电力电缆老化机理研究（精选4篇）
电力电缆老化机理研究 篇1
0 引言
据统计数据表明, 电力设备运行中60%-80%的事故是由绝缘故障导致的, 所以研究电力设备绝缘检测与诊断技术对于提高电力设备运行可靠性、安全性具有极其重要的意义。
1 绝缘老化机理
1.1 热老化
热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化, 使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化, 所以热老化也被称为化学老化。一般情况下, 化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解, 主要是氧化反应, 这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应, 如聚乙烯的氧化反应就是从C-H键中H的脱离开始的。
热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化, 绝缘寿命减少, 但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。
一般地区, 大气的温度对热老化的作用不明显, 炎热高温的地区作用相对大些, 但不是主要因素, 热老化主要是电力设备自身产生的比较大的热量所致, 如电能损耗、局部放电等引起的较大的温升。为了防止绝缘材料被氧化, 减缓连锁反应的速度, 一般都是采用添加抗氧化剂的方法。聚乙烯的抗氧化剂常使用苯酚系化合物, 其主要作用是提供H-, 与氧化老化连锁反应中产生的COO-结合, 以阻止连锁反应继续进行。
大量实践经验的积累表明绝缘材料的热老化寿命与温度的关系服从Arrhenius定律, 即下式:
其中:f (T) 表示老化状态的物理量;EA为引起老化所必须的能量;T为热力学温度;fc、k均为常数;
由上式可以看出T越高, 对材料的绝缘要求也越高, 相同绝缘材料的使用寿命成指数下降。
1.2 机械老化
机械老化是固体绝缘系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷, 这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化, 形成微小裂缝并逐渐扩大, 直至引起局部放电等破坏绝缘的现象, 这种现象也被称为“电-机械击穿”。
1.3 电老化
电老化指的是在电场长期作用下, 电力设备绝缘系统中发生的老化。电老化机理很复杂, 它包含因为绝缘击穿产生的放电引起的一系列物理和化学效应。
一般可以用绝缘材料的本征击穿场强表示绝缘材料耐强电场的性能。各种高分子材料的本征击穿场强都在MV/cm的数量级。但是, 实际所以中绝缘材料的绝缘击穿强度比本征击穿强度要小很多。这其中的原因是多种的, 比如厚度效应、杂质的混入、制造时产生的气孔、材料的不均匀形成的凸起产生的电极效应等等。总之, 本征击穿强度表征的是理想情况下材料的击穿场强。
固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论:
1) 达到一定电场时, 电子数量急剧增加, 使得绝缘材料遭到击穿破坏, 由于击穿破坏的主要原因是电子, 因而称为“电击穿”;
2) 在绝缘体上加上电压后, 有微电流通过, 由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏, 这被称为“热击穿”。
此外, 还有上文提到的“电-机械击穿”, 也是原因之一。
