基于硬度保留率的船用電纜剩余壽命快速評估

孟曉凱　王志強　李國鋒

(大連理工大學電氣工程學院　大連　116024)

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基于硬度保留率的船用電纜剩余壽命快速評估

孟曉凱王志強李國鋒

(大連理工大學電氣工程學院大連116024)

為了更好地對電纜絕緣狀態(tài)進行分析，提出采用硬度保留率這一可以快速檢測特征量作為電纜剩余壽命的無損評估方法。以船用乙丙橡膠電纜為研究對象，首先利用優(yōu)化的時間-溫度平移因子擬合不同加速老化溫度下試樣硬度保留率數(shù)據(jù)，并由Arrhenius方程外推出不同終點水平與運行溫度下電纜剩余壽命。其次，將硬度保留率與由斷裂伸長率保留率計算的壽命值進行比較以驗證該方法的準確性。結(jié)果表明，硬度保留率與斷裂伸長率保留率具有高度的一致性，為電纜剩余壽命的快速評估提供了一種新的方法。

硬度保留率無損評估乙丙橡膠時間-溫度平移因子

0　引言

船用電力電纜作為船舶電能傳輸和配送過程中能量轉(zhuǎn)移的核心，是保證電力設(shè)施正常工作的關(guān)鍵設(shè)備[1]。由于船舶的工作環(huán)境比較復雜，在熱、機械、濕度、鹽分和油霧等因素的影響下，會導致電纜絕緣材料不斷老化，絕緣性能下降[2，3]。絕緣性能的優(yōu)劣直接決定了電纜的使用壽命，所以如何準確地評估現(xiàn)役電纜的絕緣狀態(tài)及剩余壽命具有重要的現(xiàn)實意義與學術(shù)研究價值[4]。

在船舶的日常安全維護中，管理人員通常采用目測法和絕緣電阻檢測法對電纜進行判斷[5]。但目測法只能從電纜外表顏色變化、有無明顯機械損傷等大致判斷電纜狀態(tài)；絕緣電阻檢測只能判斷電纜整體的絕緣狀態(tài)，無法判斷具體的剩余壽命。

國內(nèi)外對于電纜絕緣老化的研究主要是從化學性能、力學性能和電氣性能3個方面分析[6，7]。文獻[8-10]引入等溫松弛電流法來測試110 kV XLPE電纜的老化狀況，結(jié)果表明該方法能夠準確地區(qū)分老化和未老化電纜，但只能夠定量地給出電纜的老化狀態(tài)；斷裂伸長率測量主要是通過研究試樣在不同的加速熱老化溫度下拉伸長度隨時間的變化規(guī)律，利用Arrhenius方程推導得出電纜的壽命[11]，該方法在國內(nèi)外對電纜壽命預測中的使用頻率最高，但屬于破壞性試驗，且其試驗周期較長[12]。耐壓法是一種能直接判斷電纜絕緣性能的方法，能夠較準確地對電纜壽命進行評估，缺點是如果耐壓試驗后對電纜芯放電時間不夠，殘余電壓降會影響絕緣電阻的測量值，且在試驗中需不斷與新電纜的數(shù)據(jù)進行比較，數(shù)據(jù)的處理過程也比較繁瑣[13]。

硬度值作為電纜絕緣性能的一種指標，國內(nèi)外學者也對其進行了分析研究。文獻[14]利用硬度壓頭計模量對核電站中乙丙橡膠電纜的機械和電性能的關(guān)聯(lián)性進行了評估，發(fā)現(xiàn)硬度壓頭計模量能夠無損地監(jiān)測絕緣材料的機械和電性能的極限值與電纜的運行條件以及壽命，得出在潮濕的環(huán)境中擊穿電壓，能很好地評估電纜的老化，而在高溫環(huán)境中斷裂伸長率作為評判標準更加合適。文獻[15]提出了基于剩余硬度保留率的快速檢測方法對船用橡膠電纜壽命進行評估，結(jié)果證明該方法能夠很好的預測電纜壽命，但是其計算過程中需要知道電纜出廠時的初始硬度，對于不同年代生產(chǎn)的產(chǎn)品來說，即便是同一型號的電纜其初始硬度可能不同，將給計算結(jié)果造成很大的誤差。文獻[16]通過對幾種不同類型電纜進行的熱老化分析，說明電纜絕緣材料的斷裂伸長率和硬度壓頭計模量與老化時間有很好的關(guān)聯(lián)性。

