船用电力电缆EPR绝缘材料非破坏性寿命预测方法研究

摘要

船用电力电缆作为船舶电能传输和配送过程中能量转移的核心，其绝缘材料的老化程度直接影响电缆工作的安全性和用电设备运行的可靠性。船用电力电缆敷设环境比较复杂，在温度、油雾、湿度等因素的影响下，绝缘材料会逐渐发生老化而导致安全使用寿命降低。因此，开展绝缘材料寿命预测的研究，对于确保船用电力电缆的安全运行和最大限度的延长其使用寿命具有重要的意义。
　　本文以船用电力电缆使用率较高的乙丙橡胶绝缘(Ethylene Propylene Rubber，EPR)材料为研究对象，明确了加速老化条件下EPR绝缘材料的物理性能、化学性能性和电性能的变化规律，探讨了硬度保留率和0.01Hz-1Hz范围内介质损耗角正切值曲线积分值（下文以tanδint代替）与断裂伸长率保留率之间的关联关系，得到了以硬度保留率和tanδint为老化特征量进行EPR绝缘材料非破坏性寿命预测的判据，并对寿命预测模型中工作温度的确定进行了分析。具体内容如下:
　　研究了湿热老化和热老化条件下，EPR绝缘材料抗拉强度、断裂伸长率保留率和拉伸应力与形变的变化规律，结果表明温度为EPR绝缘材料老化的主要影响因素，而水分、盐对老化程度影响不明显。分析了热老化条件下绝缘材料的断裂伸长率保留率与傅里叶变换红外光谱曲线，发现随着老化程度的增加，断裂伸长率保留率与内部分子在1790cm-1波段的透射率峰值均呈现明显减小趋势。采用回归方程对平移因子进行优化，得到基准温度下断裂伸长率保留率曲线的拟合方程，并结合Arrhenius方程建立了可预测其他工作温度下EPR绝缘材料寿命的外推方程。
　　分析了EPR绝缘材料硬度保留率随断裂伸长率保留率变化的理论关系曲线，并与热老化条件下实验测量关系曲线对比，结果表明理论曲线与实验测量曲线的变化趋势一致，硬度保留率可作为EPR绝缘材料的老化特征量。依据IEC60216相关标准，以断裂伸长率保留率降低到50％为寿命终止基准，提出选取硬度保留率降低到10％作为EPR绝缘材料寿命终止指标。对不同温度下绝缘材料基于硬度保留率与断裂伸长率保留率达到寿命终止的时间差值进行比较，结果表明预测寿命值差值较小，证明基于硬度保留率进行EPR绝缘材料寿命预测的有效性。
　　研究了不同老化条件下EPR绝缘材料介电频谱曲线的变化规律，发现介电频谱曲线在0.01Hz-1Hz频率范围内单调增加。以0.01Hz-1Hz频率范围内介质损耗角正切值曲线积分值tanδint作为EPR绝缘材料老化特征量，建立了基于tanδint的EPR绝缘材料寿命预测模型，并以断裂伸长率保留率降低到50％为寿命终止基准，提出选取tanδint为0.5作为EPR绝缘材料寿命终止判据。对比分析不同温度下绝缘材料基于tanδint为0.5与断裂伸长率保留率为50％计算寿命终止时间，结果表明两种分析方法在不同温度下的预测寿命值相吻合，证明tanδint可有效用于EPR绝缘材料寿命预测。
　　通过建立电缆三维有限元仿真模型，得到了不同载荷电流下电缆工作温度，并与模拟电缆实际工作条件下测量温度对比，结果表明固定参数下仿真温度与实验测量温度存在较大差异。在单一增大绝缘层和护套层导热系数情况下，分析了导热系数对导体层温度的影响，并依据稳态导热模型与实验测量温度，对不同载荷电流下绝缘层和护套层导热系数进行计算，推导出导热系数与载荷电流的关系并进行验证，结果表明改变参数后仿真温度与实验测量温度相吻合。
　　结合已敷设运行30年船用电力电缆EPR绝缘材料硬度保留率和tanδint测量数据，利用相应终点指标推导出电缆实际工作时间修正系数，并对绝缘材料剩余寿命进行预测，结果表明两种测量方法寿命预测结果一致，可用于船用电力电缆EPR绝缘材料寿命预测。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 船用电力电缆绝缘材料老化原因

1．3 EPR绝缘材料老化研究现状

1．4 绝缘材料寿命预测研究现状

1．4．1 加速老化试验

1．4．2 寿命预测模型

1．4．3 工作温度确定

1．5 船用电力电缆EPR绝缘材料检测的特殊性

1．6 本文主要研究内容

2 EPR绝缘材料性能变化规律分析及寿命预测模型

2．1 EPR绝缘材料

2．2 加速老化试验流程

2．2．1 试样制备及预处理

2．2．2 老化温度及取样周期选取

2．2．3 试样寿命终点选择

2．2．4 断裂伸长率初始值测试

2．3 加速老化条件下性能变化规律分析

2．3．1 热老化与湿热老化试验

2．3．2 断裂伸长率保留率变化规律分析

2．3．3 FTIR透射率峰值与断裂伸长率保留率的关系

2．4 基于断裂伸长率保留率的寿命预测模型建立

2．4．1 平移因子优化计算及主曲线拟合

2．4．2 活化能计算及寿命预测模型建立

2．5 本章小结

3 基于硬度保留率的EPR绝缘材料寿命预测

3．1 硬度保留率定义及初始值测量

3．1．1 硬度保留率定义

3．1．2 硬度保留率初始值测量

3．2 硬度保留率与断裂伸长率保留率理论对比分析

3．3 硬度保留率与断裂伸长率保留率实验对比分析

3．3．1 硬度保留率变化规律分析

3．3．2 基于硬度保留率的寿命预测模型建立

3．3．3 硬度保留率与断裂伸长率保留率关系

3．4 基于硬度保留率的终点指标判定

3．5 本章小结

4 基于介电频谱分析的EPR绝缘材料寿命预测

4．1 介电频谱概述

4．1．1 绝缘材料的极化

4．1．2 介电频谱测量原理

4．1．3 介电频谱测量方法

4．2 介电频谱分析及寿命预测模型建立

4．2．1 测量温度对EPR绝缘材料复介电常数的影响

4．2．2 老化时间对EPR绝缘材料复介电常数的影响

4．2．3 热老化条件下介质损耗角正切值测量

4．2．4 数据处理及寿命预测模型建立

4．3 基于介电频谱特征量的终点指标判定

4．4 本章小结

5 寿命预测模型中工作温度确定

5．1 工作温度测量系统设计与结果分析

5．1．1 测温系统设计

5．1．2 实验结果分析

5．2 传热学理论及有限元模型分析

5．2．1 传热学理论

5．2．2 有限元模型建立

5．2．3 仿真结果分析

5．2．4 导热系数变化规律分析

5．3 工作温度确定及寿命预测

5．3．1 工作温度确定

5．3．2 未老化EPR绝缘材料寿命预测

5．3．2 工作时间修正及剩余寿命预测

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介