基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，包括：对XLPE绝缘材料试样进行不同温度不同时间步长逐级升压实验；采用Weibull分布求解获取XLPE绝缘材料试样的特征时间、特征电压和最后一步时间；对XLPE绝缘材料老化寿命作三个假设；得到改进Crine模型，测量拟合曲线在不同温度、不同电压等级下的电导电流密度，采用改进Crine模型求解XLPE绝缘材料试样的活化自由能ΔG；确定不同温度下随电场变化XLPE绝缘材料的老化寿命。该发明专利技术解决了以往老化模型仅考虑电场和单电子作用下的老化问题，可以用于测量各种绝缘材料的老化寿命。化寿命。化寿命。

【技术实现步骤摘要】
基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法


[0001]本专利技术属于绝缘材料老化寿命的测量方法，特别是涉及逐步升压法下的XLPE直流电缆绝缘材料老化寿命评估方法。

技术介绍

[0002]近几年来，随着国民经济的迅速发展，我国对电能的需求也飞速增长，电网规模也日益扩大。我国也逐步开展了针对海上风电、潮汐能等海洋可再生能源的研究，而海底电缆作为电能输送的载体，在海洋能源开发领域具有关键作用。鉴于交流输电系统存在一些难以克服的问题，特别是远距离交流输电存在同步运行稳定性的问题，所以柔性直流输电技术得到了充足的发展，尤其是以交联聚乙烯绝缘材料为绝缘材料的直流电缆已经应用到多种电压等级的输电工程中。
[0003]直流电缆绝缘材料在外部因素单独作用或内外部因素共同作用下，会出现出多种老化现象。国内外学者根据电老化的数学统计规律，提出了经验模型来反映老化绝缘材料的老化规律，如Dakin模型、反幂模型、指数模型等。但这类经验模型也存在明显的缺陷，即无法直接反映老化的内在机理，无法建立与材料本身物理、化学特性之间的联系。为解决这一问题，有学者提出了反映老化物理机理的Crine模型。但Crine模型只考虑了在电场作用下的单个电子对老化的影响，而现在的研究表明老化是一个多电子作用的过程
[0004]因此，多电子作用下的老化机理渐渐成为研究的重点。

