NaCl溶液对XLPE电力电缆工频击穿特性和水树的影响

2013-02-18阎孟昆

电线电缆 2013年5期

邓凯，阎孟昆

(中国电力科学研究院，湖北武汉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

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。

图2 两组电缆试样的工频最大耐电强度

用显微镜观察被染色处理后的试片中水树的形态，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

图5 B组试样180 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。