CN103278754A - 电缆水树培养设备和培养方法 - Google Patents

Abstract

一种电缆水树培养设备，包括至少一个水槽，每个水槽中设置有用于固定至少一条电缆段的固定装置，所述电缆段作了防水处理的一端在培养水树时浸没在水槽内的溶液中，另一端在培养水树时伸出溶液表面，其线芯与高压端电连接，所述电缆段的绝缘层上插有多根接地的针电极。一种水树培养方法，包括使用所述的电缆水树培养设备培养水树的过程。本发明为水树的生长提供最接近实际情况的模拟环境，并极大改善培养的效率和可控性。

Description

电缆水树培养设备和培养方法

技术领域

本发明涉及一种电缆水树培养设备和培养方法。

背景技术

交联聚乙烯电力电缆（XLPE）自1957年问世以来，以其结构轻便、易于弯曲、电气性能优良、耐热性能好、传输容量大、安装敷设方便和接头简单等众多突出优点，在电力系统中得到越来越广泛的应用。经过几十年的发展，XLPE绝缘电缆在制造工艺和绝缘材料性能方面都已经取得了长足的进步。但是在长期运行过程中，受到电场、水、热、机械应力及环境因素的综合作用，电缆本体及附件都会出现一定程度的绝缘老化，诱发电缆绝缘产生局部缺陷，甚至因此导致电缆的绝缘故障。造成电缆绝缘老化的主要原因之一便是电缆中的水树。由于在运输、安装和敷设过程中有可能造成电缆的机械损伤，并导致外界水侵入电缆的主绝缘，在长期带电运行过程中，电缆的主绝缘层会产生水树。这些水树会导致电缆绝缘微观结构的变化和绝缘性能的劣化，从而影响电缆的运行寿命。为了尽量减小水树对电缆绝缘造成的危害，需要对水树的产生和生长机理进行研究。传统的水树培养模式使用片状交联聚乙烯材料，由于不是对完整结构的电缆段进行水树培养，水树培养的条件与电缆实际运行时水树产生的条件有较大的差异，因此很大程度影响到水树生长规律和影响水树生长因素的研究结果的准确性，培养的效率和可控性也存在严重不足。   

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电缆水树培养设备，为水树的生长提供最接近实际情况的模拟环境，并极大改善培养的效率和可控性。

    另一目的是提供一种电缆水树培养方法，同样具有上述优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电缆水树培养设备，包括至少一个水槽，每个水槽中设置有用于固定至少一条电缆段的固定装置，所述电缆段作了防水处理的一端在培养水树时浸没在水槽内的溶液中，另一端在培养水树时伸出溶液表面，其线芯与高压端电连接，所述电缆段的绝缘层上插有多根接地的针电极。

一种水树培养方法，包括使用所述的电缆水树培养设备培养水树的过程。

所述电缆水树培养设备的水槽有多个，所述方法包括以下步骤：

在不同的水槽放置不同的溶液，所述溶液的不同为成分、浓度或PH不同；

将电缆段放在所述不同的水槽内按预定的时间进行水树培养；

分析得到的水树、电缆段的电气和/或材料的参数在不同溶液环境下的生长、变化规律。

或者所述方法包括以下步骤：

在不同的水槽放置相同或不同的溶液，所述溶液的不同为成分、浓度或PH不同，并为不同的水槽提供不同的温度；

将电缆段放在所述不同的水槽内按预定的时间进行水树培养；

分析得到的水树、电缆段的电气和/或材料的参数在不同温度环境下的生长、变化规律。

本发明的有益技术效果：

由于是针对具有完整结构的电缆段进行水树培养，因此相较于使用片状材料的传统水树培养模式，水树生长的环境更接近于电缆实际运行时的情况，这样有利于模拟出电缆实际运行时，其绝缘层内水树产生和生长的情况，从而能够更为高效和准确地找出水树生长的规律和影响水树生长的因素，为后续水树的研究打下了良好的基础。本发明可以实现高效、有序地在具有完整结构的电缆段的绝缘层上培养水树，并且操作简单，极大地提高了水树培养的效率和可控性，也极大地提高了研究水树生长规律和影响水树生长因素的效率。本发明尤其适用于10kV交联聚乙烯电缆段水树培养。优选的实施例还能获得更多突出的优点，将在下文中予以详述。 

