挤包绝缘电缆电压击穿试验的数理统计.pdf
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1、2 0 0 7年第 1 期 No 1 2 0 0 7 电 线 电 缆 E l e e t r i c Wi r e C a b l e 2 0 0 7年 2月 F e b 2 O 0 r 7 挤包绝缘电缆电压击穿试验的数理统计 蒋佩 南(上海电缆研究所,上海 2 0 0 0 9 3)摘要:本文叙述了威布尔数理统计的基本方法,用以对挤包绝缘电缆的电压击穿试验进行数据处理;评定各项 威布尔参数和电缆寿命指数 值;从一 系列比较分散的击穿电压数值中,可以找到一个正确可靠的试验结 果。关键词:挤包绝缘电缆;电压击穿试验;威布尔分布;形状、位置、和尺度参数;寿命指数;极大似然法 中图分类号:T M 2
2、0 6;T M 2 4 7 1 文献标 识码:A 文章编号:1 6 7 2 6 9 0 1(2 0 0 r 7)0 l 一 0 0 0 1 0 6 Ma t h e ma t i c a l S t a ti s t i c s o f t h e Vo l t a g e B r e a k d o wn T e s t o n Ca b l e s wi t h E x t r u d e d I n s u l a t i o n J I ANG P e i h a l l (S h a n g h a i E l e c t r i c a l C a b l e R e s e a
3、r c h I n s ti t u t e,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3,C h i n a)Ab s t r a c t:T he b a s i c me t h o d s o f the ma the ma t i c a l s t a ti s ti c s u s e d t o t r e a t d a ta o f the v o l t a ge b r e a k d o wn t e s t a o n c a b l e s wi th e x t r u d e d i n s u l a ti o n a r e p r e s e
4、n t e d T h e i n d i v i d u a l We i b u U p a r a me t e r s a n d the c a b l e l i f e i n d e x N a r e e v a l u a t e d A C O C t r e l i a b l e t e s t r e s u l t ma y b e f o u n d f r o m a g r o u p o f d i s p e r s e d t e s t d a t a Ke y wo r d s:c a b l e s wi th e x t r u d e d i
5、 n s ula ti o n;v o l t a g e b rea k d o wn t e s t;We i b u l l d i s t r i b u t i o n;p a r a m e t e r s o f s h a p e;l o c a ti o n a n d d i me n s i o n;li f e i n de x;ma x i mu m p l a u s i bi l i t y me tho d 1 威布 尔分布在挤包绝缘 击穿寿命研 究 中 的应用 1 1 威布尔方程的导出 早在上世纪 5 O年代初威布尔就以棉纤维、各种 钢材及链条强度等为例,提出
6、了一种随机 函数 ,既 不像指数 分布,也不是正态 分布,即所谓 威布尔 分 布。可用累积 分布函数 F(t)和概 率密度 厂(t)表 示:F(t)=1一R(t)=1一e x p一(t r)t 0 (11)厂(t)=I n(tr)t 0 e x p一(tr)t 0 (12)式中,I n为形状参数;t。为尺度参数;r 为位置参数。为了进一步观测f(t)的性质,将式(1 1)改写 为:F(t)=1一e x p一(tr)t o 令 Y=(t r),作为 Y的概率函数f(Y)后,则:f(t)d t=m(tr)01 X e x p一 (tr)d 01 =m y e y m d y=_厂(y)d y 收稿
7、 日期:2 0 0 6 0 8 0 2 作者简 介:蒋佩南(1 9 3 2一),男。江 苏丹 阳人,教 授级 高 级工程师 作者地址:上海市民治路 l 5 弄 2 5 号 5 0 2室 2 0 0 0 9 3 _ f(Y)=m y”e。(1 3)当 m=O 5,1,2,3,4 时,分别作出厂(y)对 Y 的分布曲线,如图 1 所示。图 1 _厂(y)曲线 图 从图 1可知,当 m=1时,威布尔分布 f(Y)=e 成为指数分布,当 m=3 4时,威布尔分布就接 近正态分布,所 以在其它参数不变,改变 m时,可改 变威布尔分布的形状,所以 m值称为形状参数。威布尔分布在绝缘击穿寿命统计方面已得到广
