本發(fā)明屬于電纜的無損檢測及壽命評估技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于電纜整體老化壽命評估的頻域測試分析系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在核電站及其它工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，電纜作為關(guān)鍵的電氣部件，承擔(dān)著電力輸送和信號傳輸?shù)墓δ?。電纜中線芯導(dǎo)體的長期載流發(fā)熱以及外界環(huán)境因素影響會造成電纜的絕緣材料老化乃至失效，從而導(dǎo)致電力或測控信號中斷，影響系統(tǒng)的安全可靠運行；絕緣老化的電纜一旦發(fā)生短路，還會引發(fā)火災(zāi)，嚴(yán)重威脅工業(yè)生產(chǎn)和人們生活安全。因此，利用狀態(tài)監(jiān)測方法和分析手段，深入研究能夠反映電纜絕緣老化狀態(tài)的表征參量，對電纜的整體老化壽命進(jìn)行評估，從而針對性的安排維修和更換工作，提高電纜的使用可靠性已經(jīng)成為核電行業(yè)和其它相關(guān)研究機(jī)構(gòu)迫切需要解決的技術(shù)難題。

多年以來，工業(yè)領(lǐng)域通常使用機(jī)械測試和電氣測試來評估電纜絕緣整體可用性。其中，在機(jī)械測試中的斷裂伸長率試驗對電纜絕緣的老化進(jìn)程較為敏感，可用來反映電纜的整體老化狀態(tài)，但由于該技術(shù)是有損測試，需要拆卸服役電纜在實驗室中執(zhí)行測試，在實際電纜整體老化壽命評估中，存在較大的局限性；對于電氣測試方法，雖然其大多為無損測試技術(shù)，但由于電纜絕緣的不可逆老化主要由熱氧化造成，老化效應(yīng)通常反映在機(jī)械性能的降質(zhì)中，電纜的絕緣電阻、工頻介質(zhì)損耗并不能直接用于電纜的壽命評估。到目前為止，業(yè)內(nèi)還未出現(xiàn)一套可用于電纜整體老化壽命評估的現(xiàn)場無損檢測技術(shù)和測試裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于電纜整體老化壽命評估的頻域測試分析系統(tǒng)及方法，以實現(xiàn)對現(xiàn)場服役電纜的在役檢查和壽命評估。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

一種用于電纜整體老化壽命評估的頻域測試分析系統(tǒng)，包括溫度探頭、數(shù)據(jù)采集模塊以及SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)；所述的數(shù)據(jù)采集模塊采集電纜在不同頻率的交流信號作用下的電壓和電流響應(yīng)，計算出電纜復(fù)電容頻譜和介電頻譜；根據(jù)溫度探頭測得的溫度信號，通過調(diào)用系統(tǒng)中存儲的該材料電纜溫度補償因子，對基于測試數(shù)據(jù)計算出的介電頻譜進(jìn)行溫度校正處理，獲取在基準(zhǔn)溫度下的修正頻域曲線；SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)通過修正后的介電頻譜曲線，計算表征電纜當(dāng)前狀態(tài)的SH因子數(shù)值，并通過該系統(tǒng)中收錄的曲線信息，外推出該電纜在當(dāng)前服役工況下的剩余壽命和當(dāng)前斷裂伸長率EAB值。

該系統(tǒng)還包括高頻信號發(fā)生模塊、電流測試模塊、電壓測試模塊和熱老化箱；所述高頻信號發(fā)生模塊用來為測試回路提供從0.1HZ到10kHZ頻段下的離散頻率電壓信號，在單次測試的相關(guān)參數(shù)被設(shè)定后，高頻信號發(fā)生模塊按照設(shè)定要求，依次向電纜施加不同頻率和頻域帶寬的交流信號；所述電流測試模塊串聯(lián)在高頻信號發(fā)生模塊的低壓輸出端回路上，用來測試電纜在各個頻率的電壓信號下的響應(yīng)電流幅值和相位，采樣頻率高于倍的信號頻率；電壓測試模塊并聯(lián)在模塊的高壓輸出端和低壓輸出端之間，用來測試電纜屏蔽和導(dǎo)體之間，在各個頻率的電壓信號下的響應(yīng)電壓幅值和相位，采樣頻率高于10倍的信號頻率；溫度探頭用來測試電纜的周圍溫度；熱老化箱用來在實驗室中對電纜施加溫度，進(jìn)行溫度補償試驗和熱老化試驗，獲取溫度自矯正因子以及熱老化基準(zhǔn)曲線；數(shù)據(jù)采集模塊用于收集本系統(tǒng)測取的各種數(shù)據(jù)信息，包括電纜電壓和電流相位幅值以及被測電纜的表面溫度；SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)用來通過數(shù) 據(jù)采集模塊收集的各種數(shù)據(jù)信息，以及系統(tǒng)輸入的電纜幾何尺寸，計算出被測電纜在參考溫度20℃下的復(fù)介電系數(shù)頻譜ε*(ω)；并基于電纜絕緣的SH因子壽命預(yù)測曲線和SH因子與EAB映射曲線的信息輸入，結(jié)合系統(tǒng)錄入的電纜服役環(huán)境，計算出表征電纜當(dāng)前老化狀態(tài)的SH因子、斷裂伸長率EAB值以及在當(dāng)前服役條件下的剩余壽命。

