（电气工程专业论文）高压电缆接头热老化机制的研究及其温度监测系统的设计.pdf

t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g na n d t h e r m a la g i n g m e c h a n i s m ss t u d yo fh i g h v o l t a g ec a b l ec o n n e c t o r b y gb o l i n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n g f e n g a n d s e n i o re n g i n e e rh u a n g f u y o n g m a y , 2 0 1 1 栅4m 0m 7 70 9m 肌丫 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：币倍磷 j 日期：加f 年岁月历日 学位论文版权使用授权书 ， 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保粑 ( 请在以上相应方框内打“，) 作者签名：幸惜蓖却日期：幽f f 年岁月必日 导师签名：副a 。日期：沁f1 年岁月c 汐日 名和勇 工程硕j ：学位论文 摘要 在高压输电线路中，电缆的运行状态是工作人员密切关注的问题。高压电缆 附件是电缆网络中最关键的元件，也是电缆网络安全运行中最容易发生故障的元 件。研究表明绝大多数的绝缘缺陷都可引起电缆附件本体或局部温度升高，同时 当运行负荷增加或环境温度升高时，高压电缆接头温度也会随之上升。当温度升 高到超过电缆附件所能承受的临界值时，电缆接头就有可能发生热击穿甚至爆炸， 造成大范围的断电或是引起火灾。开展电力电缆接头温度在线监测，可以实时监 测电缆的运行状态，及时报警，能够有效的避免电缆火灾等事故的发生。 本文针对高压电缆接头容易发生热击穿这一问题，研究了高压电缆接头的热 老化机制。通过对高压电缆绝缘材料的加速热老化试验测得绝缘材料在不同老化 条件下的质量损失率、拉伸强度，并运用老化损伤因子概念，总体论述了老化损 伤因子与老化时间、温度之间的关系，阐述了高压电缆接头的热老化的本质是其 绝缘材料内部物理结构或化学结构的改变。同时，本文在综述国内外常用电力电 缆接头温度监测方法的基础上，通过分析对比热敏电阻，感温电缆，离子感烟， 光纤分布式测温技术，提出了一种无线传输数据的温度监测方法，监测系统采用 温度采集模块，数据处理模块，无线传输模块三大模块，通过对系统硬件和软件 两方面的设计，将高压电缆接头温度实时显示在p c 机上，并能实现超温报警功能。 本系统采用低功耗设计，实用性强，能有效的预防高压电缆接头故障，具有很好 的应用前景。 关键词：高压电缆；电缆接头；温度监测；热老化 u 高压电缆接头热老化机制的研究及】t 温度监测系统的设计 a b s t r a c t o nt h eh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h er u n n i n gs t a t u so fc a b l e si st h em o s t c o n c e r n i n gb y t h e s t a f f h i g h v o l t a g ec a b l e a c c e s s o r i e sa r et h em o s tc r i t i c a l c o m p o n e n t so ft h ec a b l en e t w o r k ，t h e ya r ea l s ot h em o s tv u l n e r a b l ec o m p o n e n t so ft h e c a b l en e t w o r ks a f e r u n n i n g s t u d i e ss h o wm o s ti n s u l a t i o nd e f e c t c a nc a u s et h e t e m p e r a t u r er i s i n go ft h eb o d yo rp a r t i a lc a b l ea c c e s s o r i e s ，m e a n w h i l e ，w h e nt h el o a d o re n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h et e m p e r a t u r eo fc a b l ec o n n e c t o rw i l la l s or i s e t