8、 泛地应用,特别适用于挤包绝缘 电缆 的击穿 的统计 和分 析,在上 世 纪 6 O年代 到 7 O年 代 O u d i o n _ 2 ,Kr u g e r b ,S i m o n e ,O c c h i n i b 等均发表 了大量文章,用威布尔参数来表征挤包电缆绝缘的寿命及其统计 规律,作 出了较大 的贡献。在挤包电缆绝缘中,一般 取 r=0,并用 代替 t。,则式(1 1)可改写为:F(t)=1 一e x p一(t 0),(1 4)【F(E)=1一c x p一(E )耐高温电缆,氟塑料电缆:w w w.t e s t e c k.n e t2 0 0 7年第 1 期 N o 1
9、 2 0 0 7 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e C a b l e 2 0 0 7年 2月 F e b,2 0 0 7 式中,o,6 分别为和 m值相 当的时间和击穿电压概 率函数的形状参数。如果 =f o,则 F(f o)=1 一e=0 6 3 2,所 以 t o 是不管。值如何变化,为其累计击穿概率 6 3 2 的 时间参数。同理 为累计击穿概率 6 3 2 的电压 参数。在 F=0 6 3 2时的概率 曲线,又称特征 寿命 曲线。把威布尔分布推广到二元 随机变量可得:F(t,E)=1一e x p一(0)。X (E E。)=1一e x p(一c E t )(
10、15)由于二个 随机变量是互为条件 的,不是完全独 立的,如果假定一个变量为常数,即可将式(1 5)恢 复到式(1 4)的形式,如取相同的累计击穿概率可 得:F(E,t)=1一e x p(一c E t)=常数(16)层 口:E t =常数,女 取 b l 0=,贝 0:E =常数(17)因此,得到 了不同电场强度与时间条件下的换 算关 系式(1 7),习惯上称 n为寿命指数(n也可以 用 表示),o,6可表示时间和 电压击穿的分散程 度,在威布尔直线分布图上,o,6分别表示时间和电 压的直线斜率,如果不是恒定加压,而是采用逐级击 穿,G B a h d e r 等将上式 E“t=C改写为 :E
11、:t 1+E;t 2+E;t 3+E t =C (18)为此,E“t=C或 E =C这个 由恒定 电压下 击穿的传统式子可推广到逐级击穿条件下使用。1 2尺寸参数在威布尔统计中的影响 在使用威布尔统计概率时发现击穿规律与电缆 的尺寸和长度关系很大,在同样击穿概率下可写成:E 2=E (2)(r r 2)日 2 (19)式中,E ,E 为不 同绝缘体积 时击穿 电压;,r ,r 为绝缘体积 的几何尺寸参数;H。为不同电缆 长度 和导体半径 r 有关的系数,近似取 H。2=1。如对导体半径(r)、电缆绝 缘体积()、和绝 缘 厚度(d)进行有关方程 的推导,可将尺寸参数 作一些变化。令 k V=(
12、1 一E。),则公式(1 4)可改 写为:,(E)1一e x p(一i 陋 )式中,i 为决定材料种类的系数;V为绝缘体积。现分别对导体半径和绝缘体积的可靠性方程推 导如下:(1)在绝缘半径为 P电缆 中,如击穿决定 于最 2 大场强时,则 E=E r i p。式中,E、E 分别为绝缘 中任一半径为P处的电场强度和导体半径 r处的最 大电场强度。如考虑单位长度电缆中任一半径 P处的增量|D,则 体积的增量为:=2 lD 则可得到单元体积的绝缘的不击穿概率为:P (E)=1一F (E)=e x p 一2 7 f 0 lD(E r p)由许多 构成 的电缆绝缘不击穿概率为各 单元绝缘不击穿概率的乘
13、积,则:P(E)=P (E)=I I e x p 一2 7 f D l D(E r p)=e x p 一 2 r k(r E )lD lD :e x p 一2 r k(r E )(I p b d p):。p 一2 r k(,E )(d p):e x p 一2 (r E )(R 一r )(26)=e x p 2 r k r E 1一(r l R)(2一b)设两根相同绝缘 的单元长度 电缆,其导 体屏蔽 半径和绝缘半长分别 为 r ,R。和 r ,R:,则在相 同 绝缘可靠性条件下,两 根电缆最大电场强度转换式 为:r E 1一(r 尺 )(26)=r E 1一(1 2 I R )(26)E :=
14、E (r r 1一(r 尺 )(26)1(iv 2 I R )(26)由于 6 值一般在 1 0以上,可考虑:1一(r 尺 )(2一b)1一(r 2 I R )(2一b)一 1 则:E =E (r r。)(11 0)(2)在绝缘半 径为 P的电缆 中,如击穿决定于 平均场强时,即 E=E ,则:P(E)=P (E)=I I e x p 一2 7 f l D l D(E。)=e x p l 一 2 r k(E。):lD lD =e x p 一2 r k(E )(o d p)=e x p 一7 f i(E。)(R 一r )在两根电缆击穿概率相等的情况下,用上述类 似的方法可推导出下式:E:=E 7
