淺析南非標(biāo)準(zhǔn)中中壓電纜的長期老化試驗(yàn)方法

吳麗芳， 蔣正萍， 李 驥

(1.無錫江南電纜有限公司，江蘇無錫214251;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

中壓電纜一般不設(shè)金屬防潮層，隨著使用時(shí)間的增加，電纜敷設(shè)環(huán)境下的潮氣會(huì)慢慢滲透進(jìn)入護(hù)層，進(jìn)而透過絕緣屏蔽進(jìn)入絕緣層。在電纜制造和敷設(shè)過程中，由于終端沒有良好封閉，水分有時(shí)也可通過導(dǎo)體浸入電纜內(nèi)部。目前已有很多國家電力部門將導(dǎo)體阻水結(jié)構(gòu)也列入常規(guī)的電纜結(jié)構(gòu)中。自1983年以來，抗水樹的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料(WTRXLPE)已大量投放市場，為了評價(jià)這些抗水樹電纜材料的有效性，多個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了多種電纜抗水樹測量方案，對新型材料、制造方法和電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速甄別。本文主要介紹南非產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)SANS 1339:2010對抗水樹電纜的試驗(yàn)方法要求。

根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品制造商應(yīng)證明其所生產(chǎn)的三層共擠交聯(lián)聚乙烯絕緣材料具有長期的可靠性和抗水樹性。為此該標(biāo)準(zhǔn)提供了工頻(頻率50 Hz、電壓3U0、老化時(shí)間2年)和中頻(頻率500 Hz、電壓3U0、老化時(shí)間3000 h)兩套試驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)方法應(yīng)按照SANS 6284-5:2007標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)從試驗(yàn)儀器、供電設(shè)備、試驗(yàn)試樣、測試步驟、結(jié)果評估以及水樹試驗(yàn)這六個(gè)方面對試驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。但由于目前國內(nèi)很少接觸南非電纜標(biāo)準(zhǔn)，且無相關(guān)測試設(shè)備，而測試設(shè)備價(jià)格昂貴且試驗(yàn)周期較長，最終我公司決定從國內(nèi)采購元器件，進(jìn)行自主研發(fā)設(shè)計(jì)。經(jīng)過近兩年的努力，不但研制出測試系統(tǒng)，而且成功運(yùn)用于試驗(yàn)，目前已經(jīng)取得了南非國家標(biāo)準(zhǔn)局的認(rèn)可。在我們現(xiàn)有工頻和中頻的兩套試驗(yàn)設(shè)備中，主要介紹中頻500 Hz試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容。

1 長期老化試驗(yàn)方案

長期老化試驗(yàn)的目的是為了證明三層共擠XLPE絕緣材料的可靠性和抗水樹性。

長期老化試驗(yàn)的基本原理:將樣品浸泡在50°C的水中進(jìn)行1000 h的預(yù)處理，之后在室溫下對該試樣施加3U0的電壓3000 h，老化試驗(yàn)期間總停機(jī)時(shí)間不能超過24 h，且停機(jī)時(shí)間要在最后進(jìn)行補(bǔ)足，通過老化處理的試樣進(jìn)行逐級擊穿耐壓試驗(yàn)，南非標(biāo)準(zhǔn)局要求對試驗(yàn)過程全程監(jiān)控，并提供能證明試驗(yàn)有效性的數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)SANS 6284-5:2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)原理及試驗(yàn)設(shè)備分布圖(見圖1)。

(1)恒溫水浴系統(tǒng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求:樣品應(yīng)不少于10 m為1卷，每卷繞2～3圈，末端必須在水線以上且底部至少在水箱頂端50 cm以上，每一卷和終端必須固定使其在測試中無法移動(dòng)，加熱階段，水箱水溫控制在50°C±5°C然后保持1000 h。

根據(jù)該要求，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)高度為2.5m、內(nèi)切圓半徑為3 m的六角形恒溫水浴箱，其溫控精度為±1℃。

