不同試驗電壓對交聯(lián)電纜壽命的影響研究

習(xí)有建　何文鈞　羅紹武　謝華龍（昆明電纜集團(tuán)股份有限公司，云南　昆明　　650100）

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不同試驗電壓對交聯(lián)電纜壽命的影響研究

習(xí)有建何文鈞羅紹武謝華龍
（昆明電纜集團(tuán)股份有限公司，云南昆明650100）

摘要：本文從電纜電壓擊穿的基本原理出發(fā)，設(shè)計了一種低成本的電纜壽命模擬試驗?zāi)Ｐ?，對國家?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種中壓26/35kV交聯(lián)電纜的例行電壓試驗方法進(jìn)行對比研究，分析了兩種例行電壓試驗方法對中壓交聯(lián)電纜使用壽命的影響。

關(guān)鍵詞：電纜；試驗電壓；擊穿；壽命影響

0. 引言

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12706.3-2008中對目前國內(nèi)大量使用的中壓26/35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的例行電壓試驗規(guī)定，制造廠可選擇3.5U0/5min或2.5U0/30min任意一種進(jìn)行試驗。

GB/T12706.3-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以在兩種試驗方法中進(jìn)行選擇，主要是考慮到電纜制造企業(yè)試驗設(shè)備能力存在差異，既能讓大多數(shù)制造企業(yè)使用原有按GB/T12706-2002版本標(biāo)準(zhǔn)配置的試驗設(shè)備，在不增加投入的情況下可以進(jìn)行試驗，也讓具有更高電壓試驗設(shè)備的制造企業(yè)可以提高工作效率。

GB/T12706.3-2008標(biāo)準(zhǔn)對例行電壓試驗的規(guī)定主要是參考了IEC60502-2：2005。

中規(guī)定的例行電壓試驗3.5U0/5min 和IEC60840：2004的情況確定。但I(xiàn)EC60502-2：2005適用的電纜的額定電壓上限僅為18/30kV，而適用于35kV交聯(lián)電纜的標(biāo)準(zhǔn)為IEC60840：2004。

使用3.5U0/5min或2.5U0/30min兩種試驗方法，試驗時加到電纜上的場強前者比后者大40%，而試驗時間前者比后者少25分鐘。兩者效果是否等效，迄今為止尚未見到有關(guān)的文獻(xiàn)資料。

有電纜行業(yè)知名專家曾提出疑議，認(rèn)為將較高的例行電壓試驗列入國標(biāo)，并沒有提高標(biāo)準(zhǔn)水平，反而可能會對電纜絕緣造成損傷，降低電纜使用壽命。

因此，對兩種電壓試驗方法進(jìn)行試驗研究，明確兩種電壓試驗方法對電纜的影響，從而確定26/35kV交聯(lián)電纜例行電壓試驗的較優(yōu)方案，對電纜制造企業(yè)和用戶都有重要意義。

圖1樣品結(jié)構(gòu)示意圖

表1樣品結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計場強

1. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

國內(nèi)、外大量的研究表明，威布爾分布在絕緣擊穿壽命統(tǒng)計方面已得到廣泛應(yīng)用，特別適用于擠包絕緣電纜擊穿的統(tǒng)計和分析，擊穿電壓與電纜壽命正相關(guān)。IEC、IEEE和國標(biāo)均有應(yīng)用威布爾分布研究產(chǎn)品壽命的標(biāo)準(zhǔn)。因此在進(jìn)行試驗，得到試驗數(shù)據(jù)后，采用威布爾分布對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2. 試驗方案設(shè)計

2.1設(shè)計思路

采用兩組材料、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)設(shè)備和工藝完全相同的樣品，先分別各自進(jìn)行3.5U0/5min和2.5U0/30min例行電壓試驗。然后在同一臺試驗設(shè)備上對兩組經(jīng)過電壓試驗的試樣分別進(jìn)行逐級電壓擊穿試驗，通過對試驗結(jié)果統(tǒng)計分析，比較兩組試樣的逐級電壓擊穿水平是否有顯著差異。如果沒有顯著差異，則可認(rèn)為兩種例行電壓試驗方法是等效的，可選擇效率較高的方法進(jìn)行試驗。反之則認(rèn)為不等效，應(yīng)選擇對電纜絕緣損傷較小的方法進(jìn)行試驗。

2.2試樣考慮

直接用26/35kV交聯(lián)電纜進(jìn)行試驗得到的結(jié)論是最直接、最可靠的，但存在兩個難題。一是電壓擊穿試驗數(shù)據(jù)分散性大，需要大量的試驗樣品進(jìn)行多次試驗才能得到足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，樣品成本太大。二是有關(guān)資料顯示，26/35kV交聯(lián)電纜平均擊穿場強在30kV/mm以上，電纜的絕緣厚度為10.5mm，平均擊穿電壓高達(dá)300kV以上，需要高電壓試驗變壓器和高壓試驗終端，投資巨大，試驗技術(shù)要求較高。

