一种XLPE电缆绝缘材料老化寿命的预测方法与流程
本发明属于高分子材料领域，尤其涉及一种XLPE电缆绝缘材料老化寿命的预测方法。
背景技术：
XLPE材料多用于高电压大容量电力电缆的绝缘，但当电力电缆运行时，长期处于大电流导致的100Hz、200Hz、300Hz……等频率微振动状态下，振幅一般不超过200μm，很容易造成其电气、机械力学性能的变化，严重情况下，将造成XLPE材料绝缘性能完全失效。因此，预测在一定运行温度、微振动共同作用时XLPE材料的寿命变得十分必要。
但是，真实的长期服役环境老化试验通常是费时费力的，这使得直接对服役中的XLPE材料寿命预测变得十分困难。因此，通过加强老化条件的手段，对材料失效寿命的预测方法的研究越来越得到重视。
目前，已存在一些基于单因素老化条件下XLPE材料的寿命预测方法，例如改变温度、电场强度、相对湿度等单一老化条件，而外加振动条件下XLPE材料的寿命预测方法仍未建立。通过单一老化因素来加速XLPE的失效行为，经外推材料失效规律曲线，来获得实际环境条件下的使用寿命。然而，现阶段人们更关心多因素联合老化条件下XLPE材料的寿命预测。
技术实现要素：
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种XLPE电缆绝缘材料老化寿命的预测方法，用于计算XLPE电缆绝缘材料应用在热-振动联合老化环境条件下的实际使用寿命。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种XLPE电缆绝缘材料老化寿命的预测方法，包括：
(1)获取待测XLPE电缆绝缘材料；
(2)测量其工作环境温度，外加振动加速度；
(3)根据XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程计算其在该工作环境下的寿命；
其中，所述XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程是根据材料在微振动状态下老化寿命终止时间、对应的老化温度及外部应力大小作为初始条件，结合伊尔科夫分子断裂理论方程、阿仑尼乌兹公式、逆幂定律及叠加法则建立的。
进一步地，所述XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程的获得包括步骤：
(3.1)将多组XLPE试样放入外加振动的热老化箱中进行加速老化试验，在不同时间下取出试样后做拉伸试验记录其断裂伸长率，记录寿命终止时的材料老化温度、外加振动加速度及老化寿命终止时间，并计算外加应力；
(3.2)根据伊尔科夫分子断裂理论求不同温度下绝缘材料所受应力与材料内部分子链断裂时间曲线，经幂指数曲线拟合求不同温度下材料所受应力与分子断裂时间相关的逆幂方程；
(3.3)利用多因数老化下的叠加法则，将阿仑尼乌兹公式和逆幂方程结合得到材料热-振动联合老化寿命方程；并结合实验测试初始值，得到XLPE材料在一定温度下、外部振动共同作用时多因素老化寿命方程。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：
(3.1.1)将多组XLPE试样同时放入外加振动的热老化箱中进行加速老化试验；
(3.1.2)将上述联合老化中的XLPE试样在不同时间内进行取样；
(3.1.3)对不同老化时间的XLPE试样分别拉伸试验并记录其断裂伸长率；
(3.1.4)当所测试材料断裂伸长率降到50％以下时认为其寿命终止；
(3.1.5)记录材料寿命终止时所对应的老化温度T0、老化寿命终止时间τ0及外部振动加速a0；
(3.1.6)根据公式σ0＝m·a0/S求取此时材料样片表面所外加应力σ0，其中：m为样片质量，S为试验样片面积；
(3.1.7)记录材料样片表面所外加应力σ0。
进一步地，所述步骤(2)具体包括：
(3.2.1)根据伊尔科夫分子断裂理论，得材料受外部应力与其断裂时间所遵循得方程：
其中，τ为分子断裂时间，U0为XLPE材料活化能，γ为常数，f0为原子振动频率，σ为材料所受应力，R为气体分子常数，T为热力学温度。
