中壓電纜中間接頭受潮規(guī)律試驗(yàn)

徐曉峰 ,朱光亞

(1.上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093;2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610065)

0 引 言

中壓電力電纜是電能配送的重要組成部分[1-2],其中,電纜中間接頭是中壓電纜系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[3-4]。根據(jù)電纜運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),中壓電纜中間接頭的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)與硅橡膠(SiR)復(fù)合界面容易發(fā)生擊穿故障[5-7]。常見的故障缺陷來源有人為制作缺陷、接頭設(shè)計(jì)缺陷和外界因素長期作用引起的缺陷[8]。人為制作缺陷主要有主絕緣劃傷、復(fù)合界面留有金屬顆粒、半導(dǎo)電凸起和預(yù)制件錯(cuò)位等[9];接頭設(shè)計(jì)缺陷有抱緊力過小或過大、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷等[10-11];引起缺陷的外界因素有受水分入侵、極端環(huán)境作用、機(jī)械擠壓等[12-13]。隨著中間接頭制作工藝的進(jìn)步,人為制作缺陷以及接頭設(shè)計(jì)缺陷均可以得到有效避免,但是外界作用引起的接頭絕緣破壞難以避免,最為常見的是溝道積水引起接頭受潮進(jìn)而導(dǎo)致界面絕緣破壞[14]。因此,研究中間接頭受潮擴(kuò)散路徑以及影響因素具有重要工程意義。

目前,針對(duì)電纜中間接頭受潮主要集中于檢測(cè)及定位方法的研究。李蓉等[15]提出了一種基于頻域反射法(FDR)的配電電纜中間接頭受潮定位診斷方法。通過仿真和試驗(yàn),結(jié)果表明:該方法能對(duì)不同受潮程度的配電電纜中間接頭進(jìn)行定位以及受潮診斷。張鍇等[16]通過在MATLAB/Simulink 中分別對(duì)電纜本體、中間接頭和水樹枝進(jìn)行建模、仿真,提出了一種基于時(shí)域反射法(TDR)的電纜受潮定位方法,并通過實(shí)例論證了該方法的有效性。黃晨曦等[17]基于理論和仿真,分析了線性阻抗譜技術(shù)識(shí)別電纜阻抗變化的原理,然后通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),驗(yàn)證了線性阻抗譜技術(shù)在配電電纜接頭受潮缺陷檢測(cè)與定位方面的有效性。楊帆等[18]提出了一種采用基于注入脈沖信號(hào)時(shí)域反射波檢測(cè)、定位電纜中間接頭復(fù)合界面不同程度受潮缺陷的方法,并通過工業(yè)應(yīng)用案例驗(yàn)證了該方法的有效性。

綜上所述,目前針對(duì)電纜接頭受潮主要集中于檢測(cè)與定位方法的研究,關(guān)于電纜接頭受潮路徑研究鮮有報(bào)道,如何有效防止水分入侵暫未可知。本工作通過制作三相與單相中間接頭,并搭建加速受潮老化平臺(tái),研究了中間接頭受潮過程水分的擴(kuò)散規(guī)律以及影響因素,為實(shí)際電纜安全運(yùn)行提供參考[19-20]。

1 試驗(yàn)部分

三相中間接頭包含眾多材料組成的復(fù)合界面。為了方便研究,本工作選擇中間接頭內(nèi)金屬屏蔽層為分界層。分界層以外稱為中間接頭外側(cè)界面,以內(nèi)稱為接頭內(nèi)側(cè)界面。外側(cè)界面包含兩層防水膠帶組成的防水膠帶-防水膠帶界面,以及兩層防水膠帶分別與內(nèi)外護(hù)套搭接組成的防水膠帶-聚氯乙烯(PVC)界面;內(nèi)側(cè)界面包含金屬屏蔽層-外半導(dǎo)電層界面、中間接頭主體內(nèi)部XLPE-SiR 界面。

1.1 試樣制備

1.1.1 中間接頭試樣的制備

試驗(yàn)選用型號(hào)為JLS-8.7/10 kV-3×240 mm2三相中間接頭,按照規(guī)范流程進(jìn)行安裝,安裝期間為了操作方便,未對(duì)最外層鎧裝帶進(jìn)行纏繞處理。制備完成的三相中間接頭試樣的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 三相中間接頭結(jié)構(gòu)示意圖

為了更好地模擬實(shí)際敷設(shè)電纜溝道中常出現(xiàn)積水較多的情況,本工作采取增加水壓的方法進(jìn)行加速受潮處理,三相中間接頭加速受潮試樣結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。其中,水面高度設(shè)置為1 m。

圖2 三相中間接頭加速受潮試樣結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 內(nèi)側(cè)界面水分?jǐn)U散研究所用接頭試樣制備

試驗(yàn)采用單相中間接頭作為內(nèi)側(cè)界面受潮研究所用樣本,安裝期間為了簡(jiǎn)便處理,省去了最外層鎧裝帶以及防水膠帶纏繞操作。制備完成的單相中間接頭加速受潮試樣的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 單相中間接頭加速受潮試樣結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

