鄧 凱，閻孟昆

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)材料應(yīng)用于電力電纜絕緣的研究進(jìn)展，電力電纜絕緣中缺陷尺寸以及線芯的偏心度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)得到了嚴(yán)格的控制，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高［1～3］。運(yùn)行中的XLPE電力電纜，由于水分的侵入，在XLPE電力電纜中形成了水樹(shù)，縮短了電力電纜的使用壽命。實(shí)際中許多XLPE電力電纜的敷設(shè)運(yùn)行環(huán)境更惡劣，特別是敷設(shè)在靠近重工業(yè)區(qū)的XLPE電力電纜，侵入XLPE電力電纜中的水分中元素的含量比較復(fù)雜。為了對(duì)XLPE電力電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)，分析和掌握水分中元素含量對(duì)XLPE電力電纜性能的影響是非常重要的。

本文試驗(yàn)方案是在水針電極法研究考察絕緣材料性能的基礎(chǔ)上，把XLPE電力電纜浸入不同溶液中加速老化，研究XLPE電力電纜的工頻擊穿特性，檢査絕緣中水樹(shù)生長(zhǎng)情況［1～4］。

1 試樣的選取與主要結(jié)構(gòu)尺寸

選取同一生產(chǎn)廠，采用相同的絕緣屏蔽料、絕緣料和導(dǎo)體屏蔽料生產(chǎn)電纜。舍棄生產(chǎn)電纜的頭1000 m，截取電纜試樣，以保證被試材料的純凈和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。被試電纜型號(hào)規(guī)格為TR-YJV-8.7/10 1×50，在本次試驗(yàn)前電纜試樣應(yīng)滿足GB/T 12706.2—2008型式試驗(yàn)的要求 和DL/T 1070—2007抗水樹(shù)性能的要求［5～6］。電纜試樣基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電纜試樣結(jié)構(gòu)尺寸

2 試驗(yàn)程序

被試電纜樣品分A組和B組，每組12個(gè)電纜試樣組成。每個(gè)電纜試樣長(zhǎng)13 m，按圖1所示流程進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。其中，A組電纜試樣加速老化的溶液為自來(lái)水，B組電纜試樣加速老化的溶液為濃度為1.6%的NaCl溶液。

圖1 試驗(yàn)流程圖

(1)溶液中加速老化

將被試電纜置與電纜導(dǎo)管中，在電纜導(dǎo)體中的間隙及電纜導(dǎo)管中分別注滿自來(lái)水和1.6%的NaCl溶液。然后施加電流加熱，每天加熱8 h，自然冷卻16 h，電流應(yīng)使導(dǎo)管外電纜試樣的導(dǎo)體溫度在加熱期間的后2 h保持在95～100℃范圍內(nèi)，在電纜導(dǎo)體上連續(xù)施加(27±1)kV的工頻電壓作為一個(gè)加速老化周期。

(2)工頻逐級(jí)擊穿試驗(yàn)

對(duì)未經(jīng)過(guò)任何處理的原始電纜樣品和經(jīng)過(guò)60 d、120 d和180 d溶液加速老化后的電纜試樣進(jìn)行工頻擊穿試驗(yàn)。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，將電纜試樣的兩端裝入350 kV水終端中，起始 試驗(yàn)電壓值18 kV，保持5 min，然后以一級(jí)7 kV的增幅，每級(jí)保持5 min，逐級(jí)升壓，直至電纜試樣在穿管部分擊穿。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

耐受5 min不擊穿的最高工頻電壓值除以最接近擊穿點(diǎn)的絕緣厚度，作為電纜試樣能耐受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)A和B兩組試樣工頻逐級(jí)擊穿后的計(jì)算，畫(huà)出圖2。

工頻逐級(jí)擊穿試驗(yàn)后，在靠近電纜絕緣擊穿點(diǎn)最近的位置，沿直徑方向取厚度為0.6 mm的同心圓狀試片10個(gè)，用酒精清洗干凈，將試片浸入亞甲基藍(lán)溶液中染色。

圖2 兩組電纜試樣的工頻最大耐電強(qiáng)度

用顯微鏡觀察被染色處理后的試片中水樹(shù)的形態(tài)，并用自帶標(biāo)尺測(cè)量水樹(shù)的尺寸。在A組電纜試樣中，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水樹(shù)，而在B組電纜試樣中，在各個(gè)階段都發(fā)現(xiàn)了不同形態(tài)的水樹(shù)。典型的水樹(shù)圖片見(jiàn)圖3～5。

圖3 B組試樣60 d老化后絕緣中的典型水樹(shù)

