CN112557847B - 一种聚丙烯电缆复合老化试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚丙烯电缆复合老化试验装置及试验方法，装置包括：串联谐振耐压装置、封板、接线柱、被试电缆、固定支撑、升降支撑、低温箱模块和脉冲电流局放检测装置；串联谐振耐压装置的两个输出端、接线柱与被试电缆通过导线连接构成回路；接线柱贯穿封板并固定在封板上，低温箱模块顶部开有通孔，与封板匹配，封板可对通孔进行封堵；被试电缆、固定支撑和升降支撑设置在低温箱模块内部，被试电缆两端部位通过固定支撑进行固定和支撑，中间部位通过升降支撑进行固定和支撑。所述试验装置及试验方法可在保证电缆段完整的前提下，同时模拟进行聚丙烯电缆长时间高压、低温、机械力共同作用下的绝缘性能和电气性能考核。
Description
技术领域
本发明属于电力系统输电技术领域，更具体地，涉及一种聚丙烯电缆复合老化试验装置及方法。
背景技术
目前柔性输配电设备中常用电缆绝缘料由于发生交联后不可回收重复利用环保性较差，而新型的环保聚丙烯材料由于耐热温度高，环保可回收，因而成为新一代替代材料。聚丙烯电缆绝缘材料在电应力、热应力以及机械应力等的持续作用下会发生材料老化，进而对其材料特性造成影响，如影响其理化特性及耐压特性等。例如，外部环境温度过高会导致电缆自身温度升高；电缆长期过负荷运行也会引起发热；集束敷设造成的散热效果差也会导致电缆绝缘温度升高；敷设在地下的电缆在运行中会受到一定的振动和冲击，在集束或敷设时也会因挤压而造成机械损伤；水分、盐雾对电缆的腐蚀会造成其表皮龟裂，氧气和水分填充裂纹；随着输电电压等级的提高和直流输电工程的建设，高压电缆的老化问题愈显突出。聚丙烯电缆绝缘材料老化的最终结果会导致材料的电气性能发生改变，若绝缘性能劣化过多则容易发生绝缘击穿事故，威胁聚丙烯电缆的运行安全。
然而目前对自主研发的聚丙烯电缆绝缘材料的老化特性还缺乏研究基础。例如，聚丙烯电缆绝缘料的熔融温度更高，可达到130-150℃，能明显提升聚丙烯电缆的运行温度，但耐低温冲击性能较差，脆化温度为-35℃，在低于-35℃会发生脆化，耐寒性不如聚乙烯。可见在低温环境下安装与运行的聚丙烯电缆会受到多种应力作用导致电缆出现老化。在现有的实验设备中尚缺乏对聚丙烯电缆多种老化复合作用同时进行实验的设备，因此本发明在保证电缆段完整的前提下，对于模拟聚丙烯电缆在高压、低温、机械力共同作用下造成的电老化和机械老化复合影响具有很高的应用价值。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种聚丙烯电缆复合老化试验装置，另一目的是提供聚丙烯电缆复合老化试验方法，本发明中的整套装置可在保证电缆段完整的前提下，同时模拟进行聚丙烯电缆长时间高压、低温、机械力共同作用下的绝缘性能和电气性能考核。
本发明采用如下的技术方案。一种聚丙烯电缆复合老化试验装置，包括：串联谐振耐压装置、封板、接线柱、被试电缆、固定支撑、升降支撑、低温箱模块和脉冲电流局放检测装置；
串联谐振耐压装置的两个输出端、接线柱与被试电缆通过导线连接构成回路；
接线柱贯穿封板并固定在封板上，低温箱模块顶部开有通孔，与封板匹配，封板可对通孔进行封堵；
被试电缆、固定支撑和升降支撑设置在低温箱模块内部，被试电缆两端部位通过固定支撑进行固定和支撑，中间部位通过升降支撑进行固定和支撑。
优选地，低温箱模块包括：隔热箱体、制冷剂层和低温箱控制系统，隔热箱体包裹在制冷剂层外壁上，低温箱控制系统安装于隔热箱体外壁上，制冷剂层工作状态由低温箱控制系统进行监测和控制。
优选地，低温箱控制系统用于提供-15-0℃的恒定低温环境，降温速率设定为每20分钟降温5℃。
优选地，串联谐振耐压装置的输出电压至少为42kV。
优选地，被试电缆为额定电压10-35kV的聚丙烯绝缘电力电缆。
优选地，升降支撑提供的电缆弯曲能力不小于±2mm。