和热老化寿命类似, 绝缘材料的电老化寿命t与电场强度E的关系满足“n次方法则”, 如下式所示:
式中:n值的大小因为材料不同、材料中的缺陷不同等因素而不同。n越大, 老化速度越慢, 绝缘在额定工作电压下的寿命越长;反之, 绝缘在额定工作电压下的寿命越短。在不同电场强度下, 试验绝缘击穿的时间, 依据上式, 作出lgt和lg E的关系曲线可以近似估计绝缘在额定工作电压下的寿命。
当然绝缘老化是电场、热、机械力、环境 (水分、阳光等) 等众多因素综合作用的结果, 是一个非常复杂的过程, 在推算绝缘材料使用寿命时应该尽量综合以上因素考虑。
2 绝缘老化的表现形式
2.1 绝缘老化中的树枝结构
1) 电树枝
研究发现, 在固体绝缘材料的高压击穿试验后, 可以观察到类似树枝或者树根一样的击穿痕迹。在高电压工程学上, 这种树枝状的绝缘击穿部分称为“树枝”, 其发生、发展的现象叫做“树枝形成”。这种树枝是由电场的作用导致击穿所致, 所以又被称为“电树枝”。
电树枝产生的原因和电老化的原因一样有多种理论, 但是尚无定论。其中有本征破坏说、离子碰撞说、龟裂发生说以及机械破坏说等等。现在实验室制造电树枝的方法是通过在插入绝缘材料内部的细针施加高压, 这在一定程度上说明电树枝的形成和绝缘材料不均匀引起的电极效应有关。
电树枝形成后会不断发展, 直至形成直径数微米到数百微米的细小中空管, 这是引起绝缘局部放电原因之一。
2) 水树枝
橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时, 与不加电压只浸水的情况相比较其绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象”。对产生“浸水课电现象”的绝缘材料进行显微观察, 发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在, 因为这种树枝结构和水有关, 并且是在低电场强度、长时间作用下形成的, 为与电树枝区别, 称之为水树枝。水树枝在充满水的状态下看起来是白色的, 但是干燥后就不易观察到。水树枝多见于结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯, 而在无定型材料的PVC、丁基橡胶等聚合物中少有发现。此外, 水树枝在直流电压的作用下较难产生, 但是在交流电压作用下较易产生, 高频电压也能促使水树枝的产生。
在显微观察下发现水树枝的结构和电树枝还是存在一定差别的。水树枝一般为直径0.1-1μm的微小气泡的集合, 它们之间由直径为0.05μm的微小导管相连, 这些微气泡和微导管中有水的存在。
水树枝的发生一般需要三个条件:水、起点、电场, 这为防止水树枝的产生提供了指导。首先, 对于铺设在地面以下的电力电缆, 要尽量避免与水直接接触。但是, 完全和水隔离是比较难做到的。其次, 消除绝缘材料中的微隙、杂质、凸起等作为水树枝产生的起点的部分, 这是最现实有效的方法。
3) 化学树枝
在电缆绝缘介质中发现的树枝状结构还有一种为化学树枝。化学树枝主要是由于硫化物从电缆外围穿透绝缘层并与铜导体发生反应形成硫化铜, 硫化铜渗透到聚乙烯电缆的缺陷部位, 形成树枝状的结晶。化学树枝呈现为黑色或者红褐色的连续结构, 在无电场的作用下也会发生。
2.2 绝缘介质在电场作用下的其它特性
1) 极化
任何不同的绝缘材料, 都可以认为是置于电极之间的电介质, 并呈现电介质的特性, 极化现象就是其一。极化是指置于电场中的电介质, 沿着电场方向产生偶极矩、在电介质表面产生束缚电荷的现象。根据形成极化机理的不同, 介质极化可以分为以下四种:
(1) 电子和离子的位移极化
