CN113125909B - 一种电缆剩余寿命的确定方法 - Google Patents

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CN113125909B CN202110420091.4A CN202110420091A CN113125909B CN 113125909 B CN113125909 B CN 113125909B CN 202110420091 A CN202110420091 A CN 202110420091A CN 113125909 B CN113125909 B CN 113125909B
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Abstract

本发明涉及一种电缆剩余寿命的确定方法，所述方法包括对待测电缆试样开展泄漏电流测量实验，获取泄漏电流数据，并根据待测电缆试样的长度、待测电缆试样的外径、待测电缆试样的内径以及所述泄漏电流数据，得到待测电缆试样的泄漏电流特征参量，最后根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系、待测电缆试样的当前运行年长和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，得到待测电缆试样的剩余寿命，其能实现对电缆绝缘材料的老化水平的定量分析，进而为电缆的运行与维护工作提供技术支持。

Description

一种电缆剩余寿命的确定方法
技术领域
本发明属于电气设备绝缘技术领域，具体涉及一种电缆剩余寿命的确定方法。
背景技术
绝缘材料在运行过程中会受到电、热、机械力等多应力作用的影响而发生老化，导致绝缘性能下降，最终发生击穿。绝缘的老化不可避免，实现对绝缘老化状态的快速、无损检测依然面临巨大的挑战，解决这一难题，是未来行业发展的迫切需求。
目前对于绝缘材料的电缆的寿命大多基于定性分析，未能有效对其进行定量分析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电缆剩余寿命的确定方法，能够实现对电缆的绝缘寿命进行定量分析。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种电缆剩余寿命的确定方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、获取泄漏电流：对待测电缆试样开展泄漏电流测量实验，获取泄漏电流数据；
S2、获取泄漏电流特征参量：根据待测电缆试样的长度、待测电缆试样的外径、待测电缆试样的内径以及步骤S1的泄漏电流数据，得到待测电缆试样的泄漏电流特征参量；
S3、确定剩余寿命：根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系、待测电缆试样的当前运行年长和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，得到待测电缆试样的剩余寿命。
而且，所述步骤S1获取泄漏电流的具体步骤为：
1)基于搭建的泄漏电流测量装置，对待测电缆试样施加直流电压并测量泄漏电流；
2)当检测到待测电缆试样的泄漏电流达到稳态时，继续施加预设时间的直流电压，获取泄漏电流数据。
而且，所述施加直流电压的范围不超过电缆额定电压。
而且，所述预设时间至少为5分钟。
而且，所述步骤S2中待测电缆试样泄漏电流特征参量的计算公式为：
Figure BDA0003027489080000021
其中：
Figure BDA0003027489080000022
为泄漏电流特征参量；
Icond为电导电流数据的平均值；
U为直流电压；
L为待测电缆试样的长度；
D为待测电缆试样的外径；
d为待测电缆试样的内径。
而且，所述步骤S3确定剩余寿命的具体步骤为：
1)根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，确定待测电缆试样的泄漏电流特征参量在取值95％时对应的终止寿命；
2)将所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量在取值95％时对应的终止寿命减去所述待测电缆试样的当前运行年长，得到待测电缆试样的剩余寿命。
而且，所述预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系具体为：
