一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法和装置

摘要

本发明具体涉及一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法，所述方法包括如下步骤：根据电缆绝缘材料在不同测试温度下的介电频谱曲线，获取电缆在某极化状态下的测试频率lnf和测试温度1/T，拟合出测试频率ln(f)与测试温度1/T的线性函数，通过线性函数的斜率计算得到电缆绝缘材料在该极化状态下的活化能，取电缆绝缘材料在不同极化状态下的活化能的算数平均值，得到最终的电缆绝缘材料活化能值。本发明的方法能快速无损地获取电缆绝缘材料的活化能。

说明书

技术领域

本发明涉及电缆性能检测及寿命评估领域，特别是涉及一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法和装置。

背景技术

在核电站及其他民用核设施中，核级电缆用于核安全相关的仪控信号和动力输送，对核反应堆的安全可靠运行至关重要；其绝缘聚合物材料在高温高辐照的服役环境中，存在较大的老化降质风险。因此，准确检测和评估核级电缆的老化状态一直是核电站老化管理领域的重要议题。

电缆绝缘材料的热老化过程，是热对材料分子的作用导致化学键的断裂，随之发生化学组分的变化，从而使性能变劣化以至于失效的过程。因此，电缆绝缘材料寿命问题实质上是某种化学反应的速度问题，反应速度越慢，寿命越长，反之就短。在过去的十年里，许多专家和工程人员在电缆老化状态及寿命评估方面投入了大量的研究精力。

而活化能是反映电缆绝缘材料的本质特征参数，可以根据活化能的参数值得出电缆绝缘材料的运行状态特征，从而实现其后续老化状态及寿命评估，安排相应的检修措施。根据电缆绝缘材料的活化能、预期的电缆鉴定寿命和电缆长期工作温度，选择相应的加速热老化试验温度就可以计算得出加速热老化的持续时间，从而评估出电缆寿命。活化能这一参数的微小偏差会对电缆寿命评估结果产生显著的影响。因此，必须精确测定电缆材料的活化能值。

获取电缆绝缘材料的活化能主要有两种方法：一种建立在化学热分析动力学基础上，即热重法(或氧化诱导测试法)，利用热分析方法测到的物理量变化率与温度之间的关系计算活化能；另一种基于阿伦纽斯方程，利用不同条件下达到同一老化状态下的宏观性能指标来获取电缆材料的活化能，常用的为断裂伸长率法。

采用热分析方法测定电缆活化能，涉及的反应温度范围较大，且常常涉及电缆材料的多种基元反应，是否能与电缆的实际反应机理保持一致尚缺乏合理的解释。采用断裂伸长率法测定电缆活化能，涉及对不同老化状态下电缆测试数据的拟合处理，而电缆在不同老化程度下的活化能并不是固定的，因此这种方法本身就存在误差，且断裂伸长率法是一种有损测试方法，不适用于现役电缆。

发明内容

基于此，有必要针对现有的电缆绝缘材料活化能测量方法测量过程复杂、误差大、损伤大的问题，提供一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法和装置，该方法和装置能快速无损地获取电缆绝缘材料的活化能。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法，包括如下步骤：

根据电缆绝缘材料在不同测试温度下的介电频谱曲线，获取电缆在某极化状态下的测试频率lnf和测试温度1/T，拟合出测试频率ln(f)与测试温度1/T的线性函数，通过线性函数的斜率计算得到电缆绝缘材料在该极化状态下的活化能，取电缆绝缘材料在不同极化状态下的活化能的算数平均值，得到最终的电缆绝缘材料活化能值。

进一步地，所述基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法，具体包括如下步骤：

S1：分别在不同测试温度下，测量电缆绝缘材料在不同测试频率下的介电频谱响应，从而得到不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱数据；

S2：通过不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱数据，获取不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线；

S3：在不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线上，捕捉电缆绝缘材料在某极化状态下的测试温度T和测试频率f,通过线性拟合电缆绝缘材料在该极化状态下的测试频率lnf和测试温度1/T，得到电缆绝缘材料在该极化状态下的线性函数；