基于該系統(tǒng)的分析方法包括如下步驟：

步驟一：首先在實驗室，針對與被測電纜材料相同的樣本進(jìn)行溫度校正試驗，即在不同溫度下，測取樣本電纜的介電頻譜特性曲線，然后通過阿倫紐斯公式的頻域模型，獲取溫度校正因子計算公式，錄入評估系統(tǒng)中，該類型電纜所從屬的溫度補償條目；

步驟二：然后在實驗室中，針對與被測電纜材料相同的樣本進(jìn)行加速老化試驗，測取樣本電纜的初始狀態(tài)以及在135℃下不同老化狀態(tài)的頻譜特性曲線并求取其相應(yīng)的SH因子，以及斷裂伸長率EAB數(shù)值，從而建立起起被測電纜材料樣本的SH因子老化基準(zhǔn)曲線，以及SH因子與EAB數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系，將這些數(shù)據(jù)信息錄入系統(tǒng)中；

步驟三：然后在實際測試作業(yè)中，測取電纜的復(fù)電容頻譜曲線；通過電纜尺寸信息，求取電纜的幾何電容值，從而將復(fù)電容頻譜曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榻殡婎l譜曲線；

步驟四：然后在實際測試作業(yè)中，將系統(tǒng)自帶的粘連式溫度探頭附著在被測電纜表面，同時測取被測電纜的表面溫度，溫度信號自動錄入系統(tǒng)中；由系統(tǒng)自動求取該次測量所對應(yīng)的溫度校正因子，并對采集處理的介電頻譜曲線進(jìn)行溫度校正處理，獲取在基準(zhǔn)溫度下的修正頻譜曲線；

步驟五：利用SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)，通過步驟四中得到的基準(zhǔn)溫度 下的介電頻譜修正曲線，求取被測電纜當(dāng)前的SH因子數(shù)值；根據(jù)步驟二中獲取的SH因子與EAB對應(yīng)關(guān)系，給出被測電纜當(dāng)前的斷裂伸長率EAB值；

步驟六：往SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)輸入服役電纜的服役溫度和環(huán)境輻照劑量率，獲取適用于被測電纜的外推后的SH因子壽命預(yù)測曲線；通過SH因子壽命預(yù)測曲線和被測電纜當(dāng)前SH因子值，得出該服役電纜的剩余壽命。

所述的方法更詳細(xì)的步驟如下：

1)在現(xiàn)場測試中，將電纜進(jìn)行預(yù)處理，在電纜絕緣和屏蔽邊緣處纏繞絕緣膠帶，然后在該絕緣膠帶和電纜絕緣邊緣纏繞鋁膠帶；頻域響應(yīng)測試分析系統(tǒng)的高壓端與電纜線芯相連，低壓端與電纜屏蔽相連，接地端與纏繞在絕緣膠帶和電纜絕緣邊緣的鋁膠帶相連，以抵消雜散電容對測量結(jié)果的影響；使用溫度探頭測取電纜環(huán)境溫度，所有測取的信息由數(shù)據(jù)采集模塊收錄；

SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)的實現(xiàn)步驟如下：

2)數(shù)據(jù)采集模塊對采集到的電纜在不同頻率下的電壓U(ω),電流I(ω)的幅值和相位進(jìn)行計算，分離儲能分量和損耗分量信號，求取被測電纜絕緣復(fù)電容頻域譜C*(ω)的儲能分量頻譜C'(ω)和損耗分量頻譜C”(ω)；

C*(ω)＝C'(ω)+C”(ω)j

3)評估系統(tǒng)基于錄入的被測電纜絕緣結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括長度、導(dǎo)體半徑r1、絕緣線芯半徑r2、線芯數(shù)量計算待測電纜的幾何電容C₀；通過該模塊中算取的電纜絕緣復(fù)電容頻譜C*(ω)和幾何電容C₀，得出被測電纜絕緣的復(fù)介電系數(shù)頻譜ε*(ω)；

ε*(ω)＝C*(ω)/C₀＝ε'(ω)+ε”(ω)j

4)對于單芯同軸電纜，芯對屏蔽測量的幾何電容如下式所示；對于其它類型的電纜，可通過查詢手冊，計算其幾何因數(shù)，求取其幾何電容；

C₀＝2π×ε₀/ln(r₂/r₁)

