一种电热联合老化的交联聚乙烯电缆剩余寿命评价方法与流程

本发明涉及交联聚乙烯电缆剩余寿命评价领域，具体是一种基于逐级升压电老化和加速热老化实验的老化评估方法。

背景技术：

电缆由于施工不规范、以及天气与人为原因，造成电缆运行环境恶化，例如，电缆的堆积、积水、淤泥、垃圾的填充等。研究表明电缆隧道内运行环境的变化，会导致电缆的温度升高，电缆的老化程度加剧。除了影响电缆自身的寿命之外，还会引起对电网运行稳定性的影响。由于电缆运行环境遭到破坏以及电缆的重叠，使得很多电缆的散热通道得到破坏，从而电缆在运行时容易产生局部过热等故障，包括：局部过热、绝缘受潮与老化以及不规范施工导致的机械损伤。

由于运行环境恶劣，很多城市的地下电缆为了确保电缆的安全运行，都在低负荷状态运行，电缆的利用效率低，运行成本高。特别是处于经济性以及供电可靠性的考虑，国家电网已经开始进行资产全寿命评估。因此在保证电缆的安全运行的前提下，提高电缆的运行效率与利用率，降低电缆的运行成本是电力公司目前亟需解决的问题。

但是由于交联聚乙烯电缆铺设以及运行环境的复杂性，在实际运行中会受到电、热以及环境等因素的影响，导致其老化，目前主要从宏观角度，根据交联聚乙烯某一种性能的变化来评估其运行状态以及使用寿命，不能全面考虑其老化因素带来的影响，导致评估结果与实际情况有一定的差异。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种考虑电、热联合老化因素的交联聚乙烯绝缘电缆剩余寿命评估方法，使电缆寿命评估结果更准确，为确定电缆最佳检修时机与更换策略提供支持，对提高电缆的利用率，保障电网安全稳定运行及可靠供电具有积极的意义。

为了实现上述目的本发明采用的技术方案是：一种电热联合老化的交联聚乙烯电缆剩余寿命评价方法，包括以下步骤：

（1）利用差示扫描量热法测量待评估交联聚乙烯电缆在不同升温速率β下的功率差与温度的关系曲线，所述曲线尖峰时的温度为T_max，根据以下公式确定反应活化能Ea；

式中，R为气体常数。

（2）对待评估交联聚乙烯电缆进行工频逐级升压老化试验，其中试验时将待评估交联聚乙烯电缆分为两组，分别进行逐级升压击穿试验，测量电缆寿命指数n，，式中，和分别为两组试验的电压施加级数，和分别为两组试验中每级加压时间，q为电压增加比例。

（3）利用电缆剩余寿命评估公式，得到对应电缆寿命曲面，结合电缆实际运行工况下的温度T和电压U，计算得出待评估交联聚乙烯电缆的剩余寿命，评估公式中，表示和时电缆的寿命，b=0.401×Ea/R表示与活化能Ea有关的常数，，表示热老化相对温度，表示电缆绝缘失效临界电压，N表示电热联合老化修正参数，，表示在温度T和电压U下电缆寿命L。

在上述步骤工频逐级升压老化试验中，对两组待评估交联聚乙烯电缆，分别进行逐级升压击穿试验，两组电压都按同一比例q增加，直至击穿为止，测得电缆绝缘失效临界电压U₀。

在进行具体试验时，对步骤（1）中需对所述待评估交联聚乙烯电缆去掉护套，切成若干段20厘米长的短电缆，再进行试验。

本发明通过核磁共振分析仪测试比较交联聚乙烯电缆在不同老化程度下的分子结构，得到绝缘材料老化程度与温度及时间之间的比例关系，实现了评估交联聚乙烯电缆的老化状态与剩余寿命。克服根据某一宏观参数来评估交联聚乙烯电缆老化程度存在的不足，提供一种根据绝缘材料的微观分子结构评估交联聚乙烯电缆老化程度的方法。进而确定电缆最佳检修时机与更换策略，减少不必要的试验，对提高电缆的利用率，节约电力部门运行成本，保障电网安全稳定运行及可靠供电具有积极的意义。

