CN111650482A - 一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其包括高频电源以及与高频电源连接的水树培养皿。本发明还涉及利用上述培养装置进行的电缆水树缺陷快速培养方法。本发明在实际应用过程中水树培养速度快且效率高。

Description

一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置和方法

技术领域

本发明属于输配电电缆安全运行领域，具体涉及一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置和方法。

背景技术

随着我国电力工业规模的快速发展，电网的互联程度、运行电压等级不断提高，电力网络的规模日益扩大，随之而来的问题是电网的运行环境变得更为复杂，对安全可靠的运行程度要求更为苛刻。电力电缆作为整体电网的重要构成部分，是电网输配电的主要途径，其运行状态直接关系着电力运输的稳定性、安全性以及持续性。然而，我国在20世纪70年代开始使用XLPE电缆，较早投运的电缆部分已经到了运行后期，开始出现了水树老化的问题；由于电缆制作工艺不佳，使得绝缘表面粗糙、中间接头接触不良，导致绝缘内部电场分布不均匀，进一步加速了水树老化；XLPE电缆多采取敷设和直埋的安装方式，运行中的电缆往往直接浸泡在污水中，绝缘长期受到水气侵蚀，受杂质、电场、热、水分等因素共同影响，极易加速电缆老化。

因此，能准确快速地实现电缆水树老化模拟，有利于开展大量的电缆状态检测实验，进行电缆状态评估，形成有效的评估标准，对于电缆的安全运行和状态检修有重大意义。水树的培养方法和装置，关键在于水树生长条件的控制和培养方法，生长条件适中，可以保证培养过程中材料内部场强适于水树生长且不发生局部放电，材料不会被损坏，水树不会转化为电树，培养方法正确，可以保证水树的高诱发率和较高的生长速度，缩短培养时间。传统水树培养方法采用针电极进行，成功率低，培养时间长，不仅严重影响研究工作的效率，还提高了研究成本。

水树培养是通过在电缆绝缘材料上制造尺寸合适的切口电极，装入可以承受一定温度、外界压强和电解质溶液腐蚀的培养皿，使绝缘材料浸润在一定浓度的NaCl溶液中，再通过外施高频电压的方式进行水树培养。水树的生长与材料中的水分含量有关，当材料中湿度超过65%，且在一定的电场强度下，水树就会萌发与生长。为了使电场强度增大，材料内部有一定的凸起，但不能场强较大以防止电树萌发。在材料上制造切口电极是一种比较理想的制造凸起的方法，由于要防止材料击穿和电树的起始，切口的长度不能超过材料厚度的60%。当水分中含有Cl离子时，与同等条件下自来水相比，水树生长速度要快3-4倍，NaCl溶液可以用于提供Cl离子还可以用于在培养过程中导电，溶液浓度在0.18mol/L-1.8mol/L，培养电压频率的提高有利于水树萌发和生长，一般选定远高于工频的频率作为培养电压频率，但也要防止频率过高引起局放导致材料击穿，10kHz为较合适频率，另外，提高外施电源频率，可以降低培养电压幅值，提高了培养的安全性。最终，可在24小时完成90%水树长度占比缺陷的培养

用于培养水树的培养皿有两类，一种是用于切片试样的培养皿，一种是用于电缆试样的培养皿。在培养过程中，对于电缆试样，首先需要剥去试样外护套、外半导体层和屏蔽层，然后在切片和电缆试样上制造切口电极并固定于培养皿中，在培养皿中注入无其他杂质的NaCl溶液，再将培养皿、试样连带溶液放入真空箱中进行除气处理，将真空箱中气压降到70Pa以下，抽真空15分钟，若是在切片试样上培养水树，将高频电源接到培养皿的金属电极上，切片通过紧贴切片的圆形电极接地，若是在电缆试样上培养水树，高频电源接于电缆导体上，地线置于导电溶液中，试样通过溶液接地，整个培养过程中为防止形成杂质小桥引起试样击穿，需保持溶液洁净，无可见杂质。

针对电力电力电缆绝缘材料的水树培养，GB/T 21224-2007《评定绝缘材料水树枝化的试验方法》规程要求如下：

（1）试样选用厚度为（4.0±0.1）mm，或（3.0±0.1）mm，或者（2.0±0.1）mm、直径为（35±1）mm的圆盘试样。

（2）溶解0.1gNaCl到1L水中制得NaCl溶液。

（3）培养电源选用48Hz-62Hz，接地电极平均场强5kV/mm，如对4mm厚度试样，电压应选20kV。

需要说明的是，在规程中使用的是工频电压；电缆表面没有进行切口处理；且试样选用的仅有圆盘试样；培养电源的电压等级较高，材料有击穿的危险；整个培养过程至少综上，以上培养方法需要较长时间，时间成本较高，也具有一定的危险性，进而导致不能快速安全地开展相关的老化试验和检测工作，现场人员对电缆水树的各项性质不够了解，造成较大的经济损失。