本文在總結(jié)分析前人工作的基礎(chǔ)上，提出了采用硬度保留率作為電纜剩余壽命的評估指標。基于優(yōu)化的時間-溫度平移因子擬合不同老化溫度下絕緣性能的變化曲線，并結(jié)合Arrhenius方程對電纜壽命進行預測。試驗得出的壽命值與由斷裂伸長率保留率得出的結(jié)果基本一致，證明了本文所提方法的可行性，為電纜的無損在線監(jiān)測提供了理論依據(jù)。

1　硬度保留率

類似斷裂伸長率保留率的概念，本文提出采用硬度保留率對老化后的試樣進行分析，所謂的硬度保留率是指100度減去當前樣品的測試硬度值與100度的比值，即

(1)

式中，P%為硬度保留率；X為老化后試樣的硬度值，由硬度計直接測量得到。

與文獻[17]所使用的剩余硬度保留率相比，本文所提出的硬度保留率計算中無需計算未老化試樣的初始剩余硬度，只需測試老化后試樣的硬度值即可計算出電纜的剩余壽命，提高了工作效率；另外，待測電纜多已使用多年，無法找到與待測電纜相同的新電纜進行初始值的測定，所以只測量老化后的硬度值很大程度上提高了計算的準確度。

2　試樣制備及測試方法

2.1初始值測定

本文選用CEF/DA型乙丙橡膠電力電纜絕緣層作為原材料，采用JCP-25型沖片機將材料按照ISO 37：2005中規(guī)定制備啞鈴型試樣，其形狀和尺寸如圖1所示,圖中單位mm。

圖1　啞鈴試樣尺寸圖Fig.1　Dimensions of dumbbell shape sample

根據(jù)美國火力電站電纜試驗規(guī)范與IEC60216標準，135 ℃為老化必選溫度，其余等級差為15 ℃，且取4個老化溫度為最佳，因此本文選取135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃作為本次試驗電纜絕緣材料的老化溫度。根據(jù)GB/T 2951.11—2008和IEC60811—1—1：2001，IDT，選取厚度在0.8～2.0 mm范圍內(nèi)、厚度差小于0.1 mm的試樣作為試驗標準試樣。據(jù)IEC60216—6：2004，在進行老化前選取部分試樣置于最低溫度135 ℃下暴露48 h后，用JDL-1000型微控電子拉力試驗機測量試樣的初始斷裂伸長率，又因為電纜絕緣材料屬于硫化軟質(zhì)橡膠且試樣厚度較薄，本文采用LX-AM型邵氏硬度計在室溫下(23±1 ℃)測量其硬度值，見表1。

表1　試樣初始性能值Tab.1　The initial features of samples

2.2老化試驗

在對橡膠材料進行熱老化方面，先后出現(xiàn)了烘箱、人工氣候、氧彈、濕熱、臭氧和煙霧腐蝕等加速老化試驗方法。由于烘箱加速老化試驗[18]與實際自然老化條件下的結(jié)論最接近，所以本文選取401B型烘箱對電纜試樣進行加速老化試驗，按照IEC 60216—4—1：2006設(shè)定換氣頻率為12次/h。將老化后的試樣置于真空袋中放置16 h后測試其硬度值，每個溫度點和時間點下測量5個試樣的硬度值。為了提高數(shù)據(jù)的準確性，在對數(shù)據(jù)進行處理時，取平均值作為測量計算值，帶入式(1)可知測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　硬度測試值Tab.2　Test values of hardness