h ec a b l ec o n n e c t o rm a yt h e r m a lb r e a k d o w ne v e ne x p l o d ew h e nt h et e m p e r a t u r ei s o v e rc r i t i c a lv a l u eo fc a b l ea c c e s s o r i e s ，l e a d i n gt og r e a tp o w e rf a i l u r eo rf i r e t h e o n l i n et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mc a ne a s i l ym o n i t o rt h er e a l t i m es t a t u so fc a b l e ， t i m e l ya l a r m ，a n de f f e c t i v e l ya v o i dc a b l ef i r ea c c i d e n t b e c a u s eo ft h ee a s i l yt h e r m a lb r e a k d o w no ft h eh i g hv o l t a g ec a b l ec o n n e c t o r ，t h e a r t i c l es t u d i e st h et h e r m a la g i n gm e c h a n i s m so ft h eh i g hv o l t a g ec a b l ec o n n e c t o r t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to ft h eh i g h - v o l t a g ec a b l ea c c e l e r a t e dt h e r m a la g i n g ，t h e a r t i c l em e a s u r e dt h ew e i g h tl o s sr a t ea n dt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ei n s u l a t i o nm a t e r i a l u n d e rd i f f e r e n ta g i n gc o n d i t i o n t h ea r t i c l eu s i n gt h ec o n c e p to f a g i n gd a m a g ef a c t o r ， d i s c u s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea g i n gd a m a g ef a c t o rc o n c e p ta n dt h ea g i n g d a m a g et i m e sa n dt e m p e r a t u r e ，e x p o u n d i n gt h a tt h en a t u r ec a u s eo ft h et h e r m a la g i n g m e c h a n i s m si st h ec h a n g eo fi t si n t e r n a lp h y s i c a lo rc h e m i c a ls t r u c t u r e m e a n w h i l e ， a b r o a do nt h es u m m a r i z i n go ft h ep o w e rc a b l ec o n n e c t o rt e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n d a c c o r d i n g t oc o m p a r i n gt ot h em o n i t o r i n g t e c h n o l o g y o ft h et h e r m a lr e s i s t a n c e ， t e m p e r a t u r es e n s i n gc a b l e ，i o n i z a t i o ns m o k ea n dt h ed i s t r i b u t e df i b e r ，t h ea r t i c l e d i s t r i b u t eam e t h o do fw i r e l e s sd a t et r a n s m i s s i o n