附图说明

图1为本发明的处理流程图；

图2功率差与温度的关系曲线图；

图3为是通过逐级升压老化试验与热老化试验测得参数计算得到的某8.7/l0KV XLPE绝缘电缆在综合应力下的一个寿命曲面；

图4电热联合老化对电缆寿命的影响图；图中a）所示为不同场强时，电缆寿命随温度变化的曲线，从左到右的曲线分别为2.2E0、2.0E0、1.8E0、1.6E0、1.4E0、1.2E0，E0；图b）所示为不同温度时，电缆寿命随场强变化的曲线，从左到右的曲线分别为90℃、80℃、65℃、55℃、45℃、35℃、25℃。

具体实施方式

参见图1的流程，本方法包括以下步骤：1）对交联聚乙烯电缆绝缘材料进行差示扫描量热实验测量活化能因子Ea。

取待评估交联聚乙烯电缆，去掉护套，切成若干段短电缆，每段短电缆长20厘米，按照国标GB/T 13464—92《物质热稳定性的热分析方法》，利用瑞士Mattle TA 4000系统、DSC25-TC15 及相关软件组成差分扫描量热系统，利用差示扫描量热法(DSC)对试样进行分析。

在化学反应动力学中，由反应速率方程及Arrhenius方程，可知高分子材料的热老化方程为：

（1）

式中：分别表示材料的寿命(h)和老化温度(K)；是与规定失效性能相关的常数；b=0.401×Ea/R是与活化能Ea有关的常数，R是气体常数()。

DSC是通过程序控制温度的变化，在温度变化的同时，测量电缆试样和参照物的功率差(热流率)与温度的关系曲线，如图2所示，dH/dt 为热流率，为。利用DSC法，根据化学反应动力学原理，可以得到

（2）

其中：为曲线尖峰时的温度，为绝对温度(K)；β为升温速率(℃/min)；Ea为反应活化能；R为气体常数；C为常数。

因此，和为线性关系，其斜率为-Ea/R，从而可采用在不同升温速率β下，测得功率差(热流率)与温度的关系曲线尖峰时的温度T_max，便能确定反应活化能Ea。在本实施例中β分别取为5，10，15，20 ℃/min，算出活化能Ea值

（3）

2）对待评估交联聚乙烯电缆进行工频逐级升压老化试验测量

根据局部放电等因素对绝缘引起的电老化所得交联聚乙烯电缆的寿命方程为：

（4）

式中，U是电缆所施加的电压、n为电缆的寿命指数、t为电缆寿命，C为常数。常用的求电缆寿命指数n值是逐级升压近似简化法。

选用两组相同的电缆试样，分别进行逐级升压击穿试验。初始电压为U′，两组电压都按同一比例q增加，直至击穿为止。两组电缆试样每级加压时间分别为和，最后一级击穿时间分布为和，电压施加级数分别为和，则可得第一组电老化方程为：，u表示试验电压，联立解得电缆寿命指数近似为：

（5）

因此，由工频逐级升压试验可以测得电缆的寿命指数n。在该过程中逐级升压直至击穿为止，测得电缆绝缘失效临界电压U₀。

3）考虑到临界电压的存在，在所施加电压U的作用下交联聚乙烯（XLPE）电缆的寿命模型可表示为：

（6）

式中表示时的电缆寿命，为电缆绝缘失效临界电压，n为寿命指数。

根据热力学原理将联合老化速率表示为：

（7）

其中是与电压U相关的函数，当取，表示电老化速率，A为常数。

将联合电热老化的寿命模型表述为：

（8）

其中，，T表示实际运行工况下的温度，采用绝对温度；表示热老化相对温度，采用相对温度，是在和时的电缆寿命，N为电缆寿命指数n在热老化作用下修正值。

由步骤1）和2）测得数据进而得到电热联合老化时的修正参数N，热老化反应活化能的比例值，利用提出的电缆剩余寿命评估公式，得到对应电缆寿命曲面，最后结合电缆实际运行工况下的温度T和电压U，计算得出待评估交联聚乙烯电缆的剩余寿命。