由測試數(shù)據(jù)可知，乙丙橡膠的硬度保留率隨老化時間的增加逐漸減小，并且與老化程度具有良好的單調(diào)關(guān)系。

2.3老化數(shù)據(jù)處理

1)時間-溫度平移因子優(yōu)化

為了消除測量溫度的影響，利用時間-溫度平移法將高溫加速老化下的數(shù)據(jù)外推至較低溫度下，構(gòu)建不同測量溫度下硬度保留率的主曲線，進而外推至實際工作溫度下材料硬度保留率與壽命的變化規(guī)律[19-21]。本文選取135 ℃為基準溫度，將高溫下的數(shù)據(jù)水平方向移動，各試驗溫度Ti下的平移因子αTi為

(2)

式中，trefi為Ti平移至基準溫度后對應的老化時間，tTi為Ti平移前的老化時間。

各溫度組移至基準溫度的平移因子為待優(yōu)化參數(shù)，為了能夠更加精確地對硬度保留率曲線進行擬合，建立曲線的非線性擬合方程，本文將每個老化溫度下的數(shù)據(jù)向基準溫度平移，并利用最優(yōu)擬合度方程比較平移后的擬合度來選取最佳值。

最優(yōu)擬合度為

(3)

式中

(4)

(5)

(6)

式中，αT1=1，αTi>1(i=2，…，m，m=4)；i為每個溫度組的順序號；j=1，…，ni，ni為第i組內(nèi)的順序號，ni=5；pij為各組下對應的硬度保留率；tij為各組下的老化時間。

按照以上步驟，對熱老化的試驗數(shù)據(jù)進行主曲線構(gòu)造和擬合。本文選取135 ℃為基準溫度，并且通過IBM SPSS Statistics統(tǒng)計軟件分析[22]可知指數(shù)函數(shù)的擬合度最高，所以得到如圖2所示的擬合曲線。從圖2中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后數(shù)據(jù)點的曲線擬合度為0.985，能夠較好地反映電纜加速老化下的變化規(guī)律。

圖2　硬度保留率擬合曲線Fig.2　The fitting curve of retention rate of hardness

2)活化能計算

由Arrhenius方程可知，反應的速率m與exp(-Ea/RT)呈正比，即

(7)

式中，m為反應速率；A為指前因子；Ea為活化能，kJ/mol；R為氣體摩爾常數(shù)；T為絕對溫度，K。

反應時間t與m呈反比，αT與t呈反比，故對于不同時間點轉(zhuǎn)移因子αT1、αT2

(8)

假設(shè)αT2=1，T2=408 K，代入式(8)并取對數(shù)可得

(9)

圖3　硬度保留率平移因子與熱力學溫度的關(guān)系Fig.3　Relationship between shift factor and thermodynamic temperatures of P%

由上面的分析可得基于硬度保留率的電纜壽命外推方程為

(10)

3)壽命外推

參照圖2與式(10)所推出的電纜壽命公式，可得在不同的壽命終點和工作溫度下電纜的壽命見表3。對于現(xiàn)場檢測來說，只需知道同類型電纜在當前使用情況下的硬度保留率與工作溫度，就能夠根據(jù)公式快速推斷出電纜的壽命。

表3　不同溫度和不同終點水平下電纜的壽命Tab.3　The aging lifetime of cable under different temperatures and end levels

3　試驗方法驗證

以斷裂伸長率保留率作為電纜壽命預測的方法已被廣泛地應用。本文按照第2節(jié)的分析和數(shù)據(jù)處理方法對本文試驗的啞鈴試樣做拉伸試驗并進行壽命值計算，通過對比分析實驗結(jié)果對所提方法進行驗證。

