CN112861392B - 一种电缆老化虚拟仿真试验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电缆老化虚拟仿真试验平台及方法，所述平台包括四个模块：绝缘材料参数计算模块，该模块可建立绝缘材料分子老化模型，通过分子动力学模拟提取分子信息进行材料参数计算；电缆特征参数计算模块，在该模块中建立含不同缺陷的电缆有限元模型，施加环境应力进行单场及多场耦合仿真，然后提取各种场值分布信息和特征参数；电缆寿命预计模块，在该模块中基于特征参数建立电缆寿命预计模型并实现电缆剩余寿命计算；可视化模块，该模块可显示其它各模块的仿真模型和计算结果。本发明解决了必须基于加速老化试验建立寿命预计模型的现状问题，高效率、低成本地完成电缆老化虚拟仿真试验并实现电缆剩余寿命预计。

Description

一种电缆老化虚拟仿真试验平台及方法

技术领域

本发明属于电线电缆老化试验领域及寿命预计领域，具体涉及一种电缆老化虚拟仿真试验平台。

背景技术

电缆老化是一个长期的、连续的甚至难以检测出来的复杂状态，老化贯穿电缆寿命的始终。因此，对电缆的老化试验开展研究、建立寿命预计模型，不仅能够在电缆设计过程中给厂家提供参考，而且可以预防电缆因绝缘失效而导致的安全隐患。现有的电缆老化检测技术主要从力学性能检测、电气性能检测和热性能检测人手，其中力学性能的检测对象为拉伸强度、断裂伸长率和硬度等，电气性能的检测对象为绝缘电阻、击穿场强和介质损耗因数等，热性能的检测对象为导热系数、热膨胀系数和比热容等。这些测量方法具有如下不足之处，如破环性检测的不可恢复性、离线检测的不适用性和检测设备要求高等。在进行电缆寿命预计时，多是利用加速老化试验获取高环境应力下的电缆寿命，进而反推低环境应力下的电缆寿命。目前，关于电缆的寿命模型多是利用阿伦尼乌斯寿命模型和逆幂指数寿命模型以及两者组合而形成的多因素寿命模型，而从分子水平出发，建立基于电缆可测特征参数的物理寿命模型还鲜有研究。

发明内容

本发明的目的，是针对以加速老化试验为基础的电缆寿命预计方法中存在的问题，如周期长、成本高、模型的准确度受外界环境影响等，提出一种电缆老化虚拟仿真试验平台及方法，可以高效、低成本的完成电缆老化仿真试验并建立寿命预计模型，具有重要的理论和工程应用价值。

为实现上述发明目的，本发明提供一种电缆老化虚拟仿真试验平台，其特征在于包括：

绝缘材料参数计算模块，用于建立绝缘材料分子老化模型，通过设定分子老化模型中不同老化产物的含量、分子聚合度和密度信息实现对绝缘材料老化程度的控制；对不同分子老化模型进行分子动力学模拟，提取相关分子信息进行材料参数的计算；

电缆特征参数计算模块，用于建立含有缺陷的电缆有限元模型，施加各种环境应力载荷、设定边界条件和多场耦合关系，并基于分子动力学模拟所计算出的材料参数进行电缆单场及多场耦合仿真，然后提取各种场值分布信息，计算电缆特征参数；

电缆寿命预计模块，基于电缆单场及多场耦合仿真所计算出的特征参数建立湿、热、电、磨损单因素寿命模型，以及湿-热、热-电、湿-热-电多因素寿命模型，并根据电缆特征参数计算电缆剩余寿命；其中，针对电缆磨损现象，进行磨损虚拟仿真试验，在不同磨损条件下建立电缆截面磨损面积与特征阻抗的关系以及磨损面积与磨损时间的关系，最终建立基于特征阻抗变化比的电缆磨损寿命物理模型如下；

其中，

Z_f＝A₁ exp(B₁ΔS)+C₁

ΔS＝kp^av^bt^c

式中ΔS为磨损面积，k为磨损系数，a为应力指数，b为速度指数，c为时间指数，A₁、B₁、C₁均为表征特征阻抗与磨损面积关系的指数模型参数，Z₀为初始特征阻抗，Z_f为电缆磨损后特征阻抗，α_z为特征阻抗变化比，p为接触应力，v为磨损速度，t为磨损时间，R_L为电缆剩余寿命，I_L为电缆初始寿命；