(3.2.2)应用以上方程求不同温度下绝缘材料所受应力与材料内部分子链断裂时间曲线；
(3.2.3)经幂指数曲线拟合求不同温度下材料所受应力与分子断裂时间相关的逆幂方程：
τσ＝Kmσ-m
其中，Km为指前因子，m为与材料相关的常量，τσ为应力主导下的分子断裂时间，σ为材料所受应力。
进一步地，所述步骤(3)具体包括：
(3.3.1)XLPE材料满足热老化定律下的将阿仑尼乌兹公式：
τT＝Aexp(U0/RT)
其中，τT为温度主导下的材料寿命，U0为XLPE材料活化能，R为气体分子常数，T为热力学温度。
(3.3.2)利用多因数老化下的叠加法则，将阿仑尼乌兹公式及逆幂方程结合得到材料在热-振动联合老化寿命方程：
τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ-m
其中，K为多因素老化条件下的指前因子，K＝Km·A。
(3.3.3)将XLPE材料在热-振动联合老化寿命方程结合实验测试初始值，得到XLPE材料在一定温度下、外部振动共同作用时多因素老化寿命方程：
进一步地，多因素老化条件的确定方式为：XLPE材料分别在单因素老化条件下进行加速老化试验，确定材料自身的老化因素，各主要老化因素的组合为多因素老化条件；其中，主要老化因素为该老化因素的存在将直接导致XLPE材料的寿命随老化时间增加而显著降低的因素。
进一步地，XLPE材料寿命终止的判断依据为：XLPE材料初始的断裂伸长率为A，当A降低其50％时表明XLPE材料寿命终止，A从初始值降到50％时所需要的老化时间为XLPE材料的寿命。
进一步地，根据伊尔科夫分子断裂理论，不同温度条件下，分析分子所受应力与分子链断裂的关系，可得逆幂定律中的指前因子及与材料相关的常量。
一种XLPE电缆绝缘材料老化寿命的预测装置，包括参数测量模块和老化寿命预测模块；所述参数测量模块用于测量XLPE电缆绝缘材料的工作环境温度和外加振动加速度，并将测得参数发送到老化寿命预测模块；所述老化寿命预测模块根据获得的参数，根据XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程计算其在该工作环境下的寿命；
其中，所述XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程是根据材料在微振动状态下老化寿命终止时间、对应的老化温度及外部应力大小作为初始条件，结合伊尔科夫分子断裂理论方程、阿仑尼乌兹公式、逆幂定律及叠加法则建立的。
有益效果：本发明基于热-振动加速老化试验，获得XLPE电缆绝缘材料在微振动状态下寿命、温度、外部应力大小等参数；将参数作为初始条件，结合伊尔科夫分子断裂理论方程、阿仑尼乌兹公式、逆幂定律及叠加法则，可计算在不同温度、应力大小的环境中XLPE电缆绝缘材料的使用寿命。本发明计算方法简单，试验周期短，节约时间和成本，寿命预测可靠性高。
附图说明
图1是XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方法流程图；
图2是应用本发明方法预测实际敷设中不同型号XLPE电缆的截面积及电缆单位长度重量，不同微振动加速度下电缆的使用寿命。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明微振动状态下XLPE电缆绝缘材料疲劳寿命预测方法，外部振动对材料产生的影响与材料分子断裂理论相关，考虑到格里菲斯断裂理论本质上是热力学理论，断裂形成新表面所需要的能量仅与材料内部弹性储能有关，未包含断裂时间这一因素，本发明选择应用伊尔科夫分子断裂理论，将结构因素补充考虑，认为断裂是一个松弛过程，宏观断裂是微观化学键断裂的热活化过程，即原子受外部应力时作用热运动能量超过束缚原子间的势垒时，化学键离解发生断裂。
本发明所述的XLPE电缆绝缘材料老化寿命的预测方法，包括：
(1)获取待测XLPE电缆绝缘材料；
(2)测量其工作环境温度，外加振动加速度；
