[发明专利]用于电缆整体老化寿命评估的频域测试分析系统及方法

权利要求书

1.一种用于电缆整体老化寿命评估的频域测试分析系统，其特征在于：包括温度探头、数据采集模块以及SH因子计算及寿命评估系统；所述的数据采集模块采集电缆在不同频率的交流信号作用下的电压和电流响应，计算出电缆复电容频谱和介电频谱；根据温度探头测得的温度信号，通过调用系统中存储的该材料电缆温度补偿因子，对基于测试数据计算出的介电频谱进行温度校正处理，获取在基准温度下的修正频域曲线；SH因子计算及寿命评估系统通过修正后的介电频谱曲线，计算表征电缆当前状态的SH因子数值，并通过SH因子计算及寿命评估系统中收录的曲线信息，外推出该电缆在当前服役工况下的剩余寿命和当前断裂伸长率EAB值；

该系统还包括高频信号发生模块、电流测试模块、电压测试模块和热老化箱；所述高频信号发生模块用来为测试回路提供从0.1HZ到10kHZ频段下的离散频率电压信号，在单次测试的相关参数被设定后，高频信号发生模块按照设定要求，依次向电缆施加不同频率和频域带宽的交流信号；所述电流测试模块串联在高频信号发生模块的低压输出端回路上，用来测试电缆在各个频率的电压信号下的响应电流幅值和相位，采样频率高于10倍的信号频率；电压测试模块并联在模块的高压输出端和低压输出端之间，用来测试电缆屏蔽和导体之间，在各个频率的电压信号下的响应电压幅值和相位，采样频率高于10倍的信号频率；温度探头用来测试电缆的周围温度；热老化箱用来在实验室中对电缆施加温度，进行温度补偿试验和热老化试验，获取温度自矫正因子以及热老化基准曲线；数据采集模块用于收集本系统测取的各种数据信息，包括电缆电压和电流相位幅值以及被测电缆的表面温度；SH因子计算及寿命评估系统用来通过数据采集模块收集的各种数据信息，以及系统输入的电缆几何尺寸，计算出被测电缆在参考温度20℃下的复介电系数频谱ε*(ω)；并基于电缆绝缘的SH因子寿命预测曲线和SH因子与EAB映射曲线的信息输入，结合系统录入的电缆服役环境，计算出表征电缆当前老化状态的SH因子、断裂伸长率EAB值以及在当前服役条件下的剩余寿命；

SH因子指随电缆的热和辐照老化，其介电频谱虚部沿频率轴移动的系数。

2.根据权利要求1所述的用于电缆整体老化寿命评估的频域测试分析系统，其特征在于：基于该系统的分析方法包括如下步骤：

步骤一：首先在实验室，针对与被测电缆材料相同的样本进行温度校正试验，即在不同温度下，测取样本电缆的介电频谱特性曲线，然后通过阿伦纽斯公式的频域模型，获取温度校正因子计算公式，录入评估系统中，该类型电缆所从属的温度补偿条目；

步骤二：然后在实验室中，针对与被测电缆材料相同的样本进行加速老化试验，测取样本电缆的初始状态以及在135℃下不同老化状态的频谱特性曲线并求取其相应的SH因子，以及断裂伸长率EAB数值，从而建立起被测电缆材料样本的SH因子老化基准曲线，以及SH因子与EAB数值的对应关系，将这些数据信息录入系统中；

步骤三：然后在实际测试作业中，测取电缆的复电容频谱曲线；通过电缆尺寸信息，求取电缆的几何电容值，从而将复电容频谱曲线转变为介电频谱曲线；

步骤四：然后在实际测试作业中，将系统自带的粘连式温度探头附着在被测电缆表面，同时测取被测电缆的表面温度，温度信号自动录入系统中；由系统自动求取该次测量所对应的温度校正因子，并对采集处理的介电频谱曲线进行温度校正处理，获取在基准温度下的修正频谱曲线；

步骤五：利用SH因子计算及寿命评估系统，通过步骤四中得到的基准温度下的介电频谱修正曲线，求取被测电缆当前的SH因子数值；根据步骤二中获取的SH因子与EAB对应关系，给出被测电缆当前的断裂伸长率EAB值；