可视化模块，用于绘制电缆剩余寿命曲线，并显示绝缘材料老化过程中的微观现象和电缆老化过程中的宏观现象。

为实现上述发明目的，本发明还提供绝缘材料参数计算：

建立绝缘材料分子老化模型，通过设定分子老化模型中不同老化产物的含量、分子聚合度和密度信息实现对绝缘材料老化程度的控制；对不同分子老化模型进行分子动力学模拟，提取相关分子信息进行材料参数的计算；

电缆特征参数计算：

建立含有缺陷的电缆有限元模型，施加各种环境应力载荷、设定边界条件和多场耦合关系，并基于分子动力学模拟所计算出的材料参数进行电缆单场及多场耦合仿真，然后提取各种场值分布信息，计算电缆特征参数；

电缆寿命预计：

基于电缆单场及多场耦合仿真所计算出的特征参数建立湿、热、电、磨损单因素寿命模型，以及湿-热、热-电、湿-热-电多因素寿命模型，并根据电缆特征参数计算电缆剩余寿命；

老化过程可视化：

绘制电缆剩余寿命曲线，并显示绝缘材料老化过程中的微观现象和电缆老化过程中的宏观现象。

本发明有益效果如下：

1、本发明克服了多环境应力间耦合关系复杂、老化特征量少、寿命模型单一等难点，建立能够表征电缆绝缘状态的可测特征参数与寿命之间的关系，解决了必须基于加速老化试验建立寿命预计模型的现状问题，可以针对电缆绝缘磨损和老化现象，进行电缆老化虚拟仿真试验，能够减小时间成本，降低试验环境差异对模型准确度的影响，通过仿真的方法模拟电缆老化加速过程，提高效率，降低成本。

2、在优选实施例中，本发明建立磨损面积与特征阻抗的关系以及介电常数与特征阻抗的关系，并基于特征阻抗变化比建立电缆寿命物理模型。以特征阻抗为老化特征参数建立电缆寿命模型，适用于多环境应力综合作用下的寿命预计，特征阻抗的测量无需破坏电缆且可以在线检测，从而可以实现电缆寿命的在线预计。

3、本发明可以高效率、低成本地完成从微观分子层面到宏观模型层面的电缆老化虚拟仿真试验，在可视化模块中可以清晰展现绝缘材料分子模型、电缆有限元模型，并根据各模块的输出结果绘制电缆特征参数、内部场值、剩余寿命的变化曲线。

附图说明

图1为电缆老化虚拟仿真试验平台的框架示意图；

图2为湿-热-电综合老化下聚乙烯的介电常数计算界面图；

图3为湿-热-电综合老化下电缆电磁场计算界面图；

图4为湿-热-电综合老化下电缆剩余寿命预计界面图；

图5为磨损老化下电缆电磁场计算界面图；

图6为磨损老化下电缆剩余寿命预计界面图。

具体实施方式

实施例一

本实施例提供一种电缆老化虚拟仿真试验平台，整体框架如图1所示，包括绝缘材料参数计算模块、电缆特征参数计算模块、电缆寿命预计模块和可视化模块。

绝缘材料参数计算模块建立绝缘材料分子老化模型，通过设定分子老化模型中不同老化产物的含量、分子聚合度和密度信息实现对绝缘材料老化程度的控制；对不同分子老化模型进行分子动力学模拟，提取相关分子信息进行材料参数的计算。

其中，材料参数包括力学性能参数、电气性能参数和热性能参数。力学性能具体包括杨氏模量、剪切模量、体积模量和泊松比；电气性能参数具体包括介电常数和电导率；热性能参数具体包括导热系数、热膨胀系数和比热容。

分子老化模型包括湿、热、电单因素老化分子模型和湿-热、热-电、湿-热-电多因素老化分子模型。

电缆特征参数计算模块建立含有缺陷的电缆有限元模型，施加各种环境应力载荷、设定边界条件和多场耦合关系，并基于分子动力学模拟所计算出的材料参数进行电缆单场及多场耦合仿真，然后提取各种场值分布信息，计算电缆特征参数。