优选地，升降支撑为电动升降支撑，固定支撑将被试电缆两端固定，电动升降支撑将被试电缆中部固定并作垂直上下往复移动，用以弯曲被试电缆模拟机械老化过程。
优选地，被试电缆的样品段包括：在样品段一端裸露，并与其中一根接线柱相连接的电缆线芯，以及在样品段另一端与另一根接线柱相连接的将铜屏蔽层。
本发明还提供了一种基于所述聚丙烯电缆复合老化试验装置的聚丙烯电缆复合老化试验方法，包括以下步骤：
步骤1，被试电缆的样品段预处理，一端裸露出电缆线芯，另一端裸露出铜屏蔽层；
步骤2，将被试电缆的样品段，两端部位安装在固定支撑上，中间部位安装在升降支撑上，调节升降支撑使被试电缆弯曲偏移量初始化，将接线柱与被试电缆两端分别连接后，安装封板使低温箱模块密封；
步骤3，控制低温箱模块内部产生恒定低温环境；
步骤4，将其中一根接线柱与串联谐振耐压装置的高压输出和脉冲电流局放检测装置的耦合信号输入相连接，另一根接线柱接地；启动串联谐振升压，开始电老化过程试验，同时开启脉冲电流法电缆局放监测；
步骤5，试验过程中，升降支撑在被试电缆样品段中部按照设定的偏移量作垂直上下往复移动，模拟机械老化过程；
步骤6，按照设定加压程序施加高压，直至被试电缆样品段绝缘击穿或试验时间结束。
优选地，步骤3中，降温速率通常可设定为不超过2℃/min；步骤4中，升压速率设定为不超过10kV/min。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明能够在保证电缆段完整的前提下，利用串联谐振装置产生高压和局放监测模拟聚丙烯电缆在长期运行下产生的电老化，利用低温和机械弯曲模拟聚丙烯电缆在低温环境下安装和运行收到的机械老化，因此能够实现该电缆段收到电气、机械复合老化作用下对聚丙烯电缆运行状态产生的影响。本发明及保证了样品的完整性，电缆的弯曲模拟采用了机械自动控制的方式，同时还解决了低温试验环境问题，试验装置具有诸多显著优点。
附图说明
图1为本发明的实施例1中聚丙烯电缆复合老化试验装置示意图；
图2为本发明的实施例1中聚丙烯电缆复合老化试验装置的低温箱体外部结构图；
图3为本发明的实施例1中聚丙烯电缆复合老化试验装置低温箱体内部被试电缆的固定支撑结构图；
图4为本发明的实施例1中串联谐振耐压装置示意图；
图5为本发明的实施例1中脉冲电流局放检测装置示意图；
图6为本发明的实施例2中聚丙烯电缆复合老化试验方法流程图。
图中：
1-串联谐振耐压装置；
11-变频控制柜；
12-励磁变压器；
13-电抗器；
14-电容分压器；
15-电压采集信号线；
16-大电流接地电缆；
2-环氧树脂封板；
3-铜接线柱；
4-被试电缆；
41-铜屏蔽层；
42-电缆线芯；
5-固定支撑；
6-电动升降支撑；
7-隔热箱体；
8-制冷剂层；
9-低温箱控制系统；
10-脉冲电流局放检测装置；
101-耦合电容；
102-耦合装置；
103-局放测量仪器；
104-连接光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
实施例1：一种聚丙烯电缆复合老化试验装置
图1为本发明的实施例1中聚丙烯电缆复合老化试验装置示意图。如图1所示，在实施例1中，聚丙烯电缆复合老化试验装置包括：串联谐振耐压装置1、环氧树脂封板2、铜接线柱3、被试电缆4、固定支撑5、电动升降支撑6、隔热箱体7、制冷剂层8、低温箱控制系统9和脉冲电流局放检测装置10。
串联谐振耐压装置1的两个输出端、铜接线柱3与被试电缆4通过软铜线连接构成串联谐振交流耐压试验回路。可以理解的是，所属领域技术人员可以任意选择连接串联谐振耐压装置1的两个输出端、铜接线柱3与被试电缆4的导线，通过软铜线连接仅是一个优选但非限制性的实施方式。
图4为本发明的一个实施例中串联谐振耐压装置示意图。如图4所示，在实施例1中，所述串联谐振耐压装置1包括：变频控制柜11、励磁变压器12、电抗器13、电容分压器14、电压采集信号线15和大电流接地电缆16。变频控制柜11的进线输入端连接380V交流电源，励磁变压器12的输出在串联谐振回路的分压电容器14和被试电缆两端谐振形成高压。串联谐振耐压装置1的输出电压至少为42kV，用于满足10-35kV电力电缆的绝缘性能考核试验。串联谐振回路的高压输出分别连接至两个铜接线柱3的上端。