針對以上難題，運用模擬試驗原理，采用較小的試驗樣品和較低的試驗電壓來模擬實際的26/35kV交聯(lián)電纜進(jìn)行試驗。即采用相同的絕緣材料、相似的電纜結(jié)構(gòu)制作樣品，通過精心設(shè)計樣品的結(jié)構(gòu)尺寸、選擇合適的試驗電壓，使樣品承受的試驗電場強度與實際的26/35kV交聯(lián)電纜相近，從而顯著降低試驗成本。

3. 樣品實現(xiàn)

3.1樣品設(shè)計

樣品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

樣品設(shè)計的核心是保證樣品與實際電纜盡可能相似，即樣品絕緣材料與實際電纜材料相似，樣品結(jié)構(gòu)與實際電纜結(jié)構(gòu)相似，樣品的設(shè)計場強與實際電纜的設(shè)計場強相似。以上要求，采取下列方法來實現(xiàn)。

（1）樣品結(jié)構(gòu)與實際電纜結(jié)構(gòu)相似。

導(dǎo)體采用實心圓形銅導(dǎo)體，其表面光滑，故可省略導(dǎo)體屏蔽。電壓試驗用水做輔助電極，水能和絕緣表面良好接觸，因此絕緣屏蔽和金屬屏蔽也可省略。既保證了結(jié)構(gòu)的相似性，又降低了樣品工藝難度和成本。

（2）樣品絕緣材料與實際電纜材料相同。

樣品絕緣采用35kV化學(xué)交聯(lián)料，和實際電纜材料相同，采用普通擠出機可順利擠出?？紤]到交聯(lián)主要改變絕緣的熱特性和機械性能，對電性能基本沒有影響，為防止交聯(lián)工序可能對絕緣帶來的機械損傷，因此不進(jìn)行交聯(lián)。

（3）樣品的設(shè)計場強與實際電纜的設(shè)計場強相似。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的絕緣厚度計算出26/35kV電纜例行試驗的最大場強2.5U0時為11.54～8.02kV/mm，3.5Uv時為16.15～11.22kV/mm（對應(yīng)電纜截面為50～400mm）。

從試驗的嚴(yán)格性方面出發(fā)，選取最小規(guī)格對應(yīng)的最大場強進(jìn)行樣品設(shè)計。通過分析計算，并從工藝可實現(xiàn)的角度考慮，得到模擬樣品結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計場強見表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，按設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸和試驗電壓，樣品承受的最大場強只略大于相同試驗條件下實際電纜承受的最大場強，因此該樣品設(shè)計可以滿足要求。

表2逐級電壓擊穿數(shù)量統(tǒng)計表　單位：個

圖2逐級電壓擊穿數(shù)量分布圖

3.2樣品生產(chǎn)注意事項

（1）所有樣品應(yīng)具有完全相同的生產(chǎn)條件和工藝，要求樣品的各道工序在一臺設(shè)備上一次生產(chǎn)完，開機過程中退火電壓、溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、收線速度等工藝參數(shù)保持穩(wěn)定。

（2）導(dǎo)體生產(chǎn)時，線芯出拉線模后的所有過線導(dǎo)輪都進(jìn)行磨光處理，并用毛毯包裹收線盤卷筒表面和側(cè)面，確保導(dǎo)體表面光滑，無任何機械損傷。

（3）為與實際電纜有相似的工藝條件，絕緣擠出采用與實際交聯(lián)電纜生產(chǎn)相同的擠壓式擠出方式，加裝相同的40+80+60目的濾網(wǎng)。

（4）絕緣擠出盡可能避免帶入雜質(zhì)，開機前對機頭、料斗、螺桿進(jìn)行徹底清理。

（5）擠包絕緣前塑料塑化應(yīng)均勻，擠出物料表面光滑、有光澤、無雜質(zhì)、無氣泡、無焦料和無變色方可正式擠出。

（6）絕緣生產(chǎn)過程中所有過線輪均應(yīng)保證表面光滑，轉(zhuǎn)動靈活。收線盤采用塑料專用收線盤，避免絕緣損傷。

3.3樣品制備

樣品數(shù)量需滿足統(tǒng)計分析足夠的樣本數(shù)、試驗設(shè)備的容量和試驗時間的要求。根據(jù)使用的試驗設(shè)備進(jìn)行測算和模擬試驗，確定每個樣品試驗長度為10m，每一個試驗方法100個樣品。為提高試驗效率，將樣品分為10個一批，每次一批10個樣品同時試驗。

