由于施工不規(guī)范、以及天氣與人為原因，造成電纜運(yùn)行環(huán)境惡化，例如，電纜的堆積、積水、淤泥、垃圾的填充等。研究表明電纜隧道內(nèi)運(yùn)行環(huán)境的變化，會(huì)導(dǎo)致電纜的溫度升高，電纜的老化程度加劇。除了影響電纜自身的壽命之外，還會(huì)引起對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。由于電纜運(yùn)行環(huán)境遭到破壞以及電纜的重疊，使得很多電纜的散熱通道得到破壞，從而電纜在運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生局部過熱等故障，包括：局部過熱、絕緣受潮與老化以及不規(guī)范施工導(dǎo)致的機(jī)械損傷。

由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，很多城市的地下電纜為了確保電纜的安全運(yùn)行，都在低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，電纜的利用效率低，運(yùn)行成本高。特別是處于經(jīng)濟(jì)性以及供電可靠性的考慮，國家電網(wǎng)已經(jīng)開始進(jìn)行資產(chǎn)全壽命評(píng)估。因此在保證電纜的安全運(yùn)行的前提下，提高電纜的運(yùn)行效率與利用率，降低電纜的運(yùn)行成本是電力公司目前亟需解決的問題。

但是由于交聯(lián)聚乙烯電纜鋪設(shè)以及運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到電、熱以及環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致其老化，目前主要從宏觀角度，根據(jù)交聯(lián)聚乙烯某一種性能的變化來評(píng)估其運(yùn)行狀態(tài)以及使用壽命，不能全面考慮其老化因素帶來的影響，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況有一定的差異。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種考慮電、熱聯(lián)合老化因素的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜剩余壽命評(píng)估方法，使電纜壽命評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確，為確定電纜最佳檢修時(shí)機(jī)與更換策略提供支持，對(duì)提高電纜的利用率，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及可靠供電具有積極的意義。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種電熱聯(lián)合老化的交聯(lián)聚乙烯電纜剩余壽命評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：

（1）利用差示掃描量熱法測(cè)量待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜在不同升溫速率β下的功率差與溫度的關(guān)系曲線，所述曲線尖峰時(shí)的溫度為T_max，根據(jù)以下公式確定反應(yīng)活化能Ea；

式中，R為氣體常數(shù)。

（2）對(duì)待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行工頻逐級(jí)升壓老化試驗(yàn)，其中試驗(yàn)時(shí)將待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜分為兩組，分別進(jìn)行逐級(jí)升壓擊穿試驗(yàn)，測(cè)量電纜壽命指數(shù)n，，式中，和分別為兩組試驗(yàn)的電壓施加級(jí)數(shù)，和分別為兩組試驗(yàn)中每級(jí)加壓時(shí)間，q為電壓增加比例。

（3）利用電纜剩余壽命評(píng)估公式，得到對(duì)應(yīng)電纜壽命曲面，結(jié)合電纜實(shí)際運(yùn)行工況下的溫度T和電壓U，計(jì)算得出待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜的剩余壽命，評(píng)估公式中，表示和時(shí)電纜的壽命，b=0.401×Ea/R表示與活化能Ea有關(guān)的常數(shù)，，表示熱老化相對(duì)溫度，表示電纜絕緣失效臨界電壓，N表示電熱聯(lián)合老化修正參數(shù)，，表示在溫度T和電壓U下電纜壽命L。

在上述步驟工頻逐級(jí)升壓老化試驗(yàn)中，對(duì)兩組待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜，分別進(jìn)行逐級(jí)升壓擊穿試驗(yàn)，兩組電壓都按同一比例q增加，直至擊穿為止，測(cè)得電纜絕緣失效臨界電壓U₀。

在進(jìn)行具體試驗(yàn)時(shí)，對(duì)步驟（1）中需對(duì)所述待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜去掉護(hù)套，切成若干段20厘米長的短電纜，再進(jìn)行試驗(yàn)。

本發(fā)明通過核磁共振分析儀測(cè)試比較交聯(lián)聚乙烯電纜在不同老化程度下的分子結(jié)構(gòu)，得到絕緣材料老化程度與溫度及時(shí)間之間的比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜的老化狀態(tài)與剩余壽命?？朔鶕?jù)某一宏觀參數(shù)來評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜老化程度存在的不足，提供一種根據(jù)絕緣材料的微觀分子結(jié)構(gòu)評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜老化程度的方法。進(jìn)而確定電纜最佳檢修時(shí)機(jī)與更換策略，減少不必要的試驗(yàn)，對(duì)提高電纜的利用率，節(jié)約電力部門運(yùn)行成本，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及可靠供電具有積極的意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的處理流程圖；

圖2功率差與溫度的關(guān)系曲線圖；

圖3為是通過逐級(jí)升壓老化試驗(yàn)與熱老化試驗(yàn)測(cè)得參數(shù)計(jì)算得到的某8.7/l0KV XLPE絕緣電纜在綜合應(yīng)力下的一個(gè)壽命曲面；