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)。由于老化試驗(yàn)過程中要求加壓3000 h整個(gè)過程中系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間不允許超過24 h，且必須有試驗(yàn)全程的數(shù)據(jù)記錄，我們設(shè)想將所有試驗(yàn)參數(shù)由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)每分鐘記錄。為防止意外斷電造成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的遺失和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的遺漏，我們安裝了不間斷電源對計(jì)算機(jī)進(jìn)行供電。這樣定期導(dǎo)出計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)設(shè)備分布圖

(3)中頻耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)。我們用發(fā)電機(jī)將50 Hz的動(dòng)力電源轉(zhuǎn)換成500 Hz的試驗(yàn)電源，在摸索中我們發(fā)現(xiàn)電纜是容性阻抗，為保證功率因數(shù)約等于1，就必須選擇一個(gè)合適的電感性阻抗來補(bǔ)償。由于功率因數(shù)超前或滯后都會(huì)帶來負(fù)載的增加，而發(fā)電機(jī)的額定功率是一定的，如果補(bǔ)償電感選擇不當(dāng)，將很容易引起系統(tǒng)的過載，甚至?xí)拱l(fā)電機(jī)過熱而燒毀。但是試驗(yàn)過程中樣品的長度會(huì)由200 m逐漸減至168 m，我們在高壓電壓器上安裝了過流保護(hù)裝置，并安裝了兩個(gè)補(bǔ)償電抗器。經(jīng)反復(fù)調(diào)試后中頻耐壓系統(tǒng)最終定型為由以下四個(gè)部分組成:中頻發(fā)電機(jī)組及控制柜;中頻控制柜;中頻高壓試驗(yàn)變壓器;電抗器兩只。

2 老化試驗(yàn)流程

(1)試樣的選取。按SANS 6284-5:2007要求規(guī)定，試驗(yàn)應(yīng)在額定電壓6.35/11 kV三層共擠的絕緣線芯上進(jìn)行，且應(yīng)是銅或鋁導(dǎo)體，規(guī)格為95～400 mm2范圍內(nèi)的任一規(guī)格，所有的試樣應(yīng)從局部放電試驗(yàn)合格的產(chǎn)品上抽取。

樣品長度:分15段，每段14 m，其中的3段分別在750、1500、2250 h時(shí)各取出一段進(jìn)行耐壓試驗(yàn)或水樹檢查。而剩下的12段，在3000 h后全部取出進(jìn)行交流逐級擊穿試驗(yàn)和水樹檢查。

(2)樣品的制作

1)水終端的制作:國外相似設(shè)備所采樣的水終端，通常采用循環(huán)水的方式來降低電纜在耐壓運(yùn)行中水終端的熱量，提高水終端的使用時(shí)間。我們根據(jù)水終端的制作要求，采用了較粗的塑料套管，并在電纜上制作一個(gè)阻水的端子，且在1年多的運(yùn)行中，并未出現(xiàn)任何問題。

2)試樣的安裝:用一個(gè)三角形的支架或是四邊行的支架(內(nèi)接于外徑3 m的圓，以達(dá)到繞三圈約10 m的長度要求)，將電纜線芯繞在上面，然后放入水箱中，切忌在進(jìn)行試樣的安裝時(shí)損傷外部絕緣層和絕緣屏蔽層，如果因?yàn)椴僮鬟^程中造成了損傷，在試品進(jìn)行擊穿試驗(yàn)前均應(yīng)標(biāo)記清楚，以免無效數(shù)據(jù)影響檢測結(jié)果。一般情況下，我們會(huì)在單根絕緣線芯的外面繞包一層銅帶，一是在耐壓過程中直接接地起到第二電極的作用，另一作用就是防止在安裝過程中對絕緣線芯有所損傷。