分子中的电子在电场的作用下, 电子轨道发生弹性位移, 从而使得原本呈电中性的分子变成呈现正负极的偶极子。由离子组成的分子结构也会出现类似的情况, 正负离子在电场作用下偏离原来的位置, 形成偶极子。
位移极化程度随电场强度增大而增大, 而且形成的速度极快, 外电场一旦消失, 极化随即也消失。这种极化过程中没有能量损耗, 故称为无损极化或弹性极化。
(2) 热离子位移极化
介质中少量与周围分子联系较弱的带电离子 (一般为杂质) 在外电场的作用下, 其热运动趋向于顺电场方向在有限的范围内位移, 造成这些离子在介质中分布不均, 形成偶极化。
这种极化受到分子热运动的限制, 温度越高, 热运动越活跃, 极化越困难。因此, 这种极化建立速度较缓慢, 电场消失后, 复原也较缓慢。
(3) 偶极子极化
在介质中存在一种特殊的分子, 即使没有电场的作用, 它本身也呈现为一个偶极子。没有外电场时, 它们随着热运动随机排列, 因此整体对外不显电极性。但在电场作用下, 偶极子会随着电场力发生偏转。
(4) 夹层极化
绝缘介质中的自由离子和电子在外电场的作用下沿着电场方向迁移, 改变分布状况, 在迁移过程中被介质中的电极或缺陷捕获, 不能及时放电或复合, 于是在某一空间产生宏观感应电偶极矩, 形成空间电荷极化。
2) 电导
对于理想绝缘介质而言, 不含任何自由的带电粒子, 电导率σ等于0, 介质是不导电的。但是实际上, σ总会呈现一个很小的值, 就是说, 介质中有少量自由的带电粒子存在。带电粒子在电场的作用下会定向运动, 形成微弱的电流, 这就是平时所说绝缘漏电流。
介质中的载流子一般是自由离子, 它们来源于介质本身, 也有的来自外部杂质。外部温度越高, 分子热运动就越剧烈, 对自由离子的约束也越小, 形成的电导电流越大, 这一点和金属的导电特性是完全相反的。此外, 介质在外加高压电场的作用下, 会形成一定程度的电离, 使得载流子数目增多, σ下降。当然, 介质受潮后σ也会下降。
3) 损耗
绝缘介质在电场的作用下会产生电能的损耗, 这些损耗主要来自以下三个方面:
(1) 电导损耗
如前文所述, 绝缘介质存在一定的σ值, 于是电流在介质中运动时会产生焦耳热现象, 电能转化为热量散发。
(2) 极化损耗
电场对介质中运动的电荷做功, 产生绝缘介质因松弛极化而引起的热损耗, 这就是极化损耗。随着交变电场频率的增加, 电荷往复运动更加频繁, 极化损耗也越大。
(3) 游离损耗
游离损耗是绝缘介质内部由于气泡、油隙、凸起电极等电场集中处电场强度高于某一数值时产生游离放电引起的。游离损耗只有当电压超过一定数值时才会发生, 并且随着电压的升高而急剧增加。
3 结束语
总之, 绝缘损坏的原因是复杂多样的, 为了更加准确、可靠、方便的测量到反映电缆绝缘系统劣化程度的特征量, 及早发现绝缘隐患, 避免事故的发生, 不断研究先进的绝缘检测技术和开发出合适的绝缘检测装置是十分必要和迫切的。
摘要：绝缘材料在使用一定的年限以后, 绝缘性能都会呈现一定程度的劣化, 这被称为“绝缘老化”。绝缘材料的老化原因是多样的、复杂的, 最具代表性的主要有:热老化、机械老化、电压老化等。绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等, 对老化了的绝缘材料进行显微观察, 可以发现树枝状结构存在。
关键词：电线电缆,绝缘老化,电阻下降,介质损耗,绝缘检测,综合分析,不确定性
参考文献
[1]周龙, 陈明意.电力电缆绝缘性能检测方法分析[J].武汉工业学院学报, 2003 (02) .
[2]王瑞明, 曹庆文, 董连文.数字式介质损耗因数tanδ检测仪的设计[J].电测与仪表, 2003 (02) .