(3)根据XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程计算其在该工作环境下的寿命；
其中，XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程是根据材料在微振动状态下老化寿命终止时间、对应的老化温度及外部应力大小作为初始条件，结合伊尔科夫分子断裂理论方程、阿仑尼乌兹公式、逆幂定律及叠加法则建立的。
如图1所示，本发明所述的XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程的获得包括步骤：
(1)将多组XLPE试样分别放入外加振动的热老化箱中进行加速老化试验，在不同时间下取出试样后做拉伸试验记录其断裂伸长率，当老化样片的断裂伸长率降到初始伸长率的50％以下时认为其寿命终止，记录材料老化温度T0，外加振动加速度a0，及老化寿命终止时间τ0。根据公式σ0＝m·a0/S可求取外加应力σ0，其中，m为样片质量，S为试验样片面积。
多因素老化条件的确定方式为：XLPE材料分别在单因素老化条件下进行加速老化试验，从而确定材料自身的老化因素，各主要老化因素的组合即多因素老化条件，其中主要老化因素即该老化因素的存在将直接导致XLPE材料的寿命随老化时间增加而显著降低的因素。XLPE材料寿命终止的判断依据为：XLPE材料初始的断裂伸长率为A，当A降低其50％时表明XLPE材料寿命终止，A从初始值降到50％时所需要的老化时间即为XLPE材料的寿命。
具体包括：
(1.1)将多组XLPE试样同时放入外加振动的热老化箱中进行加速老化试验；
(1.2)将上述联合老化中的XLPE试样在不同时间内进行取样；
(1.3)对不同老化时间的XLPE试样分别拉伸试验并记录其断裂伸长率；
(1.4)当所测试材料断裂伸长率降到50％以下时认为其寿命终止；
(1.5)记录材料寿命终止时，材料所对应的老化温度T0、及老化寿命终止时间τ0及外部振动加速a0；
(1.6)根据公式σ0＝m·a0/S可求取此时材料样片表面所外加应力σ0，其中：m为样片质量，S为试验样片面积；
(1.7)记录记录材料寿命终止时，材料所对应的老化温度T0、及老化寿命终止时间τ0及材料样片表面所外加应力σ0。
(2)绝缘样品内分子遵循伊尔科夫(Жирков)分子断裂理论，即材料受外部应力与其断裂时间所遵循方程：
上式中：τ为分子断裂时间，U0为XLPE材料活化能，γ为常数，具有体积量纲，它与聚合物的分子结构和分子间力有关，其值与原子键离解的活化体积相当，f0为原子的振动频率，其值约为1012-1013s-1，σ为材料所受应力，R为气体分子常数，其值为8.314J/(mol×K)，T为热力学温度。
在不同温度下，根据绝缘材料所受到的应力与材料内部分子链断裂时间的关系，可求取不同温度下材料所受到的应力与分子链断裂时间曲线，经过幂指数曲线拟合得到方程：
τσ＝Kmσ-m (2)
上式中：Km为指前因子，m为与材料相关的常量，τσ为应力主导下的分子断裂时间，σ为材料所受应力。
具体包括：
(2.1)根据伊尔科夫(Жирков)的分子断裂理论，可得到材料受外部应力与其断裂时间所遵循得方程：
上式中：τ为分子断裂时间，U0为XLPE材料活化能，γ为常数，具有体积量纲，它与聚合物的分子结构分子间力有关，其值与原子键离解活化体积相当，f0为原子振动频率，其值约为1012-1013s-1，σ为材料所受应力，R为气体分子常数，T为热力学温度。
(2.2)应用以上方程求得不同温度下绝缘材料所受应力与材料内部分子链断裂时间曲线；
(2.3)经过幂指数曲线拟合求得不同温度下材料所受应力与分子断裂时间相关的逆幂方程：
τσ＝Kmσ-m
其中：Km为指前因子，m为与材料相关的常量，τσ为应力主导下的分子断裂时间，σ为材料所受应力。
(3)利用多因素老化下的叠加法则，将阿仑尼乌兹(Arrhenius)公式为：τT＝Aexp(U0/RT)，及逆幂方程(2)相结合，可得到材料在热-振动联合老化寿命方程：
τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ-m