技术实现思路

[0005]针对传统电缆XLPE绝缘材料老化寿命测试所采用的恒定耐压法实验时间较长，实验条件严格，反幂模型不能反映老化机理以及只考虑了在电场作用下的单个电子对老化的影响的问题，专利技术的目的在于提供一种电导电流特性为电极效应限制和多电子作用下的老化寿命模型，该模型考虑了电导电流下多电子作用对老化的影响，且实验时间短，重复实验次数多，求解方法误差小，能够很好地求解基于改进Crine模型参数，并预测XLPE绝缘材料老化寿命。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0007]本专利技术一方面，提供了一种基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，包括：
[0008]在不同温度下，对XLPE绝缘材料试样进行不同时间步长逐级升压实验；
[0009]采用Weibull分布求解获取XLPE绝缘材料试样的特征时间、特征电压和最后一步时间；
[0010]对XLPE绝缘材料老化寿命作三个假设；
[0011]基于三个假设，得到改进Crine模型，确定XLPE绝缘材料老化寿命与电导电流密度关系；
[0012]测量在不同温度、不同电压等级下的电导电流密度，通过拟合曲线推导更高电场
强度下的电导电流密度；
[0013]根据XLPE绝缘材料样品特征时间、特征电压和最后一步时间，和更高电场强度下的电导电流密度，采用改进Crine模型求解XLPE绝缘材料试样的活化自由能ΔG；
[0014]根据XLPE绝缘材料样品的老化特征参数活化自由能ΔG，确定不同温度下随电场变化XLPE绝缘材料的老化寿命。
[0015]优选的，升压实验起始电压为10kV，时间步长1min，5min，25min分别为，电压步长为5kV，升压速率为1000V/s。
[0016]优选的，对XLPE绝缘材料老化寿命作三个假设包括：
[0017]第一，在电场作用下，电极会向电极与XLPE绝缘材料界面处的微腔中注入电子；
[0018]第二，进入微腔的电子会在电场作用下脱陷或对分子链造成伤害；
[0019]第三，微腔被破坏，老化初始缺陷的形成所需时间为老化缺陷发展所需时间。
[0020]优选的，假设进入微腔的电子会在电场作用下脱陷或对分子链造成伤害，设电子在微腔内存留的时间为t1，电极注入的下一个电子到达时间为t2：
[0021]当t1>t2时，微腔大部分时间存在电子，绝缘材料的寿命由单一电荷决定；
[0022]当t2>t1时，微腔大部分时间空闲，老化寿命由电导电流密度决定。
[0023]优选的，当电子能量大于陷阱深度Wd，小于活化自由能ΔG时，电子脱陷，不造成损伤。
[0024]本专利技术另一方面，提供了一种基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估装置，包括电极、硅油、绝缘材料样品、环氧树脂材料的实验箱和上、下高/低温恒温循环浴；实验箱箱体分隔为上下两层，电极包括上电极和下电极，绝缘材料样品置于上电极与下电极之间；上电极和下电极分别在上、下高/低温恒温循环浴中。
[0025]本专利技术的有益效果体现在：
[0026]1.由于采用了上电极与循环油浴相连且下电极与循环水浴相连的实验装置设计方法，所以在XLPE绝缘材料试样上下表面形成相同大小的温度，实现不同温度的恒温控制。
[0027]2.由于采用样品和电极要全部浸没在凹槽的硅油中，相比于以往的老化寿命测试方法，本专利技术可以排除实验过程中空气对XLPE绝缘材料的影响。
[0028]3.由于根据电导电流和多电子作用改进Crine模型，因此能反映XLPE绝缘材料的老化机理。
[0029]4.根据实验的结果，本专利技术找到了温度和电导电流对绝缘材料老化寿命的影响，使得本专利技术能够应用于电缆XLPE绝缘材料的预测评估中。
[0030]5.由于采用了同一温度同一步长下大于5次的重复实验，且采用Weibull分布求老化特征参数，因此实验数据的误差较以往实验小。
附图说明
[0031]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：
[0032]图1为温度可控的直流老化实验装置示意图；
[0033]图2为逐步升压法示意图；
[0034]图3为电子在介质/电极表面的注入过程；
[0035]图4为20℃时击穿时间的Weibull分布；
[0036]图5为40℃时击穿时间的Weibull分布；
[0037]图6为60℃时击穿时间的Weibull分布；
[0038]图7为电导电流密度随电场的变化；
[0039]图8为XLPE老化寿命随电场的变化。
[0040]图中：1、电极；2、硅油；3、绝缘材料样品；4、上高/低温恒温循环浴；5、环氧树脂；6、下高/低温恒温循环浴。
具体实施方式
[0041]下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。
[0042]本专利技术基于改进Crine模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，包括实验方法以及数据处理两个部分：
[0043]参见图1，本专利技术基于改进Crine模型的逐步升压法的实验装置，包括电极1、硅油2、绝缘材料样品3、环氧树脂材料的实验箱5和上、下高/低温恒温循环浴4、6。实验箱5箱体分隔为上下两层，电极包括上下电极，绝缘材料样品3置于上电极与下电极之间；上下电极分别在上、下高/低温恒温循环浴4、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，包括：对XLPE绝缘材料试样进行不同温度不同时间步长逐级升压实验；采用Weibull分布求解获取XLPE绝缘材料试样的特征时间、特征电压和最后一步时间；对XLPE绝缘材料老化寿命作三个假设；基于三个假设，得到改进Crine模型，确定XLPE绝缘材料老化寿命与电导电流密度关系；测量在不同温度、不同电压等级下的电导电流密度，通过拟合曲线推导更高电场强度下的电导电流密度；根据XLPE绝缘材料样品特征时间、特征电压和最后一步时间，和更高电场强度下的电导电流密度，采用改进Crine模型求解XLPE绝缘材料试样的活化自由能ΔG；根据XLPE绝缘材料样品的老化特征参数活化自由能ΔG，确定不同温度下随电场变化XLPE绝缘材料的老化寿命。2.根据权利要求1所述的基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，升压实验起始电压为10kV，时间步长1min，5min，25min分别为，电压步长为5kV，升压速率为1000V/s。3.根据权利要求1所述的基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，Weibull分布公式如下：式中，t为击穿时间；m为形状参数；η为特征时间。4.根据权利要求1所述的基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，XLPE绝缘材料试样的特征电压和最后一步时间通过以下公式获得：XLPE绝缘材料试样的特征电压和最后一步时间通过以下公式获得：式中，t
f
为最后一步时间，η为特征时间，t
i
为时间步长，U
f
为特征电压，U
i
为电压步长，U1为起始电压。5.根据权利要求1所述的基于Crine模型XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，对XLPE绝缘材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕泽鹏，王政钧，吴锴，曹丹，王世栋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：