本發(fā)明屬于高分子材料領(lǐng)域，尤其涉及一種XLPE電纜絕緣材料老化壽命的預(yù)測(cè)方法,。

背景技術(shù)：

XLPE材料多用于高電壓大容量電力電纜的絕緣,，但當(dāng)電力電纜運(yùn)行時(shí)，長(zhǎng)期處于大電流導(dǎo)致的100Hz,、200Hz,、300Hz……等頻率微振動(dòng)狀態(tài)下,，振幅一般不超過200μm，很容易造成其電氣,、機(jī)械力學(xué)性能的變化,，嚴(yán)重情況下，將造成XLPE材料絕緣性能完全失效,。因此,，預(yù)測(cè)在一定運(yùn)行溫度、微振動(dòng)共同作用時(shí)XLPE材料的壽命變得十分必要,。

但是,，真實(shí)的長(zhǎng)期服役環(huán)境老化試驗(yàn)通常是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的，這使得直接對(duì)服役中的XLPE材料壽命預(yù)測(cè)變得十分困難,。因此,，通過加強(qiáng)老化條件的手段，對(duì)材料失效壽命的預(yù)測(cè)方法的研究越來越得到重視,。

目前,，已存在一些基于單因素老化條件下XLPE材料的壽命預(yù)測(cè)方法，例如改變溫度,、電場(chǎng)強(qiáng)度,、相對(duì)濕度等單一老化條件，而外加振動(dòng)條件下XLPE材料的壽命預(yù)測(cè)方法仍未建立,。通過單一老化因素來加速XLPE的失效行為,，經(jīng)外推材料失效規(guī)律曲線，來獲得實(shí)際環(huán)境條件下的使用壽命,。然而,，現(xiàn)階段人們更關(guān)心多因素聯(lián)合老化條件下XLPE材料的壽命預(yù)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)以上問題,，本發(fā)明提出一種XLPE電纜絕緣材料老化壽命的預(yù)測(cè)方法,，用于計(jì)算XLPE電纜絕緣材料應(yīng)用在熱-振動(dòng)聯(lián)合老化環(huán)境條件下的實(shí)際使用壽命。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的,，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種XLPE電纜絕緣材料老化壽命的預(yù)測(cè)方法,，包括：

(1)獲取待測(cè)XLPE電纜絕緣材料；

(2)測(cè)量其工作環(huán)境溫度,，外加振動(dòng)加速度,；

(3)根據(jù)XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程計(jì)算其在該工作環(huán)境下的壽命；

其中,，所述XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程是根據(jù)材料在微振動(dòng)狀態(tài)下老化壽命終止時(shí)間、對(duì)應(yīng)的老化溫度及外部應(yīng)力大小作為初始條件,，結(jié)合伊爾科夫分子斷裂理論方程,、阿侖尼烏茲公式,、逆冪定律及疊加法則建立的。

進(jìn)一步地,，所述XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程的獲得包括步驟：

(3.1)將多組XLPE試樣放入外加振動(dòng)的熱老化箱中進(jìn)行加速老化試驗(yàn),，在不同時(shí)間下取出試樣后做拉伸試驗(yàn)記錄其斷裂伸長(zhǎng)率，記錄壽命終止時(shí)的材料老化溫度,、外加振動(dòng)加速度及老化壽命終止時(shí)間,，并計(jì)算外加應(yīng)力；

(3.2)根據(jù)伊爾科夫分子斷裂理論求不同溫度下絕緣材料所受應(yīng)力與材料內(nèi)部分子鏈斷裂時(shí)間曲線,，經(jīng)冪指數(shù)曲線擬合求不同溫度下材料所受應(yīng)力與分子斷裂時(shí)間相關(guān)的逆冪方程,；

(3.3)利用多因數(shù)老化下的疊加法則，將阿侖尼烏茲公式和逆冪方程結(jié)合得到材料熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程,；并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試初始值,，得到XLPE材料在一定溫度下、外部振動(dòng)共同作用時(shí)多因素老化壽命方程,。

進(jìn)一步地,，所述步驟(1)具體包括：

(3.1.1)將多組XLPE試樣同時(shí)放入外加振動(dòng)的熱老化箱中進(jìn)行加速老化試驗(yàn)；

(3.1.2)將上述聯(lián)合老化中的XLPE試樣在不同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行取樣,；