Figure BDA0003027489080000023
其中：
Figure BDA0003027489080000024
为泄漏电流特征参量；
Figure BDA0003027489080000025
为泄漏电流特征参量初始值；
Figure BDA0003027489080000026
为泄漏电流特征参量最大值；
c1为常数；
t为电缆运行时间；且
Figure BDA0003027489080000027
与
Figure BDA0003027489080000028
均为确定的值。
而且，所述待测电缆试样的剩余寿命计算公式为：
Figure BDA0003027489080000031
其中：tr为待测电缆试样的剩余寿命；
t0.95为待测电缆试样的泄漏电流特征参数在取值95％时对应的电缆终止寿命；
tn为待测电缆的当前运行时长；
φt为待测电缆试样的泄漏电流特征参量。
本发明的优点和有益效果为：
本发明电缆剩余寿命的确定方法，能够针对多电压等级全尺寸的电缆全寿命周期内的绝缘状态与剩余寿命进行定量分析，有效解决了电缆的状态检测与寿命评估的技术难题，进而为电缆的运行与维护工作提供技术支持。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明使用泄漏电流测量装置的结构框图；
图3为采用本发明方法获得的电缆热加速老化时长和泄漏电流特征参量的关系图；
图4为采用本发明方法获得的电缆热加速老化时长和电缆剩余寿命的关系图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
电缆运行过程中存在对地泄漏电流，对地泄漏电流是指在正常绝缘状况下，从设备或线路的带电部件流入大地的电流。任何一种绝缘材料，在其两端施加电压，总会有一定电流通过，这种电流的有功分量叫做泄漏电流。由此，本发明基于电缆的泄漏电流，实现对电缆运行状态与绝缘老化程度进行评估，并进一步对电缆的寿命作出可靠的定性分析。
参见图1，图1是本发明实施例提供的电缆的剩余寿命的确定方法的流程示意图。
本发明实施例提供的电缆的剩余寿命的确定方法，包括步骤S1到步骤S3：
步骤S1，对待测电缆试样开展泄漏电流测量实验，获取泄漏电流数据；
步骤S2，根据待测电缆试样的长度、待测电缆试样的外径、待测电缆试样的内径以及所述泄漏电流数据，得到待测电缆试样的泄漏电流特征参量；
步骤S3，根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系、待测电缆试样的当前运行年长和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，得到待测电缆试样的剩余寿命。
本发明实施例公开的电缆的剩余寿命的确定方法通过对待测电缆试样开展泄漏电流测量实验，获取泄漏电流数据，并根据待测电缆试样的长度、待测电缆试样的外径、待测电缆试样的内径以及所述泄漏电流数据，得到待测电缆试样的泄漏电流特征参量，最后根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系、待测电缆试样的当前运行年长和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，得到待测电缆试样的剩余寿命，其能够针对多电压等级全尺寸的电缆全寿命周期内的绝缘状态与剩余寿命进行定量分析，有效解决了电缆的状态检测与寿命评估的技术难题，进而为电缆的运行与维护工作提供技术支持。
在一种可选的实施方式中，所述步骤S1“所述对待测电缆试样开展泄漏电流测量实验，获取泄漏电流数据”，具体包括：
1)基于搭建的泄漏电流测量装置，对待测电缆试样施加直流电压并测量泄漏电流；
2)当检测到待测电缆试样的泄漏电流达到稳态时，继续施加预设时间的直流电压，获取泄漏电流数据。
具体的，所述直流电压的范围不超过电缆额定电压，所述预设时间为至少5分钟。
参见图2，图2是本发明实施例提供的电缆的剩余寿命的确定方法所使用的泄漏电流测量装置的结构框图，在本发明实施例中，所述泄漏电流测量装置包括高压直流电源、保护模块、电流检测设备，其中，所述电压直流电源通过导线连接待测电缆试样，所述待测电缆试样还通过导线连接保护模块，所述保护模块与所述电流检测设备的第一端连接，所述电流检测设备的第二端与所述高压直流电源的负极连接，所述高压直流电源的负极接地。其中，所述保护模块包含电阻和瞬态抑制二极管。在具体实施时，将所述待测电缆试样接入所述泄漏电流测量装置，以获取泄漏电流数据，便于基于泄漏电流对电缆的老化状态进行分析。需要说明的是，通过泄漏电流测量装置测量泄漏电流已是现有成熟的技术，本发明不对此进行限制。
