不同試驗電壓對交聯電纜壽命的影響研究

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

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不同試驗電壓對交聯電纜壽命的影響研究

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

摘要：本文從電纜電壓擊穿的基本原理出發，設計了一種低成本的電纜壽命模擬試驗模型，對國家標準規定的兩種中壓26/35kV交聯電纜的例行電壓試驗方法進行對比研究，分析了兩種例行電壓試驗方法對中壓交聯電纜使用壽命的影響。

關鍵詞：電纜；試驗電壓；擊穿；壽命影響

0. 引言

國家標準GB/T12706.3-2008中對目前國內大量使用的中壓26/35kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜的例行電壓試驗規定，制造廠可選擇3.5U0/5min或2.5U0/30min任意一種進行試驗。

GB/T12706.3-2008標準規定可以在兩種試驗方法中進行選擇，主要是考慮到電纜制造企業試驗設備能力存在差異，既能讓大多數制造企業使用原有按GB/T12706-2002版本標準配置的試驗設備，在不增加投入的情況下可以進行試驗，也讓具有更高電壓試驗設備的制造企業可以提高工作效率。

GB/T12706.3-2008標準對例行電壓試驗的規定主要是參考了IEC60502-2：2005。

中規定的例行電壓試驗3.5U0/5min 和IEC60840：2004的情況確定。但IEC60502-2：2005適用的電纜的額定電壓上限僅為18/30kV，而適用于35kV交聯電纜的標準為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的文獻資料。

有電纜行業知名專家曾提出疑議，認為將較高的例行電壓試驗列入國標，并沒有提高標準水平，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交聯電纜例行電壓試驗的較優方案，對電纜制造企業和用戶都有重要意義。

圖1樣品結構示意圖

表1樣品結構尺寸和設計場強

1. 數據統計分析方法

國內、外大量的研究表明，威布爾分布在絕緣擊穿壽命統計方面已得到廣泛應用，特別適用于擠包絕緣電纜擊穿的統計和分析，擊穿電壓與電纜壽命正相關。IEC、IEEE和國標均有應用威布爾分布研究產品壽命的標準。因此在進行試驗，得到試驗數據后，采用威布爾分布對數據進行處理分析。

2. 試驗方案設計

2.1設計思路

采用兩組材料、結構、生產設備和工藝完全相同的樣品，先分別各自進行3.5U0/5min和2.5U0/30min例行電壓試驗。然后在同一臺試驗設備上對兩組經過電壓試驗的試樣分別進行逐級電壓擊穿試驗，通過對試驗結果統計分析，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行試驗。反之則認為不等效，應選擇對電纜絕緣損傷較小的方法進行試驗。

2.2試樣考慮

直接用26/35kV交聯電纜進行試驗得到的結論是最直接、最可靠的，但存在兩個難題。一是電壓擊穿試驗數據分散性大，需要大量的試驗樣品進行多次試驗才能得到足夠的數據進行統計分析，樣品成本太大。二是有關資料顯示，26/35kV交聯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交聯電纜進行試驗。即采用相同的絕緣材料、相似的電纜結構制作樣品，通過精心設計樣品的結構尺寸、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交聯電纜相近，從而顯著降低試驗成本。

3. 樣品實現

3.1樣品設計

樣品結構示意圖如圖1所示。

樣品設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，樣品結構與實際電纜結構相似，樣品的設計場強與實際電纜的設計場強相似。以上要求，采取下列方法來實現。

（1）樣品結構與實際電纜結構相似。

導體采用實心圓形銅導體，其表面光滑，故可省略導體屏蔽。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。既保證了結構的相似性，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化學交聯料，和實際電纜材料相同，采用普通擠出機可順利擠出。考慮到交聯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，為防止交聯工序可能對絕緣帶來的機械損傷，因此不進行交聯。

（3）樣品的設計場強與實際電纜的設計場強相似。

按照標準規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（對應電纜截面為50～400mm）。

從試驗的嚴格性方面出發，選取最小規格對應的最大場強進行樣品設計。通過分析計算，并從工藝可實現的角度考慮，得到模擬樣品結構尺寸和設計場強見表1。

從表1中數據可以看出，按設計的結構尺寸和試驗電壓，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，因此該樣品設計可以滿足要求。

表2逐級電壓擊穿數量統計表　單位：個

圖2逐級電壓擊穿數量分布圖

3.2樣品生產注意事項

（1）所有樣品應具有完全相同的生產條件和工藝，要求樣品的各道工序在一臺設備上一次生產完，開機過程中退火電壓、溫度、螺桿轉速、收線速度等工藝參數保持穩定。

（2）導體生產時，線芯出拉線模后的所有過線導輪都進行磨光處理，并用毛毯包裹收線盤卷筒表面和側面，確保導體表面光滑，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電纜生產相同的擠壓式擠出方式，加裝相同的40+80+60目的濾網。

（4）絕緣擠出盡可能避免帶入雜質，開機前對機頭、料斗、螺桿進行徹底清理。

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

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

3.3樣品制備

樣品數量需滿足統計分析足夠的樣本數、試驗設備的容量和試驗時間的要求。根據使用的試驗設備進行測算和模擬試驗，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，其中奇數序號者為2.5U0組，偶數序號者為3.5U0組，分別用于兩種方法試驗。每次取樣后隨即進行試驗，每天試驗一批，在兩天內完成試驗。然后再取下兩批樣試驗，如此交替進行，直至試驗全部完成。

4. 試驗

4.1試驗設備

（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預處理和3.5U0預處理）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試驗環境條件

全部試驗在室溫下進行。

4.3逐級電壓擊穿電壓和時間

通過查閱文獻資料，交聯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該在20kV以上。用樣品進行實際驗證，從20kV開始，級差電壓2kV，每級停留時間5s，結果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，然后進行預處理。2.5U0預處理的電壓值為6.5kV；3.5U0預處理的電壓值為9.1kV。預處理完成，隨后立即進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. 試驗結果與分析

5.1試驗數據處理

2.5U0和3.5U0預處理，以及逐級電壓擊穿試驗中樣品擊穿數量統計見表2。

通過對擊穿試樣查看，2.5U0預處理有3個樣品在預處理時擊穿，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。合計有效數據95個。3.5U0預處理有2個樣品在預處理時擊穿，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。合計有效數據95個。

各級電壓下擊穿數量統計圖如圖2所示。

5.2數據分析

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

表3逐級電壓擊穿試驗的威布爾分布參數計算值

經驗證兩組數據的相關系數均達到0.95以上，為高度相關，說明試驗結果符合威布爾分布，求得的威布爾分布參數是有效的。

根據求得的威布爾電壓分布參數可繪出威布爾概率密度函數圖，如圖3所示。

圖3逐級電壓擊穿威布爾概率密度函數比較圖

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，說明兩種預處理對電纜擊穿電壓的影響沒有顯著差異。

結語

（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電纜進行電壓試驗，對樣品進行2.5U0和3.5U0預處理后進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據采用威布爾分布進行統計處理分析，結果顯示采用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交聯聚乙烯絕緣電力電纜，采用現行有效的國家標準中規定的可任意選擇的兩種例行電壓試驗方法進行試驗，結果是等效的，對電纜的使用壽命影響沒有明顯差異。

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

參考文獻

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［3］劉耀南，邱昌容，等.電氣絕緣測試技術［M］.北京：機械工業出版社，1981.

中圖分類號：TM247

文獻標識碼：A