CN108710068A - 一种xlpe电缆水树加速老化试验装置及样品制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电缆老化试验领域，具体公开了一种XLPE电缆水树加速老化试验装置及样品制作方法，装置包括电压产生监测单元及XLPE电缆样品单元，XLPE电缆样品单元包括：热缩套管、NaCl溶液和XLPE电缆。热缩套管套设于XLPE电缆上且其两端与XLPE电缆的两端密封连接，热缩套管的中部与XLPE电缆之间间隙设置以形成一空腔，空腔内填充有NaCl溶液且其上部开设有注液孔。位于NaCl溶液中的XLPE电缆的外半导电层上开设有若干缺陷针孔，电压产生监测单元的电源端连接XLPE电缆的线芯，接地端延伸至NaCl溶液中。该装置能够有效模拟实际运行电缆的水树老化过程。

Description

一种XLPE电缆水树加速老化试验装置及样品制作方法

技术领域

本发明属于电缆老化试验装置领域，特别涉及一种XLPE电缆水树加速老化试验装置及样品制作方法。

背景技术

在电力技术大发展的推动下，电力电缆在发电厂、变电所、工矿企业的电力引出或引入线以及城镇输配电网络中均获得了广泛的应用。在电缆工业超过百年的发展史上，油纸绝缘电力电缆发挥过重要的作用，然而，随着绝缘材料技术的进步，交联聚乙稀(linkedpolyethylene，XLPE)绝缘电力电缆凭借其优良的电气、耐热以及机械性能获得了飞速的发展，同时具备传输容量大、结构轻便、不受高度落差限制以及无漏油和火灾危险等优点，在城市电网改造与建设工程中，XLPE电缆全面取代油纸绝缘电力电缆已是行业共识。

XLPE电缆的设计寿命为30～40年，然而，受生产、运输、安装过程中侵入电缆的水分、XLPE绝缘层内部存在的气隙和杂质以及半导电层与绝缘层接触面上的毛刺等潜伏性缺陷的影响，电缆投入运行后，电场会在相应区域集中，容易产生水树老化现象，随着运行年限的增加，高场强将促使水树沿着电场方向逐渐发展，最终发展成电树枝，导致电缆发生绝缘击穿故障，严重影响电缆线路的安全稳定运行。因此，采用快速简便的实验方法获取XLPE电缆水树老化样品，为XLPE电缆水树老化问题研究提供支撑材料，对揭示XLPE电缆水树老化机理和提高电缆线路运行可靠性具有重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种XLPE电缆水树加速老化试验装置，其能够快速制作XLPE电缆水树老化样品。

为实现上述目的，本发明提供了一种XLPE电缆水树加速老化试验装置，包括电压产生监测单元及XLPE电缆样品单元，XLPE电缆样品单元包括：热缩套管、NaCl溶液和XLPE电缆。

所述热缩套管套设于所述XLPE电缆上且其两端与所述XLPE电缆的两端密封连接，所述热缩套管的中部与所述XLPE电缆之间间隙设置以形成一空腔，所述空腔内填充有NaCl溶液且其上部开设有注液孔。

位于所述NaCl溶液中的所述XLPE电缆的外半导电层上开设有若干缺陷针孔，所述电压产生监测单元的电源端连接所述XLPE电缆的线芯，接地端延伸至所述NaCl溶液中。

优选的，上述技术方案中，所述电压产生监测单元包括：交流电源、频率变换单元、中间变压器、工频滤波电容、标准电容器及电压监测仪；所述交流电源依次连接所述频率变换单元、中间变压器、标准电容器，以所述标准电容器的两个输出端作为电源端和接地端，所述电压监测仪并联于所述标准电容器上。

优选的，上述技术方案中，所述电源端依次通过保护电阻、连接铜环与所述XLPE电缆的线芯连接。

优选的，上述技术方案中，还包括：地线支架及连接钢片，所述地线支架设于所述注液孔的上方，所述连接钢片的一端悬挂于所述地线支架上，另一端延伸至所述NaCl溶液中，所述接地端与所述连接钢片连接。