其中，ε₀表示真空介電常數(shù)，其大小為8.85×10-12法拉/米；

SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)中溫度矯正功能的實現(xiàn)步驟如下所示：

5)在實驗室中，針對與被測電纜相同絕緣材料的電纜執(zhí)行溫度校正試驗；將電纜置于熱老化箱內(nèi)，電纜端部引出，按照步驟1)的現(xiàn)場測試進(jìn)行連接，測量電纜在一定溫度范圍內(nèi)不同溫度下介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)；

6)以20℃頻譜特性ε”(ω)為參考曲線，計算其它溫度下的頻譜特性ε”(ω)沿頻率軸log-log坐標(biāo)系下向20℃下平移的頻域差值：

每一個溫度下的頻譜平移均可得到數(shù)個平移因子α值，以平移因子α為Y軸，溫度的倒數(shù)1/T為X軸，繪制α—1/T的分布圖；

7)由于log(ω)-1/T坐標(biāo)系平移因子α滿足平移公式：

設(shè)x＝1/T，y＝log(ω),k＝-Ea/(R*2.3026)，R為氣體常數(shù)，則k和1/T關(guān)系應(yīng)符合一次函數(shù)：y＝kx+b，針對log(ω)—1/T的數(shù)據(jù)點分布圖，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合計算斜率k的數(shù)值；

b＝(Σy-kΣx)/N

將斜率k值代入到分項26)中l(wèi)og-log坐標(biāo)系平移因子α的計算公式，即可獲得不同溫度下頻譜曲線向20℃平移的平移因子α計算方法；

8)按照分項27)中獲取的平移因子α計算方法，將不同溫度下的頻譜曲線平移至20℃下，擬合出修正后的主導(dǎo)曲線，該主導(dǎo)曲線綜合了各溫度下電纜絕緣介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)的基本形狀，以此修正后的主導(dǎo)曲線，重復(fù)分項26)和分項27)，計算修正后的斜率a和截距b，將其錄入評估系統(tǒng)中，得到該絕緣材料電纜在不同溫度T下測得的ε”(ω)頻域特性向20℃平移的溫度校正因子計算方法，即分項26)的平移公式；

9)利用分項28)中獲取的斜率a值，計算電纜絕緣活化能Ea的數(shù)值：

Ea＝-k×R/2.3026

10)在實際現(xiàn)場頻域信號測試中，將溫度探頭附著在被測電纜表面，測取被測電纜的表面溫度，溫度信號自動錄入評估系統(tǒng)，代入分項28)中獲得的溫度校正因子計算公式，求取該次測量所對應(yīng)的溫度校正因子，并對數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度校正處理，獲取在基準(zhǔn)溫度20℃下復(fù)電容頻譜虛部的修正頻域曲線；

SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7的壽命評估功能實現(xiàn)步驟如下：

11)在實驗室中，使用測取評估所需的支撐數(shù)據(jù)，錄入至SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)中；首先，針對新電纜，執(zhí)行介電響應(yīng)頻譜測試，獲取其初始狀態(tài)下的介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)_初始曲線，錄入系統(tǒng)中；

12)在實驗室中，通過熱老化箱，針對與被測電纜同材料型號的樣本執(zhí)行壽命試驗；試驗溫度為135℃，試驗電纜由兩部分組成，定期同時取樣，分別執(zhí)行斷裂伸長率和介電響應(yīng)頻譜試驗，直至電纜絕緣的相對斷裂伸長率達(dá)到50％；

13)在實驗室中，針對核電站用電纜，除了熱老化壽命試驗之外，還需要將試驗電纜放置在輻照場中，執(zhí)行輻照老化壽命試驗，輻照劑量率為4kGy/h；試驗電纜由兩部分組成，分別用來執(zhí)行斷裂伸長率和介電響應(yīng)頻譜試驗；定期同時取樣，分別執(zhí)行斷裂伸長率和介電響應(yīng)頻譜試驗，直至電纜絕緣的斷裂伸 長率達(dá)到50％；

14)隨著電纜老化，介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)曲線出現(xiàn)沿頻率軸平移的特征；取0.01HZ～1000HZ測試頻段內(nèi)，在同一介電系數(shù)虛部數(shù)值ε”(ω_i)下，測試的介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)相對于模塊中存儲的初始狀態(tài)介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)_初始的平移系數(shù)SH_i；每一條測試的頻譜曲線均對應(yīng)有n個平移系數(shù)SH_i，取其算術(shù)平均作為該條頻譜曲線對應(yīng)的SH因子，用以表征電纜當(dāng)前的老化狀態(tài)；