S4：电缆绝缘材料在某极化状态下的线性函数，即为电缆绝缘材料的介电频谱测试温度补偿公式，通过其斜率可获取电缆绝缘材料的的活化能；

S5：多次重复S3和S4，取电缆绝缘材料在不同极化状态下获取活化能的算数平均值，得到最终的电缆绝缘材料活化能值。

进一步地，步骤S1中，分别在不同测试温度下，在实验室应用扫频的方式测量电缆绝缘材料在不同测试频率下的介电频谱响应。

进一步地，步骤S2中，所述介电频谱曲线采用对数坐标，横坐标为测试频率，纵坐标为测试频率下电缆绝缘材料的介电频谱响应。

进一步地，步骤S3中，所述线性拟合为最小二乘法线性拟合。

进一步地，步骤S3中，所述电缆绝缘材料在某极化状态下的线性函数为：lnf＝a·(1/T)+b，a为常数，b为截距。

进一步地，步骤S4中，所述电缆绝缘材料在某极化状态下的介电频谱测试温度补偿公式：lnf＝(-Ea/R)·(1/T)+b，R为阿伏伽德罗常数。

进一步地，步骤S4中，所述电缆绝缘材料在某极化状态下的活化能Ea＝-a·R。

一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量装置，包括：

信号发生模块，用于输出工频电压信号并发送给变频模块；

变频模块，用于接收信号发生模块发送的工频电压信号并将其转换成宽频电压信号后发送数据采集模块；

信号放大模块，用于放大测试回路的电流信号并发送数据采集模块；

控温模块，用于电缆测试温度的控制和调节，并将温度数据发送数据采集模块；

数据采集模块，用于接收变频模块发送的宽频电压信号、信号放大模块发送的电流信号和控温模块发送的温度数据，并发送给数据处理模块；

数据处理模块，用于接收数据采集模块发送的数据并进行分析处理，获取不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线图；

温度矫正模块，通过调用数据处理模块，在不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线上，捕捉电缆绝缘材料在某极化状态下的测试温度T和测试频率f,通过线性拟合电缆绝缘材料在该极化状态下的测试频率lnf与测试温度1/T，得到电缆绝缘材料在该极化状态下的线性函数，即为电缆绝缘材料在该极化状态下的介电频谱测试温度补偿公式，通过斜率计算得到电缆绝缘材料在该极化状态下的活化能；

人机交互模块，用于输入电缆样本参数、设定测试参数和展示所有测试结果。

进一步地，所述信号发生模块与变频模块通讯连接，所述变频模块、信号放大模块和控温模块分别与数据采集模块通讯连接，所述变频模块和信号放大模块分别与测试回路电路连接，所述数据处理模块分别与数据采集模块以及温度矫正模块通讯连接，所述人机交互模块分别与变频信号以及控温模块通讯连接。

进一步地，所述控温模块的外壳为箱式结构，所述控温模块的内部设置加热和冷却装置、多点红外测温装置和温度调节装置，所述控温模块的外壳上焊接电缆样本支架。

进一步地，所述电缆样本支架为不锈钢圆筒结构。

进一步地，所述电缆样本支架表面覆盖硅胶垫。

进一步地，所述硅胶垫和不锈钢圆筒均为镂空结构。

进一步地，所述电缆样本参数包括电缆型号、电缆材质和制造商。

进一步地，所述测试参数包括测试电压、测试频率和测试温度。

进一步地，所述测试结果包括介电频谱曲线。

本发明的有益技术效果：

本发明提供的基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法和装置，可用于现役或非现役核级电缆的活化能测定，这种活化能测定方法快速、无损、可重复性好，可为电缆绝缘材料的状态监测和寿命评估提供更精确的活化能。

附图说明

图1为本发明的电缆绝缘材料活化能测量装置示意图；

图2为实施例1的不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线图；

图3为实施例1的电缆绝缘材料在不同极化状态下的测试频率lnf和测试温度1/T的拟合线性图；

图4为本发明的控温模块内电缆样本支架结构示意图。

具体实施方式

一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法，包括如下步骤：

S1：分别在不同测试温度下，在实验室应用扫频的方式测量电缆绝缘材料在不同测试频率下的介电频谱响应，从而得到不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱数据。

S2：通过不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱数据，获取不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线，所述介电频谱曲线采用对数坐标，横坐标为测试频率，纵坐标为测试频率下电缆绝缘材料的介电频谱响应。

S3：在不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线上，捕捉电缆绝缘材料在同一极化状态下的测试温度T和测试频率f,通过最小二乘法线性拟合电缆绝缘材料在同一极化状态下的测试频率lnf和测试温度1/T，得到如下线性函数：lnf＝a·(1/T)+b，a为常数,b为截距。

S4：根据电缆绝缘材料的介电频谱测试温度补偿公式(介质损耗温度补偿因子公式)计算得到电缆绝缘材料在同一极化状态下的活化能Ea＝-a·R。

通过步骤S3和步骤S4，可以得到电缆绝缘材料在某一极化状态下的活化能Ea；选择多个极化状态，在每个极化状态下，均重复步骤S3和步骤S4，可以得到电缆绝缘材料在每个极化状态下的活化能Ea，取其算数平均值作为最终的活化能测定结果。

介电频谱测试温度补偿公式的定义：在某一极化状态下，电缆绝缘材料介电频谱测试的测试频率lnf与测试温度1/T成如下线性关系：lnf＝(-Ea/R)·(1/T)+b，所述线性关系即为电缆绝缘材料在某一极化状态下的介电频谱测试温度补偿公式。

具体地，根据阿伦纽斯方程和电介质极化原理，研究电缆绝缘材料介电频谱测试的测试频率与测试温度的关系。在使用介电频谱测试评估电缆绝缘材料老化状态时必须考虑环境温度对介电频谱测试结果的影响。设定介电频谱测试的参考温度为T