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一些实施例里，电缆水树培养设备包括至少一个水槽1，每个水槽1中设置有用于固定至少一条电缆段2的固定装置，所述电缆段2作了防水处理的一端在培养水树时浸没在水槽1内的溶液中，另一端在培养水树时伸出溶液表面，其线芯201与高压端3电连接，所述电缆段2的绝缘层202上插有多根接地的针电极4。

在优选的实施例里，所述固定装置可以包括固定板5，所述固定板5上开设有至少一个安装孔，所述电缆段2插入所述安装孔内。更优选地，所述固定板5是可拆卸的，例如，水槽1内壁可以设置多个平齐的突起，从而直接水平安放固定板5。

在优选的实施例里，除针电极4外，还可以设置套在电缆段2上的环状地电极6，所述环状地电极6上开设有用于安装所述针电极4的多个插针孔，所述针电极4通过所述插针孔插入所述电缆段2的绝缘层，各针电极4通过环状地电极6接到统一的地线上。更优选地，所述插针孔与所述针电极4螺纹配合。

在优选的实施例里，所述电缆段2作了防水处理的一端可以设置有台阶形的绝缘底座7，所述电缆段2的另一端的线芯被顶出一部分，所述绝缘底座7较细的部分紧配合地插入所述电缆段2因线芯被顶出而空出的绝缘套内，所述绝缘底座7较粗的部分与所述绝缘套的端面紧贴，优选地，所述绝缘底座7与所述绝缘套相配合的表面涂有绝缘脂状材料，例如硅脂。由于线芯被顶出而裸露，暴露在外的线芯部分可以直接接到所述高压端3上，从而不需要采取额外的措施将电缆段2内的线芯与高压端3电连接。高压端3作为高压电极，培养试验时给高压电极通电，利用高压电极将电压传给电缆段2。

为此，所述高压端3可以设置用于容纳线芯端部的至少一个导电容纳槽，这样不仅可实现电连接，还有利于固定住电缆，取下时也很方便。

在优选的实施例里，所述电缆水树培养设备还可以包括底座安装筒8，所述底座安装筒8内注有绝缘脂状材料，所述绝缘底座7和所述电缆段2的一部分装入所述底座安装筒内，防止与槽内溶液接触。所述脂状材料提供绝缘和防水保护，优选采用硅脂。所述底座安装筒8优选为金属筒，其除了提供脂状材料而防水之外，还能起到对底座7和电缆段2稳定的支撑作用。

如上文所述，所述固定板5上可以开设有一个或多个安装孔，所述底座安装筒8一对一地插入所述安装孔内从而稳固固定，且方便取下。

所述电缆水树培养设备优选包括多个所述水槽1，而每个水槽1内可装有相同或不同的溶液，不同水槽1内的电缆段2可以在不同溶液下培养水树，方便进行各种对比试验，从而有效提高培养效率。

在一种实施例里，电缆水树培养设备包括多个布置在一起的金属箱9，这些金属箱9可以是层叠在一起安装，每个水槽1分别安装在一个金属箱9内，所述针电极4统一通过所述金属箱9而接地。

在优选的实施例里，所述电缆水树培养设备还包括用于调控所述水槽1的温度和/或湿度的调控装置。在一种较佳的实施例里，培养设备包括较大的恒温恒湿箱，所述水槽1甚至金属箱直接放置在所述恒温恒湿箱内。