电力电缆老化机理研究 篇2
1 IE级电缆老化分析
在国际标准IEEE-323中指出, 导致设备性能衰退的潜在老化因子包括:温度、辐照、气压、潮气、水喷淋、蒸汽、浸水、化学物质作用、振动和地震, 以及设备的操作运行本身。对于电缆来讲, 在正常运行情况下, 影响其老化的主要因素有温度、辐照、潮气、振动和设备运行等。下面分别就这几项进行分析。
1.1 温度
温度包括环境温度和设备运行自身发热。在温度的长期作用下, 材料会因为缓慢的物理和化学过程而产生热老化。热老化主要是通过分子键的交联和断裂使材料的硬度、脆性、抗拉强度、延伸性、抗压性、弹性模量、吸水性、绝缘电阻、高压介电强度以及其他一些电气特性。热老化的影响会造成电缆中的绝缘和护套的绝缘和护套变硬甚至开裂, 使电缆的机械特性, 如抗拉强度、延伸性、抗压性、弹性模量等降低, 从而导致电缆失去介电强度、绝缘电阻降低, 产生信号噪音增加或信号出错、漏电流增加和回路故障等电气故障。
1.2 辐照
在核电站中辐照的类型包括α、β、γ和中子4中, 由于大部分中子会被堆芯容器所阻挡, 只对堆芯附件的电缆产生影响。α粒子其穿透能力较弱, 对电缆的辐射影响可不计。β粒子虽然穿透力也较弱, 但是其电离能力较强, 所以对于堆芯附件的电缆还是有一定的影响。γ粒子穿透力最强, 是考虑辐射对电缆老化影响中的主要因素。辐照效应对于电缆的主要在于护套和绝缘材料, 在辐照的影响下, 材料的原子或分子的激发或电离使其性能会逐渐劣化, 主要原因是激发和电离使材料中的分子或原子的键断裂, 产生自由基或小分子, 发生交联和断裂的化学反应, 导致材料的抗拉强度、延伸性、抗压性、弹性模量等机械强度下降, 从而引起电气特性的下降。
1.3 潮气
湿度是影响电气设备性能劣化的主要因素, 对于电缆, 湿度主要是影响电缆护套和绝缘材料, 由于潮气的吸收和扩散易在材料中形成水树, 这是XLPE电缆老化的主要现象之一。水树枝的形成会造成局部应力增高, 可能成为电树枝的发源地。高温下, 水树枝里可能发生显著的氧化, 导致吸水性增大, 导电性增高, 最终热击穿;低温下, 水树枝经较长时间氧化或转化为电树枝, 破坏就开始了。水树的存在导致绝缘水平下降、漏电流增加和回路故障。再者, 水汽在绝缘材料表面的吸附也会造成材料的表面绝缘电阻下降。
1.4 振动
电缆的振动一方面是由于电缆中的电流产生的电动力, 另一方面是由于被连接的设备振动引起的电缆振动。振动对电缆的损害主要是转弯和接头处, 尤其是在电缆与其他设备连接的地方, 如大型电机的终端接线处, 由于电缆本身的电动力和电机的振动引起的电缆护套磨损、开裂, 造成其结构完整性丧失, 失去了保护绝缘的能力, 致使水汽的渗透及内部结构的污染, 加速绝缘了电缆的损坏及老化。
1.5 设备运行
电缆在运行中, 持续的电压会造成电缆绝缘的劣化, 尤其是对高压电缆而言, 在运行电压下, 会产生局部放电老化和电树枝老化。局部放电存在于电树枝、孔隙、裂纹、杂质以及剥离的界面上。当绝缘中存在微孔或绝缘层与内、外半导电层间有空隙时, 将由于局部放电侵蚀绝缘而使绝缘性降低, 以致发生老化形态, 最终发展为绝缘击穿。而电树枝是由于绝缘材料中含有杂质, 形成场强集中部位发生局部放电, 具有树枝状痕迹逐步伸展至全部路径而击穿的老化形态。