分別搭建三相中間接頭試樣與單相接頭試樣的受潮老化試驗(yàn)平臺(tái)。三相中間接頭加速受潮平臺(tái)采用載流試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行升流試驗(yàn),試驗(yàn)裝置見圖4。圖4 中1#試樣采用“U”型放置,2#試樣采用水平放置。

圖4 三相中間接頭加速受潮平臺(tái)

單相中間接頭加速受潮平臺(tái)采用載流試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行升流試驗(yàn),回路中包含15 個(gè)單相中間接頭樣本,其試驗(yàn)平臺(tái)見圖5。

圖5 單相中間接頭加速受潮平臺(tái)

1.2.2 試驗(yàn)運(yùn)行條件

為模擬實(shí)際電纜線路負(fù)荷變化,在回路中通以額定電流使導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定溫度95 ℃。通電流總時(shí)間為4 h,其中導(dǎo)體溫度保持穩(wěn)定3 h,隨后斷開電流4 h,使導(dǎo)體溫度自然冷卻至室溫。受潮老化時(shí)間為1 440 h,24 h 進(jìn)行兩次熱循環(huán)試驗(yàn)。

1.2.3 受潮檢測(cè)方法

由于中間接頭不同界面的結(jié)構(gòu)不同,需采用不同方法檢測(cè)含水量。對(duì)于研究外側(cè)界面受潮規(guī)律的三相中間接頭試樣,由于外側(cè)界面含水量多,可直接通過視覺觀察。對(duì)于單相接頭試樣金屬屏蔽層-外半導(dǎo)電層界面處的水分,采用鹵素水分測(cè)定儀測(cè)定。對(duì)于XLPE-SiR 復(fù)合界面,由于含水量少,難以用肉眼觀察,試驗(yàn)選取無水硫酸銅粉末結(jié)合鹵素水分測(cè)定儀進(jìn)行水分?jǐn)U散的監(jiān)測(cè),先將無水硫酸銅與硅油按照1 ∶1 比例進(jìn)行混合,再將其均勻地涂抹到試樣XLPE-SiR 復(fù)合界面上。

1.2.4 界面剝離強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)于中間接頭外側(cè)界面包含的兩層防水膠帶-PVC 界面、防水膠帶-防水膠帶界面,由于水分無法在兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)通過防水膠帶本體滲透進(jìn)入內(nèi)側(cè),因此,為了進(jìn)一步研究中間接頭外側(cè)界面水分?jǐn)U散能力,本工作以界面剝離強(qiáng)度作為防水性能的指標(biāo)。通過電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了初始狀態(tài)、受潮狀態(tài)防水膠帶-PVC 界面和防水膠帶-防水膠帶界面剝離強(qiáng)度測(cè)試,每測(cè)量3 次后取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭外側(cè)界面水分?jǐn)U散規(guī)律

在“U”型三相接頭樣本加速受潮兩個(gè)月后,將其解剖,發(fā)現(xiàn)兩層防水膠的內(nèi)側(cè)均存在大量水分,水分已經(jīng)由外界擴(kuò)散至金屬屏蔽層。

防水膠帶-PVC 界面的初始狀態(tài)與受潮狀態(tài)下剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖6。對(duì)于防水膠帶-PVC 界面,隨著受潮時(shí)間的增加,界面剝離強(qiáng)度呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)。在受潮1 008 h 時(shí),界面剝離強(qiáng)度下降至初始的30%左右。

圖6 潮濕環(huán)境下防水膠帶-PVC界面剝離強(qiáng)度變化曲線

對(duì)于防水膠帶-防水膠帶界面,不管界面是否受潮,即使防水膠帶被拉斷也無法將此界面剝離。因此,可以認(rèn)為受潮對(duì)于該界面黏結(jié)性能的影響較小,即該界面粘貼牢固不容易受潮。

2.2 接頭內(nèi)側(cè)界面水分?jǐn)U散規(guī)律

2.2.1 金屬屏蔽層-外半導(dǎo)電層界面水分?jǐn)U散

金屬屏蔽層-外半導(dǎo)電層界面見圖7。由于金屬屏蔽層存在斷口,在單相中間接頭浸水1 h 后,從金屬屏蔽層斷口處切取3 個(gè)外半導(dǎo)電層塊狀樣本,編號(hào)為1～3 號(hào),4 號(hào)為未受潮樣本。樣本長度約為30 mm,相鄰樣本間隔為30 mm。

圖7 金屬屏蔽層-外半導(dǎo)電層界面

采用鹵素水分測(cè)量儀測(cè)定3 個(gè)樣本中的含水量,中間接頭受潮1 h 后,不同位置外半導(dǎo)電層含水量見表1。

表1 接頭受潮1 h 后,不同位置外半導(dǎo)電層含水量 %

由表1 可知,與未受潮樣本相比,3 個(gè)受潮樣本含水量較高,數(shù)值接近。結(jié)果表明,一旦有水分通過斷口到達(dá)金屬屏蔽層-外半導(dǎo)電層界面,會(huì)快速發(fā)生水分?jǐn)U散。