15、f(R r )7 f(R i r;)“=El (d l d 2)”(d l+2 r )(d 2+2 r )”一E,(d I d )2 0 0 7年第 1 期 No 1 2 0 o 7 电 线 电 缆 E l e c t r i c W i r e&Ca b l e 2 0 0 7年 2月 F e b 2 o 0 7 =E(V ,)(11 1)2=E (d I d 2)“(11 2)上述两式,说 明了所采用 的电场强度与该处的 绝缘体积有关(即包括绝缘厚度和导体尺寸)。1 3 温度参数在威布尔统计 中的应用 如果再考虑到温度作用时,可将威布尔分布改 写成三维函数H ,即:t 2 I t】=(E
16、J,)X e x p B(1 一1 T 1)(11 3)式 中,口为温度指数;T为温度(K)。早在上世纪 7 0年代,上海电缆研究所进行了充 油 电缆的温度指数的研究,其结果是:工作温度增加 8 o C,电缆绝缘寿命减半,这 和世界各 国的结论完全 一致。充油 电缆 的工作温度为 8 O。C,如将这些数值 代入式(1 1 3),不难得到温度指数 B=1 1 0 4 1。但在 X L P E挤包电缆中,可参照 I E C 6 0 2 1 6确定 的热老化试验程序和评定试验结果的一般规程来进 行,寿命评定试验温度的每个级差取 1 5。C 共有 4 个 试验温度点,最高试验温度为 1 8 0。C,试
17、验时间将延 续到 5 0 0 0 h 左右,按下面的经验公式进行评定:l g r=0+6,T (11 4)式中,r 为温度 时的工作寿命;T为工作温度(K);o、b为待定系数。如 X L P E绝 缘试 样测 得 的原始 断裂 伸长 率为 2 6 0,若断裂伸长率 的保 留率 5 0 作为 寿命 终止 点,则如取断裂伸长率为 1 3 0 时,对电缆的运行就 有很 大的安全度 了。按 I E C 6 0 2 1 6 1导则及相关数 学原理处理,先应用作图法分别绘 出 4个温度 的断 裂伸长率的保留率与时间 的关系,并根据假设 的寿 命终止点标 出时间。如从 试验和 作图得 出的结果 为:试验温度
18、(。C)1 8 0 1 6 5 1 5 0 1 3 5 终止时间(h)7 5 3 8 0 1 0 0 0 4 0 0 0 用最小二乘法计算可得:y=一 1 3 1 9 02+6 8 5 8 Ox 式中,=1 ;Y=l g r。当 温 度 为 9 o。c时,=0 O O O 2 7 5 4 8,则计算得:5 70 2 2 2 r:5 0 3 7 5 6 h=5 7 5年 由于交联 聚乙烯(x L P E)电缆 的实 际使 用温度 均不 超过 9 O o c,因此实 际 寿命 可超 过 6 0年。如 X L P E绝缘的工作 温度按 充油电缆绝缘也提高 8。C 时,电缆运行的寿命 的减少要超过一半
19、,例如,上海 电缆研究所曾在上世纪 8 O年代进行 了很多 的研究 工作,现将有关数值代入方程式(1 4)并进行计算,即 当温度为 9 8。C 时,=0 0 0 0 2 6 9 5 4 1 8,计算可得:y=5 2 9 5 r:1 9 7 2 4 2 h:2 2+5年 代人式(11 3)可得:e x p B(1 T 21 T 1)=e x p B 1 (2 7 3+9 8)一 l,(2 7 3+9 o)=2 2 5 5 7 5=0 3 9 1 6 不难得到:X L P E绝缘 的温度 指数 B=1 5 7 8 2,则:t 2 I t l=(E l I E 2)X e x p 1 5 7 8 2
20、(1 一1 1)(11 5)这样,我们就得 到了有一定实用价值的威布尔 分布的电压、温度和寿命之间的三维方程。1 4 戚布尔方程在电压击穿中的应用 在上述各参数估计时,一个重要的因素是试验 结果是否符合威布尔分布,可应用图解法或线性回 归法来核验其线性程度,经过 我们对挤包 电缆的模 拟试验结果,其工频击穿概率分布均能满意地符合 威布尔分布 ,通 常取 r 一0,o、b和 n均为常数。很多作者指 出,试验 结果 r 值是 符合公式(1 7)的。S t a r r 和 E n d i c o t t 给的 n值 为 l 52 0,K r e u g e r 得到聚乙烯 电缆 的 n值 为 9 3
21、 。A r t b a u e r 和 G r i a e得 到和 K r e u g e r 同样的数值,O c e h i n i 于 1 9 7 1年发表了 塑料电缆模拟 试样 的 n值为 1 5,1 9 7 5年 O e e h i n i 又 对 乙丙橡胶模拟 电缆试样经大量 的试验后指出:“在 电压作用时间几秒钟到若干年后,n值均为常数”。瑞典 A S E A,S i e v e r t s 公司,E t 本六大公 司对干法交联 电缆长期老化试 验结果,证明电缆寿命可达 3 O年以 上,没有发现 值在短时 间内会 剧烈下降,为此 只 有威布尔分布参 数是一个常数,才能满意地使用威
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