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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)行。因此對電纜壽命研究,特別是對在線運(yùn)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(shí)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(yùn)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(yùn)行狀況,不能夠?qū)υ诰€運(yùn)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(shí)驗(yàn),以此可在較短時間內(nèi)模擬電纜長期在線運(yùn)行時的絕緣老化狀況,在電加速老化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)際運(yùn)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(yùn)、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(shí)際運(yùn)行線路中的電纜樣本,在不同的老化時間點(diǎn)[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(diǎn)的絕緣試樣通過加速熱老化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 電老化加速實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)周期120—160小時。

圖1 電加速老化實(shí)驗(yàn)方法

1.2 局部放電實(shí)驗(yàn)

在電加速老化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)算效果很不理想。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

在1.2、1.3實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)1.3選定的4種溫度分別放入實(shí)驗(yàn)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(diǎn)[9-10],從圖4中確定壽命終止點(diǎn)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(jì)算參數(shù)

y=a+bx

(5)

老化溫度與絕緣壽命可看作符合散點(diǎn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(yùn)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(shí)驗(yàn)?zāi)M1E級K3電纜在工作運(yùn)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(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理,得出了電纜運(yùn)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(yùn)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。