按照斷裂伸長率測試標準，對試樣進行拉伸后測試斷裂伸長率，并計算得出斷裂伸長率保留率的數(shù)據(jù)見表4。

參照上節(jié)所用分析方法對斷裂伸長率保留率數(shù)據(jù)進行擬合并計算活化能，結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4中可以看出曲線擬合度較好，達到0.991 3。圖5中計算出的活化能為128 kJ/mol，與硬度保留率擬合后的活化能數(shù)值基本保持一致，從一方面證明了本文所提方法的可靠性。

為了充分證明本文所提方法與斷裂伸長率保留率的一致性關(guān)系，依據(jù)擬合后的方程建立兩者的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由前文可知，試樣的初始硬度值為77.6HA，本文在分析過程中并沒有利用初始值進行計算。但從圖6中關(guān)系曲線可知，EAB%為98.1%，硬度保留率為22.4%時，與試驗測試的初始值基本吻合；而硬度保留率為0.9%時，EAB%為0%，與橡膠實際的拉伸情況相符，再次證明了硬度保留率與EAB%有高度的一致性，進一步證實本文所提方法能夠很好地對電纜的老化狀態(tài)進行評估。通常對于EAB%的失效標準為30%～50%，從圖6可知對應的硬度保留率為6.2%～10.2%。由所求得的活化能數(shù)據(jù)及壽命外推方程，建立硬度保留率與斷裂伸長率保留率對電纜壽命評估的差值，如圖7所示。從圖7中可以看出，兩種方法預測的電纜壽命在工作溫度為75 ℃、80 ℃、85 ℃和90 ℃時最大差值分別為2.0 a、1.0 a、0.5 a與0.3 a，證明基于硬度保留率的評估方法能夠很好地預測電纜壽命，且在現(xiàn)場測量中建議以10%作為硬度保留率終點水平。

表4　斷裂伸長率保留率試驗數(shù)據(jù)Tab.4　Test data of EAB%

圖4　斷裂伸長率保留率擬合曲線Fig.4　The fitting curve of EAB%

圖5　斷裂伸長率保留率平移因子與熱力學溫度的關(guān)系Fig.5　Relationship between shift factor and thermodynamic temperatures of EAB%

圖6　EAB%與硬度保留率的關(guān)系曲線Fig.6　The relation curve between EAB% and hardness retention

圖7　不同終點和溫度水平下壽命差值Fig.7　Life difference under different temperatures and end levels

4　結(jié)論

本文以船用乙丙橡膠電纜為研究對象，提出了采用硬度保留率可快速評估電纜的壽命。通過上述分析可以得出以下幾點結(jié)論：

1)采用優(yōu)化的時間-溫度平移優(yōu)化方程對平移因子進行分析，有利于提高數(shù)據(jù)的擬合程度，提高活化能計算準確度。

2)提出了基于硬度保留率的船用乙丙橡膠電纜的絕緣壽命檢測，結(jié)果與斷裂伸長率保留率的測試結(jié)果一致，說明了本文所提方法是可靠的。

3)由斷裂伸長率保留率壽命終止判斷標準多為50%，對應的硬度保留率為10.2%，因此建議在現(xiàn)場測量過程中可以硬度保留率為10%作為失效標準。

4)本文所提硬度保留率檢測方法為無損檢測，在現(xiàn)場測試同類型電纜時只需知道其硬度保留率值，即可預測其壽命，為實現(xiàn)電纜壽命的快速預測提供了新的思路。

[1]Lei Z，Song J，Tian M，et al.Influence of cavities on the dielectric properties of ethylene propylene rubber insulation[C]//2014 International Conference on Electrical Insulating Materials (ISEIM)，Niigata，2014：437- 440.

[2]Grzybowski S，Cao L，Pushpanathan B.Accelerated electrical degradation of 15 kV EPR cable under dry and wet condition energized by switching impulses[C]//2009 North American Power Symposium (NAPS)，Starkville，2009：1-5.

