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

(中國電力科學研究院，湖北 武漢430074)

0 引言

隨著國內外對交聯聚乙烯(XLPE)材料應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鍵技術指標得到了嚴格的控制，產品質量顯著提高［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電力電纜的敷設運行環境更惡劣，特別是敷設在靠近重工業區的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雜。為了對XLPE電力電纜的安全穩定運行提供理論依據，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構尺寸

選取同一生產廠，采用相同的絕緣屏蔽料、絕緣料和導體屏蔽料生產電纜。舍棄生產電纜的頭1000 m，截取電纜試樣，以保證被試材料的純凈和試驗結果的可靠性。被試電纜型號規格為TR-YJV-8.7/10 1×50，在本次試驗前電纜試樣應滿足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］。電纜試樣基本數據見表1。

表1 電纜試樣結構尺寸

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管中，在電纜導體中的間隙及電纜導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，電流應使導管外電纜試樣的導體溫度在加熱期間的后2 h保持在95～100℃范圍內，在電纜導體上連續施加(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

對未經過任何處理的原始電纜樣品和經過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，并用自帶標尺測量水樹的尺寸。在A組電纜試樣中，我們沒有發現水樹，而在B組電纜試樣中，在各個階段都發現了不同形態的水樹。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別，但是在60 d的NaCl溶液加速老化后的電纜試樣中發現了水樹，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中可以發現在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，材料組合與配方相同，生產工序和生產工藝完全一樣，因此可以排除設備和人為因素的影響。在試驗中導致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，最終導致XLPE電纜的擊穿。另外，通過圖3～圖5也發現，水樹的成長是先由絕緣內部的缺陷處引起的，如圖3和圖4的水樹都是在絕緣的內部，而圖5的水樹起始是從導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電纜環境水分微量元素的監測，控制敷設在重工業區周遭環境的水分對XLPE電纜的侵入，是提高XLPE電纜運行壽命的措施之一。

4 結論

(1)抗水樹XLPE電纜，在NaCl水溶液侵入后，誘發電纜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。

［1］史濟康，朱海鋼，徐永銘，等.35 kV及以下絕緣電力電纜品質分析［J］.高電壓技術，2005，31(11):48-51.

［2］閻孟昆，羅俊華，楊黎明.抗水樹XLPE電力電纜工頻擊穿特性研究［C］//全國第八次電力電纜運行經驗交流會論文集，2008.973-976.

［3］豆 朋，文習山，龔 瑛.幾種因素對水樹生長影響的研究［J］.絕緣材料，2005(1):33-36.

［4］鄧 凱，閻孟昆.抗水樹絕緣材料與不同屏蔽材料組合的工頻耐受強度和抗水樹性能［J］.高電壓技術，2011，37(增刊):212-215.

［5］DL/T 1070—2007中壓交聯電纜抗水樹性能鑒定試驗方法和要求［S］.

［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］.