NaCl溶液对XLPE电力电缆工频击穿特性和水树的影响.pdf

2013 年第 5 期 No．52013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 10 月 Oct．， 2013 NaCl 溶液对 XLPE 电力电缆工频击穿 特性和水树的影响 邓凯， 阎孟昆 ( 中国电力科学研究院， 湖北 武汉 430074) 摘要: 采用同一根抗水树 XLPE 电力电缆， 分别在自来水和 NaCl 溶液中进行 60 d、 120 d 和 180 d 的加速老化 试验， 然后对老化前和老化后的电缆试样， 分别进行工频逐级击穿， 对老化后击穿的电缆试样进行水树检查。 试验结果表明， NaCl 溶液对抗水 XLPE 电力电缆的老化有明显的作用。 关键词: 抗水树 XLPE 电缆; NaCl 水溶液; 加速老化; 工频击穿; 水树 中图分类号: TM247．1文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2013) 05- 0017- 03 The Effects of NaCl Solution on Breakdown Characteristic of Power Frequence and Water Tree of XLPE Power Cables DENG Kai，YAN Meng- kun ( China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China) Abstract: The same water- tree- retardant XLPE power cable samples， in pure warer and NaCl solution respectively， are tested by accelerated aging for 60， 120 and 180 days． Then the breakdown at power frequency is done step by step for the original and aging cable samples respectively． Moreover，The water tree is inspected in insulation of aging cable samples with breakdown． The results of tests indicated that NaCl solution has a significant impact on deterioration of water- tree- retardant XLPE power cables． Key words:WTR XLPE cable;NaCl solution;accelerated aging;power frequency breakdown;water tree 收稿日期: 2013- 02- 05 作者简介: 邓凯( 1980 － ) ， 男， 助理工程师． 作者地址: 湖北武汉市洪山区珞喻 143 号［ 430074］ ． 0引言 随着国内外对交联聚乙烯( XLPE) 材料应用于 电力电缆绝缘的研究进展， 电力电缆绝缘中缺陷尺 寸以及线芯的偏心度等关键技术指标得到了严格的 控制， 产品质量显著提高［1 ～3 ］。运行中的 XLPE 电 力电缆， 由于水分的侵入， 在 XLPE 电力电缆中形成 了水树， 缩短了电力电缆的使用寿命。实际中许多 XLPE 电力电缆的敷设运行环境更恶劣， 特别是敷 设在靠近重工业区的 XLPE 电力电缆， 侵入 XLPE 电力电缆中的水分中元素的含量比较复杂。为了对 XLPE 电力电缆的安全稳定运行提供理论依据，分 析和掌握水分中元素含量对 XLPE 电力电缆性能的 影响是非常重要的。 本文试验方案是在水针电极法研究考察绝缘材 料性能的基础上， 把 XLPE 电力电缆浸入不同溶液 中加速老化， 研究 XLPE 电力电缆的工频击穿特性， 检査绝缘中水树生长情况［1 ～4 ］。 1试样的选取与主要结构尺寸 选取同一生产厂， 采用相同的绝缘屏蔽料、 绝缘 料和导体屏蔽料生产电缆。舍弃生产电缆的头 1000 m，截取电缆试样， 以保证被试材料的纯净和 试验结果的可靠性。被试电缆型号规格为 TR- YJV- 8. 7/10 1 50，在本次试验前电缆试样应满足 GB/T 12706. 2—2008 型式试验的要求 和 DL/T 1070—2007 抗水树性能的要求 ［5 ～6 ］。电缆试样基 本数据见表 1。 表 1电缆试样结构尺寸 项目TR- YJV- 8. 7/10 1 50 导体类型紧压圆形绞合 单线根数1 +6 =7 导体外径/mm 8. 8 绝缘平均厚度/mm4. 6 绝缘最小厚度/mm4. 4 绝缘偏心率/% 9 导体屏蔽平均厚度/mm0. 8 绝缘屏蔽平均厚度/mm0. 9 绝缘屏蔽结构挤包可剥离 2试验程序 被试电缆样品分 A 组和 B 组， 每组 12 个电缆 试样组成。每个电缆试样长 13 m ， 按图 1 所示流 程进行相应的试验。其中， A 组电缆试样加速老化 的溶液为自来水， B 组电缆试样加速老化的溶液为 浓度为 1. 6%的 NaCl 溶液。 图 1试验流程图 ( 1) 溶液中加速老化 将被试电缆置与电缆导管中， 在电缆导体中的 间隙及电缆导管中分别注满自来水和 1. 6% 的 NaCl 溶液。然后施加电流加热， 每天加热 8 h， 自然 冷却 16 h， 电流应使导管外电缆试样的导体温度在 加热期间的后 2 h 保持在 95 ～100℃ 范围内， 在电 缆导体上连续施加( 27 1) kV 的工频电压作为一 个加速老化周期。 ( 2) 工频逐级击穿试验 对未经过任何处理的原始电缆样品和经过60 d、 120 d 和180 d 溶液加速老化后的电缆试样进行工频 击穿试验。试验在室温下进行， 将电缆试样的两端装 入350 kV 水终端中， 起始 试验电压值18 kV， 保持 5 min ， 然后以一级 7 kV 的增幅， 每级保持 5 min， 逐 级升压， 直至电缆试样在穿管部分击穿。 