核电站电缆运行状态下剩余寿命预测*

张开拓,鲍艳鹏,鲍启伟

(1.河南工学院 电缆工程学院,河南 新乡 453003;2.河南省电缆结构与材料重点实验室,河南 新乡 453003;3.山东华凌电缆有限公司,山东 济南 250220;4.无锡江南电缆有限公司,江苏 宜兴 214200)

0 引言

电缆在运行过程中因绝缘内介质损耗、水树、环境、温度等影响,易产生老化,破坏绝缘质量,降低电缆使用寿命,严重时可导致电缆击穿,影响电网正常运行。因此对电缆寿命研究,特别是对在线运行的电缆剩余寿命的研究极为重要。核电站电缆因其60年的使用寿命要求,此方面的研究更具实际意义。但预估在线电缆剩余寿命比较困难,目前国内外许多学者对电缆寿命进行了相关研究,但大多都是对新制成的电缆绝缘材料或从停运的电缆中取得的样本进行寿命研究[1]。该类研究不足以监控电缆长期在线运行状况,不能够对在线运行电缆的剩余寿命进行较为准确地评估。针对以上情况,本文拟采用的技术路线是:对电缆进行加速电老化实验,以此可在较短时间内模拟电缆长期在线运行时的绝缘老化状况,在电加速老化实验同时,对电缆放电量进行测试,以放电量大小表征绝缘老化情况,并在不同放电量时通过热加速老化实验测得该放电量下的电缆剩余寿命,得到电缆放电量与剩余寿命的关系。据此,在电缆实际运行中,通过电缆放电量的测试,可随时掌握电缆的剩余寿命,为电网管理者采取停运、维护、更换等措施提供依据。

本文以核电站使用的1E级K3类电缆为研究对象,选取在实际运行线路中的电缆样本,在不同的老化时间点[2-3],对电缆样本进行在线局部放电量测试,利用锁相放大器对传感器采集到的电缆局部放电信号进行优化,信号函数α(t)用希尔伯特-黄变换进行处理,从而有效消除干扰,提高局部放电测试准确性。同时选取不同时间点的绝缘试样通过加速热老化实验测试其使用寿命,最终取得不同局部放电量与电缆剩余寿命的关系曲线。

1 实验方案设计

1.1 电老化加速实验

实验前,按图1在靠近电缆中间位置安装专用传感器,以获取不同实验过程的电缆局部放电信号,同时剥除电缆试样端头200—250mm的外半导电层,使之与电缆端头保持足够距离,以防止沿界面方向的闪络放电。将剥离处用细砂纸打磨平整,并用酒精擦拭干净,在空气中放置一段时间,等酒精完全挥发后涂上硅胶油,在电缆两端安装应力管及均压球,防止实验过程中由于绝缘老化引起的电场异变。选取交联聚烯烃为绝缘材料的电缆试样YJV 8.7/10kV 3×120mm2,长度为1000—2000mm。施加电压30kV,实验周期120—160小时。

图1 电加速老化实验方法

1.2 局部放电实验

在电加速老化实验的同时进行电缆局部放电测试,在局部放电量达到一定量时,选取绝缘样本作为热老化加速实验样本备用。局部放电测试系统如图2所示。电缆在正常工作时产生的局部放电信号稳定性差,来自电路背景、电源、回路等非线性信号的影响也很大,传统的傅里叶处理方法的计算效果很不理想。本实验利用锁相放大器对采集到的信号函数α(t)用希尔伯特-黄变换进行处理。锁相放大器工作原理参见图3所示。由于该放大器的Q值可达到1011,工作时可根据输入的标准波形,自动跟踪中心频率并将其保持在测量频率上,并对传感器采集的局部放电信号进行检波、放大、滤波等处理,最终将传感器获取的模态函数进行希尔伯特-黄转换,在时频平面上得到希尔伯特谱图,从而提高测量的精准度。

图2 局部放电测试系统方框图

图3 锁相放大器原理

1.3 寿命评估实验

在1.2、1.3实验的基础上,按照不同的局部放电量选取绝缘试样在热老化烘箱内进行加速热老化，选择135℃、150℃、165℃和180℃共4个实验温度对样品进行加速热老化。参照GB/T 11026.1——2003标准,采用电子拉力实验机对老化后的试样进行机械拉伸,拉伸速度为50mm/min,当断裂伸长率值下降到初始值的50%左右,停止拉伸实验。记录相关实验数据,进行数据处理及分析。

2 电缆寿命的评估

2.1 寿命评估原理

在电缆绝缘材料的寿命分析方法中,最具代表性的是Arrhenius方程[4],该方程揭示出材料的性能衰退速度率与活化能、温度的关系为:

(1)

式中:M为材料性能指标的衰退程度;R为摩尔气体常数,A0为常数;t为时间;T为热力学温度,单位为K;ΔE为活化能,单位为kj/mol。

由式(1)可知,在初始时刻,电缆绝缘材料的初始性能指标为M0。在环境温度T恒定不变的情况下,经过时间t后的性能指标为Mt,则可将此段时间内的累积性能衰减表示为[5]:

(2)

上式展开后,可求得时间的表达式为:

(3)

等式两边取对数,可得:

(4)

由式(4)可知,确定电缆绝缘材料系数a、b后,即可据此计算出电缆绝缘材料在某个恒定温度下工作时的热老化寿命[6-7]。

2.2 数据处理及剩余寿命评估

以局部放电量为2.3pc时取得的绝缘试样为例。将该绝缘试样按实验1.3选定的4种温度分别放入实验烘箱,以适当的时间间隔测试其断裂伸长率,获取其断裂伸长率与热老化时间的关系曲线如图4所示[8]。

图4 断裂伸长率与热老化时间关系曲线

将断裂伸长率值的一半作为其寿命终止点[9-10],从图4中确定寿命终止点对应的老化时间,其值如表1所示。

表1 局部放电量(2.3pc)与寿命终止时间对应的相关计算参数

y=a+bx

(5)

老化温度与绝缘寿命可看作符合散点图的近似直线[11],可用最小二乘法求出两者之间的量化关系,进而确定系数a与b的值[12]。相关数据计算值见表1,由此可得出:

F2=∑xy-(∑x)(∑y)/4=0.000224498

b=F2/F1=6813.417294

当电缆长期工作温度为90度时,x=1/T=0.002754821,则y=a+bx=lnτ=5.720213266,τ=525065.2368小时≈60年。

重复以上实验及数据处理过程,得出不同局部放电情况下的电缆剩余寿命,见表2。

表2 电缆局部放电与剩余寿命计算

根据表2中数据,可做出正常工作中电缆在不同局部放电量时的剩余寿命曲线,见图5。按此关系曲线,可根据电缆在线测得的局部放电量,快速准确地评估电缆在运行状态下的剩余使用寿命。

图5 局部放电量与电缆剩余寿命关系曲线

3 结论

本文以电加速老化实验模拟1E级K3电缆在工作运行状态下综合老化过程,并以局部放电量作为电缆老化受损程度的量化指标,在此基础上,根据Arrhenius方程建立了该类电缆在线绝缘剩余寿命研究模型及技术方案。通过相关实验及数据处理,得出了电缆运行中局部放电量与电缆剩余寿命两者之间的关系曲线,为核电站及电网管理部门进行电缆在线监控、电缆剩余寿命预测和安全运行管理提供了理论支撑及技术方案,有望对其它型号电缆的类似研究提供借鉴。