2.2.2 XLPE-SiR 界面水分?jǐn)U散

XLPE-SiR 界面總長為120 mm,試驗(yàn)從水分徑向擴(kuò)散與軸向擴(kuò)散兩個(gè)角度,進(jìn)行界面水分?jǐn)U散規(guī)律研究。

取受潮1 344 h 中間接頭樣本,剖開并擦凈界面表面水分及雜質(zhì),由外到內(nèi)在界面軸向20,60,100 mm 處分別切片取樣,在相應(yīng)SiR、XLPE 材料表面徑向向內(nèi)每隔1 mm 切取3 個(gè)厚度約為0.5 mm樣本,并采用鹵素水分測(cè)定儀測(cè)定樣本含水量,測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 界面軸向不同位置處XLPE 和SiR樣本縱向水分?jǐn)U散結(jié)果

由表2 可知,隨著取樣位置從樣本表面逐漸向內(nèi),XLPE 和SiR 樣本含水量快速下降,并趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明,材料本體內(nèi)部并未有大量水分?jǐn)U散,最外層樣本受潮時(shí)間最長,故其含水量最高;靠近外界環(huán)境的界面位置(如界面20 mm 處)所取樣本含水量較高,原因是靠近環(huán)境界面水分入侵位置處受潮最為嚴(yán)重。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水分在XLPE-SiR 復(fù)合界面軸向擴(kuò)散是均勻推進(jìn)的,原因是中間接頭界面壓力較大導(dǎo)致界面氣隙尺寸較小,因此水分受重力影響較小。沿XLPE-SiR 界面環(huán)向取4 個(gè)方向,分別間隔90°,測(cè)量各個(gè)方向的水分?jǐn)U散長度,并計(jì)算其平均值,結(jié)果見圖8。

圖8 復(fù)合界面水分軸向擴(kuò)散規(guī)律

由圖8 可知,水分?jǐn)U散長度隨著受潮時(shí)間呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在受潮504 h 之前,水分?jǐn)U散長度隨著時(shí)間近似線性增加。在受潮504 h之后,水分?jǐn)U散長度降低,出現(xiàn)異常數(shù)據(jù),原因可能是套管內(nèi)水分未及時(shí)補(bǔ)充,界面部分水分受熱蒸發(fā)。從受潮840 h 開始,水分?jǐn)U散長度繼續(xù)增加,但增加的速率逐漸減小。在受潮1 344 h 后,水分?jǐn)U散長度達(dá)到120 mm,水分?jǐn)U散至整個(gè)界面。

2.3 中間接頭整體水分?jǐn)U散規(guī)律

通過2.1 節(jié)和2.2 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果可知,中間接頭受潮過程中,水分由外到內(nèi)逐層擴(kuò)散,其擴(kuò)散規(guī)律示意圖見圖9。

圖9 中壓電纜中間接頭整體水分?jǐn)U散規(guī)律示意圖

圖9 中,最外層防水膠帶-PVC 界面因?yàn)槭艹倍鴮?dǎo)致黏結(jié)性能下降,引起界面氣隙增加,容易引起水分入侵,進(jìn)而擴(kuò)散至中間接頭鎧裝處。此時(shí),水分沿著鎧裝連接線擴(kuò)散至中間接頭對(duì)側(cè)鎧裝位置,并引起第二層防水膠帶-PVC 界面受潮而導(dǎo)致黏結(jié)性能下降,進(jìn)一步引起該處界面受潮。水分經(jīng)該界面擴(kuò)散至中間接頭內(nèi)部金屬屏蔽層。水分沿金屬屏蔽層快速擴(kuò)散至中間接頭主體端部,同時(shí)沿屏蔽層斷口向中間接頭兩端電纜主體快速擴(kuò)散。當(dāng)水分?jǐn)U散至中間接頭主體內(nèi)部XLPE-SiR 復(fù)合界面時(shí),水分主要沿界面軸向擴(kuò)散,且受重力影響較小,呈現(xiàn)均勻推進(jìn)趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

本工作開展了中壓電纜中間接頭受潮試驗(yàn),探究中間接頭內(nèi)部水分?jǐn)U散規(guī)律,得到如下結(jié)論。

1)防水膠帶-PVC 界面在潮濕環(huán)境下黏合性能急劇下降,導(dǎo)致水分從外界環(huán)境進(jìn)入中間接頭外側(cè)界面。此外,鎧裝處連接線的存在,使得水分由一端擴(kuò)散至另一端。由于銅屏蔽層存在斷口,外界水分容易進(jìn)一步向本體進(jìn)行擴(kuò)散。

2)中間接頭主體內(nèi)部XLPE-SiR 界面主要以軸向擴(kuò)散為主,徑向擴(kuò)散深度極為有限,且軸向擴(kuò)散受重力因素影響較小,呈現(xiàn)軸向均勻推進(jìn)。