(3.1.3)對(duì)不同老化時(shí)間的XLPE試樣分別拉伸試驗(yàn)并記錄其斷裂伸長(zhǎng)率,；

(3.1.4)當(dāng)所測(cè)試材料斷裂伸長(zhǎng)率降到50％以下時(shí)認(rèn)為其壽命終止；

(3.1.5)記錄材料壽命終止時(shí)所對(duì)應(yīng)的老化溫度T0,、老化壽命終止時(shí)間τ0及外部振動(dòng)加速a0,；

(3.1.6)根據(jù)公式σ0＝m·a0/S求取此時(shí)材料樣片表面所外加應(yīng)力σ0，其中：m為樣片質(zhì)量,，S為試驗(yàn)樣片面積,；

(3.1.7)記錄材料樣片表面所外加應(yīng)力σ0。

進(jìn)一步地,，所述步驟(2)具體包括：

(3.2.1)根據(jù)伊爾科夫分子斷裂理論,，得材料受外部應(yīng)力與其斷裂時(shí)間所遵循得方程：

其中，τ為分子斷裂時(shí)間,，U0為XLPE材料活化能,，γ為常數(shù)，f0為原子振動(dòng)頻率,，σ為材料所受應(yīng)力,，R為氣體分子常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度,。

(3.2.2)應(yīng)用以上方程求不同溫度下絕緣材料所受應(yīng)力與材料內(nèi)部分子鏈斷裂時(shí)間曲線,；

(3.2.3)經(jīng)冪指數(shù)曲線擬合求不同溫度下材料所受應(yīng)力與分子斷裂時(shí)間相關(guān)的逆冪方程：

τσ＝Kmσ^-m

其中，Km為指前因子，m為與材料相關(guān)的常量,，τσ為應(yīng)力主導(dǎo)下的分子斷裂時(shí)間,，σ為材料所受應(yīng)力。

進(jìn)一步地,，所述步驟(3)具體包括：

(3.3.1)XLPE材料滿足熱老化定律下的將阿侖尼烏茲公式：

τT＝Aexp(U0/RT)

其中,，τT為溫度主導(dǎo)下的材料壽命，U0為XLPE材料活化能,，R為氣體分子常數(shù),，T為熱力學(xué)溫度。

(3.3.2)利用多因數(shù)老化下的疊加法則,，將阿侖尼烏茲公式及逆冪方程結(jié)合得到材料在熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程：

τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ^-m

其中,，K為多因素老化條件下的指前因子，K＝Km·A,。

(3.3.3)將XLPE材料在熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試初始值,，得到XLPE材料在一定溫度下、外部振動(dòng)共同作用時(shí)多因素老化壽命方程：

進(jìn)一步地,，多因素老化條件的確定方式為：XLPE材料分別在單因素老化條件下進(jìn)行加速老化試驗(yàn),，確定材料自身的老化因素，各主要老化因素的組合為多因素老化條件,；其中,，主要老化因素為該老化因素的存在將直接導(dǎo)致XLPE材料的壽命隨老化時(shí)間增加而顯著降低的因素。

進(jìn)一步地,，XLPE材料壽命終止的判斷依據(jù)為：XLPE材料初始的斷裂伸長(zhǎng)率為A,，當(dāng)A降低其50％時(shí)表明XLPE材料壽命終止，A從初始值降到50％時(shí)所需要的老化時(shí)間為XLPE材料的壽命,。

進(jìn)一步地,，根據(jù)伊爾科夫分子斷裂理論，不同溫度條件下,，分析分子所受應(yīng)力與分子鏈斷裂的關(guān)系,，可得逆冪定律中的指前因子及與材料相關(guān)的常量。

一種XLPE電纜絕緣材料老化壽命的預(yù)測(cè)裝置,，包括參數(shù)測(cè)量模塊和老化壽命預(yù)測(cè)模塊,；所述參數(shù)測(cè)量模塊用于測(cè)量XLPE電纜絕緣材料的工作環(huán)境溫度和外加振動(dòng)加速度，并將測(cè)得參數(shù)發(fā)送到老化壽命預(yù)測(cè)模塊,；所述老化壽命預(yù)測(cè)模塊根據(jù)獲得的參數(shù),，根據(jù)XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程計(jì)算其在該工作環(huán)境下的壽命；

其中,，所述XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程是根據(jù)材料在微振動(dòng)狀態(tài)下老化壽命終止時(shí)間,、對(duì)應(yīng)的老化溫度及外部應(yīng)力大小作為初始條件,，結(jié)合伊爾科夫分子斷裂理論方程、阿侖尼烏茲公式,、逆冪定律及疊加法則建立的,。