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

15)基于步驟34)的SH因子算法，將步驟32)和步驟33)中獲取的電纜在各個老化階段下的介電頻譜換算成電纜SH因子老化基準(zhǔn)曲線，作為該絕緣材料電纜的SH因子熱老化評估和輻照老化評估基準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)中，并將斷裂伸長率為50％時的電纜SH因子數(shù)值作為SH因子的終點判據(jù)SH_終點；

16)根據(jù)步驟32)和步驟33)中測得的數(shù)據(jù)，繪制該樣本材料電纜斷裂伸長率EAB熱老化評估和輻照老化評估的老化基準(zhǔn)曲線，存入SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)中，并建立EAB與SH因子的映射曲線；

17)在實際測試作業(yè)中，基于測取電纜的介電修正頻域曲線，根據(jù)該電纜的絕緣材料，選擇系統(tǒng)中存儲的該材料電纜的初始性能頻譜ε”(ω)_初始，通過步驟34)的SH因子算法，求取電纜當(dāng)前的SH因子數(shù)值；

18)在實際測試作業(yè)中，往本發(fā)明電纜老化頻域測試評估系統(tǒng)中輸入服役電纜的服役溫度和環(huán)境輻照劑量率，根據(jù)系統(tǒng)的算法，將步驟35)和步驟36)中獲取的該絕緣材料電纜SH因子和EAB因子壽命基準(zhǔn)曲線外推至電纜服役環(huán)境下，適用于被測電纜的外推后的SH因子壽命預(yù)測曲線；

19)步驟38)所述的外推算法為：借助步驟29)中獲取的活化能，通過阿倫紐斯熱老化模型將SH因子和EAB熱老化基準(zhǔn)曲線由加速老化溫度外推至服役溫度；基于輻照劑量累積模型，將熱老化模型將SH因子和EAB熱老化基準(zhǔn)曲線由加速老化輻照劑量率4KGy外推至服役輻照劑量率，對于協(xié)同老化模型，則可根據(jù)簡單線性疊加模型，將熱老化和輻照老化基準(zhǔn)曲線進(jìn)行疊加，從而獲取電纜在熱和輻照協(xié)同作用下的評估曲線；

20)最后，通過步驟37)求取的電纜當(dāng)前SH因子以及步驟38)中求取的SH因子壽命預(yù)測曲線，對電纜在當(dāng)前服役環(huán)境下的服役狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并給出該服役電纜的剩余壽命；根據(jù)步驟36)中建立的SH因子和EAB映射關(guān)系，通過電纜當(dāng)前的SH因子值，給出電纜當(dāng)前服役狀態(tài)對應(yīng)的斷裂伸長率EAB值。

本發(fā)明所取得的有益效果為：

本發(fā)明通過建立反映電纜老化狀態(tài)的指標(biāo)參量SH因子，以提供一種可用于電纜整體老化評估的頻域測試技術(shù)以及匹配的測試系統(tǒng)，徹底解決服役電纜狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域中無損監(jiān)測以及電纜老化壽命評估的難題。本發(fā)明涉及技術(shù)具有測試方法簡單，接線便捷，壽命評估準(zhǔn)確等特點，已用于秦山核電站電纜老化診斷項目中。由于上述技術(shù)方案的采用，本發(fā)明所使用的系統(tǒng)將頻域測量和分析技術(shù)集成在一個統(tǒng)一的平臺中，測試人僅需輸入電纜的幾何尺寸以及服役環(huán)境信息，即可通過無損的電氣測量試驗，快速獲取電纜絕緣材料當(dāng)前的熱老化或輻照老化狀態(tài)(SH因子和EAB值)，并給出電纜的剩余壽命。這一測量系統(tǒng)和評估方法使用非常便捷，提供的SH因子和EAB值能夠準(zhǔn)確反映電纜的老化狀態(tài)，直接給出剩余壽命數(shù)值這一功能徹底解決了電纜的無損檢測和壽命評估問題，從而避免了可能存在的超期服役風(fēng)險，確保電纜的安全可靠運行。

附圖說明

圖1為電纜老化頻域測試評估系統(tǒng)模塊連接圖；

圖2為電纜老化頻域測試評估流程圖；

圖3為電纜老化頻域測試端部處理圖；

圖4為電纜在不同溫度下的介電虛部頻域曲線；

圖5為電纜溫度校正因子及活化能的求取示意圖；

圖6為初始狀態(tài)主導(dǎo)曲線的擬合；

圖7為135℃不同老化狀態(tài)下的介電虛部頻譜；

圖8為SH因子老化基準(zhǔn)曲線的求?。?/p>

圖9為EAB老化基準(zhǔn)曲線的求?。?/p>

圖10為EAB-SH因子映射關(guān)系圖；

圖11為現(xiàn)役電纜整體老化狀態(tài)評估及壽命預(yù)測示意圖；

圖中：1、高頻信號發(fā)生模塊；2、電流測試模塊；3、電壓測試模塊；4、溫度探頭；5、熱老化箱；6、數(shù)據(jù)采集模塊；7、SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)；8、電纜。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明所述用于電纜整體老化壽命評估的頻域測試分析系統(tǒng)包括高頻信號發(fā)生模塊1、電流測試模塊2、電壓測試模塊3和溫度探頭4、熱老化箱5、數(shù)據(jù)采集模塊6以及SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7。