其中，α

根据公式1、公式2和傅里叶反变换，可得：

对于时域的电缆绝缘材料极化特性，根据经典的Arrhenius方程，可计算出电缆绝缘材料达到某一极化状态下需要的时间：

τ＝A exp(Ea/RT) 公式4

其中A为指前因子，也称为阿伦尼乌斯常数；Ea为电缆绝缘材料活化能值(单位为J/mol)；R为摩尔气体常数(8.31J/(mol*K))；T为绝对温度(单位为K)。

根据公式3和公式4，电缆绝缘材料达到某一极化状态下需要的频率为：

ω＝A'exp(-Ea/RT) 公式5

对公式5两边取自然对数，则有

电缆绝缘材料达到某一极化状态下，ln(f)与1/T在直角坐标系中呈线性关系。在对数坐标系下，按照公式8将电缆绝缘材料在某测试温度T

介电频谱测试：给测试电缆样本输出不同频率的电压信号，通过测试回路电压和电流信号来计算获取介电频谱响应。

一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量装置，包括信号发生模块、变频模块、信号放大模块、控温模块、数据采集模块、数据处理模块和温度矫正模块。

信号发生模块，与变频模块通讯连接，用于输出50Hz工频电压信号并发送给变频模块；

变频模块，与测试回路电路连接，与数据采集模块通讯连接，用于接收信号发生模块发送的工频电压信号并将其转换成频率范围从0.01Hz至10kHz的宽频电压信号后发送数据采集模块；

信号放大模块，与测试回路电路连接，与数据采集模块通讯连接,用于放大测试回路的电流信号并发送数据采集模块；

控温模块，与数据采集模块通讯连接，用于电缆测试温度的控制和调节，并将温度数据发送数据采集模块；

数据采集模块，用于接收变频模块发送的宽频电压信号、信号放大模块发送的电流信号和控温模块发送的温度数据，从而得到不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱数据并发送给数据处理模块。

数据处理模块，与数据采集模块通讯连接，用于接收数据采集模块发送的介电频谱数据并进行分析处理，获取不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线；

温度矫正模块，与数据处理模块通讯连接，通过调用数据处理模块，在不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线上，捕捉电缆绝缘材料在某极化状态下的测试温度T和测试频率f,通过线性拟合电缆绝缘材料在该极化状态下的测试频率lnf与测试温度1/T，得到电缆绝缘材料在该极化状态下的线性函数，即为电缆绝缘材料在该极化状态下的介电频谱测试温度补偿公式，通过斜率计算得到电缆绝缘材料在该极化状态下的活化能；

人机交互模块，分别与变频信号和控温模块通讯连接，用于输入电缆样本型号、电缆样本材质和电缆样本制造商等电缆样本参数、设定测试电压、测试频率和测试温度等测试参数和展示介电频谱曲线等测试结果，人机交互模块远程控制变频信号和控温模块达到设定的测试电压、测试频率和测试温度。

所述控温模块的外壳为箱式结构，控温模块的内部设置加热和冷却装置、多点红外测温装置和温度调节装置，控温模块的外壳上焊接不锈钢圆筒结构的电缆样本支架，电缆样本支架表面覆盖硅胶垫，测试时电缆样本缠绕在样本支架上，为确保控温箱内部的温度均匀性，硅胶垫和不锈钢圆筒均采用镂空结构。控温模块可根据需要精准调节和控制电缆样本的测试温度。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细地描述。

实施例1

一种基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法，所述电缆为某核电站使用的核级K1类电缆，其绝缘材料为无卤阻燃交联聚烯烃材料，包括如下步骤：

S1：以10℃为温度间隔，分别在不同测试温度(30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃)下，在实验室应用扫频的方式测量电缆绝缘材料在不同测试频率下的介电频谱响应，从而得到不同测试温度(30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃)下电缆绝缘材料的介电频谱数据。

S2：通过不同测试温度(30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃)下电缆绝缘材料的介电频谱数据，获取不同测试温度(30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃)下电缆绝缘材料的介电频谱曲线(参见图2)，所述介电频谱曲线采用对数坐标，横坐标为测试频率，纵坐标为测试频率下电缆绝缘材料的介电频谱响应。

S3：在不同测试温度下电缆绝缘材料的介电频谱曲线上，取6个不同的介电损耗值，如图2中的横虚线所示，获取电缆绝缘材料在每个极化状态下的测试温度T和测试频率f，通过最小二乘法线性拟合电缆绝缘材料在每个极化状态下的测试频率lnf和测试温度1/T，得到每个极化状态下的如下线性函数：

lnf＝a

S4：根据电缆绝缘材料的介电频谱测试温度补偿公式计算得到电缆绝缘材料在不同极化状态下的活化能Ea

上述基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量方法采用基于介电频谱的电缆绝缘材料活化能测量装置。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。