有益效果：本發(fā)明基于熱-振動(dòng)加速老化試驗(yàn)，獲得XLPE電纜絕緣材料在微振動(dòng)狀態(tài)下壽命,、溫度、外部應(yīng)力大小等參數(shù),；將參數(shù)作為初始條件,，結(jié)合伊爾科夫分子斷裂理論方程、阿侖尼烏茲公式,、逆冪定律及疊加法則,，可計(jì)算在不同溫度、應(yīng)力大小的環(huán)境中XLPE電纜絕緣材料的使用壽命,。本發(fā)明計(jì)算方法簡(jiǎn)單,，試驗(yàn)周期短，節(jié)約時(shí)間和成本,，壽命預(yù)測(cè)可靠性高,。

附圖說明

圖1是XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方法流程圖；

圖2是應(yīng)用本發(fā)明方法預(yù)測(cè)實(shí)際敷設(shè)中不同型號(hào)XLPE電纜的截面積及電纜單位長(zhǎng)度重量,，不同微振動(dòng)加速度下電纜的使用壽命,。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明微振動(dòng)狀態(tài)下XLPE電纜絕緣材料疲勞壽命預(yù)測(cè)方法,，外部振動(dòng)對(duì)材料產(chǎn)生的影響與材料分子斷裂理論相關(guān),，考慮到格里菲斯斷裂理論本質(zhì)上是熱力學(xué)理論，斷裂形成新表面所需要的能量?jī)H與材料內(nèi)部彈性儲(chǔ)能有關(guān),，未包含斷裂時(shí)間這一因素,，本發(fā)明選擇應(yīng)用伊爾科夫分子斷裂理論，將結(jié)構(gòu)因素補(bǔ)充考慮,，認(rèn)為斷裂是一個(gè)松弛過程,，宏觀斷裂是微觀化學(xué)鍵斷裂的熱活化過程，即原子受外部應(yīng)力時(shí)作用熱運(yùn)動(dòng)能量超過束縛原子間的勢(shì)壘時(shí),，化學(xué)鍵離解發(fā)生斷裂,。

本發(fā)明所述的XLPE電纜絕緣材料老化壽命的預(yù)測(cè)方法，包括：

(1)獲取待測(cè)XLPE電纜絕緣材料,；

(2)測(cè)量其工作環(huán)境溫度,，外加振動(dòng)加速度；

(3)根據(jù)XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程計(jì)算其在該工作環(huán)境下的壽命,；

其中,，XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程是根據(jù)材料在微振動(dòng)狀態(tài)下老化壽命終止時(shí)間、對(duì)應(yīng)的老化溫度及外部應(yīng)力大小作為初始條件，結(jié)合伊爾科夫分子斷裂理論方程,、阿侖尼烏茲公式,、逆冪定律及疊加法則建立的。

如圖1所示,，本發(fā)明所述的XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程的獲得包括步驟：

(1)將多組XLPE試樣分別放入外加振動(dòng)的熱老化箱中進(jìn)行加速老化試驗(yàn),，在不同時(shí)間下取出試樣后做拉伸試驗(yàn)記錄其斷裂伸長(zhǎng)率，當(dāng)老化樣片的斷裂伸長(zhǎng)率降到初始伸長(zhǎng)率的50％以下時(shí)認(rèn)為其壽命終止,，記錄材料老化溫度T0,，外加振動(dòng)加速度a0，及老化壽命終止時(shí)間τ0,。根據(jù)公式σ0＝m·a0/S可求取外加應(yīng)力σ0,，其中，m為樣片質(zhì)量,，S為試驗(yàn)樣片面積,。

多因素老化條件的確定方式為：XLPE材料分別在單因素老化條件下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，從而確定材料自身的老化因素,，各主要老化因素的組合即多因素老化條件,，其中主要老化因素即該老化因素的存在將直接導(dǎo)致XLPE材料的壽命隨老化時(shí)間增加而顯著降低的因素。XLPE材料壽命終止的判斷依據(jù)為：XLPE材料初始的斷裂伸長(zhǎng)率為A,，當(dāng)A降低其50％時(shí)表明XLPE材料壽命終止,，A從初始值降到50％時(shí)所需要的老化時(shí)間即為XLPE材料的壽命。

具體包括：

(1.1)將多組XLPE試樣同時(shí)放入外加振動(dòng)的熱老化箱中進(jìn)行加速老化試驗(yàn),；

(1.2)將上述聯(lián)合老化中的XLPE試樣在不同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行取樣,；

(1.3)對(duì)不同老化時(shí)間的XLPE試樣分別拉伸試驗(yàn)并記錄其斷裂伸長(zhǎng)率；

(1.4)當(dāng)所測(cè)試材料斷裂伸長(zhǎng)率降到50％以下時(shí)認(rèn)為其壽命終止,；

(1.5)記錄材料壽命終止時(shí),，材料所對(duì)應(yīng)的老化溫度T0、及老化壽命終止時(shí)間τ0及外部振動(dòng)加速a0,；

(1.6)根據(jù)公式σ0＝m·a0/S可求取此時(shí)材料樣片表面所外加應(yīng)力σ0,，其中：m為樣片質(zhì)量，S為試驗(yàn)樣片面積,；