也可以针对不同水槽1单独配备所述调控装置，从而单独地调节某水槽温度和/或湿度。

在一些实施例里，一种水树培养方法包括使用前述任一种实施例的电缆水树培养设备培养水树的过程。

参阅图1，在一些实施例里，所述电缆水树培养设备的水槽1有多个，所述方法包括以下步骤：

在不同的水槽1放置不同的溶液，所述溶液的不同为成分、浓度或PH不同；

将电缆段2放在所述不同的水槽1内按预定的时间进行水树培养；

分析得到的水树、电缆段2的电气和/或材料的参数在不同溶液环境下的生长、变化规律。

参阅图1，在另一些实施例里，所述电缆水树培养设备的水槽1同样有多个，所述方法包括以下步骤：

在不同的水槽1放置相同或不同的溶液，所述溶液的不同为成分、浓度或PH不同，并为不同的水槽1提供不同的温度；

将电缆段2放在所述不同的水槽1内按预定的时间进行水树培养；

分析得到的水树、电缆段2的电气和/或材料的参数在不同温度环境下的生长、变化规律。

以下结合更具体化的实施例描述本发明的特征。

如图1所示，在一个具体实施例里，提供一种应用于10kV交联聚乙烯电缆水树培养的电缆水树培养设备。电缆水树培养设备主要由三部分组成：水树培养箱、恒温恒湿箱和电源。水树培养箱为自主设计、开发的用于水树培养的装置，其主体为三层金属箱，每层可放置特制水槽1，每个水槽1中放置一块九孔可活动金属板，用于固定9个试验电缆段2。每个电缆段2配有绝缘、防水的聚四氟乙烯底座、金属筒、32根特制针电极4和一个金属环状地电极6。该老化平台可以在27段10cm的交联聚乙烯电缆的绝缘层中培养水树，水树产生区域可以人为控制。由于金属箱具有三层，实际培养水树时，每一层的试样可以选自不同状态的电缆上，用以比较水树在不同状态电缆上的生长规律；每一层的水槽1中可以加入不同成分、相同浓度或相同成分、不同浓度的溶液，用以研究水质对水树生长的影响；通过调节恒温恒湿箱的温度，可以研究温度对水树生长的影响。上述可控变量可以灵活组合，以满足不同水树研究的需求。实际试验时，按照规定对每段试验电缆进行预处理，安装上聚四氟乙烯底座、金属筒、金属环状地电极6和针电极4。然后将电缆段2按照试验方案分别插入每层水槽1的金属夹板的孔洞中，将27段电缆的铜芯统一接至电源，将它们的金属环状地电级统一接至微试样平台的地电极。接着按照试验方案为每个水槽1加入相应溶液，溶液深度以没过金属环状地电级为准。将金属箱放入恒温恒湿箱，通电压后持续加压120小时，预计电缆的绝缘层会出现较为明显的水树。

实施例一：

先根据试验方案选出预作研究的27段电缆，27段电缆可分为3组，每组的电缆段2均选自同一电缆，不同组的电缆段2可选自不同状态的电缆，用来研究水树在不同状态电缆中的生长情况。然后对选出的电缆段2进行预处理，将每段电缆试样的铜芯顶出绝缘层3cm，该步骤所使用的工具为自主改造的千斤顶。接着采用摇表法和PDBase局部放电检测仪分别对27段试验电缆进行绝缘电阻和局部放电检测，记录试验电缆的初始电气状态。将处理好的电缆段2插入抹有硅脂的聚四氟乙烯底座，并将其放入装有硅脂的金属筒内，金属筒内的硅脂将会溢出，对电缆段2下端起到绝缘、防水的作用。然后将金属环状地电级套入电缆段2，直至金属环与金属筒上沿接触。将32根特制针电极4通过金属环上的螺孔拧入电缆段2中，使针电极4的尖端完全没入电缆段2的绝缘层中。依次将27段经过预处理的试验电缆插入每层金属板的孔洞中，插入过程中参照试验方案，避免将不同层的电缆段2相互搞混。待电缆段2插入完毕后，依次向每个水槽1中注入相应溶液，所加溶液与试验方案一致，溶液深度以没过套在电缆上的金属环状地电级为准。将插好试样电缆、加好溶液的水槽1放入三层金属箱。将所有电缆段2的铜芯接到一根出线端上，并将所有电缆段2的金属环状地电级接到统一的地线上，该地线与金属箱共地。将金属箱放入恒温恒湿箱中，将高压出线端经恒温恒湿箱侧壁的套管连至变压器。检查地线无误后，按照试验方案调节恒温恒湿箱的温度和湿度。一般情况下，实际运行中的电缆的主绝缘层温度大约在50至60摄氏度间，过流时温度大概在90至100摄氏度，上述数据在设定恒温恒湿箱温度时可以作为参考。由于电缆段2均泡在溶液中，故恒温恒湿箱的湿度可自行设置，并不会对水树培养产生太大影响。设置好温度和湿度后，调节电源电压，对27段试验电缆加压，电压等级为10kV的电缆所加相电压的有效值为8.7kV。对于电压等级为10kV的交联聚乙烯试验电缆段2，本发明预计能在120小时左右培养出比较明显的水树。此外，整个电缆水树培养设备的地线可加装PDBase局部放电检测仪的探头，以便实时监控试验电缆的局部放电。如果在总地线中检测到了局部放电信号，意味着至少有一段电缆发生了局部放电，此时对所有电缆试样进行局部放电检测，找出发生局部放电的那段，测试其绝缘电阻，并切片进行水树观察和材料分析，将所得数据与初始数据进行对比。