圖4 B組試樣120 d老化后絕緣中的典型水樹(shù)

圖5 B組試樣180 d老化后絕緣中的典型水樹(shù)

由圖2～圖5可見(jiàn)，從未老化電纜試樣到加速老化60 d的電纜試樣的工頻耐電強(qiáng)度的變化不明顯，自來(lái)水和NaCl溶液的加速作用沒(méi)有區(qū)別，但是在60 d的NaCl溶液加速老化后的電纜試樣中發(fā)現(xiàn)了水樹(shù)，水樹(shù)的尺寸見(jiàn)圖3。從圖2中明顯可見(jiàn)，A組的120 d和180 d的自來(lái)水溶液老化后，電纜試樣的工頻耐電強(qiáng)度比原始樣最大下降了11%和27%。而B(niǎo)組的120 d和180 d的NaCl自來(lái)水溶液老化后，電纜試樣的工頻耐電強(qiáng)度比原始樣最大下降了44%和49%。從圖3～圖5中可以發(fā)現(xiàn)在B組的120 d和180 d的老化之后，水樹(shù)的尺寸也在明顯變大。

A組和B組電纜試樣，均取自同一根XLPE電纜，由此可以看到，同一根電纜運(yùn)行環(huán)境的細(xì)微變化，對(duì)XLPE電纜性能的影響是巨大的。試驗(yàn)用的XLPE電纜由同一制造廠生產(chǎn)，材料組合與配方相同，生產(chǎn)工序和生產(chǎn)工藝完全一樣，因此可以排除設(shè)備和人為因素的影響。在試驗(yàn)中導(dǎo)致XLPE電纜擊穿的原因很多，但通過(guò)試驗(yàn)后對(duì)擊穿點(diǎn)的解剖和對(duì)擊穿點(diǎn)附近的水樹(shù)觀察可以確定，水樹(shù)的存在和成長(zhǎng)加速了XLPE電纜絕緣的老化，最終導(dǎo)致XLPE電纜的擊穿。另外，通過(guò)圖3～圖5也發(fā)現(xiàn)，水樹(shù)的成長(zhǎng)是先由絕緣內(nèi)部的缺陷處引起的，如圖3和圖4的水樹(shù)都是在絕緣的內(nèi)部，而圖5的水樹(shù)起始是從導(dǎo)體屏蔽的突起上開(kāi)始的，水樹(shù)成長(zhǎng)的周期會(huì)較長(zhǎng)一些。因此，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行中的XLPE電纜環(huán)境水分微量元素的監(jiān)測(cè)，控制敷設(shè)在重工業(yè)區(qū)周遭環(huán)境的水分對(duì)XLPE電纜的侵入，是提高XLPE電纜運(yùn)行壽命的措施之一。

4 結(jié)論

(1)抗水樹(shù)XLPE電纜，在NaCl水溶液侵入后，誘發(fā)電纜XLPE絕緣的缺陷處快速生長(zhǎng)水樹(shù)，降低XLPE電纜的工頻耐電強(qiáng)度。

(2)當(dāng)侵入抗水樹(shù)XLPE電纜中的NaCl低于某一濃度時(shí)，對(duì)XLPE電纜工頻耐電強(qiáng)度的影響不明顯。

(3)防止運(yùn)行中的XLPE電纜侵入NaCl溶液，可以提高XLPE電纜的運(yùn)行壽命。

［1］史濟(jì)康，朱海鋼，徐永銘，等.35 kV及以下絕緣電力電纜品質(zhì)分析［J］.高電壓技術(shù)，2005，31(11):48-51.

［2］閻孟昆，羅俊華，楊黎明.抗水樹(shù)XLPE電力電纜工頻擊穿特性研究［C］//全國(guó)第八次電力電纜運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集，2008.973-976.

［3］豆 朋，文習(xí)山，龔 瑛.幾種因素對(duì)水樹(shù)生長(zhǎng)影響的研究［J］.絕緣材料，2005(1):33-36.

［4］鄧 凱，閻孟昆.抗水樹(shù)絕緣材料與不同屏蔽材料組合的工頻耐受強(qiáng)度和抗水樹(shù)性能［J］.高電壓技術(shù)，2011，37(增刊):212-215.

［5］DL/T 1070—2007中壓交聯(lián)電纜抗水樹(shù)性能鑒定試驗(yàn)方法和要求［S］.

［6］GB/T 12706.2—2008額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第2部分:額定電壓6 kV(Um=7.2 kV)到30 kV(Um=36 kV)電纜［S］.