(1.7)記錄記錄材料壽命終止時(shí),，材料所對(duì)應(yīng)的老化溫度T0、及老化壽命終止時(shí)間τ0及材料樣片表面所外加應(yīng)力σ0,。

(2)絕緣樣品內(nèi)分子遵循伊爾科夫(Жирков)分子斷裂理論,，即材料受外部應(yīng)力與其斷裂時(shí)間所遵循方程：

上式中：τ為分子斷裂時(shí)間，U0為XLPE材料活化能,，γ為常數(shù),，具有體積量綱,，它與聚合物的分子結(jié)構(gòu)和分子間力有關(guān)，其值與原子鍵離解的活化體積相當(dāng),，f0為原子的振動(dòng)頻率,，其值約為10¹²-10¹³s^-1，σ為材料所受應(yīng)力,，R為氣體分子常數(shù),，其值為8.314J/(mol×K)，T為熱力學(xué)溫度,。

在不同溫度下,，根據(jù)絕緣材料所受到的應(yīng)力與材料內(nèi)部分子鏈斷裂時(shí)間的關(guān)系，可求取不同溫度下材料所受到的應(yīng)力與分子鏈斷裂時(shí)間曲線,，經(jīng)過冪指數(shù)曲線擬合得到方程：

τσ＝Kmσ^-m (2)

上式中：Km為指前因子，m為與材料相關(guān)的常量,，τσ為應(yīng)力主導(dǎo)下的分子斷裂時(shí)間,，σ為材料所受應(yīng)力。

具體包括：

(2.1)根據(jù)伊爾科夫(Жирков)的分子斷裂理論,，可得到材料受外部應(yīng)力與其斷裂時(shí)間所遵循得方程：

上式中：τ為分子斷裂時(shí)間,，U0為XLPE材料活化能，γ為常數(shù),，具有體積量綱,，它與聚合物的分子結(jié)構(gòu)分子間力有關(guān)，其值與原子鍵離解活化體積相當(dāng),，f0為原子振動(dòng)頻率,，其值約為10¹²-10¹³s^-1，σ為材料所受應(yīng)力,，R為氣體分子常數(shù),，T為熱力學(xué)溫度。

(2.2)應(yīng)用以上方程求得不同溫度下絕緣材料所受應(yīng)力與材料內(nèi)部分子鏈斷裂時(shí)間曲線,；

(2.3)經(jīng)過冪指數(shù)曲線擬合求得不同溫度下材料所受應(yīng)力與分子斷裂時(shí)間相關(guān)的逆冪方程：

τσ＝Kmσ^-m

其中：Km為指前因子,，m為與材料相關(guān)的常量，τσ為應(yīng)力主導(dǎo)下的分子斷裂時(shí)間,，σ為材料所受應(yīng)力,。

(3)利用多因素老化下的疊加法則，將阿侖尼烏茲(Arrhenius)公式為：τT＝Aexp(U0/RT),，及逆冪方程(2)相結(jié)合,，可得到材料在熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程：

τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ^-m

其中：K為多因素老化條件下的指前因子，K＝Km·A,。

結(jié)合試驗(yàn)中XLPE試樣振動(dòng)熱老化壽命終止的初值結(jié)果,，可得到：

應(yīng)用壽命公式(3)可得到,，當(dāng)一定溫度下、外部振動(dòng)共同作用時(shí)XLPE電纜絕緣材料的絕緣失效壽命,。其中：T為實(shí)際熱力學(xué)溫度,，σ為外部應(yīng)力大小，τ為XLPE材料在實(shí)際熱力學(xué)溫度為T及外部應(yīng)力大小為σ的條件下的材料壽命,。

具體包括：

(3.1)XLPE材料滿足熱老化定律下的將阿侖尼烏茲(Arrhenius)公式為：

τT＝Aexp(U0/RT)

式中：τT為溫度主導(dǎo)下的材料壽命,，U0為XLPE材料活化能；R為氣體分子常數(shù),；T為熱力學(xué)溫度,。

(3.2)利用多因數(shù)老化下的疊加法則，將阿侖尼烏茲(Arrhenius)公式為：τT＝Aexp(U0/RT),，及逆冪方程τσ＝Kmσ^-m相結(jié)合,，得到材料在熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程：τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ^-m，其中：K為多因素老化條件下的指前因子,，K＝Km·A,；