实施例二：

金属箱共有三层，故一次试验可以设置三个试验组，每个试验组包含取自同一电缆上的9段10cm电缆试样，不同组所选电缆的初始状态不同，如运行状态良好、运行状态一般、运行状态较差的电缆可分别作为一、二、三组。判断电缆运行状态参照相应的参数标准。同一层的9段电缆试样也可以设置参照组，例如可以取三段在试验前进行加热预处理，用以研究内部空间电荷对水树产生与生长的影响，还可以人为设置一些缺陷，用以研究各种缺陷对水树生长的影响。每层水槽1中的水溶液也可以作为试验变量进行更改，用以研究水质对水树生长规律的影响。水溶液的改变可以分为两种，一种是成分上的改变，另一种是浓度上的改变。对于成分上的改变，可以设置三个试验组，第一层水槽1作为试验组一，加入纯净水，作为最基本的试验对照组；第二层水槽1作为试验组二，加入普通的自来水，用以模拟实际情况中的地下水，同试验组一进行比较可以研究实际运行时地下水中的离子对水树产生和生长的影响；第三层水槽1作为试验组三，加入低浓度的硝酸溶液（也可以加入低浓度的碱溶液），用以模拟酸性水质（或碱性水质），同试验组一进行比较可以研究酸性水质（或碱性水质）对水树产生和生长的影响。此外，还可以改变水槽1中溶液的浓度，用以研究相同溶质、不同浓度的水溶液对水树产生和生长的影响。具体而言，三层水槽1中可以分别加入浓度为低、中、高的三种含有相同溶质的水溶液，经过一段时间水树培养，可以获得不同溶液浓度下，水树的生长规律曲线。除上述变量外，恒温恒湿箱的温度也可以作为试验变量，用以研究温度对水树产生和生长的影响。可以设置三个温度，分别为50、70和90摄氏度，其中50摄氏度是模拟实际运行中的电缆的主绝缘层温度，70摄氏度是模拟电缆微流时主绝缘层温度，90摄氏度是模拟电缆严重过流时主绝缘层温度。

为了更为高效、准确地研究影响水树产生和生长的各项参数，可以将上述试验方案统一成一个整体，该统一的试验方案主要分为三个阶段，第一个阶段主要研究不同状态电缆的水树生长规律，找出水树同各电气参数（绝缘电阻、局部放电）和材料参数（红外光谱分析、热重分析）间的关系；第二个阶段主要研究水质对电缆水树生长的影响，主要考虑水溶液的成分（盐溶液、酸、碱）和溶液浓度；第三个阶段主要研究温度对水树生长的影响，拟设置温度为50、70、90摄氏度。