以上是影响电缆老化的几个主要因素, 但是这些因素对于电缆老化的影响并不是单一的, 往往是多种老化因素的综合作用。如:长期较高温度和辐照的综合作用使电缆的外护套和绝缘材料脆化和开裂, 而振动又会进一步加速材料的开裂或破损, 随之潮气的渗透加速材料的化学反应, 也会在绝缘中加速水树的形成, 造成介电强度的降低, 泄漏电流增加, 最后会导致电缆击穿等绝缘故障的发生。
2 IE级电缆材料老化机理分析
以上所分析的电缆护套和绝缘的老化只是电缆老化的表象, 其老化的根源在于聚合物材料的微观机理。因此, 通过分析和揭示其微观机理, 并同其老化的宏观现象将结合, 就能分析和评价这些微观效应长期积聚而导致的电缆材料的宏观特性的变化。也就为电缆老化管理所需的技术手段提供了理论基础和应用模型。电缆材料的老化机理可分为影响分子结构的化学老化机理和影响材料混合物成分的物理老化机理。
2.1 化学老化机理
主要的化学老化机理如下:
1) 高分子链断裂:一个高分子链断裂为两个新链, 一般是烷氧基或过氧化根断裂;2) 交联反应:在两个相邻高分子间形成共价键, 随着交联数量和密度的增加, 最终形成三维网络;3) 氧化反应:氧化反应开始阶段, 在温度和辐照的影响下, 由于共价键的断裂而产生反应性物质, 直接导致断链和交联。
2.2 物理老化机理
主要的物理老化机理如下:
1) 增塑剂挥发:材料表面的增塑剂向周围的空气中挥发, 然后材料表面又被由材料核心向表面扩散的增塑剂所填塞, 因此随着温度的不同, 材料中将存在挥发和扩散两种分子动力学机制的竞争。2) 增塑剂迁移:这一现象出现在采用增塑材料的多层电缆中, 增塑剂在不同材料层间迁移, 直至各层材料中的增塑剂分布均匀。
电缆的绝缘和护套的材料多是由聚合物与多种添加剂和填充剂混合而成, 具有良好的电气、机械和阻燃特性。其中添加剂主要是保护剂 (抗氧化剂、热稳定剂、阻燃剂) 、矿物充填料、增塑剂、油和颜料等, 一些复杂的混合物可能含有10种或15种成分。这些组份若按不同配方进行配制, 则所产生混合物的活化能、热老化速率和辐照最大耐受剂量也将不同。
3 结语
IE级电缆是核电站中与安全相关的重要设备, 具有极难更换的特殊性。通过对其老化机理的分析, 从而采用科学的手段来评估电缆的技术状态、制定恰当的运行维护方式和改善环境条件, 即可减缓电缆老化, 延长电缆寿命。实现对电缆的劣化趋势的探测和分析, 建立逐级预警机制, 消除1E级电缆故障或缺陷对电厂安全的潜在威胁。从而, 为核电厂带来良好的安全和经济效益
摘要：由于1E级的电缆在核电站中的重要性, 其老化将会影响电站的安全运行, 因此对其老化的机理和现象进行分析, 就显得十分必要。本文介绍了核电站IE级电缆的主要老化现象, 并对其老化的微观机理进行了分析, 以便采取科学的方法建立老化管理程序。
电力电缆老化机理研究 篇3
我国经济和工业生产的迅速发展,对电力的需求愈发庞大。电力电缆作为电力传输不可缺少的必要元件,其运行可靠性决定着整个电力系统的安全与稳定。但目前已投入使用的电缆线路常因电缆本身存在的质量缺陷,而在运行过程中引发故障,阻碍电力的有效传输,严重影响生产和生活的正常进行。 近几年,国家电网公司对投入使用的电缆线路故障进行统计分析后发现,在电缆运行中后期,绝缘层存在的质量缺陷会加速绝缘材料的老化失效,造成故障概率增大[1]。因此,准确评估电缆绝缘老化寿命对分析电缆线路的安全运行期限至关重要。
1电缆绝缘的老化机理
