船用橡膠電纜整體老化剩余壽命研究

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

電力電纜在運(yùn)行過(guò)程中受電、熱、機(jī)械、化學(xué)等因素的作用會(huì)發(fā)生老化。尤其在艦艇上，由于艙室溫度過(guò)高，電纜工作時(shí)線路損耗等原因，使主干電纜和其他一些重要電纜的橡膠絕緣材料長(zhǎng)時(shí)間處于較高的溫度狀態(tài)，電纜更易產(chǎn)生老化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致電纜失效釀成火災(zāi)事故[1]。由于缺乏有效的電纜壽命估計(jì)方法，為防止電纜的老化起火，目前對(duì)船用電纜一般都定期更換，這種方法具有很大的盲目性。已有的研究[2-6]多是圍繞電纜特定狀況特定故障類型來(lái)展開(kāi)，而未考慮電纜運(yùn)行中整體緩慢老化帶來(lái)壽命縮短問(wèn)題，有可能出現(xiàn)電纜未老化或一定范圍老化但未達(dá)到更換的程度而被更換的情況，造成材料浪費(fèi)；另一種情況是電纜已經(jīng)老化到須即時(shí)更換的程度卻因未到達(dá)更換周期而延期更換，這種情況后果更加嚴(yán)重。考慮到電纜整體熱老化對(duì)其工作壽命的影響，研究分析不同老化程度下船用電纜剩余壽命變化趨勢(shì)，這對(duì)電纜的選擇性更換具有指導(dǎo)性作用。

1 數(shù)學(xué)建模

電力電纜一般由線芯、絕緣層、襯墊層、外被層等部分構(gòu)成，其等效熱阻見(jiàn)圖1[7]。

圖1 電纜等效熱阻圖

(n+λ1+λ2)I2R+nWd=0.1πDehΔθ5/4

Δθs=Ts-Tf

(1)

由式(1)得電纜表面溫度：

(2)

根據(jù)電纜等效熱阻圖可得纜芯工作溫度：

Ts=Tf+(I2R+0.5Wd)RT1+

[I2R(1+λ1)+Wd]·nRT2+
[I2R(1+λ1+λ2)+Wd]·n(RT3+RT4)

(3)

據(jù)文獻(xiàn)[7]可得電纜各熱阻，代入纜芯工作溫度公式(2)得線芯溫度與電纜導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系：

[I2R(1+λ1+λ2)+Wd]×n·

(4)

式中：n——電纜工作芯數(shù)；

G10——電纜幾何因子；

I——載流量，A；

R——電纜工作時(shí)每相的交流電阻，Ω/m；

h——電纜表面散熱系數(shù)，W/m；

De、Ds、Db、DA——電纜表面直徑，襯墊層內(nèi)徑、外徑，外被層內(nèi)徑m；

Wd——電纜每相的介質(zhì)損耗,W/m；

Wc——電纜每相纜芯的導(dǎo)線損耗，

Wc=I2R，W/m；

λ1、λ2——電纜金屬護(hù)套及鎧裝層的損耗系數(shù)；

λ、λ′、λ″——電纜絕緣層、襯墊層、外護(hù)層導(dǎo)熱系,W/(K·m)；

RT1、RT2、RT3、RT4——單位長(zhǎng)度電纜絕緣層熱阻、襯墊層熱阻、外被層及外部熱阻，K·m/W。

2 剩余壽命算例及分析

2.1 算例

文獻(xiàn)[3]采用差示掃描量熱法得到船用丁苯橡膠電纜的老化壽命方程：

(5)

電纜絕緣層靠近線芯的溫度最高最容易老化，為了保證老化壽命評(píng)估的可靠性，熱老化方程中的溫度 必須用線芯溫度Tc代入。針對(duì)YC450/754V JB8735.2-1998型丁苯橡膠電纜采用式(5)對(duì)在載流量I=20 A時(shí)不同整體老化程度下的電纜剩余壽命進(jìn)行計(jì)算，并比較同一老化程度下不同工作載流量時(shí)電纜剩余壽命，結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

圖2 電纜壽命與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)

圖3 電纜壽命與載流量的關(guān)

2.2 分析

由式(5)得出兩不同線芯溫度下老化關(guān)系：

(6)

橡膠電纜老化后，絕緣材料的導(dǎo)熱能力下降，導(dǎo)熱系數(shù)變小。從式(4)知：在其他條件不變而各絕緣材料導(dǎo)熱系變小的情況下，線芯溫度Tc將升高，結(jié)合式(6)，線芯溫度升高后，電纜的剩余壽命將呈指數(shù)的關(guān)系下降。從實(shí)際算例計(jì)算的結(jié)果圖2看,隨著導(dǎo)熱系數(shù)的下降電纜剩余壽命明顯縮短，這與前面的理論分析相吻合。同時(shí)，從圖3可知，在橡膠電纜已經(jīng)老化時(shí)，通過(guò)減小電纜工作的載流量可以延長(zhǎng)電纜的工作壽命。

圖4 電纜表面、線芯溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)

目前廣泛應(yīng)用于電力電纜故障診斷的紅外診斷技術(shù)多是根據(jù)測(cè)量的電纜表面溫度來(lái)判斷其故障。但從圖4知，橡膠電纜整體老化后，絕緣材料的導(dǎo)熱能力下降,線芯溫度升高，剩余壽命的縮短，其表面溫度卻不變。事實(shí)上,從式(2)可知：給定工作條件下,電纜表面溫度只與工作的載流量有關(guān),這是因?yàn)樵谕惠d流量下船用電纜向周圍環(huán)境的散熱量是一樣的，電纜表面溫度僅取決于環(huán)境溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)即電纜工作條件。

上述電纜表面溫度Ts的不變性將造成電纜整體老化后進(jìn)行紅外故障診斷上的困難。為此，可在給定載流量I和一定環(huán)境溫度Tf下通過(guò)一定措施測(cè)出線芯溫度Tc，再據(jù)式(4)換算出電纜絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)判定電纜的整體老化程度。另外，由于電纜整體老化后同一載流量下的整個(gè)線芯溫度會(huì)升高(如圖4)，故可通過(guò)測(cè)量電纜兩接線端頭線芯溫度并與未老化電纜兩接線端頭線芯溫度比較來(lái)判定電纜整體老化程度。

3 結(jié)束語(yǔ)

從熱老化的角度對(duì)電纜的剩余壽命進(jìn)行研究得出：整體老化程度不同電纜剩余壽命將發(fā)生顯著的改變，老化越嚴(yán)重電纜剩余壽命越短，在同等工作條件下呈指數(shù)關(guān)系下降，相同工作條件下減小工作載流量可延長(zhǎng)電纜的工作壽命。但由于造成電纜老化的因素多，實(shí)驗(yàn)中無(wú)法排除熱老化以外的因素影響，加上電纜工作周期長(zhǎng)(一般以年為單位)，無(wú)法對(duì)上述分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。上述分析的合理性在于熱老化壽命方程的建立較成熟，老化壽命方程(5)已得到驗(yàn)證。

在目前尚無(wú)法準(zhǔn)確確定電纜失效時(shí)間的現(xiàn)狀下，分析電纜處在不同整體熱老化狀態(tài)下的剩余壽命對(duì)電纜預(yù)防性更換具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，可減少純粹從定期角度更換電纜的盲目性，預(yù)防效果也能得到改善。

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