第一阶段主要研究水树生长过程中的一般规律，希望通过培养水树，观察水树的生长过程，找出水树生长过程同各参数变化之间的规律，得到水树产生、水树劣化、水树变电树这几个关键点时电缆的各项参数，初步得到微观情况下的电缆评估策略。具体而言，首先根据已得到的宏观状况下电缆的状态评估策略，选取新电缆、一般状态和最差状态电缆各九段，每段按照微试样平台要求进行处理。试验前分别测试各段电缆的绝缘电阻和局部放电，作为初始参数。然后利用微试样平台对其进行老化，环境温度设置为50摄氏度，每段电缆上施加8.7kV的交流电压，每天加压12小时，预计120小时能出现较为明显的水树，出现水树后继续加压，停止时间视具体情况而定。出现水树前，每40小时分别在每层取一段电缆，先测试其绝缘电阻和局部放电，其中绝缘电阻用摇表法进行测量，局部放电利用PDbase进行测量。然后对水树培养区域进行切片，一部分用于观察水树，另一部分进行材料分析。观察水树的过程中可统计每片中水树的平均数量、水树的平均长度、水树的最长长度。材料分析主要包含红外光谱分析(FTIR)、热重分析(TGA)、热延伸试验等。出现水树后，每24小时取一段试验电缆进行上述测试。分析数据时，纵向上分析每段电缆中水树及各参数随老化时间增长的变化规律，并找出各时间段上水树同各参数间的关系，横向上比较不同状态电缆的水树及各参数的变化差异。本部分希望得到水树从无到有，从产生到生长，再到变为电树的成长规律，并获得水树同宏观参数（绝缘电阻、局部放电）和各材料参数间的关系。此外，还希望得到电缆在不同状态下水树的成长规律，及各参数的变化规律。

第二阶段主要研究不同水质对水树生长的影响，将在不同水质下进行水树培养，并定期测定水树及各参数，希望获得水树在不同水质下生长规律的差异，以及各参数变化的差异。本部分分为两个阶段，第一阶段是在不同水溶液（纯净水、自来水、酸溶液）中培养水树，探究不同溶液成分对水树生长规律的影响；第二阶段是在不同浓度、相同成分的水溶液中培养水树，得到浓度对水树生长的影响。具体而言，首先设置老化平台中的三层水溶液分别为纯净水、自来水和酸溶液，然后放入新电缆进行水树培养。找出溶液成分对水树生长和各参数变化的影响关系后，再改变溶液的浓度，可以选取硝酸溶液，使其PH值分别为6、5、4，得到不同PH值下水树及各参数的变化规律。试验前分别测定各电缆的电气参数。在出现水树前，每隔40小时选取每层中的一段电缆，测定其电气参数和材料参数；出现水树后，每隔24小时选取每层中的一段电缆，测定其电气参数和材料参数。将数据进行拟合，得到水树及各参数在不同成分水溶液中的变化规律，以及在相同溶液成分、不同PH值溶液下的变化规律。本阶段希望分别获得水树及各参数在不同成分的溶液（纯净水、自来水、酸溶液）中和不同PH值的溶液（PH值分别为6、5、4）中的变化曲线，找出水质影响电缆寿命的普遍规律。

第三阶段主要研究10kV交联聚乙烯电缆在不同温度下，其绝缘层水树的生长规律和电缆电气参数、材料参数的变化情况，并得到不同温度下水树同电缆各参数间的关系。在温度设置方面，可先对电缆进行温度场仿真，将电缆中流过的不同电流分别对应到温度上，例如流过正常电流对应的绝缘层温度为50摄氏度左右，过流时对应的温度约为90摄氏度。经过这种等效，设置的环境温度能够反映实际运行中电缆流过各种电流的情况，最终更为有效、全面的得到温度对水树生长规律的影响。本阶段首先利用Ansys有限元仿真软件，对电缆本体进行建模，并对其进行温度场仿真，得到不同电流下电缆绝缘层的温度分布，为恒温恒湿箱温度的设置提供理论依据。然后根据温度场仿真所得的温度对恒温恒湿箱进行设置，一共设置三个温度，分别对应于电缆流过额定电流（绝缘层温度约为50摄氏度）、微过流（绝缘层温度约为70摄氏度）、严重过流（绝缘层温度约为90摄氏度）。在这三个温度下，分别在电缆段上培养水树，并定期测定水树及电缆各参数。试验前分别测定各电缆的电气参数（绝缘电阻、局部放电）。先设置温度为额定电流所对应的温度（约为50摄氏度），在出现水树前，每隔40小时选取每层中的一段电缆，测定其电气参数和材料参数；出现水树后，每隔24小时选取每层中的一段电缆，测定其电气参数和材料参数。分析数据，得到在额定电流所对应的温度下，水树和电缆各参数的变化情况，以及水树同电缆各参数间的关系。然后依次变更温度为微过流（约为70摄氏度）和严重过流（约为90摄氏度）所对应的温度，重复上述试验步骤。本阶段希望获得各温度下的水树生长曲线、电缆各参数变化曲线，以及水树和电缆各参数的关系曲线。综合分析后，得到温度对水树生长规律和电缆各参数变化的影响。