本发明实施例通过泄漏电流测量实验获取得到的泄漏电流数据应该是基于一定测量时间后获取的数据，在达到该测量时间后，该泄漏电流基本保持稳态，即测量得到的数据趋于恒定，此时，可认为泄漏电流仅存在电导电流，其原理是：
在施加的直流电压U(t)的作用下，泄漏电流I(t)可表示为：
I(t)＝Ichar(t)+Iabs(t)+Icond(t) (1)
其中，Ichar为充电电流，Iabs为吸收电流，Icond为电导电流。
对于充电电流Ichar，其会在施加直流电压后的极短时间内(一般认为远小于1秒)完成充电过程；而对于吸收电流Iabs，其变化情况是随时间成指数衰减的，且存在：
Figure BDA0003027489080000051
因此，对于电缆施加直流电压后的泄漏电流，在时间足够长的情况下仅存在电导电流分量，即：
Figure BDA0003027489080000052
在一种可选的实施方式中，将所述泄漏电流等效为电导电流。
直流电压下的电导电流认为是不随时间改变的常值，依照国家标准GB/T12706.1-2020，直流电导电流正比于施加电压U和电缆试样长度L，并反比于电缆绝缘外径D与电缆绝缘内径d之比的自然对数值，即满足如下关系：
Figure BDA0003027489080000053
在本实施例中，为消除外施电压与电缆本身尺寸对泄漏电流的影响，进而仅关注电缆绝缘材料本身对其的影响，提出了基于泄漏电流的用于评估电缆绝缘状态的参量——泄漏电流特征参量。通过泄漏电流特征参量对待测电缆试样的老化状态进行评估。
在一种可选的实施方式中，所述步骤S2“根据待测电缆试样的长度、待测电缆试样的外径、待测电缆试样的内径以及所述泄漏电流数据，得到待测电缆试样的泄漏电流特征参量”，具体为：
通过以下公式确定待测电缆试样的泄漏电流特征参量：
Figure BDA0003027489080000061
其中，
Figure BDA0003027489080000062
为泄漏电流特征参量，Icond为电导电流数据的平均值，U为直流电压，L为测电缆试样的长度，D为待测电缆试样的外径，d为待测电缆试样的内径。较佳地，对于电导电流数据Icond，取测量过程最后记录的50～200个数据点的平均值。
在一种可选的实施方式中，所述步骤S3中“所述根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系、待测电缆试样的当前运行年长和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，得到待测电缆试样的剩余寿命”，具体包括：
根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，确定待测电缆试样的泄漏电流特征参量在取值95％时对应的终止寿命；
将所述待测电缆试样的泄漏电流特征参数在取值95％时对应的终止寿命减去所述待测电缆试样的当前运行年长，得到待测电缆试样的剩余寿命。
在一种可选的实施方式中，所述预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系，具体为：
Figure BDA0003027489080000063
其中，
Figure BDA0003027489080000064
为泄漏电流特征参量初始值，
Figure BDA0003027489080000065
为泄漏电流特征参量最大值，c1为常数，且
Figure BDA0003027489080000066
与
Figure BDA0003027489080000067
均为确定的值，t为电缆运行时长。
具体的，根据国家标准GB/T 22078.2-2008，对于额定电压500kV电缆选取泄漏电流特征参量最大值
Figure BDA0003027489080000068
根据国家标准GB/T 18890.2-2015，对于额定电压220kV电缆选取泄漏电流特征参量最大值
Figure BDA0003027489080000069
根据国家标准GB/T 11017.2-2014，对于额定电压110kV电缆选取泄漏电流特征参量最大值
Figure BDA00030274890800000610
根据国家标准GB/T 12706.1-2020、GB/T 12706.2-2020和GB/T 12706.3-2020，对于额定电压35kV及以下电缆选取泄漏电流特征参量最大值
Figure BDA00030274890800000611