(3.3)將XLPE材料在熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程結(jié)合本發(fā)明所述實(shí)驗(yàn)測(cè)試初始值，可得到XLPE材料在一定溫度下,、外部振動(dòng)共同作用時(shí)多因素老化壽命方程：

本發(fā)明還包括一種XLPE電纜絕緣材料老化壽命的預(yù)測(cè)裝置,，包括參數(shù)測(cè)量模塊和老化壽命預(yù)測(cè)模塊；所述參數(shù)測(cè)量模塊用于測(cè)量XLPE電纜絕緣材料的工作環(huán)境溫度和外加振動(dòng)加速度,，并將測(cè)得參數(shù)發(fā)送到老化壽命預(yù)測(cè)模塊,；所述老化壽命預(yù)測(cè)模塊根據(jù)獲得的參數(shù)，根據(jù)XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程計(jì)算其在該工作環(huán)境下的壽命,。

其中,，XLPE電纜絕緣材料老化壽命預(yù)測(cè)方程是根據(jù)材料在微振動(dòng)狀態(tài)下老化壽命終止時(shí)間、對(duì)應(yīng)的老化溫度及外部應(yīng)力大小作為初始條件,，結(jié)合伊爾科夫分子斷裂理論方程,、阿侖尼烏茲公式、逆冪定律及疊加法則建立的,。

以下列舉本發(fā)明如何具體計(jì)算實(shí)際微振動(dòng)環(huán)境中不同型號(hào)XLPE電纜壽命預(yù)測(cè)：

將活化能為120KJ/mol的XLPE材料制備成體積為80mm×80mm×2mm,，質(zhì)量為9.5g的試驗(yàn)樣片；將上述多組XLPE試樣同時(shí)放入外部振動(dòng)加速度為8m/s²,、老化溫度為130℃的老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行加速老化試驗(yàn),；對(duì)不同老化時(shí)間的XLPE試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并記錄其斷裂伸長(zhǎng)率；通過測(cè)試得到當(dāng)試樣老化時(shí)間為3000h時(shí),，材料斷裂伸長(zhǎng)率降到50％以下,；根據(jù)公式σ0＝m·a0/S及上述參量可求取此時(shí)材料樣片表面所外加應(yīng)力σ0＝1.1875×10^-3N/cm²；記錄試驗(yàn)初值T0＝403.15K,τ0＝3000h,σ0＝1.1875×10^-3N/cm²,。

根據(jù)伊爾科夫(Жирков)的分子斷裂理論,，可得到材料受外部應(yīng)力與其斷裂時(shí)間所遵循得方程：

上式中：τ為分子斷裂時(shí)間,，U0為XLPE材料活化能，γ為常數(shù),，具有體積量綱,，它與聚合物的分子結(jié)構(gòu)分子間力有關(guān)，其值與原子鍵離解的活化體積相當(dāng),，f0為原子的振動(dòng)頻率,，其值約為10¹²-10¹³s^-1，σ為材料所受應(yīng)力,，R為氣體分子常數(shù),，其值為8.314J/(mol×K)，T為熱力學(xué)溫度,。

取溫度分別20℃,、90℃、130℃下的材料分別求取應(yīng)力與XLPE分子斷裂時(shí)間關(guān)系,，獲得上述溫度下材料所受到的應(yīng)力與分子鏈斷裂時(shí)間曲線,；經(jīng)過冪指數(shù)曲線擬合，可求得不同溫度下材料所受應(yīng)力與分子斷裂時(shí)間相關(guān)的逆冪方程：τ＝Kmσ^-m,，對(duì)應(yīng)20℃、90℃,、130℃溫度下的m常量分別為3.81,、3.07、2.917,。

根據(jù)疊加法則,，將XLPE材料滿足熱老化定律下的將阿侖尼烏茲(Arrhenius)公式與上述材料所受應(yīng)力與分子斷裂時(shí)間相關(guān)的冪方程相結(jié)合，得到材料在熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程：τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ^-m,，其中：K為多因素老化條件下的指前因子,，K＝Km·A。

將XLPE材料的熱-振動(dòng)聯(lián)合老化壽命方程與試驗(yàn)測(cè)試初值結(jié)合,，可以計(jì)算XLPE材料在一定溫度,、外部應(yīng)力共同作用下的壽命：

根據(jù)實(shí)際敷設(shè)中220kV皺紋鋁護(hù)套XLPE電纜的截面積及電纜單位長(zhǎng)度重量，可預(yù)測(cè)運(yùn)行中的電纜在不同外部振動(dòng)加速度下的使用壽命,，如圖2所示,。