上述XLPE电缆水树加速老化试验样品制作方法包括以下步骤：

1)选取一段XLPE电缆，根据所述XLPE电缆的电压等级，确定所述XLPE电缆段的两端的外半导电层的剥离长度，对该长度的外半导电层进行剥离；

2)确定所述XLPE电缆段的两端的绝缘层的剥离长度，对该长度的绝缘层进行剥离；

3)在所述XLPE电缆的外半导电层的预留部位上开设若干缺陷针孔；

4)采用热缩套管套设于所述XLPE电缆上，将所述热缩套管的两端分别热缩覆盖于所述XLPE电缆的两端的外半导电层和绝缘层上；

5)在所述热缩套管预留未缩合部位的中间开设注液孔，往所述热缩套管注入饱和的NaCl溶液；

6)采用电压产生监测单元的电源端连接所述XLPE电缆的线芯，接地端接入所述NaCl溶液以进行所述XLPE电缆老化试验。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明中的XLPE电缆水树加速老化试验装置，即在电缆样品外半导电层扎下若干缺陷针孔，在高场强和NaCl溶液的持续共同作用下，XLPE电缆绝缘层的针孔附近可快速生成水树老化形态，以有效模拟实际运行电缆的水树老化过程。

附图说明

图1为本发明的XLPE电缆水树加速老化试验装置的结构图。

图2为本发明的XLPE电缆水树加速老化样品切片。

图3为本发明的XLPE电缆水树加速老化样品制作流程图。

图4为本发明的XLPE电缆水树加速老化样品示意图。

其中，1-交流电源、2-频率变换单元、3-中间变压器、4-工频滤波电容、5-标准电容器、6-电压监测仪、7-保护电阻、8-连接铜环单元、9-热缩套管、10-针孔缺陷、11-连接钢片、12-地线支架、13-NaCl溶液、14-XLPE电缆、15-XLPE电缆样品单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1显示了根据本发明优选实施方式的XLPE电缆水树加速老化试验装置的结构图。

如图1所示，该实施例中的XLPE电缆水树加速老化试验装置，包括电压产生监测单元及XLPE电缆样品单元15，XLPE电缆样品单元15包括：热缩套管9、连接钢片11、地线支架12、NaCl溶液13和XLPE电缆14。电压产生监测单元包括：交流电源1、频率变换单元2、中间变压器3、工频滤波电容4、标准电容器5、保护电阻7、连接铜环8及电压监测仪6。

热缩套管9套设于XLPE电缆14上且其两端与XLPE电缆14的两端密封连接，在该实施例中，热缩套管9两端经加热后，与XLPE电缆14的线芯141、XLPE绝缘层142、外半导电层143依次贴合，其中部未经加热缩合的预留部位长约30cm,，热缩套管9的中部与XLPE电缆14之间间隙设置以形成一空腔，空腔内填充有NaCl溶液13且其上部的中间开设有注液孔，以便注入NaCl溶液13，采用热缩套管现场制作盛放NaCl溶液的容器，可有效提升容器的密封性能，且由于加热缩合后热缩套管与XLPE绝缘层有较强的界面压力，大幅提升了界面击穿场强，可切实降低XLPE电缆样品水树加速老化试验过程中的沿面闪络风险。

位于NaCl溶液13中的XLPE电缆14的外半导电层143上开设有若干缺陷针孔10，该实施例中，缺陷针孔10是用曲率半径为2.5±0.2μm的钢针在电缆样品的外半导电层143上等间距均匀垂直扎下深度约3mm的针孔；交流电源1依次连接频率变换单元2、中间变压器3、标准电容器5，以标准电容器5的两个输出端作为电源端和接地端，电压监测仪6并联于标准电容器5上，电源端依次通过保护电阻7、连接铜环8与XLPE电缆14的线芯141连接，上述部件中，频率变换单元2将交流电源1输入的220V电压的频率升高至400Hz，并将该电压信号输出至中间变压器3的输入侧；中间变压器3用于将频率变换单元2输出的高频电压信号变换为高频高压信号，其铁芯为带状非晶材料卷绕制成的无气隙铁芯，其绕组为高压线圈与低压线圈间隔绕制，采用多槽骨架绕法进行分段绕制，可满足50Hz～2500Hz的能量传递，有效减少了气隙漏磁和涡流损耗；工频滤波电容4用于平滑中间变压器3的输出电压，阻止工频电压进入试验回路；标准电容器5用于测量经工频滤波电容4处理的输出电压的相关信息，并传输到电压监测仪6进行分析和显示，电压监测仪6对输入电压信号进行分析和监测，以获取XLPE电缆水树加速老化试验电压的幅值和频率信息；保护电阻7串联于试验回路的高压引线端，用于保护中间变压器3免受XLPE电缆样品故障击穿造成的短路冲击的影响，有效提升试验回路各设备单元的运行安全性；连接铜环8用于连接保护电阻7和XLPE电缆14的线芯，其夹口宽度可调，并具有适当的夹紧力，可匹配不同横截面积的线芯，满足不同电压等级、不同横截面积XLPE电缆的连接要求。