此外，泄漏电流特征参量初始值
Figure BDA00030274890800000612
由电缆出厂测定参数决定。
在本发明实施例中以泄漏电流特征参量进行电缆绝缘剩余寿命的评估，并确定泄漏电流特征参量与运行年数的对应关系，其原理是：
(1)电缆本质上是一种电介质电导材料，而固体电介质电导与载流子迁移行为相关，基于此，引入载流子迁移率μ与载流子浓度n以基于泄漏电流特征参量进行电缆绝缘剩余寿命的分析。其中，载流子迁移率μ与电导率γ表达分别如下：
Figure BDA0003027489080000071
Figure BDA0003027489080000072
其中，μ为载流子迁移率，n为载流子浓度，γ为电导率，q为载流子带电量，d为电子发生一次迁移的距离，v为晶格振动频率，k'为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，μ0为晶体之间的势垒。
(2)将电缆绝缘老化行为视为一种热氧老化反应行为，利用Arrhenius公式表征反应速率：
Figure BDA0003027489080000073
其中，k为反应速率，A为指前因子，Ea为反应活化能，T为绝对温度，R为理想气体常数。
依据碰撞理论对Arrhenius公式做出物理解释，反应速率k表示每秒引发反应的碰撞次数，指前因子A表示每秒的碰撞次数，指数函数exp(-Ea/RT)表示碰撞引发反应的概率。对于封闭***，随热氧老化反应进行过程中，产生有效碰撞的概率降低，由此可以得到经过热氧老化反应时间t后的反应速率：
Figure BDA0003027489080000074
其中，α为比例常数，A0表示初始时每秒的碰撞次数，则(A0-a∫k(t)dt)反映了由于反应进行造成粒子碰撞的减少。
对公式(10)式求解可得：
kt＝k0exp(-c1t) (11)
其中，c1＝α·exp(-Ea/RT)为不随时间变化的常数，k0为初始的反应速率，kt为经过热氧老化反应时间t后的反应速率。
(3)载流子浓度随热氧老化反应的进行而增长，可表示为：
dn(t)＝k(t)dt (12)
则有
n(t)＝n0+∫k(t)dt (13)
其中，n0为初始载流子浓度，t为热氧老化反应时间。
(4)结合式(11)与式(13)可得载流子浓度呈逆指数增长并最终趋于饱和,则经过热氧老化反应的载流子浓度nt具体为：
Figure BDA0003027489080000081
其中，nt为经过热氧老化反应时间t后的载流子浓度，n1为饱和载流子浓度，n0为初始载流子浓度,t为热氧老化反应时间。
(5)由前述，电介质电导率由载流子迁移率和载流子浓度共同决定。对于同一温度，载流子迁移率认为是物质自身特性决定，并不随老化加剧而改变。而载流子浓度会随运行时间增加而增长，并最终认为其趋于饱和。根据泄漏电流特征参量与电导率、载流子迁移率、载流子浓度的关系，即
Figure BDA0003027489080000082
可以得到泄漏电流特征参量
Figure BDA0003027489080000083
与电缆运行时间t之间的关系：
Figure BDA0003027489080000084
所述步骤S3中“所述将所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量在取值95％时对应的终止寿命减去所述待测电缆试样的当前运行年长，得到待测电缆试样的剩余寿命”，具体为：
通过以下公式确定待测电缆试样的剩余寿命：
Figure BDA0003027489080000085
其中，tr为待测电缆试样的剩余寿命，t0.95为待测电缆试样的泄漏电流特征参数在取值95％时对应的电缆终止寿命，tn为待测电缆的当前运行时长，
Figure BDA0003027489080000086
为待测电缆试样的泄漏电流特征参量。
为了更好地说明本发明的原理和作用，下面取一次具体试验对本发明的流程进行详细说明。
S1-1，首先将一段10kV电缆在120℃环境温度下进行加速热老化共计1440小时(60天)，分别在热加速老化至0小时、48小时、96小时、216小时、624小时和1440小时执行取样并进行电缆绝缘老化状态评估与剩余寿命定性分析。依照电力行业标准IEC 60216，可将上述在120℃热加速老化至0小时、48小时、96小时、216小时、624小时和1440小时的电缆试样等效为运行年数0年、0.55年、1.10年、2.47年、7.13年和16.47年的电缆试样。搭建泄漏电流测量装置，在热加速老化处理电缆线芯导体与屏蔽层之间构成测试电路。