所述的數(shù)據(jù)采集模塊6采集的測試數(shù)據(jù)包括電纜8在不同頻率的交流信號作用下的電壓和電流響應(yīng)，從而計算出電纜復(fù)電容頻譜和介電頻譜；根據(jù)所述的溫度探頭4測得的溫度信號，通過調(diào)用系統(tǒng)中存儲的該材料電纜溫度補償因子，對基于測試數(shù)據(jù)計算出的介電頻譜進(jìn)行溫度校正處理，獲取在基準(zhǔn)溫度下 的修正頻域曲線；所述的SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7通過修正后的介電頻譜曲線，計算表征電纜當(dāng)前狀態(tài)的SH因子數(shù)值，并通過該系統(tǒng)中收錄的曲線信息，外推出該電纜8在當(dāng)前服役工況下的剩余壽命和當(dāng)前斷裂伸長率EAB值。

所述高頻信號發(fā)生模塊1用來為測試回路提供從0.1HZ到10kHZ頻段下的離散頻率電壓信號；在單次測試的相關(guān)參數(shù)被設(shè)定后，高頻信號發(fā)生模塊按照設(shè)定要求，依次向電纜8施加不同頻率和頻域帶寬的交流信號。所述電流測試模塊2串聯(lián)在高頻信號發(fā)生模塊1的低壓輸出端回路上，用來測試電纜8在各個頻率的電壓信號下的響應(yīng)電流幅值和相位，采樣頻率高于10倍的信號頻率；電壓測試模塊3并聯(lián)在模塊1的高壓輸出端和低壓輸出端之間，用來測試電纜8屏蔽和導(dǎo)體之間，在各個頻率的電壓信號下的響應(yīng)電壓幅值和相位，采樣頻率高于10倍的信號頻率；溫度探頭4用來測試電纜8的周圍溫度；熱老化箱5用來在實驗室中對電纜施加溫度，進(jìn)行溫度補償試驗和熱老化試驗，從而獲取溫度自矯正因子以及熱老化基準(zhǔn)曲線；數(shù)據(jù)采集模塊6用于收集本系統(tǒng)測取的各種數(shù)據(jù)信息，包括電纜電壓和電流相位幅值以及被測電纜的表面溫度；SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7用來通過數(shù)據(jù)采集模塊收集的各種數(shù)據(jù)信息，以及系統(tǒng)輸入的電纜幾何尺寸，計算出被測電纜在參考溫度20℃下的復(fù)介電系數(shù)頻譜ε*(ω)；并基于電纜絕緣的SH因子壽命預(yù)測曲線和SH因子與EAB映射曲線的信息輸入，結(jié)合系統(tǒng)錄入的電纜服役環(huán)境，計算出表征電纜當(dāng)前老化狀態(tài)的SH因子、斷裂伸長率EAB值以及在當(dāng)前服役條件下的剩余壽命。

如圖2所示，一種用于電纜整體老化壽命評估的頻域測試分析方法包括如下步驟：

步驟一：首先在實驗室，針對與被測電纜材料相同的樣本進(jìn)行溫度校正試驗，即在不同溫度下，測取樣本電纜的介電頻譜特性曲線，然后通過阿倫紐斯 公式的頻域模型，獲取溫度校正因子計算公式，錄入評估系統(tǒng)中，該類型電纜所從屬的溫度補償條目；

步驟二：然后在實驗室中，針對與被測電纜材料相同的樣本進(jìn)行加速老化試驗，測取樣本電纜的初始狀態(tài)以及在135℃下不同老化狀態(tài)的頻譜特性曲線并求取其相應(yīng)的SH因子，以及斷裂伸長率EAB數(shù)值，從而建立起起被測電纜材料樣本的SH因子老化基準(zhǔn)曲線，以及SH因子與EAB數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系，將這些數(shù)據(jù)信息錄入系統(tǒng)中；

步驟三：然后在實際測試作業(yè)中，測取電纜的復(fù)電容頻譜曲線；通過電纜尺寸信息，求取電纜的幾何電容值，從而將復(fù)電容頻譜曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榻殡婎l譜曲線；