[3]Wang Bingkang.The effect of insulating property ofshippower grid on the safety of ship navigation[J].Jiangsu Ship，2002，19(1)：20-22.

[4]羅潘，任志剛，徐陽，等.退役高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化狀態(tài)分析[J].電工技術(shù)學報，2013，28(10)：41- 46.

Luo Pan，Ren Zhigang，Xu Yang，et al.Aging condition analysis of high voltage XLPE cables out of service[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(10)：41- 46.

[5]Kaynak C，Ibibikcan E.Contribution of nanoclays to the flame retardancy of polyethylene-based cable insulation materials with aluminum hydroxide and zinc borate[J].Journal of Fire Sciences，2014，32(2)：121-144.

[6]Xu Yang，Luo Pan，Xu Man，et al.Investigation on insulation material morphological structure of 110 and 220 kV XLPE retired cables for reusing[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2014，21(4)：1687-1696.

[7]夏向陽，張琦，李明德，等.證據(jù)理論與模糊理論集成的XLPE電纜絕緣狀態(tài)評估研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42(20)，13-18.

Xia Xiangyang，Zhang Qi，Li Mingde，et al.Research on insulation assessment of XLPE cables based on evidence and fuzzy theory integrated method[J].Power System Protection and Control，2014，42(20)，13-18.

[8]劉剛，張高言，周凡.基于等溫松弛法的110 kV高壓電纜老化狀況評估[J].高電壓技術(shù)，2014，40(2)：497-504.

Liu Gang，Zhang Gaoyan，Zhou Fan.Aging state assessment of 110 kV high-voltage cable by isothermal relaxation method[J].High Voltage Engineering，2014，40(2)：497-504.

[9]王雅群，尹毅，李旭光，等.等溫松弛電流用于10 kV XLPE電纜壽命評估的方法[J].電工技術(shù)學報，2009，24(9)：33-37，52.

Wang Yaqun，Yin Yi，Li Xuguang，et al.The method of lifetime evaluation on 110 kV XLPE cables by isothermal relaxation current[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(9)：33-37，52.

[10]趙威，周凱，劉凡，等.在XLPE電纜加速老化過程中理解水樹的自愈性[J].電工技術(shù)學報，2014，29(6)，311-317，332.

Zhao Wei，Zhou Kai，Liu Fang，et al.Understanding self-healing of water tree in process of accelerated aging of XLPE cables[J].Transactions of China Electrotechnical society，2014，29(6)，311-317，332.

[11]許剛，談元鵬，黃琳.基于低秩矩陣填充的XLPE電力電纜壽命評估[J].電工技術(shù)學報，2014，29(12)：268-276.

Xu Gang，Tan Yuanpeng，Huang Lin.Low-rank matrix completion based lifetime evaluation of XLPE power cable[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(12)：268-276.

[12]王志強，周長亮，李文文，等.船用丁基橡膠絕緣電纜剩余壽命評估[J].中國電機工程學報，2012，32(34)：189-195，27.

Wang Zhiqiang，Zhou Changliang，Li Wenwen，et al.Residual life assessment of butyl rubber insulation cables in shipboard[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(34)，189-195，27.

[13]Beigert M，Kranz H G.Destruction free ageing diagnosis of power cable insulation using the isothermal relaxation current analysis[C]//1994 International Symposium on Electrical Insulation，Pittsburgh，1994：17-21.

[14]Hsu Y T，Chang-Liao K S，Wang T K，et al.Correlation between mechanical and electrical properties for assessing the degradation of ethylene propylene rubber cables used in nuclear power plants[J].Polymer Degradation and Stability，2007，92(7)：1297-1303.

[15]王鶴荀.船舶電纜絕緣老化規(guī)律及快速檢測方法研究[D].大連：大連海事大學，2014.

[16]Anandakumaran K.Aging and condition monitoring studies of composite insulation cables used in nuclear power plants[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(1)：227-237.