可以理解的是，串联谐振耐压是交流耐压的常规方案。在本实施例中，串联谐振耐压采用的是HVFRF型自动调频串联谐振试验系统，励磁变压器容量为5kVA，电抗器规格为3台22kV/2A/42H，电容分压器规格为60kV/300pF，满足3km长10kV电缆(或1km长35kV电缆)的现场耐压试验能力。根据交接试验国家标准，额定电压U0/U为21/35kV及以下电力电缆的试验电压值为2U0，耐压试验时间为60min。
两根铜接线柱3固化在环氧树脂封板2的内部，环氧树脂封板2开有两根铜接线柱3的穿过孔，也就是说，环氧树脂封板2上固定有两根贯穿环氧树脂封板2的铜接线柱3。如图1和图2所示。可以理解的是，以环氧树脂材料制造环氧树脂封板2仅是一种优选但非限制性的实施方式，所属领域技术人员可以根据试验条件选择任意合适的材料制造可以封堵隔热箱体7顶部圆孔的封板。
铜接线柱3上端连接隔热箱体7外部常温区域内的串联谐振耐压装置1输出，下端连接隔热箱体7内部低温区域内的被试电缆4，铜接线柱3的下端通过软铜线与被试电缆4样品段连接。
可以理解的是，为了保证耐压安全，两个铜柱之间要保留足够的绝缘距离。通常在均匀或稍不均匀电场中空气的平均击穿场强可按30kV/cm进行估计。在本实施例中，串联谐振耐压装置1的输出电压至少为42kV，为了考虑绝缘裕度以及安装方便，本实施例中两个铜柱的间距设置为5cm，相应地环氧树脂封板2直径设置为10cm。
可以理解的是，以铜制造接线柱3仅是一种优选但非限制性的实施方式，所属领域技术人员可以根据试验条件选择任意合适导电性能的材料制造接线柱。
如图3所示，在本实施例中，被试电缆4两端部位通过固定支撑5进行固定和支撑，中间部位通过电动升降支撑6进行固定和支撑；所述固定支撑5将被试电缆4两端固定，所述电动升降支撑6将被试电缆4中部固定并作垂直上下往复移动，用以弯曲被试电缆4模拟机械老化过程。
所述被试电缆4样品段在试验前需将一端剥去铜屏蔽层41、绝缘层和半导电层，使电缆线芯42裸露，与其中一根铜接线柱3连接；电缆样品段另一端保留完整结构，将铜屏蔽层41与另一根铜接线柱3连接。所述被试电缆4为额定电压10-35kV的聚丙烯绝缘电力电缆。
可以理解的是，固定支撑5和电动升降支撑6内部均有橡胶垫圈，保护电缆样品段最外层(通常为护套或铜屏蔽层)免受摩擦损伤。固定支撑5和电动升降支撑6均可靠接地。在本实施例中，作为优选地，固定支撑5边沿距离电缆两端完整电缆断面的距离不小于5cm，保证足够的绝缘距离。
所述电动升降支撑6提供的电缆弯曲能力不小于±2mm，电动升降支撑6的支撑面宽度不小于固定支撑5的支撑面宽度。在本实施例中，作为优选地，电动升降支撑6在垂直方向上的升降位移为±2mm，电动升降支撑6支撑面宽度大于固定支撑5支撑面宽度10cm。
可以理解的是，使用电动驱动升降支撑是一种优选但非限制性的实施方式，所属领域技术人员可以根据试验条件任意选择驱动升降支撑的方式。
所述隔热箱体7的顶部开有圆孔，试验时由环氧树脂封板2进行封堵；所述隔热箱体7包裹在制冷剂层8外壁上，低温箱控制系统9安装于隔热箱体7外壁上，制冷剂层8工作状态由低温箱控制系统9进行监测和控制。
可以理解的是，隔热箱体7的顶部圆孔的作用仅是安装试验回路高压电极并同时保证箱体密封性能，环氧树脂封板2可用螺栓固定在其上下表面分别固定，保证在温度骤降情况下封板不会发生滑移。
箱体侧边还装有大型观测视窗、隔热门和排风扇。大型观测视窗附照明灯保持箱体内明亮，且利用发热体内嵌式钢化玻璃，随时清晰的观测箱内状况；隔热门供操作人员进入箱体进行电缆样品段的取放与安装操作；排风扇为多翼式送风机强力送风循环，避免任何死角，可使测试区域内温度分布均匀。
制冷剂层为低温箱内外的换热媒介，改变低温箱的箱内温度，制冷机采用全封闭压缩机。