步驟四：然后在實際測試作業(yè)中，將系統(tǒng)自帶的粘連式溫度探頭附著在被測電纜表面，同時測取被測電纜的表面溫度，溫度信號自動錄入系統(tǒng)中；由系統(tǒng)自動求取該次測量所對應(yīng)的溫度校正因子，并對采集處理的介電頻譜曲線進(jìn)行溫度校正處理，獲取在基準(zhǔn)溫度下的修正頻譜曲線；

步驟五：利用SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7，通過步驟四中得到的基準(zhǔn)溫度下的介電頻譜修正曲線，求取被測電纜當(dāng)前的SH因子數(shù)值；根據(jù)步驟二中獲取的SH因子與EAB對應(yīng)關(guān)系，給出被測電纜當(dāng)前的斷裂伸長率EAB值；

步驟六：往SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7輸入服役電纜的服役溫度和環(huán)境輻照劑量率，獲取適用于被測電纜的外推后的SH因子壽命預(yù)測曲線；通過SH因子壽命預(yù)測曲線和被測電纜當(dāng)前SH因子值，得出該服役電纜的剩余壽命。

一種用于電纜整體老化壽命評估的頻域測試分析方法更詳細(xì)的步驟如下：

21)在現(xiàn)場測試中，將電纜按照圖3進(jìn)行預(yù)處理，在電纜絕緣和屏蔽邊緣處纏繞絕緣膠帶，然后在該絕緣膠帶和電纜絕緣邊緣纏繞鋁膠帶。頻域響應(yīng)測 試裝置的高壓端與電纜線芯相連，低壓端與電纜屏蔽相連，接地端與纏繞在絕緣膠帶和電纜絕緣邊緣的鋁膠帶相連，以抵消雜散電容對測量結(jié)果的影響。使用溫度探頭4測取電纜環(huán)境溫度,。所有測取的信息由數(shù)據(jù)采集模塊收錄。

SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7的實現(xiàn)步驟如下所示：

22)數(shù)據(jù)采集模塊6對采集到的電纜在不同頻率下的電壓U(ω),電流I(ω)的幅值和相位進(jìn)行計算，分離儲能分量和損耗分量信號，從而求取被測電纜絕緣復(fù)電容頻域譜C*(ω)的儲能分量(即實部)頻譜C'(ω)和損耗分量(即虛部)頻譜C”(ω)。

C*(ω)＝C'(ω)+C”(ω)j

23)評估系統(tǒng)基于錄入的被測電纜絕緣結(jié)構(gòu)參數(shù)，如長度l(米)，導(dǎo)體半徑r1，絕緣線芯半徑r2，線芯數(shù)量等，計算待測電纜的幾何電容C₀。通過該模塊中算取的電纜絕緣復(fù)電容頻譜C*(ω)和幾何電容C₀，可得出被測電纜絕緣的復(fù)介電系數(shù)頻譜ε*(ω)。

ε*(ω)＝C*(ω)/C₀＝ε'(ω)+ε”(ω)j

24)對于單芯同軸電纜，芯對屏蔽測量的幾何電容如下式所示。對于其它類型的電纜，可通過查詢手冊，計算其幾何因數(shù)，求取其幾何電容。

C₀＝2π×ε₀/ln(r₂/r₁)

其中，ε₀表示真空介電常數(shù)，其大小為8.85×10-12法拉/米。

SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7中溫度矯正功能的實現(xiàn)步驟如下所示：

25)在實驗室中，針對與被測電纜相同絕緣材料的電纜執(zhí)行溫度校正試驗。將電纜置于熱老化箱5內(nèi)，電纜端部引出，按照步驟一的現(xiàn)場測試進(jìn)行連 接。測量電纜在一定溫度范圍內(nèi)不同溫度下介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)。

26)以20℃頻譜特性ε”(ω)為參考曲線，計算其它溫度下的頻譜特性ε”(ω)沿頻率軸log-log坐標(biāo)系下向20℃下平移的頻域差值：

每一個溫度下的頻譜平移均可得到數(shù)個平移因子α值，以平移因子α為Y軸，溫度的倒數(shù)1/T為X軸，繪制α—1/T的分布圖。

27)由于log(ω)-1/T坐標(biāo)系平移因子α滿足平移公式：

設(shè)x＝1/T，y＝log(ω),k＝-Ea/(R*2.3026)，R為氣體常數(shù)，則k和1/T關(guān)系應(yīng)符合一次函數(shù)：y＝kx+b，針對log(ω)—1/T的數(shù)據(jù)點分布圖，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合計算斜率k的數(shù)值。

b＝(Σy-kΣx)/N

將斜率k值代入到分項26)中l(wèi)og-log坐標(biāo)系平移因子α的計算公式，即可獲得不同溫度下頻譜曲線向20℃平移的平移因子α計算方法。

28)按照分項27)中獲取的平移因子α計算方法，將不同溫度下的頻譜曲線平移至20℃下，擬合出修正后的主導(dǎo)曲線。該主導(dǎo)曲線綜合了各溫度下電纜絕緣介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)的基本形狀。以此修正后的主導(dǎo)曲線，重復(fù)分項26)和分項27)，計算修正后的斜率a和截距b，將其錄入評估系統(tǒng)7中，得到該絕緣材料電纜在不同溫度T下測得的ε”(ω)頻域特性向20℃平移的溫度校正因子計算方法，即分項26)的平移公式。