其中，场值分布信息包括电场强度、磁场强度、温度、位移和应力分布，电缆特征参数包括电阻、电导、电容、电感、特征阻抗、击穿电压和载流量。

电缆寿命预计模块基于电缆单场及多场耦合仿真所计算出的特征参数建立湿、热、电、磨损单因素寿命模型，以及湿-热、热-电、湿-热-电多因素寿命模型，并根据电缆特征参数计算电缆剩余寿命。其中，优选以电缆特征阻抗为老化特征量建立电缆寿命模型。

可视化模块绘制电缆剩余寿命曲线，并显示绝缘材料老化过程中的微观现象和电缆老化过程中的宏观现象。

其中，微观现象包括水分子扩散、带电粒子扩散、分子链裂解和氧化，宏观现象包括电缆老化层变化、电缆磨损层变化和电缆特征参数变化。

实施例二

本实施例提供一种电缆老化虚拟仿真试验方法，以RG58型号电缆的湿-热-电综合老化虚拟仿真试验为例，具体包括如下步骤：

A：该型号电缆的绝缘材料为聚乙烯(PE)，在绝缘材料参数计算模块建立湿-热-电综合老化分子模型，如图2中(a)所示。对该分子模型进行分子动力学模拟，提取分子偶极矩信息求解分子模型的介电常数。分子模型中老化产物含量不同时，其对应的介电常数也不同，分子模型的介电常数与老化产物含量的关系如图2中(b)所示，将此步骤中所计算的介电常数传递至电缆特征参数计算模块。

B：在电缆特征参数计算模块中建立电缆二维模型，利用四边形单元对其进行剖分，施加电流5.4A和电压270V进行电磁场数值计算，提取电缆分布电容和分布电感，计算特征阻抗。电缆内部的电场强度分布如图3中(a)所示，电缆特征阻抗随介电常数的变化曲线如图3中(b)所示。

C：在电缆寿命预计模块中基于特征阻抗变化比建立湿-热-电综合老化下电缆寿命预计模型，如下式(1)所示，对应的电缆寿命预计界面如图4所示。在该界面下可以绘制电缆剩余寿命曲线，并根据特征阻抗变化比计算电缆剩余寿命，最后可生成研究报告。

其中，

Z_a＝A₂ exp(B₂ε)+C₂

ε＝a₂w+b₂

w＝a₁t+b₁

式中w为老化产物含量，t为老化时间，a₁和b₁均为表征老化产物含量与老化时间关系的线性模型参数，ε为介电常数，a₂和b₂均为表征介电常数与老化产物含量关系的线性模型参数，A₂、B₂和C₂均为表征特征阻抗与介电常数关系的指数模型参数，Z₀为初始特征阻抗，Z_a为电缆老化后特征阻抗，α_z为特征阻抗变化比，R_L为电缆剩余寿命，I_L为电缆初始寿命。

实施例三

本实施例提供一种电缆老化虚拟仿真试验方法，以RG58型号电缆的磨损老化虚拟仿真试验为例，具体包括如下步骤：

A：在电缆特征参数计算模块中建立含有磨损缺陷的电缆二维模型，磨损缺陷的大小受径向损伤程度和角向损伤程度影响。利用四边形单元对其进行剖分，施加电流5.4A和电压270V进行电磁场数值计算，提取电缆分布电容和分布电感，计算特征阻抗。电缆内部的电场强度分布如图5中(a)所示，电缆特征阻抗随径向损伤程度和角向损伤程度的变化如图5中(b)所示。

B：在电缆寿命预计模块中基于特征阻抗变化比建立磨损老化下电缆寿命预计模型，如下式(2)所示，对应的电缆寿命预计界面如图6所示。在该界面下输入接触应力12MPa和磨损速度0.4m/s后，可以绘制电缆剩余寿命曲线，并根据特征阻抗变化比计算电缆剩余寿命，最后可生成研究报告。

其中，

Z_f＝A₁ exp(B₁ΔS)+C₁

ΔS＝kp^av^bt^c

式中ΔS为磨损面积，k为磨损系数，a为应力指数，b为速度指数，c为时间指数，A₁、B₁、C₁均为表征特征阻抗与磨损面积关系的指数模型参数，Z₀为初始特征阻抗，Z_f为电缆磨损后特征阻抗，α_z为特征阻抗变化比，p为接触应力，v为磨损速度，t为磨损时间，R_L为电缆剩余寿命，I_L为电缆初始寿命。