按照上述统一的方法进行水树培养及对水树产生和生长规律的研究，将会大幅度提高研究的效率和准确性。上述培养试验方案对于10kV交联聚乙烯电缆的水树培养而言是较佳的。根据的电缆种类的不同，也可以调整培养试验方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电缆水树培养设备，其特征在于,包括至少一个水槽，每个水槽中设置有用于固定至少一条电缆段的固定装置，所述电缆段作了防水处理的一端在培养水树时浸没在水槽内的溶液中，另一端在培养水树时伸出溶液表面，其线芯与高压端电连接，所述电缆段的绝缘层上插有多根接地的针电极。

2.如权利要求1所述的电缆水树培养设备，其特征在于,所述固定装置包括固定板，所述固定板上开设有至少一个安装孔，所述电缆段插入所述安装孔内。

3.如权利要求1所述的电缆水树培养设备，其特征在于,还包括套在电缆段上的环状地电极，所述环状地电极上开设有用于安装所述针电极的多个插针孔，所述针电极通过所述插针孔插入所述电缆段的绝缘层，各针电极通过环状地电极统一接地。

4.如权利要求1或3所述的电缆水树培养设备，其特征在于, 所述电缆段作了防水处理的一端设置有台阶形的绝缘底座，所述电缆段的另一端的线芯被顶出一部分，所述绝缘底座较细的部分紧配合地插入所述电缆段因线芯被顶出而空出的绝缘套内，所述绝缘底座较粗的部分与所述绝缘套的端面紧贴，优选地，线芯被顶出的部分直接接到所述高压端上，更优选地，所述高压端具有可容纳线芯端部的至少一个导电的容纳槽。

5.如权利要求4所述的电缆水树培养设备，其特征在于,还包括底座安装筒，所述底座安装筒内注有绝缘脂状材料，所述绝缘底座和所述电缆段的一部分装入所述底座安装筒内。

6.如权利要求5所述的电缆水树培养设备，其特征在于,所述固定装置包括水平安置的固定板，所述固定板上开设有至少一个安装孔，所述底座安装筒插入所述安装孔内。

7.如权利要求1所述的电缆水树培养设备，其特征在于,包括多个所述水槽，每个水槽内可装不同的溶液，优选地，还包括多个布置在一起的金属箱，每个水槽分别放置在一个金属箱内，所述针电极统一通过所述金属箱而接地。

8.如权利要求1所述的电缆水树培养设备，其特征在于,还包括用于调控所述水槽的温度和/或湿度的调控装置，优选地，所述调控装置包括恒温恒湿箱，所述水槽放置在所述恒温恒湿箱内，或者，不同水槽单独配备有所述调控装置。

9.一种水树培养方法，其特征在于，包括使用如权利要求1至8任一项所述的电缆水树培养设备培养水树的过程。

10.如权利要求9所述的水树培养方法，其特征在于：所述电缆水树培养设备的水槽有多个， 所述方法包括：

在不同的水槽放置不同的溶液，所述溶液的不同为成分、浓度或PH不同；

将电缆段放在所述不同的水槽内按预定的时间进行水树培养；

分析得到的水树、电缆段的电气和/或材料的参数在不同溶液环境下的生长、变化规律；

或者，所述方法包括：

在不同的水槽放置相同或不同的溶液，所述溶液的不同为成分、浓度或PH不同，并为不同的水槽提供不同的温度；

将电缆段放在所述不同的水槽内按预定的时间进行水树培养；

分析得到的水树、电缆段的电气和/或材料的参数在不同温度环境下的生长、变化规律。

Images