29)利用分項28)中獲取的斜率a值，計算電纜絕緣活化能Ea的數(shù)值：

Ea＝-k×R/2.3026

30)在實際現(xiàn)場頻域信號測試中，將溫度探頭4附著在被測電纜表面，測取被測電纜的表面溫度，溫度信號自動錄入評估系統(tǒng)。代入分項28)中獲得的溫度校正因子計算公式，由設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)處理模塊求取該次測量所對應(yīng)的溫度校正因子，并對數(shù)據(jù)采集模塊6采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度校正處理，獲取在基準(zhǔn)溫度20℃下復(fù)電容頻譜虛部的修正頻域曲線。

SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7的壽命評估功能實現(xiàn)步驟如下所示：

31)在實驗室中，使用本發(fā)明電纜老化頻域測試評估系統(tǒng)測取評估所需的支撐數(shù)據(jù)，錄入至SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7中。首先，針對新電纜，執(zhí)行介電響應(yīng)頻譜測試，獲取其初始狀態(tài)下的介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)_初始曲線，錄入系統(tǒng)中。

32)在實驗室中，通過熱老化箱7，針對與被測電纜同材料型號的樣本執(zhí)行壽命試驗。試驗溫度為135℃，試驗電纜由兩部分組成，定期同時取樣，分別執(zhí)行斷裂伸長率和介電響應(yīng)頻譜試驗，直至電纜絕緣的相對斷裂伸長率達(dá)到50％。

33)在實驗室中，針對核電站用電纜，除了熱老化壽命試驗之外，還需要將試驗電纜放置在輻照場中，執(zhí)行輻照老化壽命試驗，輻照劑量率為4kGy/h。試驗電纜由兩部分組成，分別用來執(zhí)行斷裂伸長率和介電響應(yīng)頻譜試驗。定期同時取樣，分別執(zhí)行斷裂伸長率和介電響應(yīng)頻譜試驗，直至電纜絕緣的斷裂伸長率達(dá)到50％。

34)隨著電纜老化，介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)曲線出現(xiàn)沿頻率軸平移的特征。取0.01HZ～1000HZ測試頻段內(nèi)，在同一介電系數(shù)虛部數(shù)值ε”(ω_i)下，測試的介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)相對于模塊中存儲的初始狀態(tài)介電系數(shù)虛部頻譜ε”(ω)_初始的平移系數(shù)SH_i。每一條測試的頻譜曲線均對應(yīng)有n個平移系數(shù)SH_i，取 其算術(shù)平均作為該條頻譜曲線對應(yīng)的SH因子，用以表征電纜當(dāng)前的老化狀態(tài)。

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

35)基于步驟34)的SH因子算法，將步驟32)和步驟33)中獲取的電纜在各個老化階段下的介電頻譜換算成電纜SH因子老化基準(zhǔn)曲線，作為該絕緣材料電纜的SH因子熱老化評估和輻照老化評估基準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7中。并將斷裂伸長率為50％時的電纜SH因子數(shù)值作為SH因子的終點判據(jù)SH_終點。

36)根據(jù)步驟32)和步驟33)中測得的數(shù)據(jù)，繪制該樣本材料電纜斷裂伸長率EAB熱老化評估和輻照老化評估的老化基準(zhǔn)曲線，存入SH因子計算及壽命評估系統(tǒng)7中。并建立EAB與SH因子的映射曲線。

37)在實際測試作業(yè)中，基于模塊1、模塊2、模塊3、模塊4和模塊6測取電纜的介電修正頻域曲線，根據(jù)該電纜的絕緣材料，選擇系統(tǒng)7中存儲的該材料電纜的初始性能頻譜ε”(ω)_初始，通過步驟34)的SH因子算法，求取電纜當(dāng)前的SH因子數(shù)值；

38)在實際測試作業(yè)中，往本發(fā)明電纜老化頻域測試評估系統(tǒng)中輸入服役電纜的服役溫度和環(huán)境輻照劑量率(適用于核電站環(huán)境)，根據(jù)系統(tǒng)7的算法，將步驟35)和步驟36)中獲取的該絕緣材料電纜SH因子和EAB因子壽命基準(zhǔn)曲線外推至電纜服役環(huán)境下，適用于被測電纜的外推后的SH因子壽命預(yù)測曲線。