(3)逐級擊穿電壓試驗(yàn)(試樣質(zhì)量的評估方法)。將線芯從水箱中取出，按要求分成12段，每段10 m(因標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定工頻逐級擊穿試驗(yàn)的樣品需要至少7.93 m的有效電纜長度)，并在電纜上繞包一層銅帶或是銅絲編織以便接地，兩端使用去離子水終端或是其他可以進(jìn)行高壓試驗(yàn)的終端，先給電纜施加3U0的電壓5 min，然后把電壓提高到4U0持續(xù)5 min，依次遞增，每次增加1U0、5 min直至擊穿。用同樣的方法依次測試剩下的11個(gè)樣品，并記錄其可以承受的電壓值。

試驗(yàn)結(jié)果如下:擊穿場強(qiáng)大于22 kV/mm個(gè)數(shù)(Ub=65.34 kV):7;擊穿場強(qiáng)大于18 kV/mm個(gè)數(shù)(Ub=53.46 kV):10;擊穿場強(qiáng)大于14 kV/mm個(gè)數(shù)(Ub=41.58 kV):12。試驗(yàn)結(jié)果符合SANS 1339:2010 中4.7.3 條款的規(guī)定。

3 與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比較

目前國內(nèi)考核電纜絕緣材料抗水樹性能一般參照DL/T 1070-2007《中壓交聯(lián)電纜抗水樹性能鑒定試驗(yàn)和要求》進(jìn)行評價(jià)。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了國內(nèi)6～35 kV中壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜抗水樹性能鑒定的試驗(yàn)方法和要求。與本文所述標(biāo)準(zhǔn)相比，主要有以下幾點(diǎn)不同:

(1)從樣品選擇上，DL/T 1070—2007規(guī)定只能選用50 mm2銅芯導(dǎo)體，電壓等級為8.7/10 kV或8.7/15 kV。而SANS 6284-5:2007樣品選擇相對寬泛。

(2)從老化程序上，DL/T 1070要求對21個(gè)試樣分別進(jìn)行不同類型試驗(yàn)，未老化樣品進(jìn)行電氣測量和交流逐級擊穿，14 d負(fù)荷循環(huán)樣品進(jìn)行熱沖擊逐級擊穿，120 d、180 d、360 d老化后的樣品都進(jìn)行交流逐級擊穿試驗(yàn)，所有經(jīng)過長期加速老化的樣品均要進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查和水樹檢查。和SANS 6284相比，DL/T 1070的試驗(yàn)程序更為復(fù)雜，每種試驗(yàn)都規(guī)定了相應(yīng)的考核要求。

(3)從老化條件上，DL/T 1070要求(27±1)kV，頻率為49～61 Hz，在加速水樹老化的過程中，還要穿插進(jìn)行不同天數(shù)的熱負(fù)荷循環(huán)。而SANS 6284對老化條件只有電壓和溫度的要求，頻率可以選擇50 Hz或500 Hz，在500 Hz電源下老化可以大大縮短老化時(shí)間。

(4)結(jié)果的評價(jià):DL/T 1070規(guī)定了不同時(shí)間加速老化條件下的擊穿電壓耐受值，而SANS 6284由于最后12個(gè)樣品老化條件一致，所以標(biāo)準(zhǔn)給出了一系列擊穿場強(qiáng)值下所必須達(dá)到統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)。

4 結(jié)束語

長期老化試驗(yàn)系統(tǒng)成功地應(yīng)用于檢測，不但解決了我公司出口南非的中壓電纜老化試驗(yàn)的問題，為產(chǎn)品成功打入南非市場奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也填補(bǔ)了國內(nèi)該項(xiàng)試驗(yàn)的空白。目前工頻下的電纜長期老化試驗(yàn)正在進(jìn)行中，我們將對工頻和中頻下老化的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，分析其在不同頻率下的水樹形成機(jī)理有何異同之處。

［1］SANS 1339:2010 Electric cables-cross-linked polyethylene(XLPE)insulated cables for rated voltages 3.8/6.6 kV to 19/33 kV［S］.

［2］SANS 6284-5:2007 Test methods for cross-linked polyethylene(XLPE)insulated electric cables Part 5:Ageing tests［S］.

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