t h em o n i t o rs y s t e mi sc o m p o s e do f t e m p e r a t u r eg a t h e r i n gm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ， t h r o u g h i n gt ot h es y s t e mh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h eh i g h v o l t a g ec a b l e c o n n e c t o rt e m p e r a t u r ec o u l dr e a l t i m ed i s p l a yo np cm a c h i n e ，t h es y s t e mm a ya l s o r e a l i z eu l t r aw a r mr e p o r t i n gf u n c t i o n t h es y s t e mu s e st h e d e s i g no fl o wp o w e r ， e f f e c t i v ep r e v e n th i g h v o l t a g ec a b l ec o n n e c t o ra t t a c h m e n tb r e a k d o w n ，i tc o u l db ea g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：h i g h - v o l t a g ec a b l e ；c a b l ec o n n e c t o r ；t e m p e r a t u r em o n i t o r ；t h e r m a la g i n g i i i 工程硕上学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题的研究背景与实际意义l 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 高压电缆及接头热老化机制研究现状l 1 2 2 高压电缆接头温度监测系统研究现状一2 1 3 本文的主要工作内容一4 第2 章高压电缆及接头热老化机制的讨论5 2 1 电缆接头构造一5 2 2 高压电缆接头热老化产生的原因6 2 3 高压电缆接头热老化试验6 2 3 1 试验部分6 2 3 2 结果与讨论7 2 4 本章小结一10 第3 章高压电缆接头温度监测系统的硬件设计1 2 3 1 硬件总体设计12 3 2 温度采集模块的设计1 2 3 2 1a t 8 9 s 5 2 单片机的主要特性一1 2 3 2 2a t 8 9 s 5 2 单片机的存储器和i o 接口电路1 3 3 2 3a t 8 9 s 5 2 单片机的封装及引脚功能1 3 3 2 4 温度传感器的选择与应用电路图1 6 3 3 无线通信模块的设计一2 2 3 3 1n r f 9 0 5 无线收发芯片结构功能一2 3 3 3 2n r f 9 0 5 与单片机的连接2 3 3 4p c 机与上位机从机( a t 8 9 s 5 2 ) 的通信2 4 3 4 1 串行通信概述2 4 3 4 2a t 8 9 s 5 2 单片机的串行接口结构2 6 3 4 3p c 机与a t 8 9 s 5 2 单片机的串行通信2 9 3 5 本章小结3l 第4 章监测系统的软件设计3 2 i v 高压电缆接头热老化机制的研究及其温度舱测系统的设计 4 1 温度采集模块程序设计一3 2 4 2 无线传输模块程序设计3 5 4 2 1 初始化配置3 5 4 2 2 发送数据软件设计3 5 4 2 3 接收数据软件设计3 6 4 3v b 环境下可视化窗口的实现3 6 4 3 1m s c o m m 控件简介3 6 4 3 2 串口通信初始化程序3 7 4 3 3 上位机数据接收程序3 7 4 3 4 高压电缆接头温度监测系统主界面3 8 4 4 本章小结3 9 结论4 0 参考文献4 2 致 射4 5 附录( 攻读学位期间取得的研究成果) 4 6 v 工程硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与实际意义 随着国家对电力行业投入的进一步加大和城网改造工作的进一步深入，电力 电缆得到了越来越广泛的应用。但是，随着电缆使用量的增加，电缆的接头剧增， 接头处的故障和由此而引发的事故就越来越显露出来，通过对电缆中间接头温度 的实时监测，可以在故障发生之前发出预警，及时开展故障源清除或更换新的电 缆中间接头，从而避免更大的损失发生【l 】。