电缆在敷设一段时间后,绝缘易在机械应力、化学物质、水分、温度和电场等因素的影响下发生老化,导致其机械 性能和电 气性能劣 化。 根据老化原因,电缆绝缘老化方式可分为机械老化、化学老化、电老化和热老化,其中电老化和热老化是造成电力电缆绝缘老化失效的主要原因。电老化是指电缆在电力 传输过程 中,绝缘始终 在高场强 作用下,绝缘中的杂质或结构缺陷处电场集中,并最终发展为树枝老化(即电树枝老化,引发绝缘材料局部高温、化学分解),导致绝缘 性能劣化 失效。 热老化是指电缆在运行中负荷电流及短路电流产生的热量,以及周围环境温度引起的电缆发热,导致电缆温度升 高,从而加速 电缆内部 绝缘材料 的热降解反应,致使绝缘变脆变硬,电气和机械性能劣化,使用寿命降低。
2电缆绝缘老化评估的常用模型
早期电缆寿命的评估缺乏规定,一般企业以经验规定电缆的寿命,设备寿命是多少,与设备配套的电缆寿命就规定为多少。随着对电缆寿命评估的日趋重视,国内外学者做了大量研究,通过模拟电缆老化机理提出了常规评定法和加速评定法两种电缆寿命评估方法。其中常规评定法的试验周期过长,已逐渐被试验周期短、试验消耗低的加速评定法取代, 目前加速评定法广泛应用于电力电缆老化寿命评估中。加速评定法是通过加速试验手段模拟电缆的老化进程,建立绝缘材料寿命特征值与老化寿命间的关联模型,并以此外推绝缘正常老化状态下的电缆寿命。加速评定法分析电缆老化寿命时通常采用Weibull分布模型和Arrhenius模型[2]。
2.1Weibull分布模型
Weibull分布模型是基于“最弱环原则”,其与电缆绝缘材料在最弱点击穿失效的理论相符,是分析材料电老化寿命的有效模型。利用Weibull分布模型描述电缆绝缘击穿的分布规律为:
式中P为电缆绝缘在电场强度E作用时间t后,发生击穿的概率;a,b分别为概率函数和击穿场强与时间相关的形状参数;c为常数;t0为在场强E0下电缆寿命的最小期望值。
若电缆绝缘有相同的累积击穿概率,则有
整理后得老化寿命方程,
式中C1,C2为常数;n=a/b为老化寿命指数,通过模拟电缆老化的可靠性试验计算出n值,从而可得出任意场强下的电缆老化寿命。
基于Weibull分布模型设计的电缆老化寿命评估加速试验是绝缘的单因素电老化加速试验,通过测量电缆绝缘在高场强下的老化击穿寿命,再根据模型计算出电缆额定工作电压下的老化寿命。中高压绝缘电力电缆中的交联聚乙烯(XLPE)绝缘层承受着高强度电场,易使绝缘材料内部的结构缺陷或杂质产生局部放电,引发绝缘发生树枝老化,导致XLPE绝缘老化失效,可见电老化是中高压电缆中XLPE绝缘老化失效的决定性因素,而温度、机械应力等因素对XLPE绝缘老化影响较小,仅在一定程度上加速了绝缘老化进展,并非主导因素。因此,基于Weibull分布模型设计的模拟电缆电老化机理的加速老化试验主 要适用于 评估中高 压等级XLPE绝缘电力电缆的老化寿命。喻岩珑等人以8.7kV/ 10kV XLPE绝缘电缆为试样,采用分步加压法,起始电压60kV,相邻电压比为1.06逐步升压,测量每步耐压时间分别为1 min和20 min的电缆绝缘击穿所需步数,计算出老化寿命指数n值,通过加速老化试验测出一个击穿点,再运用式(3)求出电缆额定工作电压下的电老化寿命[3]。
2.2Arrhenius模型
Arrhenius模型是一种化学反应动力学曲线模型,温度与化学反应速率的关系可用Arrhenius方程表示为:
式中K为反应速率常数;A0为指前因子;Ea为活化能,单位为KJ/mol;R为气体常 数,R=8.314J/ (K·mol);T为热力学温度,单位为K。
若电缆绝缘在不同温度T和不同反应速率常数K的条件下,以不同反应时间t′,达到同一失效标准F(t′),则有:
两边取对数整理后 ,