截止到目前为止，没有任何一种水树培养方法可以快速、安全、高成功率地实现水树培养，尽管有学者展开了一些相关研究，但其培养速度、成功率和有效性也有待深入验证。

电力电缆因为制造工艺不佳、运行环境恶劣和外部破坏，极易发生水树老化，危害电网安全运行。如要准确掌握水树老化的各项特性，需要开展大量的加速水树老化试验以进行各项特性检测。目前，通过对电缆运行环境进行模拟的水树老化方法存在一定短板或弊端，其水树诱发率不高，培养速度慢，效率低下，大大限制了相关研究的展开。

发明内容

针对现有水树培养方法在实际应用过程中速度慢和效率低的问题，本发明提供一种高成功率的电缆水树培养装置及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其包括高频电源以及与高频电源连接的水树培养皿。

进一步的，所述高频电源包括调压器和与调压器连接的等离子电源，所述调压器调节电压幅值，等离子电源调节输出电压频率。

进一步的，所述水树培养皿为电缆试样培养皿或电缆切片培养皿。

进一步的，所述电缆切片培养皿包括杯体、设置在杯体内的NaCl溶液、插入杯体内的高压电极，设置在杯体底部的地电极；所述高压电极和地电极分别接入等离子电源两端；所述地电极上固定电缆的绝缘层切片。

进一步的，所述电缆试样培养皿包括杯体、设置在杯体内的NaCl溶液，浸入NaCl溶液中的导体，所述导体两端贯穿杯体并在杯体外连接等离子电源，所述导体上穿置电缆试样的绝缘层。

进一步的，所述NaCl溶液的浓度为0.18mol/L-1.8mol/L。

进一步的，所述等离子电源的电压频率为10kHz，每毫米厚度的绝缘层电压幅值为2kV。

一种高成功率电缆水树缺陷快速培养方法，其利用上述培养装置，具体包括如下步骤：

（1）在待测电缆绝缘切片或电缆绝缘试样的外表面进行切口；

（2）将处理后的电缆绝缘切片或电缆绝缘试样置入对应的水树培养皿中，封闭水树培养皿后脱气；

（3）脱气完成后，水树培养皿连接高频电源进行水树培养；

（4）待测样品切片染色显微观测并记录结果。

方法中，所述步骤（1）中，切口深度占绝缘厚度的30-60%，曲率半径约为20-30μm。

方法中，所述步骤（2）中，将水树培养皿在真空箱中进行脱气，气压小于70Pa抽真空15分钟。

本发明的有益效果在于：本发明的电缆加速水树老化的装置通过高频电源、培养皿、电缆试样和绝缘切片试样构成一个整体培养装置，适用于10-35kV中低压配电电缆的加速老化水树培养。进行水树培养时，选定好要进行水树老化试验的试样后，在试样上制造切口电极，将试样装入培养皿，注入NaCl溶液，正确连接并调节高频培养电源即可开始加速水树培养。可以通过切片染色显微观测对水树的生长，并可以利用老化试样进行特性检测和老化规律总结，检测和总结结果可被应用于现场电缆状态评估，从而为电缆检修维护或重新更换提供科学合理的决策。

附图说明

图1为电缆水树培养装置示意图。

图2为智能集中检测平台功能实现图。

图3为电缆切片培养皿结构示意图。

图4为电缆试样培养皿结构示意图。

图5为切口电极剖面示意图。

图6为电缆水树的培养流程图。

图7为典型水树形貌。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图1所示，一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其包括高频电源以及与高频电源连接的水树培养皿。针对电力电缆绝缘的加速水树老化，可以根据试样的具体类型选择培养皿，通过加速平台进行水树培养，并通过对水树生长规律进行观测和分析，从而提供科学合理的电力电缆后期运维决策。

与以往培养方法和装置不同，该培养装置通过高频电源提供高于工频的培养电压，并利用NaCl溶液向水树培养环境中提供Cl离子，并对试样进行了切口处理，大大提升了水树的诱发率和生长速度，提高了培养的安全性，可以极大程度地辅助后期工作开展，其功能实现框架图见图2所示。

所述高频电源包括调压器和与调压器连接的等离子电源，所述调压器调节电压幅值，等离子电源调节输出电压频率。要使水树快速生长，需要特殊的培养电源。通过调压器进行电压幅值调节，通过等离子源的频率调节按钮进行频率调节，由于电缆是容性设备，可以通过调节等离子源的内部电路以实现负载电源匹配。

在培养过程中，由调压器和等离子源组成高频电源，通过调节调压器对输出电压幅值进行调节，通过调节等离子源频率调节按钮对输出电压频率进行调节。该高频电源可以输出10kHz的高频电压，并可以根据外接负载进行调节以输出恰当幅值的电压，可以将接地电极平均场强设为2kV/mm，如绝缘厚度为2mm，电压应选4kV。