3试验结果及分析 耐受 5 min 不击穿的最高工频电压值除以最接 近击穿点的绝缘厚度， 作为电缆试样能耐受的最大 电场强度。通过对 A 和 B 两组试样工频逐级击穿 后的计算， 画出图 2。 工频逐级击穿试验后， 在靠近电缆绝缘击穿点 最近的位置， 沿直径方向取厚度为 0. 6 mm 的同心 圆状试片 10 个， 用酒精清洗干净， 将试片浸入亚甲 基蓝溶液中染色。 用显微镜观察被染色处理后的试片中水树的形 图 2两组电缆试样的工频最大耐电强度 态， 并用自带标尺测量水树的尺寸。在 A 组电缆试 样中， 我们没有发现水树， 而在 B 组电缆试样中， 在 各个阶段都发现了不同形态的水树。典型的水树图 片见图 3 ～5。 图 3 B 组试样 60 d 老化后绝缘中的典型水树 图 4 B 组试样 120 d 老化后绝缘中的典型水树 由图 2 ～ 图 5 可见， 从未老化电缆试样到加速 老化 60 d 的电缆试样的工频耐电强度的变化不明 显， 自来水和 NaCl 溶液的加速作用没有区别， 但是 在 60 d 的 NaCl 溶液加速老化后的电缆试样中发现 了水树， 水树的尺寸见图 3。从图 2 中明显可见， A 81 2013 年第 5 期 No．52013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 10 月 Oct．， 2013 图 5 B 组试样 180 d 老化后绝缘中的典型水树 组的120 d 和180 d 的自来水溶液老化后， 电缆试样 的工频耐电强度比原始样最大下降了 11% 和 27%。 而 B 组的 120 d 和 180 d 的 NaCl 自来水溶液老化 后， 电缆试样的工频耐电强度比原始样最大下降了 44%和 49%。从图 3 ～ 图 5 中可以发现在 B 组的 120 d 和 180 d 的老化之后， 水树的尺寸也在明显 变大。 A 组和 B 组电缆试样， 均取自同一根 XLPE 电 缆， 由此可以看到， 同一根电缆运行环境的细微变 化， 对 XLPE 电缆性能的影响是巨大的。试验用的 XLPE 电缆由同一制造厂生产， 材料组合与配方相 同， 生产工序和生产工艺完全一样， 因此可以排除设 备和人为因素的影响。在试验中导致 XLPE 电缆击 穿的原因很多， 但通过试验后对击穿点的解剖和对 击穿点附近的水树观察可以确定， 水树的存在和成 长加速了 XLPE 电缆绝缘的老化， 最终导致 XLPE 电缆的击穿。另外， 通过图 3 ～ 图 5 也发现， 水树的 成长是先由绝缘内部的缺陷处引起的， 如图 3 和图 4 的水树都是在绝缘的内部， 而图 5 的水树起始是 从导体屏蔽的突起上开始的， 水树成长的周期会较 长一些。因此， 加强对运行中的 XLPE 电缆环境水 分微量元素的监测， 控制敷设在重工业区周遭环境 的水分对 XLPE 电缆的侵入， 是提高 XLPE 电缆运 行寿命的措施之一。 4结论 ( 1) 抗水树 XLPE 电缆， 在 NaCl 水溶液侵入 后， 诱发电缆 XLPE 绝缘的缺陷处快速生长水树， 降 低 XLPE 电缆的工频耐电强度。 ( 2) 当侵入抗水树 XLPE 电缆中的 NaCl 低于 某一浓度时， 对 XLPE 电缆工频耐电强度的影响不 明显。 ( 3) 防止运行中的 XLPE 电缆侵入 NaCl 溶液， 可以提高 XLPE 电缆的运行寿命。 参考文献: ［1］史济康， 朱海钢， 徐永铭， 等． 35 kV 及以下绝缘电力电缆品 质分析［J］． 高电压技术， 2005， 31( 11) : 48- 51． ［2］阎孟昆， 罗俊华， 杨黎明． 抗水树 XLPE 电力电缆工频击穿特 性研究［C］/ /全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集， 2008．973- 976． ［3］豆朋， 文习山， 龚瑛． 几种因素对水树生长影响的研究 ［J］． 绝缘材料， 2005( 1) : 33- 36． ［4］邓凯， 阎孟昆． 抗水树绝缘材料与不同屏蔽材料组合的工 频耐受强度和抗水树性能 ［J］． 高电压技术， 2011，37( 增 刊) : 212- 215． ［5］DL/T 1070—2007中压交联电缆抗水树性能鉴定试验方法 和要求［S］． ［6］GB/T 12706. 2—2008额定电压 1 kV ( Um= 1. 2 kV)到 35 kV ( Um=40. 5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件第 2 部分: 额 定电压 6 kV( Um=7. 2 kV)到 30 kV ( Um=36 kV)电缆［ S］ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ． ( 上接第 16 页) ( 6)外护套。挤包耐油、 耐磨氯磺化聚乙烯， 连 续硫化， 交联度控制应合适。 2. 3试制结果 我们按照设计的参数和结构， 通过反复试验不 断改进， 使电缆的技术指标完全得以实现。以 1 35 +6 35 + 6 ( 3 1) 结构为例， 最终试制产品 400 Hz 在 90 ℃ 时 导 体 交 流 阻 抗 值 实 测 为 0. 937 Ω/km， 远小于理论计算的 0. 968 Ω/km; 环境 温度为30 ℃时额定载流量为270 A。在 cosθ 为0. 8 时的线路压降为 0. 62 mV/Am。 3结束语 研制生产的 400 Hz 电缆在达到进口电缆性能 的基础上， 价格较进口电缆有着较大降低， 仅为国外 进口电缆的 60%。相信随着航空、 舰船等工业的发 展， 其必将具有更广阔的市场空间。 参考文献: ［1］王春江主编． 电线电缆手册( 第 1 册) ［M］． 北京: 机械工业出 版社， 2001． 91 2013 年第 5 期 No．52013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 10 月 Oct．， 2013