地线支架12设于所述注液孔的上方，连接钢片11的一端悬挂于地线支架12的横担上，另一端延伸至NaCl溶液13中，接地端与连接钢片11连接，以将NaCl溶液接地，地线支架12优选的制作材料为具有较强硬度和良好绝缘性能的环氧树脂，可切实保障对连接铜片的长期支撑和固定作用。NaCl溶液13为饱和的NaCl溶液，充分覆盖XLPE电缆14的缺陷针孔部位，有利于加速形成XLPE电缆绝缘层缺陷针孔附件的水树形态。XLPE电缆14为根据研究需要选取的特定运行年限与型号的XLPE电力电缆样品段，作为XLPE电缆水树加速老化的载体。

本装置用于XLPE电缆水树老化样品制作，具有快速有效、原理简单、样品易制、安全可靠等优点，可确保XLPE电缆水树老化样品的完整性，有效模拟实际运行电缆的水树老化过程。试验时采用该试验装置对XLPE电缆加速老化90天后，使用切片机将针孔缺陷附近的XLPE绝缘层切成100μm厚度的薄片，在亚甲基蓝溶液浸泡后，置于90℃的烘箱中保持染色半小时，擦干染色样本表面，并置于光学显微镜下观察，图2a和图2b展示了老化样本切片的典型水树形态，水树区域较为宽广，以成片的形式存在，电缆老化程度较深。

进一步的，下面介绍一种XLPE电缆水树加速老化样品制作方法，以为电缆水树老化试验研究提供基础。

简单、有效、合理、科学的样品制作方法对电缆水树老化试验研究成果有重要的支撑作用。行业标准DL/T 1070-2007《中压交联电缆抗水树性能鉴定试验方法和要求》明确了一种电缆加速水树老化试验方法，其要求电缆试样经过热条件处理，在加速水树老化试验过程中，电缆试样置于标称内径为75mm的聚乙烯或聚氯乙烯导管，电缆的缆芯间隙和导管中注满自来水，同时要求采用感应电流的加热方式进行负荷循环。该方法水树老化周期长达120天，实现原理极为复杂，样品制作难度较高，难以满足快速完成样品制备、大量开展多种老化形态研究的试验需求。本发明研究设计了一种XLPE电缆水树加速老化样品制作方法，其流程如图3所示，主要包括以下步骤：

(1)根据计划开展的试验研究方案，综合考虑电缆电压等级、运行年限、阻水结构、电缆段长度、外半导电层厚度以及XLPE绝缘层厚度等因素对XLPE电缆水树加速老化样品制作的影响，选取符合研究条件的电缆段样品。

(2)根据电缆段样品电压等级、电缆芯数及实际结构，确定剥离方案，逐层依次剥离电缆段样品外半导电层以外的部分，剥离过程中，应注意控制工艺，避免剥离工具划伤电缆外半导电层和XLPE绝缘层，确保电缆段样品外半导电层以内部分的完整和完好。

(3)根据电缆段样品的电压等级，确定电缆段样品两端外半导电层的剥离长度，其中，10kV等级剥离长度不低于20cm、30kV等级不低于40cm、110kV等级不低于90cm，并使用带黏性的PVC绝缘胶带做好定位标记，接着采用专用的剥离工具将电缆段样品两端相应长度的外半导电层剥离，其间应避免划伤电缆XLPE绝缘层，防止后续长期加速老化试验过程中因局部缺陷产生沿面闪络击穿故障。同时在电缆段样品两端剥离长约5cm的绝缘层，使电缆线芯外露以便连接高压引线。

(4)采用保鲜膜包裹覆盖好外露的绝缘层表面，避免后续制作过程拖拽电缆而误伤其绝缘层，然后用曲率半径为2.5±0.2μm的钢针在电缆段样品外半导电层预留部位上等间距均匀垂直扎下深度约3mm的针孔，其数量取决外半电层预留部位的长度，不宜少于10个，且应确保针孔缺陷在外半电层预留部位上呈均匀分布的形态。