取樣采取每次取20個樣，試樣交替截取，其中奇數(shù)序號者為2.5U0組，偶數(shù)序號者為3.5U0組，分別用于兩種方法試驗。每次取樣后隨即進(jìn)行試驗，每天試驗一批，在兩天內(nèi)完成試驗。然后再取下兩批樣試驗，如此交替進(jìn)行，直至試驗全部完成。

4. 試驗

4.1試驗設(shè)備

（1）YDJ-100/10成套電壓試驗裝置：容量10kVA，最高輸出電壓100kV。

（2）Q3-V靜電電壓表：3檔，每檔最高電壓分別為7.5/15/30kV。

試驗變壓器輸出端串聯(lián)50kΩ水電阻，限制擊穿電流不致過大，避免某個樣品擊穿時損傷同一批同時試驗的其他樣品。

模擬2.5U0和3.5U0例行電壓試驗（以下簡稱2.5U0預(yù)處理和3.5U0預(yù)處理）的試驗電壓用靜電電壓表直接測量，逐級擊穿電壓的試驗電壓用YDJ-100/10成套電壓試驗裝置的電壓測量裝置測量。

4.2試驗環(huán)境條件

全部試驗在室溫下進(jìn)行。

4.3逐級電壓擊穿電壓和時間

通過查閱文獻(xiàn)資料，交聯(lián)絕緣平均擊穿場強在30kV/mm以上。因為樣品絕緣厚度為0.7mm，所以估計擊穿電壓應(yīng)該在20kV以上。用樣品進(jìn)行實際驗證，從20kV開始，級差電壓2kV，每級停留時間5s，結(jié)果5個樣品擊穿電壓都在24kV以上。綜合各種因素，最終確定逐級電壓擊穿試驗起始電壓16kV、級差電壓為4kV、每級停留時間為5分鐘。

4.4逐級電壓擊穿試驗

每一批樣品先浸水1h，然后進(jìn)行預(yù)處理。2.5U0預(yù)處理的電壓值為6.5kV；3.5U0預(yù)處理的電壓值為9.1kV。預(yù)處理完成，隨后立即進(jìn)行逐級電壓擊穿試驗，直至該批樣品全部擊穿。記錄每個樣品的擊穿電壓和時間。

5. 試驗結(jié)果與分析

5.1試驗數(shù)據(jù)處理

2.5U0和3.5U0預(yù)處理，以及逐級電壓擊穿試驗中樣品擊穿數(shù)量統(tǒng)計見表2。

通過對擊穿試樣查看，2.5U0預(yù)處理有3個樣品在預(yù)處理時擊穿，予以剔除。另有兩個樣品擊穿點附近有明顯機械損傷，也予以剔除。合計有效數(shù)據(jù)95個。3.5U0預(yù)處理有2個樣品在預(yù)處理時擊穿，予以剔除。另有3個樣品擊穿點附近有明顯機械損傷，也予以剔除。合計有效數(shù)據(jù)95個。

各級電壓下?lián)舸?shù)量統(tǒng)計圖如圖2所示。

5.2數(shù)據(jù)分析

采用Excel的單變量求解進(jìn)行計算，逐級電壓擊穿試驗的威布爾分布參數(shù)計算值見表3。

表3逐級電壓擊穿試驗的威布爾分布參數(shù)計算值

經(jīng)驗證兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.95以上，為高度相關(guān)，說明試驗結(jié)果符合威布爾分布，求得的威布爾分布參數(shù)是有效的。

根據(jù)求得的威布爾電壓分布參數(shù)可繪出威布爾概率密度函數(shù)圖，如圖3所示。

圖3逐級電壓擊穿威布爾概率密度函數(shù)比較圖

從圖中可以清楚地看到，兩種電壓試驗方法的威布爾分布密度圖形狀幾乎完全一樣，說明兩種預(yù)處理對電纜擊穿電壓的影響沒有顯著差異。

結(jié)語

（1）運用模擬試驗原理，采用較小電纜和低電壓來模擬中壓26/35kV電纜進(jìn)行電壓試驗，對樣品進(jìn)行2.5U0和3.5U0預(yù)處理后進(jìn)行逐級電壓擊穿試驗。通過對逐級電壓擊穿試驗獲得的試驗數(shù)據(jù)采用威布爾分布進(jìn)行統(tǒng)計處理分析，結(jié)果顯示采用2.5U0/30min或3.5U0/5min電壓試驗對電纜擊穿電壓的影響沒有顯著差異。

（2）中壓26/35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，采用現(xiàn)行有效的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的可任意選擇的兩種例行電壓試驗方法進(jìn)行試驗，結(jié)果是等效的，對電纜的使用壽命影響沒有明顯差異。

（3）電纜制造企業(yè)和使用單位可根據(jù)實際情況，在設(shè)備條件允許的前提下可以優(yōu)先選擇3.5U0/5min的試驗方法進(jìn)行例行電壓試驗，從而提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TM247

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A