可以理解的是，所述低温箱控制系统9可采用数显触摸按键，触控式设定、数位及直接显示，温度控制输出功率均由P.I.D微电脑演算，以达到高精度和高效率。在本实施例中，作为优选地，低温箱控制系统9用于提供-15-0℃的恒定低温环境，降温速率设定为每20分钟降温5℃。
可以理解的是，隔热箱体7、制冷剂层8和低温箱控制系统9构成聚丙烯电缆复合老化试验装置的低温箱模块仅是一种优选但非限制性的实施方式，所属领域技术人员技术人员可以根据试验条件，任意制造满足试验条件的能够产生可控低温条件的试验用低温箱模块。
图5为本发明的一个实施例中脉冲电流局放检测装置示意图。如图5所示，在本实施例中，所述脉冲电流局放检测装置10包括耦合电容101、耦合装置102、局放测量仪器103和连接光纤104。
可以理解的是，脉冲电流法是局放检测的常规方案。在本实施例中，局放采用TWPD-2C双通道数字式局部放电综合分析仪。该系统采用脉冲电流法局放检测专用输入单元，可在大电流下准确检测出内部放电的视在放电量。在本实施例中，除了使用连接光纤104进行测量外，还可以更换为同轴连接电缆进行信号传输。在本实施例中，除脉冲电流法局放检测外，还可以在电缆屏蔽层接地处利用高频电流传感器进行局放检测。
可以理解的是，电力电缆的交流耐压和局放是考核电缆的绝缘性能的最常规手段。电气设备交接试验国家标准中规定，电缆主绝缘交流耐压试验优先采用频率范围为20Hz～300Hz的交流电压对电缆线路进行耐压试验。然而仅凭交流耐压试验来考核电缆的绝缘性能有很大的局限性，由于耐压试验时耐压回路中电流很小，微小缺陷并不会对电缆绝缘产生质的影响，耐压试验得以顺利通过。在电缆运行中随着负荷电流增加，绝缘不断劣化，微小缺陷极有可能发展成为威胁电缆线路安全运行的重大隐患。实践表明，在交接试验中进行局放检测是当前判断电缆系统施工质量和运行状态的直观且有效的试验方法。
实施例2：一种聚丙烯电缆复合老化试验方法
图6为本发明的实施例2中聚丙烯电缆复合老化试验方法流程图。如图6所示，在本实施例中，使用上述试验装置的聚丙烯电缆复合老化试验方法包括如下步骤：
步骤1：在老化试验前对被试电缆4的样品段进行切削预处理，用专用切削工具将被试电缆4样品段的一端剥去铜屏蔽层41、绝缘层和半导电层，使得电缆线芯42裸露；另一端剥去外护套，使铜屏蔽层41裸露；
步骤2：将经过切削处理的被试电缆4样品段两端部位安装在固定支撑5上，中间部位安装在电动升降支撑6上，调节电动升降支撑6使电缆弯曲偏移量为0；将铜接线柱3与电缆两端分别连接后，安装环氧树脂封板2使隔热箱体7密封；
步骤3：低温箱控制系统9启动制冷，按照设定的降温速率进行制冷，提供-15-0℃的恒定低温环境；
步骤4：将铜接线柱3一根与串联谐振耐压装置1的高压输出和脉冲电流局放检测装置10的耦合信号输入相连接，另一根接地；启动串联谐振升压，开始电老化过程试验，同时开启脉冲电流法电缆局放监测；
步骤5：试验过程中，电动升降支撑6在被试电缆4样品段中部按照设定的偏移量作垂直上下往复移动，模拟机械老化过程；
步骤6：按照设定加压程序施加高压，直至被试电缆4样品段绝缘击穿或试验时间结束。
可以理解的是，常用切削工具可以是高压电缆环切刀或剥除器。对于10kV电缆结构通常由里到外分别为导体、内半导电屏蔽、绝缘、外半导电屏蔽、软铜带(铜屏蔽)。被试电缆样品段长度不小于1.5m，过长会占用低温箱空间，过短会使调谐产生困难。在本实施例中，低温系统的预制冷时间通常为1-1.5小时。降温曲线通常设定为线性降温，降温速率通常可设定为不超过2℃/min。作为优选地，在本实施例中，降温速率设定为1℃/min。加压程序应符合耐压试验推荐的升压曲线，在本实施例中，升压速率设定为不超过10kV/min。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明能够在保证电缆段完整的前提下，利用串联谐振装置产生高压和局放监测模拟聚丙烯电缆在长期运行下产生的电老化，利用低温和机械弯曲模拟聚丙烯电缆在低温环境下安装和运行收到的机械老化，因此能够实现该电缆段收到电气、机械复合老化作用下对聚丙烯电缆运行状态产生的影响。