39)步驟38)所述的外推算法為：借助步驟29)中獲取的活化能，通過阿倫紐斯熱老化模型將SH因子和EAB熱老化基準(zhǔn)曲線由加速老化溫度外推至服役溫度；基于輻照劑量累積模型，將熱老化模型將SH因子和EAB熱老化基準(zhǔn) 曲線由加速老化輻照劑量率4KGy外推至服役輻照劑量率，對于協(xié)同老化模型，則可根據(jù)簡單線性疊加模型，將熱老化和輻照老化基準(zhǔn)曲線進(jìn)行疊加，從而獲取電纜在熱和輻照協(xié)同作用下的評估曲線。此步驟中使用的阿倫紐斯熱老化模型、輻照劑量累積模型和簡單線性疊加模型不是本發(fā)明重點，在此不做贅述。

40)最后，通過步驟37)求取的電纜當(dāng)前SH因子以及步驟38)中求取的SH因子壽命預(yù)測曲線，對電纜在當(dāng)前服役環(huán)境下的服役狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并給出該服役電纜的剩余壽命。根據(jù)步驟36)中建立的SH因子和EAB映射關(guān)系，通過電纜當(dāng)前的SH因子值，給出電纜當(dāng)前服役狀態(tài)對應(yīng)的斷裂伸長率EAB值。

實施示例:

某核電站使用的核級K3類電纜絕緣材料為無鹵阻燃交聯(lián)聚烯烴材料。首先，在實驗室測取該電纜在不同背景溫度下的復(fù)介電頻譜，包括實部分量和虛部分量。如圖4所示。設(shè)x＝1/T，y＝log(ω)，繪制在同一介電虛部數(shù)值log(ε”)下，log(ω)—1/T的數(shù)據(jù)點分布圖，如圖5所示。利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合計算斜率k的數(shù)值。

表1某核級K3類電纜溫度校正因子斜率k的計算過程

由表中數(shù)據(jù)可知斜率k值變化極小，取其中值k＝-1007.8，根據(jù)斜率k，求取活化能值，Ea＝-R*k/2.3026＝0.859ev

該電纜溫度校正因子公式為：

針對任意溫度T測取的介電虛部頻譜，均可通過上式算取校正因子數(shù)值，在對數(shù)坐標(biāo)系下，將介電虛部頻譜沿頻率軸進(jìn)行平移。當(dāng)α為正時，向左平移；當(dāng)α為負(fù)時，向右平移。

通過上式，將各個溫度下測取的介電虛部頻譜平移至20℃下，擬合出該電纜的介電虛部頻譜的初始狀態(tài)主導(dǎo)曲線。如圖6所示。

在實驗室中將電纜置于135℃空氣熱老化箱執(zhí)行熱老化試驗，分別在96h，192h，288h，384h，480h，576h，672h，768h等時間點下取樣直至斷裂伸長率EAB低于50％，測取電纜樣本的介電頻譜(20℃下的矯正曲線)和斷裂伸長率EAB值。如圖7和圖9所示。

根據(jù)電纜在不同老化程度下測取的介電頻譜曲線，計算曲線相對于初始狀態(tài)主導(dǎo)曲線的平移因子SH_i，如下表所示。

表2某核級K3類電纜SH因子的計算過程

求取各老化階段下平移因子SH_i的算術(shù)平均值作為該老化狀態(tài)下的電纜SH因子。獲取如圖8所示的SH因子老化基準(zhǔn)曲線。當(dāng)電纜斷裂伸長率達(dá)到初始值得50％時，對應(yīng)SH因子數(shù)值為1.621，即電纜壽命終點時的SH因子判據(jù)。

根據(jù)各個老化階段下求取的SH因子和斷裂伸長率EAB值，繪制二者的映射關(guān)系，并擬合二者的函數(shù)關(guān)系式。

EAB＝exp(5.97958-0.31077×SH-0.01821×SH²)

完成實驗室老化試驗后，在核電站現(xiàn)場對服役電纜進(jìn)行測試，并求取其當(dāng)前SH因子1.4983。其服役溫度為53.1℃，輻照劑量率為0。則通過阿倫紐斯熱老化模型，將SH因子老化基準(zhǔn)曲線外推至服役環(huán)境下進(jìn)行評估，如圖11所示。由評估圖中可知該電纜在當(dāng)前服役溫度下的剩余壽命為8年。

根據(jù)EAB與SH因子的函數(shù)關(guān)系式，將SH＝1.4983代入，可求出該服役電 纜的斷裂伸長率EAB值為241.2。

對該服役電纜進(jìn)行取樣，通過拉伸試驗測取其斷裂伸長率為237.15，證明本發(fā)明的電纜老化頻域測試評估系統(tǒng)評估出的斷裂伸長率值有著較高的準(zhǔn)確率。