步骤六：往SH因子计算及寿命评估系统输入服役电缆的服役温度和环境辐照剂量率，获取适用于被测电缆的外推后的SH因子寿命预测曲线；通过SH因子寿命预测曲线和被测电缆当前SH因子值，得出该服役电缆的剩余寿命。

3.根据权利要求2所述的用于电缆整体老化寿命评估的频域测试分析系统，其特征在于：所述的方法更详细的步骤如下：

1)在现场测试中，将电缆进行预处理，在电缆绝缘和屏蔽边缘处缠绕绝缘胶带，然后在该绝缘胶带和电缆绝缘边缘缠绕铝胶带；频域响应测试分析系统的高压端与电缆线芯相连，低压端与电缆屏蔽相连，接地端与缠绕在绝缘胶带和电缆绝缘边缘的铝胶带相连，以抵消杂散电容对测量结果的影响；使用温度探头测取电缆环境温度，所有测取的信息由数据采集模块收录；

SH因子计算及寿命评估系统的实现步骤如下：

2)数据采集模块对采集到的电缆在不同频率下的电压U(ω),电流I(ω)的幅值和相位进行计算，分离储能分量和损耗分量信号，求取被测电缆绝缘复电容频域谱C*(ω)的储能分量频谱C'(ω)和损耗分量频谱C”(ω)；

C*(ω)＝C'(ω)+C”(ω)j

3)评估系统基于录入的被测电缆绝缘结构参数，包括长度、导体半径r1、绝缘线芯半径r2、线芯数量计算待测电缆的几何电容C₀；通过该模块中算取的电缆绝缘复电容频谱C*(ω)和几何电容C₀，得出被测电缆绝缘的复介电系数频谱ε*(ω)；

ε*(ω)＝C*(ω)/C₀＝ε'(ω)+ε”(ω)j

4)对于单芯同轴电缆，芯对屏蔽测量的几何电容如下式所示；对于其它类型的电缆，可通过查询手册，计算其几何因数，求取其几何电容；

C₀＝2π×ε₀/ln(r₂/r₁)

其中，ε₀表示真空介电常数，其大小为8.85×10^-12法拉/米；

SH因子计算及寿命评估系统中温度矫正功能的实现步骤如下所示：

5)在实验室中，针对与被测电缆相同绝缘材料的电缆执行温度校正试验；将电缆置于热老化箱内，电缆端部引出，按照步骤1)的现场测试进行连接，测量电缆在一定温度范围内不同温度下介电系数虚部频谱ε”(ω)；

6)以20℃频谱特性ε”(ω)为参考曲线，计算其它温度下的频谱特性ε”(ω)沿频率轴log-log坐标系下向20℃下平移的频域差值：

每一个温度下的频谱平移均可得到数个平移因子α值，以平移因子α为Y轴，温度的倒数1/T为X轴，绘制α—1/T的分布图；

7)由于log(ω)-1/T坐标系平移因子α满足平移公式：

设x＝1/T，y＝log(ω),k＝-Ea/(R*2.3026)，R为气体常数，则k和1/T关系应符合一次函数：y＝kx+b，针对log(ω)—1/T的数据点分布图，利用最小二乘法进行直线拟合计算斜率k的数值；

b＝(∑y-k∑x)/N

将斜率k值代入到分项6)中log-log坐标系平移因子α的计算公式，即可获得不同温度下频谱曲线向20℃平移的平移因子α计算方法；

8)按照分项7)中获取的平移因子α计算方法，将不同温度下的频谱曲线平移至20℃下，拟合出修正后的主导曲线，该主导曲线综合了各温度下电缆绝缘介电系数虚部频谱ε”(ω)的基本形状，以此修正后的主导曲线，重复分项6)和分项7)，计算修正后的斜率a和截距b，将其录入评估系统中，得到该绝缘材料电缆在不同温度T下测得的ε”(ω)频域特性向20℃平移的温度校正因子计算方法，即分项6)的平移公式；