因此，研究本课题具有重要的实际意义， 具有很好的发展前景。 电缆接头热故障可分为外部热故障和内部热故障两类【2 】。电缆接头的外部热故 障主要指裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高，接触 电阻增大，恶性循环而造成重大故障隐患。电缆接头内部热故障的特点是故障点 密封在绝缘材料或金属外壳中。内部热故障一般都表现为发热时间长而且较稳定， 与故障点周围导体或绝缘材料发生热量传递，使局部温度升高而引发热击穿【3 1 。电 缆接头处过热造成的电缆短路放炮所引起的故障及火灾，可导致大面积电缆烧毁， 设备停机，短时间内无法恢复生产，造成重大经济损失1 4 j 。因此有必要对高压电缆 热老化机制作一个研究，了解其热老化发展过程，从而采取相应措施控制其热老 化进程，延长高压电缆及接头使用寿命，通过高压电缆热老化机理的研究，对高 压电缆附件材料的发现也有指导作用。 温度是电缆附件安全运行的一个十分重要的参数，需要严密监测。但是，从 电缆接头过热到事故的发生，其发展速度比较缓慢、时间较长。如果人工间断性 的离线监测，不能保证对所有接头的温度情况实时掌握，也不好预测接头温度的 发展趋势【5 j 。通过电缆接头温度监测及预警系统对电缆接头的温度进行实时在线监 测，可避免间断性离线检测的时域死区，完全可以防止此类事故的发生。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高压电缆及接头热老化机制研究现状 对于高压电缆热老化机制的研究主要是通过做试验测得数据来分析其老化机 制。电力电缆试验技术严重滞后于电力电缆制造和应用技术。国家关于绝缘电力 电缆( x l p e ) 投运后的试验方法、标准和运行规程大多在2 0 世纪7 0 年代颁布，比 较陈旧落后，有的甚至是沿用油纸绝缘电力电缆的试验方法。19 9 6 年修编的电 力设备预防性试验规程中，仅用很少的篇幅提及绝缘电力电缆投运后的预试方 法，不具可操作性。 高压电缆接头热老化机制的研究及其温度监测系统的设计 直流耐压试验常用于油介质电气设备的预防性诊断试验，2 0 世纪9 0 年代初期 之前，国内外普遍沿用油纸绝缘电缆的试验方法，常采取离线直流耐压破坏性试 验作为绝缘电力电缆竣工交接试验和周期性预防性试验的唯一手段。理论分析计 算、试验研究和长期积累的大量实际运行经验表明：一方面，由于直流耐压试验 过程是向电缆绝缘介质注入大量的空间电荷过程，空间电荷限于介质良好的绝缘 性能而不能及时泄漏。这些残留空间电荷积聚形成的局部电场与外施工频电场迭 加，畸变介质内部电场分布，严重损伤电缆绝缘，往往使得试验合格的电力电缆 在投入运行后几小时或几十小时内就发生电缆绝缘击穿故障，甚至发生多点击穿 故障。另一方面，直流耐压试验的电压取值很高，试验时间较长，直流电场促使 介质中的水树枝向电树枝转变，周期性的直流耐压试验无疑是导致电缆绝缘早期 劣化，相对缩短电缆安全运行寿命。据统计：在1 9 6 2 1 9 9 9 年间，直流耐压试验 合格后投入运行的电缆在短期内发生故障的次数约占电缆运行故障总次数的 4 3 8 。这一事实再次说明了直流耐压试验不仅不能够及时发现电缆运行缺陷，反 而使电力电缆的绝缘损伤较大，缩短电缆运行寿命。到目前为止，许多国家包括 中国在内，已不再采用直流耐压试验作为交联聚乙烯绝缘电力电缆的预防性试验 手段。 介质损耗角的测量是判断绝缘故障的最有效的手段之一。它与材料特性有关， 而与材料尺寸、体积无关的物理量，所以用测量介质损耗角来判断高压电气设备 的绝缘情况，特别是对绝缘受潮、老化变质等分布性缺陷是卓有成效的。 目前对高压电缆及接头热老化试验比较多的是通过热老化箱对高压电缆进行 加速热老化试验实现的。热老化试验箱有一个大型观测视窗，内部有照明灯，且 利用钢化玻璃，可以随时清晰观测箱内状况。热老化试验箱的热风循环系统由能 在高温下连续运转的风机和特殊风道组成，工作室内温度均匀。其加热系统是由 镍铬合金电加热式加热器构成。本论文的热老化试验便是通过对高压电缆及接头 绝缘材料在热老化试验箱中进行试验测得数据完成的。 1 2 2 高压电缆接头温度监测系统研究现状 在线监测这一设想由来己久。早在1 9 5 1 年，美国西屋公司的约翰逊针对运行 中发电机因槽放电的加剧导致电机失效，提出并研究了在运行条件下监测槽放电 的装置。这可能是最早提出的在线监测思想【6 l 。限于当时的技术条件，无法抑制来 自线路的干扰，只能在离线条件下进行检测，但是在线监测的基本思想则沿用至 今。2 0 世纪6 0 年代，美国最先开发监测和诊断技术，成立了庞大的故障研究机构。 2 0 世纪7 0 年代中期，能使油中气体分离的高分子塑料渗透膜的发明和应用，解决 了在线连续监测问题，加拿大于1 9 7 5 年研制成功了油中气体分析的在线监测装置。 