(5)根据电缆段样品的型号选取匹配的热缩套管，并在其两端外表面做好热缩定位标记，取下包裹绝缘层的保鲜膜，采用酒精擦拭绝缘层表面进行清洁，之后将电缆段样品套入热缩套管，电缆段样品两端伸出热缩套管的长度应相同，采用专用加热工具加热缩定位标记以外的热缩套管部位，使其紧密贴合对应的电缆段样品绝缘层表面。待热缩部位冷却后，采用调配好的环氧树脂胶对热缩套管两侧的缩合端口进行密封和防水处理。

(6)在热缩套管预留未缩合部位的中间开设注液孔，采用注入蒸馏水的方式检验密封和防水处理效果，若漏水，则根据漏水部位再次采用环氧树脂胶做针对性的防水处理，直至通过防水检验；若无漏水，则将注入的蒸馏水倒出后注入饱和的氯化钠溶液，应确保氯化钠溶液完全覆盖含针孔缺陷的电缆段，饱和的氯化钠溶液有优良的导电性能，可有效促进针孔缺陷周围水树的生成。至此，XLPE电缆水树加速老化样品制作完成。采用该方法制作的XLPE电缆水树加速老化样品如图4所示。

采用该方法制得的XLPE电缆水树加速老化样品可较好的保持电缆的完整性，老化周期较短，可适用于不同电压等级、不同横截面积、不同结构形式电缆段样品的加速老化试验。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种XLPE电缆水树加速老化试验装置，其特征在于，包括电压产生监测单元及XLPE电缆样品单元(15)，XLPE电缆样品单元(15)包括：热缩套管(9)、NaCl溶液(13)和XLPE电缆(14)；

所述热缩套管(9)套设于所述XLPE电缆(14)上且其两端与所述XLPE电缆(14)的两端密封连接，所述热缩套管(9)的中部与所述XLPE电缆(14)之间间隙设置以形成一空腔，所述空腔内填充有NaCl溶液(13)且其上部开设有注液孔；

位于所述NaCl溶液(13)中的所述XLPE电缆(14)的外半导电层上开设有若干缺陷针孔(10)，所述电压产生监测单元的电源端连接所述XLPE电缆(14)的线芯，接地端延伸至所述NaCl溶液(13)中。

2.根据权利要求1所述的XLPE电缆水树加速老化试验装置，其特征在于，所述电压产生监测单元包括：交流电源(1)、频率变换单元(2)、中间变压器(3)、工频滤波电容(4)、标准电容器(5)及电压监测仪(6)；所述交流电源(1)依次连接所述频率变换单元(2)、中间变压器(3)、标准电容器(5)，以所述标准电容器(5)的两个输出端作为电源端和接地端，所述电压监测仪(6)并联于所述标准电容器(5)上。

3.根据权利要求2所述的XLPE电缆水树加速老化试验装置，其特征在于，所述电源端依次通过保护电阻(7)、连接铜环(8)与所述XLPE电缆(14)的线芯连接。

4.根据权利要求1所述的XLPE电缆水树加速老化试验装置，其特征在于，还包括：地线支架(12)及连接钢片(11)，所述地线支架(12)设于所述注液孔的上方，所述连接钢片(11)的一端悬挂于所述地线支架(12)上，另一端延伸至所述NaCl溶液(13)中，所述接地端与所述连接钢片(11)连接。

5.根据权利要求1所述的XLPE电缆水树加速老化试验装置，其特征在于，所述缺陷针孔(10)的深度为2-3cm。

6.一种XLPE电缆水树加速老化试验样品制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取一段XLPE电缆，根据所述XLPE电缆的电压等级，确定所述XLPE电缆段的两端的外半导电层的剥离长度，对该长度的外半导电层进行剥离；

2)确定所述XLPE电缆段的两端的绝缘层的剥离长度，对该长度的绝缘层进行剥离；

3)在所述XLPE电缆的外半导电层的预留部位上开设若干缺陷针孔；

4)采用热缩套管套设于所述XLPE电缆上，将所述热缩套管的两端分别热缩覆盖于所述XLPE电缆的两端的外半导电层和绝缘层上；

5)在所述热缩套管预留未缩合部位的中间开设注液孔，往所述热缩套管注入饱和的NaCl溶液。

6)采用电压产生监测单元的电源端连接所述XLPE电缆的线芯，接地端接入所述NaCl溶液以进行所述XLPE电缆老化试验。