实施例四

电缆寿命预计模块不仅建立基于电缆特征参数的寿命物理模型，还可以建立一些通用寿命模型，用户可以选择性调用各种寿命模型，例如：

采用阿伦尼乌斯公式建立单应力下的热老化寿命模型，然后利用加速热老化因子建立电缆寿命预计模型；

式中t为热应力作用下电缆寿命，T为热应力，E_a为材料活化能，R为气体常数，M₀为材料性能初始值，M_p为材料性能失效值，A₀为常数，k_b为玻尔兹曼常数，T_c为参考温度，T_a为实际工作温度，t_c为参考温度下电缆寿命，t_a为实际工作温度下的电缆寿命；

采用逆幂指数公式建立电老化寿命模型和振动老化寿命模型；

式中t为电应力或振动应力作用下电缆寿命，D_y为绝缘失效所需达到的累积电损伤量，Z_d为绝缘失效所需达到的累积振动损伤量，m₁为电压耐受指数，m₂为振动耐受指数，U为电应力，S为振动应力；

采用Fallou公式建立热-电老化寿命模型；

式中t为热电综合作用下电缆寿命，λ₀、λ₁、λ₂和λ₃均为热-电老化寿命模型参数，T为热应力，U为电应力；

结合阿伦尼乌斯公式和逆幂指数公式建立温度-振动寿命模型；

式中t为温度-振动综合作用下电缆寿命，A₀为常数，E_a为材料活化能，R为气体常数，T为热应力，S为振动应力，m₂为振动耐受指数；

结合阿伦尼乌斯公式和两个逆幂指数公式建立电场-温度-振动寿命模型；

式中t为电场-温度-振动综合作用下电缆寿命，A₀为常数，E_a为材料活化能，R为气体常数，T为热应力，S为振动应力，U为电应力，m₂为振动耐受指数，m₁为电压耐受指数。

Claims (9)

1.一种电缆老化虚拟仿真试验平台，其特征在于包括：

绝缘材料参数计算模块，用于建立绝缘材料分子老化模型，通过设定分子老化模型中不同老化产物的含量、分子聚合度和密度信息实现对绝缘材料老化程度的控制；对不同分子老化模型进行分子动力学模拟，提取相关分子信息进行材料参数的计算；

电缆特征参数计算模块，用于建立含有缺陷的电缆有限元模型，施加各种环境应力载荷、设定边界条件和多场耦合关系，并基于分子动力学模拟所计算出的材料参数进行电缆单场及多场耦合仿真，然后提取各种场值分布信息，计算电缆特征参数；

电缆寿命预计模块，基于电缆单场及多场耦合仿真所计算出的特征参数建立湿、热、电、磨损单因素寿命模型，以及湿-热、热-电、湿-热-电多因素寿命模型，并根据电缆特征参数计算电缆剩余寿命；其中，针对电缆磨损现象，进行磨损虚拟仿真试验，在不同磨损条件下建立电缆截面磨损面积与特征阻抗的关系以及磨损面积与磨损时间的关系，最终建立基于特征阻抗变化比的电缆磨损寿命物理模型如下；

其中，

Z_f＝A₁exp(B₁△S)+C₁

△S＝kp^av^bt^c

式中△S为磨损面积，k为磨损系数，a为应力指数，b为速度指数，c为时间指数，A₁、B₁、C₁均为表征特征阻抗与磨损面积关系的指数模型参数，Z₀为初始特征阻抗，Z_f为电缆磨损后特征阻抗，α_z为特征阻抗变化比，p为接触应力，v为磨损速度，t为磨损时间，R_L为电缆剩余寿命，I_L为电缆初始寿命；

可视化模块，用于绘制电缆剩余寿命曲线，并显示绝缘材料老化过程中的微观现象和电缆老化过程中的宏观现象。

2.如权利要求1所述的电缆老化虚拟仿真试验平台，其特征在于所述材料参数包括力学性能参数、电气性能参数和热性能参数，所述力学性能参数具体包括杨氏模量、剪切模量、体积模量和泊松比，所述电气性能参数具体包括介电常数和电导率，热性能参数具体包括导热系数、热膨胀系数和比热容。