到了2 0 世纪8 0 年代，局部放电的监测技术已有较大发展1 7 j 。加拿大安大略水电局 研制了用于发电机的局部放电分析仪，魁北克水电局研究所研制了一套多参数的 2 工程硕上学位论文 监测系统( a i m ) ，除可对7 3 5 k v 变压器的局部放电进行监测外，还可分析油中的溶 解气体组分及线路过电压，并具有初步的自动诊断功能。自2 0 世纪8 0 年代以来， 我国的在线监测技术也得到了迅速发展捧j 。各单位相继研制了不同类型的监测装 置。而对于高压电缆接头的在线监测技术也有了一定的研究和应用，目前国内外 对于电缆接头监测技术的研究主要有以下几种。 ( 1 ) 热敏电阻式测温系统 可以显示温度值，但由于每个热敏电阻都需要独立的接线、布线复杂且热敏 电阻易损坏、维护量大；传感器不具备自检功能，需要经常校验【9 1 。 ( 2 ) 感温电缆式测温系统 将感温电缆与电缆平行安放，当电缆温度超过固定温度值时，发出报警信号。 普通型感温电缆的缺点是：破坏性报警、报警温度固定、故障信号不全【l o l ，系统 安装及维护工作不够方便，设备易损坏；模拟式线型感温电缆只能以某一局部线 段作为报警单位，因此它无法精确定位出是某一点产生的报警信号【l 。以上两种 方法均无温度趋势分析。 ( 3 ) 离子感烟测温系统 该系统主要依靠先进的通信技术、微处理器技术、数字化温度传感技术及离 子感烟技术，实现连续、实时监测电缆接头的温度变化，准确预报电缆接头故障， 并通过计算机模拟的界面图，显示电缆走向模拟图，显示传感所监测的实际位置及 所有电缆型号、长度、截面中间接头位置等参数，当运行中的电缆出现异常时， 自动显示画面及事故报警，根据计算机模拟的界面图能迅速准确地判断出电缆接 头发生故障的实际位置，为电缆的安全运行提供可靠的保障。 ( 4 ) 光纤分布式测温系统 是较为先进的一种系统。利用一根光纤充当分布式温度传感器，能测量数千 个独立的测量点的温度。通过光纤中传输的激光脉冲产生后向拉曼散射( r a m a n s c a t t e r i n g ) 温度效应来完成对温度的测量1 1 2 1 3 】。最新的使用多模光纤的分布式温度 监测系统，允许光纤回路长度达到1 2 公里，测量精度达到1 。同时，温度监 测系统需要智能化的数据分析软件，测量的同时要记录数据，利用一些软件包和 数据分析包，并结合系统负载数据，最终使用户能够建立并预测沿整个线路电缆 的运行状况。采用光纤分布式温度监测系统的好处是可以对电缆沿线上的热点位 置进行高精度定位，能够显示并记录运行状态下温度变化曲线轨迹，能显示出线 路上热点的位置。但它的缺点也是十分明显的，设备成本是这种系统的最大的问 题。这种系统在安装时就要求能够确定热点的位置，且需要预先制造监控设备和 设计出光热数据处理模块，这样便增加了额外的设备投资，新增加的设备也要面 临维修维护的问题。同时，电力传输网中包含了数目巨大的电缆线路，其线路总 长度也是一个不小的数字，难以想象投资者会接受电力系统的光纤线路长度将超 3 高压电缆接头热老化机制的研究及其温度豁测系统的设计 过电信部f - 1 14 1 。 总之，目前的一些高压电缆接头监测装备主要采用有线传输的方式，使得线 路铺设复杂，成本高，维护困难。 1 3 本文的主要工作内容 ( 1 ) 本文首先对高压电缆及接头的热老化机制作了一个详细的讨论，通过对高 压电缆及接头绝缘材料的加速热老化试验来研究其机制。测得绝缘材料的质量损 失率、拉伸强度与时间的关系，并利用热老化损伤因子这一整体概念来描述老化 条件的变化对材料性能老化劣化的综合影响。 ( 2 ) 对高压电缆接头温度监测系统的设计，本文采用一种无线传输的方式设计 电缆接头监测系统。此装置由单片射频收发芯片n r f 9 0 5 、d s l8 8 2 0 温度传感器、 单片机a t 8 9 s 5 2 、电平转换芯片m a x 2 3 2 和p c 机设计完成。系统由温度采集模 块、无线传输模块和串行通信模块三大模块组成。系统能够实现温度信息的采集， 无线传输给p c 机，并在p c 机上显示出来，超温报警等功能。 4 工程硕上学位论文 第2 章高压电缆及接头热老化机制的讨论 电介质在高温作用下，短时间内就能发生明显的损坏。即使温度比短时允许 温度低，但作用时间很长时，绝缘性能也常会发生不可逆的变化，这就是电介质 的热老化。电缆过热故障可引起火灾导致大面积电缆烧损，造成被迫停机，短时 间内无法恢复生产，造成重大经济损失。通过对事故的分析，电缆接头过热是引 起电缆火灾的直接原因，电缆接头过热是因为接头压接头不紧、接头氧化等导致 接触电阻过大，长期的高温运行使绝缘下降并击穿，最后导致电缆火灾的发生。 因此，我们有必要对高压电缆及其接头的热老化机制作一个全方面的研究。 