NaCl溶液對XLPE電力電纜工頻擊穿特性和水樹的影響

鄧 凱，閻孟昆

(中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074)

0 引言

隨著國內(nèi)外對交聯(lián)聚乙烯(XLPE)材料應(yīng)用于電力電纜絕緣的研究進展，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)指標得到了嚴格的控制，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高［1～3］。運行中的XLPE電力電纜，由于水分的侵入，在XLPE電力電纜中形成了水樹，縮短了電力電纜的使用壽命。實際中許多XLPE電力電纜的敷設(shè)運行環(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XLPE電力電纜的安全穩(wěn)定運行提供理論依據(jù)，分析和掌握水分中元素含量對XLPE電力電纜性能的影響是非常重要的。

本文試驗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，檢査絕緣中水樹生長情況［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結(jié)果的可靠性。被試電纜型號規(guī)格為TR-YJV-8.7/10 1×50，在本次試驗前電纜試樣應(yīng)滿足GB/T 12706.2—2008型式試驗的要求 和DL/T 1070—2007抗水樹性能的要求［5～6］。電纜試樣基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 電纜試樣結(jié)構(gòu)尺寸

2 試驗程序

被試電纜樣品分A組和B組，每組12個電纜試樣組成。每個電纜試樣長13 m，按圖1所示流程進行相應(yīng)的試驗。其中，A組電纜試樣加速老化的溶液為自來水，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加速老化周期。

(2)工頻逐級擊穿試驗

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

3 試驗結(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的絕緣厚度，作為電纜試樣能耐受的最大電場強度。通過對A和B兩組試樣工頻逐級擊穿后的計算，畫出圖2。

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

圖2 兩組電纜試樣的工頻最大耐電強度

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

圖3 B組試樣60 d老化后絕緣中的典型水樹

圖4 B組試樣120 d老化后絕緣中的典型水樹

圖5 B組試樣180 d老化后絕緣中的典型水樹

由圖2～圖5可見，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度的變化不明顯，自來水和NaCl溶液的加速作用沒有區(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，水樹的尺寸見圖3。從圖2中明顯可見，A組的120 d和180 d的自來水溶液老化后，電纜試樣的工頻耐電強度比原始樣最大下降了11%和27%。而B組的120 d和180 d的NaCl自來水溶液老化后，電纜試樣的工頻耐電強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，同一根電纜運行環(huán)境的細微變化，對XLPE電纜性能的影響是巨大的。試驗用的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。在試驗中導(dǎo)致XLPE電纜擊穿的原因很多，但通過試驗后對擊穿點的解剖和對擊穿點附近的水樹觀察可以確定，水樹的存在和成長加速了XLPE電纜絕緣的老化，最終導(dǎo)致XLPE電纜的擊穿。另外，通過圖3～圖5也發(fā)現(xiàn)，水樹的成長是先由絕緣內(nèi)部的缺陷處引起的，如圖3和圖4的水樹都是在絕緣的內(nèi)部，而圖5的水樹起始是從導(dǎo)體屏蔽的突起上開始的，水樹成長的周期會較長一些。因此，加強對運行中的XLPE電纜環(huán)境水分微量元素的監(jiān)測，控制敷設(shè)在重工業(yè)區(qū)周遭環(huán)境的水分對XLPE電纜的侵入，是提高XLPE電纜運行壽命的措施之一。

4 結(jié)論

(1)抗水樹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水樹，降低XLPE電纜的工頻耐電強度。

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

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

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［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］.