船用電力電纜EPR絕緣材料非破壞性壽命預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、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，其絕緣材料的老化程度直接影響電纜工作的安全性和用電設(shè)備運(yùn)行的可靠性。船用電力電纜敷設(shè)環(huán)境比較復(fù)雜，在溫度、油霧、濕度等因素的影響下，絕緣材料會(huì)逐漸發(fā)生老化而導(dǎo)致安全使用壽命降低。因此，開展絕緣材料壽命預(yù)測(cè)的研究，對(duì)于確保船用電力電纜的安全運(yùn)行和最大限度的延長其使用壽命具有重要的意義。
　　本文以船用電力電纜使用率較高的乙丙橡膠絕緣(Ethylene Propylene Rub

2、ber，EPR)材料為研究對(duì)象，明確了加速老化條件下EPR絕緣材料的物理性能、化學(xué)性能性和電性能的變化規(guī)律，探討了硬度保留率和0.01Hz-1Hz范圍內(nèi)介質(zhì)損耗角正切值曲線積分值（下文以tanδint代替）與斷裂伸長率保留率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到了以硬度保留率和tanδint為老化特征量進(jìn)行EPR絕緣材料非破壞性壽命預(yù)測(cè)的判據(jù)，并對(duì)壽命預(yù)測(cè)模型中工作溫度的確定進(jìn)行了分析。具體內(nèi)容如下:
　　研究了濕熱老化和熱老化條件下，EPR絕緣材

3、料抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率保留率和拉伸應(yīng)力與形變的變化規(guī)律，結(jié)果表明溫度為EPR絕緣材料老化的主要影響因素，而水分、鹽對(duì)老化程度影響不明顯。分析了熱老化條件下絕緣材料的斷裂伸長率保留率與傅里葉變換紅外光譜曲線，發(fā)現(xiàn)隨著老化程度的增加，斷裂伸長率保留率與內(nèi)部分子在1790cm-1波段的透射率峰值均呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)。采用回歸方程對(duì)平移因子進(jìn)行優(yōu)化，得到基準(zhǔn)溫度下斷裂伸長率保留率曲線的擬合方程，并結(jié)合Arrhenius方程建立了可預(yù)測(cè)其他工作溫度

4、下EPR絕緣材料壽命的外推方程。
　　分析了EPR絕緣材料硬度保留率隨斷裂伸長率保留率變化的理論關(guān)系曲線，并與熱老化條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)量關(guān)系曲線對(duì)比，結(jié)果表明理論曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線的變化趨勢(shì)一致，硬度保留率可作為EPR絕緣材料的老化特征量。依據(jù)IEC60216相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以斷裂伸長率保留率降低到50％為壽命終止基準(zhǔn)，提出選取硬度保留率降低到10％作為EPR絕緣材料壽命終止指標(biāo)。對(duì)不同溫度下絕緣材料基于硬度保留率與斷裂伸長率保留率達(dá)到壽命終

5、止的時(shí)間差值進(jìn)行比較，結(jié)果表明預(yù)測(cè)壽命值差值較小，證明基于硬度保留率進(jìn)行EPR絕緣材料壽命預(yù)測(cè)的有效性。
　　研究了不同老化條件下EPR絕緣材料介電頻譜曲線的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)介電頻譜曲線在0.01Hz-1Hz頻率范圍內(nèi)單調(diào)增加。以0.01Hz-1Hz頻率范圍內(nèi)介質(zhì)損耗角正切值曲線積分值tanδint作為EPR絕緣材料老化特征量，建立了基于tanδint的EPR絕緣材料壽命預(yù)測(cè)模型，并以斷裂伸長率保留率降低到50％為壽命終止基準(zhǔn)，提出

6、選取tanδint為0.5作為EPR絕緣材料壽命終止判據(jù)。對(duì)比分析不同溫度下絕緣材料基于tanδint為0.5與斷裂伸長率保留率為50％計(jì)算壽命終止時(shí)間，結(jié)果表明兩種分析方法在不同溫度下的預(yù)測(cè)壽命值相吻合，證明tanδint可有效用于EPR絕緣材料壽命預(yù)測(cè)。
　　通過建立電纜三維有限元仿真模型，得到了不同載荷電流下電纜工作溫度，并與模擬電纜實(shí)際工作條件下測(cè)量溫度對(duì)比，結(jié)果表明固定參數(shù)下仿真溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度存在較大差異。在單一增大

7、絕緣層和護(hù)套層導(dǎo)熱系數(shù)情況下，分析了導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)導(dǎo)體層溫度的影響，并依據(jù)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度，對(duì)不同載荷電流下絕緣層和護(hù)套層導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，推導(dǎo)出導(dǎo)熱系數(shù)與載荷電流的關(guān)系并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明改變參數(shù)后仿真溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度相吻合。
　　結(jié)合已敷設(shè)運(yùn)行30年船用電力電纜EPR絕緣材料硬度保留率和tanδint測(cè)量數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)終點(diǎn)指標(biāo)推導(dǎo)出電纜實(shí)際工作時(shí)間修正系數(shù)，并對(duì)絕緣材料剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明兩種測(cè)量方法壽命預(yù)測(cè)結(jié)果