本发明及保证了样品的完整性，电缆的弯曲模拟采用了机械自动控制的方式，同时还解决了低温试验环境问题，试验装置具有诸多显著优点。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种聚丙烯电缆复合老化试验方法，其特征在于，试验设备包括：串联谐振耐压装置(1)、封板、接线柱、被试电缆(4)、固定支撑(5)、升降支撑、低温箱模块和脉冲电流局放检测装置(10)；串联谐振耐压装置(1)的两个输出端、接线柱与被试电缆(4)通过导线连接构成回路；接线柱贯穿封板并固定在封板上，低温箱模块顶部开有通孔，与封板匹配，封板可对通孔进行封堵；被试电缆(4)、固定支撑(5)和升降支撑设置在低温箱模块内部，被试电缆(4)两端部位通过固定支撑(5)进行固定和支撑，中间部位通过升降支撑进行固定和支撑；升降支撑为电动升降支撑(6)，固定支撑(5)将被试电缆(4)两端固定，电动升降支撑(6)将被试电缆(4)中部固定并作垂直上下往复移动，用以弯曲被试电缆(4)模拟机械老化过程；被试电缆(4)的样品段包括：在样品段一端裸露，并与其中一根接线柱相连接的电缆线芯(42)，以及在样品段另一端与另一根接线柱相连接的将铜屏蔽层(41)；所述试验方法包括以下步骤：
步骤1，被试电缆(4)的样品段预处理，一端裸露出电缆线芯(42)，另一端裸露出铜屏蔽层(41)；
步骤2，将被试电缆(4)的样品段，两端部位安装在固定支撑(5)上，中间部位安装在升降支撑上，调节升降支撑使被试电缆(4)弯曲偏移量初始化，将接线柱与被试电缆(4)两端分别连接后，安装封板使低温箱模块密封；
步骤3，控制低温箱模块内部产生恒定低温环境；
步骤4，将其中一根接线柱与串联谐振耐压装置(1)的高压输出和脉冲电流局放检测装置(10)的耦合信号输入相连接，另一根接线柱接地；启动串联谐振升压，开始电老化过程试验，同时开启脉冲电流法电缆局放监测；
步骤5，试验过程中，升降支撑在被试电缆(4)样品段中部按照设定的偏移量作垂直上下往复移动，模拟机械老化过程；
步骤6，按照设定加压程序施加高压，直至被试电缆(4)样品段绝缘击穿或试验时间结束。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯电缆复合老化试验方法，其特征在于：
步骤3中，降温速率通常可设定为不超过2℃/min；
步骤4中，升压速率设定为不超过10kV/min。
3.一种聚丙烯电缆复合老化试验装置，包括如权利要求1中所述的试验设备，用于实施聚丙烯电缆复合老化试验方法；其特征在于：
所述聚丙烯电缆复合老化试验装置的串联谐振耐压装置(1)包括：变频控制柜(11)、励磁变压器(12)、电抗器(13)、电容分压器(14)、电压采集信号线(15)和大电流接地电缆(16)。
4.根据权利要求3所述的聚丙烯电缆复合老化试验装置，其特征在于：
低温箱模块包括：隔热箱体(7)、制冷剂层(8)和低温箱控制系统(9)，隔热箱体(7)包裹在制冷剂层(8)外壁上，低温箱控制系统(9)安装于隔热箱体(7)外壁上，制冷剂层(8)工作状态由低温箱控制系统(9)进行监测和控制。
5.根据权利要求4所述的聚丙烯电缆复合老化试验装置，其特征在于：
低温箱控制系统(9)用于提供-15-0℃的恒定低温环境，降温速率设定为每20分钟降温5℃。
6.根据权利要求3所述的聚丙烯电缆复合老化试验装置，其特征在于：
串联谐振耐压装置(1)的输出电压至少为42kV。
7.根据权利要求5所述的聚丙烯电缆复合老化试验装置，其特征在于：
被试电缆(4)为额定电压10-35kV的聚丙烯绝缘电力电缆。
8.根据权利要求3所述的聚丙烯电缆复合老化试验装置，其特征在于：
升降支撑提供的电缆弯曲能力不小于±2mm。
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