2 1 电缆接头构造 在讨论电缆接头的热老化之前，我们有必要先对电缆接头的构造有个了解。 根据传热学理论分析，电力电缆接头的表面温度是导体线芯温度和介质损耗通过 导热的方式经过各层紧密接触的护套传到接头的外表面，并在已知对流换热系数 和周围环境温度的对流边界条件下形成的。在分析电力电缆接头温度场分布的过 程中，作出如下基本假设： ( 1 ) 传热过程达到热平衡时，温度不随时间变化，温度场是稳态的； ( 2 ) 电力电缆接头为圆柱体，截面为圆面； ( 3 ) 电缆线芯的导体温度是均匀的； ( 4 ) 电缆接头的各种材料的结构特性不随温度发生变化： ( 5 ) 各层护套之间紧密接触，忽略线芯与各护层以及各护层之间的接触电阻。 经过上述简化，电力电缆接头的温度场分布转化为含有内热源的三维圆柱径 向稳态导热问题。电力电缆接头剖面结构图如图2 1 所示【 】。 a ) 单芯电缆接头结构b ) 三芯电缆接头结构 l 导电线芯2 连接管3 半导体带4 内绝缘管5 外绝缘管 6 半导体管7 铜屏蔽网8 内护套管9 外护套管1 0 填充条 图2 1 电缆接头结构 高压电缆接头热老化机制的研究及j t 温度监测系统的设计 如图2 1 所示，高压电缆接头处的热老化主要是连接管，内绝缘管，外绝缘 管的热老化引起。 2 2 高压电缆接头热老化产生的原因 热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能 下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热 老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加 快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反 应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从c h 键中h 的脱离开始的l l6 1 。 热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是 最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，x l p e 材料 的拉伸率被认为从初始的4 0 0 6 0 0 降低到1 0 0 时寿命终止【1 7 1 。 高压电缆接头热老化的原因一方面由于其深埋地下，工作环境本身处于密封 环境中，其散热困难，造成电缆接头温度居高不下。但其主要原因还是在与高压 电缆接头处本身产生的比较大的热量所致，如电能损耗、局部放电引起较大的温 升。当电缆在正常负荷运行时，接头内部的温度可达1 0 0 ，当电缆满负荷时，电 缆芯线温度达到9 0 ，接头温度会达1 4 0 左右，当温度再升高时，接头处的氧 化膜加厚，接触电阻随之加大，在一定通电时间的作用下，接头的绝缘材料碳化 为非绝缘物，导致故障发生。 2 3 高压电缆接头热老化试验 对高压电缆接头热老化机制的研究主要是通过对绝缘材料的热老化试验来 判定，通过试验中产生的相应的数据来分析其热老化的过程。在本次试验中，主 要对高压电缆接头的热老化机制作一个研究。由于高压电缆接头的热老化主要是 由于绝缘材料的热老化引起，故为了方便起见，取高压电缆绝缘材料作为研究对 象，在本次试验中我们取广泛应用于高压电缆的绝缘材料三元乙丙橡胶。 2 3 1 试验部分 ( 1 ) 试验条件 1 ) 试验材料：三元乙丙橡胶( 已做成试样) ： 2 ) 老化温度：分别选取老化温度为7 0 ，8 5 ，1 0 0 ，1 2 5 ，1 5 0 ； 3 ) 老化时间：每个温度条件下的老化时间分别取为8 ，2 4 ，4 8 h ； ( 2 ) 试验过程 1 ) 试样老化前在室温条件下自然放置2 4 h ，并测定试样的初始质量( m 。) ； 6 t 程硕一f ：学位论文 2 ) 在无应变状态下，将试样夹在拉力机的夹持器上，调节拉力机的分离速度 为5 0 m m m i n ； 3 ) 在规定速度条件下拉伸试样，到达一定长度后放松试样，连续重复拉伸5 次，第5 次时记下初始应力( f 。) ； 4 ) 设置老化试验箱的温度至试验点，温度稳定后，将试样放入老化试验箱进 行老化试验： 5 ) 试样放入老化试验箱后即开始计时，达到规定的老化时间后，将试样取出， 置于室温条件下自然冷却( 3 0 5 ) m i n ，并测量试样老化后的质量( m 。) ； 6 ) 重复5 次拉伸，记录第5 次的试验结果( 厂，) ，分析老化试验对材料拉伸强 度的影响。 2 3 2 结果与讨论 ( 1 ) 质量损失率的变化 利用电子天平称取的试样在老化l ； 后质量，可以建立质量损失与老化条件之 间的关系，进而研究材料的老化性能。