圖4電熱聯(lián)合老化對(duì)電纜壽命的影響圖；圖中a）所示為不同場強(qiáng)時(shí)，電纜壽命隨溫度變化的曲線，從左到右的曲線分別為2.2E0、2.0E0、1.8E0、1.6E0、1.4E0、1.2E0，E0；圖b）所示為不同溫度時(shí)，電纜壽命隨場強(qiáng)變化的曲線，從左到右的曲線分別為90℃、80℃、65℃、55℃、45℃、35℃、25℃。

具體實(shí)施方式

參見圖1的流程，本方法包括以下步驟：1）對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料進(jìn)行差示掃描量熱實(shí)驗(yàn)測(cè)量活化能因子Ea。

取待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜，去掉護(hù)套，切成若干段短電纜，每段短電纜長20厘米，按照國標(biāo)GB/T 13464—92《物質(zhì)熱穩(wěn)定性的熱分析方法》，利用瑞士Mattle TA 4000系統(tǒng)、DSC25-TC15 及相關(guān)軟件組成差分掃描量熱系統(tǒng)，利用差示掃描量熱法(DSC)對(duì)試樣進(jìn)行分析。

在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中，由反應(yīng)速率方程及Arrhenius方程，可知高分子材料的熱老化方程為：

（1）

式中：分別表示材料的壽命(h)和老化溫度(K)；是與規(guī)定失效性能相關(guān)的常數(shù)；b=0.401×Ea/R是與活化能Ea有關(guān)的常數(shù)，R是氣體常數(shù)()。

DSC是通過程序控制溫度的變化，在溫度變化的同時(shí)，測(cè)量電纜試樣和參照物的功率差(熱流率)與溫度的關(guān)系曲線，如圖2所示，dH/dt 為熱流率，為。利用DSC法，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，可以得到

（2）

其中：為曲線尖峰時(shí)的溫度，為絕對(duì)溫度(K)；β為升溫速率(℃/min)；Ea為反應(yīng)活化能；R為氣體常數(shù)；C為常數(shù)。

因此，和為線性關(guān)系，其斜率為-Ea/R，從而可采用在不同升溫速率β下，測(cè)得功率差(熱流率)與溫度的關(guān)系曲線尖峰時(shí)的溫度T_max，便能確定反應(yīng)活化能Ea。在本實(shí)施例中β分別取為5，10，15，20 ℃/min，算出活化能Ea值

（3）

2）對(duì)待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行工頻逐級(jí)升壓老化試驗(yàn)測(cè)量

根據(jù)局部放電等因素對(duì)絕緣引起的電老化所得交聯(lián)聚乙烯電纜的壽命方程為：

（4）

式中，U是電纜所施加的電壓、n為電纜的壽命指數(shù)、t為電纜壽命，C為常數(shù)。常用的求電纜壽命指數(shù)n值是逐級(jí)升壓近似簡化法。

選用兩組相同的電纜試樣，分別進(jìn)行逐級(jí)升壓擊穿試驗(yàn)。初始電壓為U′，兩組電壓都按同一比例q增加，直至擊穿為止。兩組電纜試樣每級(jí)加壓時(shí)間分別為和，最后一級(jí)擊穿時(shí)間分布為和，電壓施加級(jí)數(shù)分別為和，則可得第一組電老化方程為：，u表示試驗(yàn)電壓，聯(lián)立解得電纜壽命指數(shù)近似為：

（5）

因此，由工頻逐級(jí)升壓試驗(yàn)可以測(cè)得電纜的壽命指數(shù)n。在該過程中逐級(jí)升壓直至擊穿為止，測(cè)得電纜絕緣失效臨界電壓U₀。

3）考慮到臨界電壓的存在，在所施加電壓U的作用下交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的壽命模型可表示為：

（6）

式中表示時(shí)的電纜壽命，為電纜絕緣失效臨界電壓，n為壽命指數(shù)。

根據(jù)熱力學(xué)原理將聯(lián)合老化速率表示為：

（7）

其中是與電壓U相關(guān)的函數(shù)，當(dāng)取，表示電老化速率，A為常數(shù)。

將聯(lián)合電熱老化的壽命模型表述為：

（8）

其中，，T表示實(shí)際運(yùn)行工況下的溫度，采用絕對(duì)溫度；表示熱老化相對(duì)溫度，采用相對(duì)溫度，是在和時(shí)的電纜壽命，N為電纜壽命指數(shù)n在熱老化作用下修正值。

由步驟1）和2）測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)而得到電熱聯(lián)合老化時(shí)的修正參數(shù)N，熱老化反應(yīng)活化能的比例值，利用提出的電纜剩余壽命評(píng)估公式，得到對(duì)應(yīng)電纜壽命曲面，最后結(jié)合電纜實(shí)際運(yùn)行工況下的溫度T和電壓U，計(jì)算得出待評(píng)估交聯(lián)聚乙烯電纜的剩余壽命。