式中A为与绝缘材料老化性能相关的常数项。上式表征了绝缘材料老化寿命t′与老化温度T间的关系模型,即老化寿命的对数ln t′与老化温度的倒数1/T呈线性关系。
基于Arrhenius模型设计的电缆老化寿命评估加速试验是绝缘的单因素热老化加速试验,目前应用较为广泛的 有常规法 (CA)和差示扫 描量热法 (DSC)。在2005年我国制定的硫化橡胶和热塑性橡胶老化寿命标准中就采用了CA法[4],规定电缆绝缘试样在不少于三个温度水平下做加速热老化试验,通常以断裂伸 长率为原 始值的50% 为失效标 准,记录绝缘老化时间,采用最小二乘原理计算出老化时间与温度变化之间的关系(如式(6)所示),再外推电缆工作温度下的老化寿命。低压橡胶绝缘电力电缆绝缘承受的电场强度低,电老化对橡胶绝缘性能影响微弱,而导体长期工作产生的热量会造成橡胶大分子发生热解反应,破坏绝缘材料结构,使材料的机械性能、电气性能劣化,最终导致失效,可见热老化是低压电缆中橡胶绝缘老化失效的决定性因素。因此,基于Arrhenius模型设计的模拟电缆热老化机理的加速老化试验主要适用于评估低压橡胶绝缘电力电缆老化寿命。刘立辉等人采用DSC法对丁苯橡胶绝缘电缆进行老化寿命评估[5],测量试样和参比物热流率与温度的关系,在不同升温速率下测得DSC曲线的尖峰温度,求出活化能Ea。再以某一温度做加速老化试验,以断裂伸长率为原始值的50%为失效标准,记录老化寿命,确定式(6)中的参数A,再计算出电缆工作温度下的老化寿命。
3电缆绝缘老化评估模型的改进
由于电缆的实际老化过程是多种因素综合作用的结果,虽然利用Weibull分布模型和Arrhenius模型评估电缆老化寿命的结果被证明与电缆的实际使用寿命是较为一致的[6,7],但两模型的加速试验均只分析了电缆的单一主要老化因素,导致适用对象较为单一,且试验评定结果仍略有误差,因此为了使模型评估结果更接近电缆的实际老化寿命,应结合电缆的实际运行环境,尽可能引入电缆运行条件下的各种有效参量对电缆试样进行寿命推算。
与电缆的实际老化过程相 比,Weibull分布模型的加速试验只考虑了电老化因素,缺少了应力老化因素,同时电缆试样在加速电老化的试验过程中会导致试样绝缘温度高于电缆的实际工作温度,也扩大了热老化对试验寿命结果的影响。为了降低这些因素对老化寿命评估带来的偏差,使加速老化试验的评估结果更接近电缆的实际老化寿命,笔者建议在设计基于Weibull分布模型的加速试验时引入机械应力因素,以及确保电缆试验温度与实际工作温度保持一致。为此,可通过以下措施来实现:a.通过负重或弯曲对电缆施加恒定应力;b.将电缆试样置于空气循环式恒温烘箱中,调整烘箱温度,控制电缆试样在试验过程中的温度变化。
与电缆的实际老 化过程相 比,Arrhenius模型的加速老化 试验只考 虑了热老 化因素,而没有考 虑机械应力和 电场等因 素对电缆 老化寿命 的影响,造成试验评定结果的误差。因此,笔者建议参照2006年美国机车 工程师协 会航空分 会在颁布 的SAE AS 22759《含氟聚合物绝缘铜或铜合金电线》中提出的恒应力加速热老化寿命试验[8],在设计基于Arrhenius模型的加 速热老化 试验时引 入与电缆实际 运行环境 一致的电 场和机械 应力因素。为此,可通过以下 措施来实 现:a.对电缆试 样施加额定工作电压;b.通过负重或弯曲对电缆施加恒定应力。
4结束语
电力电缆老化机理研究 篇4