[17]王鶴荀，紀玉龍，李根，等.船用電纜剩余壽命快速檢測方法研究[J].哈爾濱工程大學學報，2014，35(9)：1076-1081，1123.

Wang Hexun，Ji Yulong，Li Gen，et al.Study on rapid detection method of marine cable residue lifetime[J].Journal of Harbin Engineering University，2014，35(9)：1076-1081，1123.

[18]周勇，李慶民，閆江燕，等.微量硫化物對變壓器油紙絕緣熱老化特性的影響[J].電工技術(shù)學報，2016，31(5)：135-143.

Zhou Yong，Li Qingmin，Yan Jiangyan，et al.Impact of trace sulfide on the thermal aging properties of the transformer oil-paper insulation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(5)：135-143.

[19]楊麗君，齊超亮，郝建，等.變壓器油紙絕緣水分含量的頻域介電特征參量及評估方法研究[J].電工技術(shù)學報，2013，28(10)：59-66.

Yang Lijun，Qi Chaoliang，HaoJian，et al.Frequency domain dielectric characteristic parameter and moisture content assessment methods study on frequency-domain dielectric spectroscopy of oil-paper insulation for transformers[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(10)：59-66.

[20]廖瑞金，劉捷豐，楊麗君，等.電力變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估的頻域介電特征參量研究[J].電工技術(shù)學報，2015，30(6)：247-254.

Liao ruijin，Liu Jiefeng，Yang Lijun，et al.Frequency domain dielectric characteristic parameters for quantitative assessment of moisture content of oil paper insulation in power transformers[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(6)：247-254.

[21]馬志欽，廖瑞金，郝建，等.溫度對油紙絕緣極化去極化電流的影響[J].電工技術(shù)學報，2014，29(4)：290-297.

Ma Zhiqin，Liao Ruijin，Hao Jian，et al.Influence of temperature on polarization and depolarization current of oil-paper insulation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(4)：290-297.

[22]徐東升，楊巍，魏哲，等.基于SPSS的短期負荷特性分析及其預測研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(21)：147-151.

Xu Dongsheng，Yang Wei，Wei Zhe，et al.Application of SPSS in characteristic of short load and it forecasting[J].Power System Protection and Control，2009，37(21)：147-151.

Rapid Assessment of Marine Cable Remaining Life Based on Retention Rate of Hardness

Meng XiaokaiWang ZhiqiangLi Guofeng

(School of Electrical EngineeringDalian University of TechnologyDalian116024China)

In order to analyze the cable insulation state，a nondestructive assessment method is proposed by using the retention rate of hardness as the rapid detection characteristic parameter of the cable remaining life.In this paper，the ethylene propylene rubber (EPR) marine cable is investigated.Firstly，the data of the retention rate of hardness after accelerated aging under different temperatures are used to fit，by means of the optimized time-temperature shift factor.And the cable remaining life is calculated by extrapolation of the Arrhenius equation under different end levels and temperatures.Secondly，the lifetime calculated by the retention rate of hardness is compared with that by the retention rate of elongation at break (EAB %) in order to confirm the accuracy of the method.The results show that the retention rate of hardness is consistent with EAB% and provides a new way for rapid evaluation of cable’s remaining life.

Retention rate of hardness，nondestructive assessment，ethylene propylene rubber (EPR)，time-temperature shift factor

2015-03-10改稿日期2016-04-20

TM247

孟曉凱男，1987年生，博士研究生，研究方向為船舶電纜絕緣狀態(tài)檢測與壽命評估。

E-mail：mengxiaokai870618@163.com

李國鋒男，1968年生，博士，教授，研究方向為特種功率變換技術(shù)、電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)檢測與診斷技術(shù)、船舶電氣設(shè)備控制與保障技術(shù)。

E-mail：guofenli@dlut.edu.cn(通信作者)

國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計劃(2014DFR50880A)、遼寧省博士科研啟動基金(No.20131022)和中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(DUT11RC(3)08-2)資助項目。