质量损失率( ，) 的计算公式如下： 彬例：m - o - m z 1 0 0 ( 2 1 ) m o 式中：m 。和m ，分别为试样的初始质量和老化时间f 后的质量。 图2 2 为试样在老化温度条件下的质量损失率随老化时间的变化趋势。 由图2 2 可以看出，在老化开始的几个小时内，试样的质量损失率变化很快， 呈线性增加趋势，而且温度越高，变化的速率越快；一段时间之后，质量损失率 的变化逐渐减小，最后趋于一个平衡状态19 1 。 老化初期的快速质量损失【1 8 场艮可能是试样中初始含湿量的挥发造成的，因为 6 0 0 鋈4 o o 2 0 0 08 2 44 8 v i a 图2 2 三元乙丙橡胶试样的质量损失老化时间的变化曲线 在室温条件下，由于空气湿度的影响，高分子材料或多或少有一定的含湿量，在 老化开始的阶段，由于老化温度高于室温，使得试样中含有的水分很快以气体的 形式挥发出来，从而造成质量的损失。但在不同的老化温度下，平衡状态时的质 量损失率也有较大的差异，因而完全将初期的质量损失归咎于脱湿的影响也不尽 7 高压电缆接头热老化机制的研究及其温度监测系统的设计 合理，很可能有其它形式的挥发，比如橡胶中低分子组分的挥发等。在7 0 ，8 5 和 1 0 0 温度条件时，平衡时的质量损失率仅达到2 左右，而当温度条件改变为1 2 5 和1 5 0 时，平衡时的质量损失率明显增加，最高达到了5 以上。这表明温度对 材料老化的影响很大，当达到一定的温度后，试样在老化的过程中很可能产生了 新的低分子分解产物并以气体形式挥发掉了；而温度值较低时不产生这种效应或 者影响较小。 ( 2 ) 拉伸强度的变化 拉伸强度的测定是在拉力试验机上进行的，其大小随老化时间和老化温度的 变化曲线如图2 3 所示1 1 9 】，拉伸强度用丁。表示。 2 5 邕2 0 乳 1 0 0 5 o82 44 8 t h 图2 3 试样拉伸强度- 老化时间变化曲线 总体上来看，各温度条件下的拉伸强度【2 0 】随着老化时间的延长是逐渐变大 的，7 0 和8 5 的试样在老化初期的强度变化相差不大，如图2 3 所示，4 8 h 时8 5 条件下的试样拉伸强度开始增大；而1 0 0 温度条件时，在初始的几个小时内， 拉伸强度的变化速率要大一些，一定时间之后，拉伸强度基本趋于一个稳定值。 由图2 3 还可以看出7 0 温度条件下的拉伸强度随着时间的增加而逐渐趋于稳定； 而8 5 和1 0 0 时，试样的拉伸强度在0 8h 时有较明显的增大，8 2 4 h 时，拉 伸强度增大的幅度较小；2 4 - 4 8 h 时，拉伸强度增大的幅度又开始变大。这说明材 料内部的结构发生了变化，而这种变化随老化时间的延长是呈阶段性的，即一段 时间的稳定之后又可能出现较大变化。事实上，1 0 0 温度条件下的试样在老化时 间达到4 8 h 后，其性能已经发生很大变化，3 个试样中已有1 个试样在未完成试验 测量时已经被拉断，也就是说此时的定长拉伸强度已接近相同老化条件下的拉断 强度。1 2 5 和1 5 0 温度条件下，试样在老化8 h 以后，高弹性能已经消失，外观 变硬、变脆，容易折断，拉伸试验时，未达到规定长度就已经被拉断，材料表面 有明显的直线型裂纹。 ( 3 ) 利用老化损伤因子表征材料的老化特性 根据损伤力学理论1 2 ，材料在载荷、温度、环境等因素的作用下，其内部微 8 t 程硕一卜学位论文 细结构将发生变化，引起缺陷成胚、孕育、扩展和汇合，导致材料宏观力学性能 的劣化，最终形成宏观开裂或材料破坏。材料的老化过程实质上也是材料的损伤 过程，它起源于微观上的分子的变化，宏观上表现为材料性能的改变，与老化温 度和老化时间等条件密切相关。 为便于研究老化试验对材料质量和拉伸强度等综合性能的影响，运用老化损 伤因子厂【2 2 1 ，来描述老化条件的变化对材料性能老化劣化的综合影响。老化损伤 因子定义如下： 厂= ( 0 2 s 2 - - o o i s i：0 ) 2 s 2 1 ( 2 2 ) 0 3 1 s ic o t s l 式中：f 为老化损伤因子，无因次；c o ，为材料老化前的质量( g ) ；c o ：为材料老化 后的质量( g ) ；s ，为老化前材料的拉伸强度( m p a ) ；s ：为老化后材料的拉伸强度 ( m p a ) 。 老化损伤因子与老化时间和老化温度之间的关系如图2 4 所示f 19 1 。 o 8 0 0 6 0 0 4 0 o 2 0 图2 4 试样老化损伤因子f - 老化时间f 变化曲线 从图中可以看出，在相同的温度条件下，曲线呈上升趋势。在最初的8 h 内， 曲线的增加幅度较大，但斜率有减小的趋势，随后的时间内变化幅度较缓，2 4 4 8 h 这段时间内，曲线的增加幅度又变大，斜率也开始变大。