电线电缆在长期使用过程中会受到诸多因素的影响而引起材料的老化,从而使产品性能下降,特别是绝缘材料的老化,可能引起故障甚至引发火灾。轨道车辆等线缆用量大,要求产品使用寿命长,因此,线缆的老化寿命就显得十分重要,但目前轨道车辆用线缆的寿命研究却鲜有所见。本文基于取得的轨道车辆上实际使用的薄壁电缆作为试验对象, 开展老化剩余寿命的研究评估。
1 电线电缆老化的因素
引起线缆老化的因素有很多,对于绝缘材料来说,温度是最重要的因素,而其他因素,基本都是外部影响,有些只能作用于材料外层(如机械应力、湿度、化学物质、氧等),因此,温度是影响车辆用线缆老化的主要因素。
2 热老化寿命的预测方法
目前国内外热老化寿命研究预测方法中,最重要和常用的方法是基于Arrhenius模型进行外推计算的方法,包括常规法和基于分析法的快速评定法等。其中常规法是被广泛认可的方法,其试验过程采用恒应力加速老化试验法,可信度较高,并已形成标准,如IEC60216 系列。
3 热老化试验及老化剩余寿命预测
3.1 试验样品的情况及取样背景
试验样品为符合标准GB/T 12528-2008 的要求,型号为WDZDCYJB/3-125 750V 2.5mm2的轨道车辆用薄壁电缆。电缆由单股线芯的导体和绝缘组成,绝缘材料的主要材质为聚醚醚酮(PEEK)。试验样品取自实际安装在轨道车辆上的电缆,该车辆已运营7~8年。
3.2 耐热性能和诊断试验的选择
根据GB/T 12528-2008 中的性能要求,IEC 60216-2:2005 的性能推荐以及产品的使用安全要求综合考虑,选择耐电压性能,试验方法为GB/T 3048.8- 2007。
3.3 试样数量
对于耐电压类检查试验,在绝大多数情况下,要求每一温度至少由11 个样品组成。
3.4 终点选择
按照GB/T 3048.8-2007对老化后样品进行耐压测试,施加电压3.5 V,持续15 min,如果样品被击穿则表示样品未能通过检查试验。
3.5暴露温度和时间
试验样品的绝缘材料为PEEK,该材料具有优异的耐热性能,根据预测试结果,确定试验的暴露温度和时间选择见表1。
3.6 试验结果
根据测试得到各个温度的终点时间见表2。
回归线的计算
式中:y=lgt;x=1/T
利用最小二乘法,由获得的每组试验数据即暴露温度与对应的终点时间推算常数a和斜率b,公式如下:
式中,k为x, y的组数。
将表2 中的暴露温度由摄氏度转化为热力学温度,并将各组数据代入式(2)和(3)中得到:a=-16.020;b=10 599,则寿命方程即该样品老化时间与热力学温度之间的关系为:
由式(4)可评估产品的使用情况要求,如假设车辆的设计运行时间为30 年,则根据式(4)可估算产品的最高使用温度约为220℃。
4 结语
基于Arrhenius模型原理的常规法老化寿命预测可用于轨道车辆用电缆的老化寿命评估,但该方法只考虑温度对产品的影响,忽略机械应力、湿度、电气老化等因素对产品老化的影响。
选取车辆实际使用薄壁电缆作为研究对象,得到老化时间与热力学温度之间的关系为lgt=-16.020+10 599/T,此关系式可用于产品在车辆设计使用年限内最高使用温度的评估,为产品的设计和维护提供参考。
摘要：本文介绍了电缆老化的主要因素、老化的试验方法、老化寿命的预测方法及其模型原理。笔者选取轨道车辆实际使用薄壁电缆为研究对象,在不同温度下进行加速老化测试,将结果进行计算分析并得到老化时间t与热力学温度T之间的关系,为电缆老化寿命的预测评估提供依据。
关键词：轨道车辆,薄壁电缆,老化剩余寿命
参考文献