所述NaCl溶液的浓度为0.18mol/L-1.8mol/L。所述水树培养皿为电缆切片培养皿。

如图3所示，所述电缆切片培养皿包括杯体、设置在杯体内的NaCl溶液、插入杯体内的高压电极，设置在杯体底部的地电极；所述高压电极和地电极分别接入等离子电源两端；所述地电极上固定电缆的绝缘层切片。

实施例2

同实施例1，区别在于所述水树培养皿为电缆试样培养皿。电缆试样培养皿包括杯体、设置在杯体内的NaCl溶液，浸入NaCl溶液中的导体，所述导体两端贯穿杯体并在杯体外连接等离子电源，所述导体上穿置电缆试样的绝缘层。电缆试样培养皿结构如图4所示。

实施例3

如图6所示，一种高成功率电缆水树缺陷快速培养方法，其利用上述培养装置，具体包括如下步骤：

（1）在待测电缆绝缘切片或电缆绝缘试样的外表面进行切口；

电力电缆水树的萌发需要材料内部有凸起以使得电场强度增大，材料上制造切口电极是一种比较理想增大电场强度的方法。通过制造切口电极，便可较好地模拟凸起。

培养方法中对试样进行切口处理，制造切口电极。一般来说，切口电极深度占绝缘厚度的30-60%，曲率半径约为20-30μm。切口电极的形状如图5所示，这种切口电极在浸入NaCl溶液中时，提供了高场强，为水树的萌发提供了条件。

（2）将处理后的电缆绝缘切片或电缆绝缘试样置入对应的水树培养皿中，绝缘材料浸入NaCl溶液中，封闭水树培养皿后脱气；当水中含有Cl离子时，与同等条件下自来水相比，水树生长速度要快3-4倍，NaCl溶液可以用于提供Cl离子还可以用于在培养过程中导电，溶液浓度在0.18mol/L-1.8mol/L。

为防止培养过程中出现材料氧化诱发电树使材料击穿，需要对封装好的试样在真空箱中进行脱气处理，将真空箱中气压降到70Pa以下，抽真空15分钟。

（3）脱气完成后，水树培养皿连接高频电源进行水树培养；

使用有利于水树萌发和生长的高频率电压进行培养，一般选定远高于工频的频率作为培养电压频率，但也要防止频率过高引起局放导致材料击穿，10kHz为较合适频率，接地电极的电场强度幅值可降低到2kV/mm，如绝缘厚度为2mm，电压应选4kV。

（4）待测样品切片染色显微观测并记录结果。利用本方法及装置培养的水树，其典型形貌如图7所示。

可以通过切片染色显微观测对水树的生长，并可以利用老化试样进行特性检测和老化规律总结，检测和总结结果可被应用于现场电缆状态评估，从而为电缆检修维护或重新更换提供科学合理的决策。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

Claims (10)

1.一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其特征在于，其包括高频电源以及与高频电源连接的水树培养皿。

2.根据权利要求1所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其特征在于，所述高频电源包括调压器和与调压器连接的等离子电源，所述调压器调节电压幅值，等离子电源调节输出电压频率。

3.根据权利要求2所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其特征在于，所述水树培养皿为电缆试样培养皿或电缆切片培养皿。

4.根据权利要求3所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其特征在于，所述电缆切片培养皿包括杯体、设置在杯体内的NaCl溶液、插入杯体内的高压电极，设置在杯体底部的地电极；所述高压电极和地电极分别接入等离子电源两端；所述地电极上固定电缆的绝缘层切片。

5.根据权利要求3所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其特征在于，所述电缆试样培养皿包括杯体、设置在杯体内的NaCl溶液，浸入NaCl溶液中的导体，所述导体两端贯穿杯体并在杯体外连接等离子电源，所述导体上穿置电缆试样的绝缘层。

6.根据权利要求4或5所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其特征在于，所述NaCl溶液的浓度为0.18mol/L-1.8mol/L。

7.根据权利要求6所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养装置，其特征在于，所述等离子电源的电压频率为10kHz，每毫米厚度的绝缘层电压幅值为2kV。

8.一种高成功率电缆水树缺陷快速培养方法，其特征在于，其利用权利要求1-7任一项所述的培养装置，具体包括如下步骤：

（1）在待测电缆绝缘切片或电缆绝缘试样的外表面进行切口；

（2）将处理后的电缆绝缘切片或电缆绝缘试样置入对应的水树培养皿中，封闭水树培养皿后脱气；

（3）脱气完成后，水树培养皿连接高频电源进行水树培养；

（4）待测样品切片后显微镜观察并记录结果。

9.根据权利要求8所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养方法，其特征在于，所述步骤（1）中，切口深度占绝缘厚度的30-60%，曲率半径约为20-30μm。

10.根据权利要求8所述的一种高成功率电缆水树缺陷快速培养方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将水树培养皿在真空箱中进行脱气，气压小于70Pa抽真空15分钟。

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