張開拓,鮑艷鵬,鮑啟偉

(1.河南工學(xué)院 電纜工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南省電纜結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,河南 新鄉(xiāng) 453003;3.山東華凌電纜有限公司,山東 濟(jì)南 250220;4.無錫江南電纜有限公司,江蘇 宜興 214200)

0 引言

電纜在運行過程中因絕緣內(nèi)介質(zhì)損耗、水樹、環(huán)境、溫度等影響,易產(chǎn)生老化,破壞絕緣質(zhì)量,降低電纜使用壽命,嚴(yán)重時可導(dǎo)致電纜擊穿,影響電網(wǎng)正常運行。因此對電纜壽命研究,特別是對在線運行的電纜剩余壽命的研究極為重要。核電站電纜因其60年的使用壽命要求,此方面的研究更具實際意義。但預(yù)估在線電纜剩余壽命比較困難,目前國內(nèi)外許多學(xué)者對電纜壽命進(jìn)行了相關(guān)研究,但大多都是對新制成的電纜絕緣材料或從停運的電纜中取得的樣本進(jìn)行壽命研究[1]。該類研究不足以監(jiān)控電纜長期在線運行狀況,不能夠?qū)υ诰€運行電纜的剩余壽命進(jìn)行較為準(zhǔn)確地評估。針對以上情況,本文擬采用的技術(shù)路線是:對電纜進(jìn)行加速電老化實驗,以此可在較短時間內(nèi)模擬電纜長期在線運行時的絕緣老化狀況,在電加速老化實驗同時,對電纜放電量進(jìn)行測試,以放電量大小表征絕緣老化情況,并在不同放電量時通過熱加速老化實驗測得該放電量下的電纜剩余壽命,得到電纜放電量與剩余壽命的關(guān)系。據(jù)此,在電纜實際運行中,通過電纜放電量的測試,可隨時掌握電纜的剩余壽命,為電網(wǎng)管理者采取停運、維護(hù)、更換等措施提供依據(jù)。

本文以核電站使用的1E級K3類電纜為研究對象,選取在實際運行線路中的電纜樣本,在不同的老化時間點[2-3],對電纜樣本進(jìn)行在線局部放電量測試,利用鎖相放大器對傳感器采集到的電纜局部放電信號進(jìn)行優(yōu)化,信號函數(shù)α(t)用希爾伯特-黃變換進(jìn)行處理,從而有效消除干擾,提高局部放電測試準(zhǔn)確性。同時選取不同時間點的絕緣試樣通過加速熱老化實驗測試其使用壽命,最終取得不同局部放電量與電纜剩余壽命的關(guān)系曲線。

1 實驗方案設(shè)計

1.1 電老化加速實驗

實驗前,按圖1在靠近電纜中間位置安裝專用傳感器,以獲取不同實驗過程的電纜局部放電信號,同時剝除電纜試樣端頭200—250mm的外半導(dǎo)電層,使之與電纜端頭保持足夠距離,以防止沿界面方向的閃絡(luò)放電。將剝離處用細(xì)砂紙打磨平整,并用酒精擦拭干凈,在空氣中放置一段時間,等酒精完全揮發(fā)后涂上硅膠油,在電纜兩端安裝應(yīng)力管及均壓球,防止實驗過程中由于絕緣老化引起的電場異變。選取交聯(lián)聚烯烴為絕緣材料的電纜試樣YJV 8.7/10kV 3×120mm2,長度為1000—2000mm。施加電壓30kV,實驗周期120—160小時。

圖1 電加速老化實驗方法

1.2 局部放電實驗

在電加速老化實驗的同時進(jìn)行電纜局部放電測試,在局部放電量達(dá)到一定量時,選取絕緣樣本作為熱老化加速實驗樣本備用。局部放電測試系統(tǒng)如圖2所示。電纜在正常工作時產(chǎn)生的局部放電信號穩(wěn)定性差,來自電路背景、電源、回路等非線性信號的影響也很大,傳統(tǒng)的傅里葉處理方法的計算效果很不理想。本實驗利用鎖相放大器對采集到的信號函數(shù)α(t)用希爾伯特-黃變換進(jìn)行處理。鎖相放大器工作原理參見圖3所示。由于該放大器的Q值可達(dá)到1011,工作時可根據(jù)輸入的標(biāo)準(zhǔn)波形,自動跟蹤中心頻率并將其保持在測量頻率上,并對傳感器采集的局部放電信號進(jìn)行檢波、放大、濾波等處理,最終將傳感器獲取的模態(tài)函數(shù)進(jìn)行希爾伯特-黃轉(zhuǎn)換,在時頻平面上得到希爾伯特譜圖,從而提高測量的精準(zhǔn)度。