S1-2，分别对上述不同热老化时长的电缆试样施加1kV直流电压，通过泄漏电流测量装置记录10分钟内的电缆泄漏电流数据，并基于此计算泄漏电流特征参量
Figure BDA0003027489080000093
得到不同热加速老化时间的电缆泄漏电缆特征参量，进一步得到如图3所示的电缆热加速老化时长和泄漏电流特征参量的关系图。
S1-3，依据国家标准GB/T 12706.2-2020，对于额定电压为10kV电缆，选取泄漏电流特征参量最大值
Figure BDA0003027489080000091
并选择泄漏电流特征参量最大值95％作为对应的运行时长作为电缆终止寿命。选择全新电缆的泄漏电流特征参量作为初始特征参量
Figure BDA0003027489080000092
计算得到不同热老化时长的电缆的剩余寿命，并得到如图4所示的电缆热加速老化时长和电缆剩余寿命的关系图。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种电缆剩余寿命的确定方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、获取泄漏电流：对待测电缆试样开展泄漏电流测量实验，获取泄漏电流数据；
S2、获取泄漏电流特征参量：根据待测电缆试样的长度、待测电缆试样的外径、待测电缆试样的内径以及步骤S1的泄漏电流数据，得到待测电缆试样的泄漏电流特征参量；所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量的计算公式为：
Figure FDA0003761551960000011
其中：
Figure FDA0003761551960000012
为泄漏电流特征参量；
Icond为电导电流数据的平均值；
U为直流电压；
L为待测电缆试样的长度；
D为待测电缆试样的外径；
d为待测电缆试样的内径；
S3、确定剩余寿命：根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系、待测电缆试样的当前运行年长和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，得到待测电缆试样的剩余寿命；
确定剩余寿命的具体步骤为：
1)根据预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系和所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量，确定待测电缆试样的泄漏电流特征参量在取值95％时对应的终止寿命；
2)将所述待测电缆试样的泄漏电流特征参量在取值95％时对应的终止寿命减去所述待测电缆试样的当前运行年长，得到待测电缆试样的剩余寿命；
所述预先确定好的泄漏电流特征参量与电缆运行时间的关系具体为：
Figure FDA0003761551960000013
其中：
Figure FDA0003761551960000014
为泄漏电流特征参量；
Figure FDA0003761551960000015
为泄漏电流特征参量初始值；
Figure FDA0003761551960000016
为泄漏电流特征参量最大值；
c1为常数；
t为电缆运行时间；且
Figure FDA0003761551960000021
与
Figure FDA0003761551960000022
均为确定的值。
2.根据权利要求1所述的电缆剩余寿命的确定方法，其特征在于：所述步骤S1获取泄漏电流的具体步骤为：
1)基于搭建的泄漏电流测量装置，对待测电缆试样施加直流电压并测量泄漏电流；
2)当检测到待测电缆试样的泄漏电流达到稳态时，继续施加预设时间的直流电压，获取泄漏电流数据。
3.根据权利要求2所述的电缆剩余寿命的确定方法，其特征在于：所述施加直流电压的范围不超过电缆额定电压。
4.根据权利要求2所述的电缆剩余寿命的确定方法，其特征在于：所述预设时间至少为5分钟。
5.根据权利要求1所述的电缆剩余寿命的确定方法，其特征在于：所述待测电缆试样的剩余寿命计算公式为：
Figure FDA0003761551960000023
其中：tr为待测电缆试样的剩余寿命；
t0.95为待测电缆试样的泄漏电流特征参数在取值95％时对应的电缆终止寿命；
tn为待测电缆的当前运行时长；
φt为待测电缆试样的泄漏电流特征参量。
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