淺析南非標準中中壓電纜的長期老化試驗方法

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

中壓電纜一般不設金屬防潮層，隨著使用時間的增加，電纜敷設環境下的潮氣會慢慢滲透進入護層，進而透過絕緣屏蔽進入絕緣層。在電纜制造和敷設過程中，由于終端沒有良好封閉，水分有時也可通過導體浸入電纜內部。目前已有很多國家電力部門將導體阻水結構也列入常規的電纜結構中。自1983年以來，抗水樹的交聯聚乙烯絕緣材料(WTRXLPE)已大量投放市場，為了評價這些抗水樹電纜材料的有效性，多個國家標準設計了多種電纜抗水樹測量方案，對新型材料、制造方法和電纜結構進行快速甄別。本文主要介紹南非產品標準SANS 1339:2010對抗水樹電纜的試驗方法要求。

根據該標準，產品制造商應證明其所生產的三層共擠交聯聚乙烯絕緣材料具有長期的可靠性和抗水樹性。為此該標準提供了工頻(頻率50 Hz、電壓3U0、老化時間2年)和中頻(頻率500 Hz、電壓3U0、老化時間3000 h)兩套試驗方案進行驗證。試驗方法應按照SANS 6284-5:2007標準要求執行，該標準從試驗儀器、供電設備、試驗試樣、測試步驟、結果評估以及水樹試驗這六個方面對試驗的內容進行了規定。但由于目前國內很少接觸南非電纜標準，且無相關測試設備，而測試設備價格昂貴且試驗周期較長，最終我公司決定從國內采購元器件，進行自主研發設計。經過近兩年的努力，不但研制出測試系統，而且成功運用于試驗，目前已經取得了南非國家標準局的認可。在我們現有工頻和中頻的兩套試驗設備中，主要介紹中頻500 Hz試驗系統相關內容。

1 長期老化試驗方案

長期老化試驗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。

長期老化試驗的基本原理:將樣品浸泡在50°C的水中進行1000 h的預處理，之后在室溫下對該試樣施加3U0的電壓3000 h，老化試驗期間總停機時間不能超過24 h，且停機時間要在最后進行補足，通過老化處理的試樣進行逐級擊穿耐壓試驗，南非標準局要求對試驗過程全程監控，并提供能證明試驗有效性的數據記錄。根據SANS 6284-5:2007標準設計了試驗原理及試驗設備分布圖(見圖1)。

(1)恒溫水浴系統。根據標準要求:樣品應不少于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，加熱階段，水箱水溫控制在50°C±5°C然后保持1000 h。

根據該要求，我們設計了一個高度為2.5m、內切圓半徑為3 m的六角形恒溫水浴箱，其溫控精度為±1℃。

(2)試驗數據實時記錄系統。由于老化試驗過程中要求加壓3000 h整個過程中系統停機時間不允許超過24 h，且必須有試驗全程的數據記錄，我們設想將所有試驗參數由數據采集卡進行采集并輸入計算機，由計算機每分鐘記錄。為防止意外斷電造成計算機數據的遺失和試驗數據的遺漏，我們安裝了不間斷電源對計算機進行供電。這樣定期導出計算機中的數據，實現對設備運行狀態的監控。

圖1 試驗原理及試驗設備分布圖

(3)中頻耐壓試驗系統。我們用發電機將50 Hz的動力電源轉換成500 Hz的試驗電源，在摸索中我們發現電纜是容性阻抗，為保證功率因數約等于1，就必須選擇一個合適的電感性阻抗來補償。由于功率因數超前或滯后都會帶來負載的增加，而發電機的額定功率是一定的，如果補償電感選擇不當，將很容易引起系統的過載，甚至會使發電機過熱而燒毀。但是試驗過程中樣品的長度會由200 m逐漸減至168 m，我們在高壓電壓器上安裝了過流保護裝置，并安裝了兩個補償電抗器。經反復調試后中頻耐壓系統最終定型為由以下四個部分組成:中頻發電機組及控制柜;中頻控制柜;中頻高壓試驗變壓器;電抗器兩只。

2 老化試驗流程

(1)試樣的選取。按SANS 6284-5:2007要求規定，試驗應在額定電壓6.35/11 kV三層共擠的絕緣線芯上進行，且應是銅或鋁導體，規格為95～400 mm2范圍內的任一規格，所有的試樣應從局部放電試驗合格的產品上抽取。

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

(2)樣品的制作

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

2)試樣的安裝:用一個三角形的支架或是四邊行的支架(內接于外徑3 m的圓，以達到繞三圈約10 m的長度要求)，將電纜線芯繞在上面，然后放入水箱中，切忌在進行試樣的安裝時損傷外部絕緣層和絕緣屏蔽層，如果因為操作過程中造成了損傷，在試品進行擊穿試驗前均應標記清楚，以免無效數據影響檢測結果。一般情況下，我們會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(試樣質量的評估方法)。將線芯從水箱中取出，按要求分成12段，每段10 m(因標準中規定工頻逐級擊穿試驗的樣品需要至少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行高壓試驗的終端，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個樣品，并記錄其可以承受的電壓值。

試驗結果如下:擊穿場強大于22 kV/mm個數(Ub=65.34 kV):7;擊穿場強大于18 kV/mm個數(Ub=53.46 kV):10;擊穿場強大于14 kV/mm個數(Ub=41.58 kV):12。試驗結果符合SANS 1339:2010 中4.7.3 條款的規定。

3 與國內相關標準的比較

目前國內考核電纜絕緣材料抗水樹性能一般參照DL/T 1070-2007《中壓交聯電纜抗水樹性能鑒定試驗和要求》進行評價。該標準主要規定了國內6～35 kV中壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜抗水樹性能鑒定的試驗方法和要求。與本文所述標準相比，主要有以下幾點不同:

(1)從樣品選擇上，DL/T 1070—2007規定只能選用50 mm2銅芯導體，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個試樣分別進行不同類型試驗，未老化樣品進行電氣測量和交流逐級擊穿，14 d負荷循環樣品進行熱沖擊逐級擊穿，120 d、180 d、360 d老化后的樣品都進行交流逐級擊穿試驗，所有經過長期加速老化的樣品均要進行結構檢查和水樹檢查。和SANS 6284相比，DL/T 1070的試驗程序更為復雜，每種試驗都規定了相應的考核要求。

(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，還要穿插進行不同天數的熱負荷循環。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間。

(4)結果的評價:DL/T 1070規定了不同時間加速老化條件下的擊穿電壓耐受值，而SANS 6284由于最后12個樣品老化條件一致，所以標準給出了一系列擊穿場強值下所必須達到統計個數。

4 結束語

長期老化試驗系統成功地應用于檢測，不但解決了我公司出口南非的中壓電纜老化試驗的問題，為產品成功打入南非市場奠定了基礎，同時也填補了國內該項試驗的空白。目前工頻下的電纜長期老化試驗正在進行中，我們將對工頻和中頻下老化的試驗結果進行比較，分析其在不同頻率下的水樹形成機理有何異同之處。

［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中壓交聯電纜抗水樹性能鑒定試驗和要求［S］.