圖2 局部放電測試系統(tǒng)方框圖

圖3 鎖相放大器原理

1.3 壽命評估實驗

在1.2、1.3實驗的基礎(chǔ)上,按照不同的局部放電量選取絕緣試樣在熱老化烘箱內(nèi)進(jìn)行加速熱老化，選擇135℃、150℃、165℃和180℃共4個實驗溫度對樣品進(jìn)行加速熱老化。參照GB/T 11026.1——2003標(biāo)準(zhǔn),采用電子拉力實驗機(jī)對老化后的試樣進(jìn)行機(jī)械拉伸,拉伸速度為50mm/min,當(dāng)斷裂伸長率值下降到初始值的50%左右,停止拉伸實驗。記錄相關(guān)實驗數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 電纜壽命的評估

2.1 壽命評估原理

在電纜絕緣材料的壽命分析方法中,最具代表性的是Arrhenius方程[4],該方程揭示出材料的性能衰退速度率與活化能、溫度的關(guān)系為:

(1)

式中:M為材料性能指標(biāo)的衰退程度;R為摩爾氣體常數(shù),A0為常數(shù);t為時間;T為熱力學(xué)溫度,單位為K;ΔE為活化能,單位為kj/mol。

由式(1)可知,在初始時刻,電纜絕緣材料的初始性能指標(biāo)為M0。在環(huán)境溫度T恒定不變的情況下,經(jīng)過時間t后的性能指標(biāo)為Mt,則可將此段時間內(nèi)的累積性能衰減表示為[5]:

(2)

上式展開后,可求得時間的表達(dá)式為:

(3)

等式兩邊取對數(shù),可得:

(4)

由式(4)可知,確定電纜絕緣材料系數(shù)a、b后,即可據(jù)此計算出電纜絕緣材料在某個恒定溫度下工作時的熱老化壽命[6-7]。

2.2 數(shù)據(jù)處理及剩余壽命評估

以局部放電量為2.3pc時取得的絕緣試樣為例。將該絕緣試樣按實驗1.3選定的4種溫度分別放入實驗烘箱,以適當(dāng)?shù)臅r間間隔測試其斷裂伸長率,獲取其斷裂伸長率與熱老化時間的關(guān)系曲線如圖4所示[8]。

圖4 斷裂伸長率與熱老化時間關(guān)系曲線

將斷裂伸長率值的一半作為其壽命終止點[9-10],從圖4中確定壽命終止點對應(yīng)的老化時間,其值如表1所示。

表1 局部放電量(2.3pc)與壽命終止時間對應(yīng)的相關(guān)計算參數(shù)

y=a+bx

(5)

老化溫度與絕緣壽命可看作符合散點圖的近似直線[11],可用最小二乘法求出兩者之間的量化關(guān)系,進(jìn)而確定系數(shù)a與b的值[12]。相關(guān)數(shù)據(jù)計算值見表1,由此可得出:

F2=∑xy-(∑x)(∑y)/4=0.000224498

b=F2/F1=6813.417294

當(dāng)電纜長期工作溫度為90度時,x=1/T=0.002754821,則y=a+bx=lnτ=5.720213266,τ=525065.2368小時≈60年。

重復(fù)以上實驗及數(shù)據(jù)處理過程,得出不同局部放電情況下的電纜剩余壽命,見表2。

表2 電纜局部放電與剩余壽命計算

根據(jù)表2中數(shù)據(jù),可做出正常工作中電纜在不同局部放電量時的剩余壽命曲線,見圖5。按此關(guān)系曲線,可根據(jù)電纜在線測得的局部放電量,快速準(zhǔn)確地評估電纜在運行狀態(tài)下的剩余使用壽命。

圖5 局部放電量與電纜剩余壽命關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文以電加速老化實驗?zāi)M1E級K3電纜在工作運行狀態(tài)下綜合老化過程,并以局部放電量作為電纜老化受損程度的量化指標(biāo),在此基礎(chǔ)上,根據(jù)Arrhenius方程建立了該類電纜在線絕緣剩余壽命研究模型及技術(shù)方案。通過相關(guān)實驗及數(shù)據(jù)處理,得出了電纜運行中局部放電量與電纜剩余壽命兩者之間的關(guān)系曲線,為核電站及電網(wǎng)管理部門進(jìn)行電纜在線監(jiān)控、電纜剩余壽命預(yù)測和安全運行管理提供了理論支撐及技術(shù)方案,有望對其它型號電纜的類似研究提供借鑒。