9)利用分项8)中获取的斜率a值，计算电缆绝缘活化能Ea的数值：

Ea＝-k×R/2.3026

10)在实际现场频域信号测试中，将温度探头附着在被测电缆表面，测取被测电缆的表面温度，温度信号自动录入评估系统，代入分项8)中获得的温度校正因子计算公式，求取该次测量所对应的温度校正因子，并对数据采集模块采集的数据进行温度校正处理，获取在基准温度20℃下复电容频谱虚部的修正频域曲线；

SH因子计算及寿命评估系统的寿命评估功能实现步骤如下：

11)在实验室中，使用测取评估所需的支撑数据，录入至SH因子计算及寿命评估系统中；首先，针对新电缆，执行介电响应频谱测试，获取其初始状态下的介电系数虚部频谱ε”(ω)_初始曲线，录入系统中；

12)在实验室中，通过热老化箱，针对与被测电缆同材料型号的样本执行寿命试验；试验温度为135℃，试验电缆由两部分组成，定期同时取样，分别执行断裂伸长率和介电响应频谱试验，直至电缆绝缘的相对断裂伸长率达到50％；

13)在实验室中，针对核电站用电缆，除了热老化寿命试验之外，还需要将试验电缆放置在辐照场中，执行辐照老化寿命试验，辐照剂量率为4kGy/h；试验电缆由两部分组成，分别用来执行断裂伸长率和介电响应频谱试验；定期同时取样，分别执行断裂伸长率和介电响应频谱试验，直至电缆绝缘的断裂伸长率达到50％；

14)随着电缆老化，介电系数虚部频谱ε”(ω)曲线出现沿频率轴平移的特征；取0.01HZ～1000HZ测试频段内，在同一介电系数虚部数值ε”(ω_i)下，测试的介电系数虚部频谱ε”(ω)相对于模块中存储的初始状态介电系数虚部频谱ε”(ω)_初始的平移系数SH_i；每一条测试的频谱曲线均对应有n个平移系数SH_i，取其算术平均作为该条频谱曲线对应的SH因子，用以表征电缆当前的老化状态；

SH_i＝ω_i-ε”^-1(ε”(ω_i)_初始) i＝1，2，......，n

15)基于步骤14)的SH因子算法，将步骤12)和步骤13)中获取的电缆在各个老化阶段下的介电频谱换算成电缆SH因子老化基准曲线，作为该绝缘材料电缆的SH因子热老化评估和辐照老化评估基准数据存入SH因子计算及寿命评估系统中，并将断裂伸长率为50％时的电缆SH因子数值作为SH因子的终点判据SH_终点；

16)根据步骤12)和步骤13)中测得的数据，绘制该样本材料电缆断裂伸长率EAB热老化评估和辐照老化评估的老化基准曲线，存入SH因子计算及寿命评估系统7中，并建立EAB与SH因子的映射曲线；

17)在实际测试作业中，基于测取电缆的介电修正频域曲线，根据该电缆的绝缘材料，选择系统中存储的该材料电缆的初始性能频谱ε”(ω)_初始，通过步骤14)的SH因子算法，求取电缆当前的SH因子数值；

18)在实际测试作业中，往本发明电缆老化频域测试评估系统中输入服役电缆的服役温度和环境辐照剂量率，根据系统的算法，将步骤15)和步骤16)中获取的该绝缘材料电缆SH因子和EAB因子寿命基准曲线外推至电缆服役环境下，适用于被测电缆的外推后的SH因子寿命预测曲线；

19)步骤18)所述的外推算法为：借助步骤9)中获取的活化能，通过阿伦纽斯热老化模型将SH因子和EAB热老化基准曲线由加速老化温度外推至服役温度；基于辐照剂量累积模型，将热老化模型将SH因子和EAB热老化基准曲线由加速老化辐照剂量率4KGy外推至服役辐照剂量率，对于协同老化模型，则可根据简单线性叠加模型，将热老化和辐照老化基准曲线进行叠加，从而获取电缆在热和辐照协同作用下的评估曲线；

20)最后，通过步骤17)求取的电缆当前SH因子以及步骤18)中求取的SH因子寿命预测曲线，对电缆在当前服役环境下的服役状态进行预测，并给出该服役电缆的剩余寿命；根据步骤16)中建立的SH因子和EAB映射关系，通过电缆当前的SH因子值，给出电缆当前服役状态对应的断裂伸长率EAB值。