3.如权利要求1所述的电缆老化虚拟仿真试验平台，其特征在于所述分子老化模型包括湿、热、电单因素老化分子模型和湿-热、热-电、湿-热-电多因素老化分子模型。

4.如权利要求1所述的电缆老化虚拟仿真试验平台，其特征在于所述场值分布信息包括电场强度、磁场强度、温度、位移和应力分布，所述电缆特征参数包括电阻、电导、电容、电感、特征阻抗、击穿电压和载流量。

5.如权利要求1所述的电缆老化虚拟仿真试验平台，其特征在于所述微观现象包括水分子扩散、带电粒子扩散、分子链裂解和氧化，所述宏观现象包括电缆老化层变化、电缆磨损层变化和电缆特征参数变化。

6.如权利要求1所述的电缆老化虚拟仿真试验平台，其特征在于所述电缆寿命预计模块以电缆特征阻抗为老化特征量建立电缆寿命模型。

7.一种电缆老化虚拟仿真试验方法，其特征在于包括如下步骤：

绝缘材料参数计算：

建立绝缘材料分子老化模型，通过设定分子老化模型中不同老化产物的含量、分子聚合度和密度信息实现对绝缘材料老化程度的控制；对不同分子老化模型进行分子动力学模拟，提取相关分子信息进行材料参数的计算；

电缆特征参数计算：

建立含有缺陷的电缆有限元模型，施加各种环境应力载荷、设定边界条件和多场耦合关系，并基于分子动力学模拟所计算出的材料参数进行电缆单场及多场耦合仿真，然后提取各种场值分布信息，计算电缆特征参数；

电缆寿命预计：

基于电缆单场及多场耦合仿真所计算出的特征参数建立湿、热、电、磨损单因素寿命模型，以及湿-热、热-电、湿-热-电多因素寿命模型，并根据电缆特征参数计算电缆剩余寿命；

其中，针对电缆磨损现象，进行磨损虚拟仿真试验，在不同磨损条件下建立电缆截面磨损面积与特征阻抗的关系以及磨损面积与磨损时间的关系，最终建立基于特征阻抗变化比的电缆磨损寿命物理模型如下；

其中，

Z_f＝A₁exp(B₁△S)+C₁

△S＝kp^av^bt^c

式中ΔS为磨损面积，k为磨损系数，a为应力指数，b为速度指数，c为时间指数，A₁、B₁、C₁均为表征特征阻抗与磨损面积关系的指数模型参数，Z₀为初始特征阻抗，Z_f为电缆磨损后特征阻抗，α_z为特征阻抗变化比，p为接触应力，v为磨损速度，t为磨损时间，R_L为电缆剩余寿命，I_L为电缆初始寿命；

老化过程可视化：

绘制电缆剩余寿命曲线，并显示绝缘材料老化过程中的微观现象和电缆老化过程中的宏观现象。

8.根据权利要求7所述的电缆老化虚拟仿真试验方法，其特征在于：

以电缆特征阻抗为老化特征量建立电缆寿命模型，电缆特征阻抗计算方法如下：首先对分子模型进行分子动力学模拟，提取分子偶极矩信息计算材料介电常数，再通过有限单元法实现电磁场数值计算，提取电缆分布参数，计算特征阻抗。

9.根据权利要求7所述的电缆老化虚拟仿真试验方法，其特征在于：

针对电缆在湿、热、电单因素及湿-热、热-电、湿-热-电多因素作用下绝缘材料分子结构发生破坏，导致介电性能下降的现象，建立老化产物含量与介电常数的关系以及介电常数与特征阻抗的关系，最终建立基于特征阻抗变化比的电缆老化寿命物理模型如下：

其中，

Z_a＝A₂exp(B₂e)+C₂

ε＝a₂w+b₂

w＝a₁t+b₁

式中w为老化产物含量，t为老化时间，a₁和b₁均为表征老化产物含量与老化时间关系的线性模型参数，ε为介电常数，a₂和b₂均为表征介电常数与老化产物含量关系的线性模型参数，A₂、B₂和C₂均为表征特征阻抗与介电常数关系的指数模型参数，Z₀为初始特征阻抗，Z_a为电缆老化后特征阻抗，α_z为特征阻抗变化比，R_L为电缆剩余寿命，I_L为电缆初始寿命。