其中：K为多因素老化条件下的指前因子，K＝Km·A。
结合试验中XLPE试样振动热老化寿命终止的初值结果，可得到：
应用寿命公式(3)可得到，当一定温度下、外部振动共同作用时XLPE电缆绝缘材料的绝缘失效寿命。其中：T为实际热力学温度，σ为外部应力大小，τ为XLPE材料在实际热力学温度为T及外部应力大小为σ的条件下的材料寿命。
具体包括：
(3.1)XLPE材料满足热老化定律下的将阿仑尼乌兹(Arrhenius)公式为：
τT＝Aexp(U0/RT)
式中：τT为温度主导下的材料寿命，U0为XLPE材料活化能；R为气体分子常数；T为热力学温度。
(3.2)利用多因数老化下的叠加法则，将阿仑尼乌兹(Arrhenius)公式为：τT＝Aexp(U0/RT)，及逆幂方程τσ＝Kmσ-m相结合，得到材料在热-振动联合老化寿命方程：τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ-m，其中：K为多因素老化条件下的指前因子，K＝Km·A；
(3.3)将XLPE材料在热-振动联合老化寿命方程结合本发明所述实验测试初始值，可得到XLPE材料在一定温度下、外部振动共同作用时多因素老化寿命方程：
本发明还包括一种XLPE电缆绝缘材料老化寿命的预测装置，包括参数测量模块和老化寿命预测模块；所述参数测量模块用于测量XLPE电缆绝缘材料的工作环境温度和外加振动加速度，并将测得参数发送到老化寿命预测模块；所述老化寿命预测模块根据获得的参数，根据XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程计算其在该工作环境下的寿命。
其中，XLPE电缆绝缘材料老化寿命预测方程是根据材料在微振动状态下老化寿命终止时间、对应的老化温度及外部应力大小作为初始条件，结合伊尔科夫分子断裂理论方程、阿仑尼乌兹公式、逆幂定律及叠加法则建立的。
以下列举本发明如何具体计算实际微振动环境中不同型号XLPE电缆寿命预测：
将活化能为120KJ/mol的XLPE材料制备成体积为80mm×80mm×2mm，质量为9.5g的试验样片；将上述多组XLPE试样同时放入外部振动加速度为8m/s2、老化温度为130℃的老化试验箱中进行加速老化试验；对不同老化时间的XLPE试样分别进行拉伸试验并记录其断裂伸长率；通过测试得到当试样老化时间为3000h时，材料断裂伸长率降到50％以下；根据公式σ0＝m·a0/S及上述参量可求取此时材料样片表面所外加应力σ0＝1.1875×10-3N/cm2；记录试验初值T0＝403.15K,τ0＝3000h,σ0＝1.1875×10-3N/cm2。
根据伊尔科夫(Жирков)的分子断裂理论，可得到材料受外部应力与其断裂时间所遵循得方程：
上式中：τ为分子断裂时间，U0为XLPE材料活化能，γ为常数，具有体积量纲，它与聚合物的分子结构分子间力有关，其值与原子键离解的活化体积相当，f0为原子的振动频率，其值约为1012-1013s-1，σ为材料所受应力，R为气体分子常数，其值为8.314J/(mol×K)，T为热力学温度。
取温度分别20℃、90℃、130℃下的材料分别求取应力与XLPE分子断裂时间关系，获得上述温度下材料所受到的应力与分子链断裂时间曲线；经过幂指数曲线拟合，可求得不同温度下材料所受应力与分子断裂时间相关的逆幂方程：τ＝Kmσ-m，对应20℃、90℃、130℃温度下的m常量分别为3.81、3.07、2.917。
根据叠加法则，将XLPE材料满足热老化定律下的将阿仑尼乌兹(Arrhenius)公式与上述材料所受应力与分子断裂时间相关的幂方程相结合，得到材料在热-振动联合老化寿命方程：τ＝τT·τσ＝Kexp(U0/RT)σ-m，其中：K为多因素老化条件下的指前因子，K＝Km·A。
将XLPE材料的热-振动联合老化寿命方程与试验测试初值结合，可以计算XLPE材料在一定温度、外部应力共同作用下的寿命：
根据实际敷设中220kV皱纹铝护套XLPE电缆的截面积及电缆单位长度重量，可预测运行中的电缆在不同外部振动加速度下的使用寿命，如图2所示。