这说明老化损伤因子 随时问的变化有比较明显的阶段性，综合前面的分析，可能的原因如下：橡胶老 化过程中伴随着水分的蒸发和部分杂质的挥发，其质量损失较大；随着时间的延 长，试样材料具有挥发性的杂质和低分子产物逐渐减少，材料的质量变化基本稳 定；随着老化时间的延长，材料的内部结构和组成也发生变化，拉伸强度增强，但 材料的高弹性能也随着老化逐步降低和消失，造成材料的老化失效。 在相同的老化时间条件下，由图2 4 可以看出，随着老化温度的升高，曲线 逐渐上移，老化损伤因子变大。出现这种状况的可能原因是：随着温度的升高， 分子活动加剧，化学反应速率也会相应地增高。橡胶材料的氧化反应【2 3 】在较高温 度条件下，反应的速率会加快，相应的材料老化的速率也就加快，老化因子的变 化幅度就会增大。图2 4 表明，随着老化时间的延长和老化温度的提高，老化损 9 高压电缆接头热老化机制的研究及其温度豁测系统的设计 伤因子逐渐增大，老化对材料的损伤程度也逐步增大。 为了得到更为精确的数学表达式，更好地描述一定温度条件下老化损伤因子 与老化时间的关系，利用数学软件m a t h c a d 2 0 0 1 对试验数据进行拟合【2 4 1 。根据老 化损伤因子与老化时间的大致关系，选用对数曲线拟合函数l o g f i t ( v x ，x y , x g ) ，即 厂= a x l n ( t + 曰) + c 得到如下拟合结果： 试样老化温度为8 5 时： f = 0 2 0 5 x l n ( t + 5 1 2 1 ) 一0 3 2 9 ( 2 3 ) 试样老化温度为1 0 0 时： f = o 1 1 6 x l n ( t - o 0 6 ) + 0 3 2 7 ( 2 4 ) 回归复相关系数，= 0 9 9 3 ，如图2 5 所示。 。 0 5 0 2 0 4 0 t h a ) 8 5 。c 时回归拟合曲线 02 04 0t h b ) 1 0 0 c 时回归拟合曲线 图2 5 三元乙丙橡胶试样回归拟合曲线图 图2 5 的拟合结果表明，用对数曲线函数拟合f = a x l n ( t + b ) + c ，得到的结果 回归性能较好，能够较为准确地反应出老化损伤因子与老化时间的变化关系。 2 4 本章小结 ( 1 ) 在老化温度一定的条件下，三元乙丙橡胶试样的质量损失率随老化时间的 延长呈现出单调增加的趋势，一段时间之后逐渐趋于平衡，温度越高，质量损失 率的变化速率越快，质量损失也越大。 ( 2 ) 三元乙丙橡胶的拉伸强度变化与其内部结构的变化有关。在温度一定时， 拉伸强度随老化时间的延长具有增大的趋势，不同老化时间段内，其增加的变化 1 0 t 程硕十学位论文 率是不一样的，呈现出阶段性的特征。 ( 3 ) 老化损伤因子能够较好地描述材料老化性能的变化。随着老化时间的延 长，老化损伤因子逐渐变大，材料的老化损伤程度也在不断增加，达到一定值之 后，材料就会老化失效；温度越高，老化因子的变化速率越快。 ( 4 ) 利用m a t h c a d 2 0 0 1 中的对数曲线拟合厂= a l n ( t + b ) + c 函数对老化损伤因 子随时间的变化进行拟合，能够得到回归性能较好的曲线函数。 ( 5 ) 由于材料老化过程是很复杂的，在不同的温度条件、不同的老化时间，材 料发生的变化也不尽相同，在某一时刻可能只发生一种变化，也可能同时发生几 种反应；另外，同一种反应类型，在不同的温度条件下，其发生反应的速率也很 可能是不一样的，试验中数据起伏变化的现象说明了这一点。 ( 6 ) 由于目前的高压电缆附件绝缘材料很多是三元乙丙橡胶，因此，对三元乙 丙橡胶热老化机制的研究可以推广到高压电缆及接头热老化的研究。 高压电缆接头热老化机制的研究及其温度监测系统的设计 第3 章高压电缆接头温度监测系统的硬件设计 在温度监测系统中，温度数据的采集和传输往往成为一个难点，所选用的温 度传感器采集到的温度要满足系统所需要的精度，范围的要求。数据的传输过程 要保证可靠，及时，准确，低功耗。本系统根据所需设计的要求，决定采用“一 线总线 式温度传感器d s l 8 8 2 0 ，其测温范围为5 5 + 1 2 5 ，在1 0 - + 8 5 c 范围 内保证0 5 c 的精度。在传输上采用n r f 9 0 5 无线收发芯片，其低功耗，实时传输 的特点，完全满足本系统的需求。 3 1 硬件总体设计 ( 1 ) 系统结构 采用a t 8 9 s 5 2 单片机作为系统测控单元，外围接口包括高压电力电缆接头的 温度测量传感系统，主控制机p c 机，与p c 机的通信由单片机串口通信方式实现， 数据的发送与接收由射频收发芯片n r f 9 0 5 实现。系统总体结构框图如图3 1 所示。 爵ds 8 8 2 0 ) 爵 l ( 1 r - ( 单j i 机) r