不同試驗(yàn)電壓對(duì)交聯(lián)電纜壽命的影響

HYPERLINK""不同試驗(yàn)電壓對(duì)交聯(lián)電纜壽命的影響摘要：本文從電纜電壓擊穿的基本原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種低成本的電纜壽命模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種中壓26/35kV交聯(lián)電纜的例行電壓試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比研究，分析了兩種例行電壓試驗(yàn)方法對(duì)中壓交聯(lián)電纜使用壽命的影響。關(guān)鍵詞：電纜；試驗(yàn)電壓；擊穿；壽命影響中圖分類號(hào)：TM247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0.引言國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12706.3-2008中對(duì)目前國(guó)內(nèi)大量使用的中壓26/35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的例行電壓試驗(yàn)規(guī)定，制造廠可選擇3.5U0/5min或2.5U0/30min任意一種進(jìn)行試驗(yàn)。GB/T12706.3-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以在兩種試驗(yàn)方法中進(jìn)行選擇，主要是考慮到電纜制造企業(yè)試驗(yàn)設(shè)備能力存在差異，既能讓大多數(shù)制造企業(yè)使用原有按GB/T12706-2002版本標(biāo)準(zhǔn)配置的試驗(yàn)設(shè)備，在不增加投入的情況下可以進(jìn)行試驗(yàn)，也讓具有更高電壓試驗(yàn)設(shè)備的制造企業(yè)可以提高工作效率。GB/T12706.3-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)例行電壓試驗(yàn)的規(guī)定主要是參考了IEC60502-2：2005。中規(guī)定的例行電壓試驗(yàn)3.5U0/5min和IEC60840：2004的情況確定。但I(xiàn)EC60502-2：2005適用的電纜的額定電壓上限僅為18/30kV，而適用于35kV交聯(lián)電纜的標(biāo)準(zhǔn)為IEC60840：2004。使用3.5U0/5min或2.5U0/30min兩種試驗(yàn)方法，試驗(yàn)時(shí)加到電纜上的場(chǎng)強(qiáng)前者比后者大40%，而試驗(yàn)時(shí)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(guān)的文獻(xiàn)資料。有電纜行業(yè)知名專家曾提出疑議，認(rèn)為將較高的例行電壓試驗(yàn)列入國(guó)標(biāo)，并沒(méi)有提高標(biāo)準(zhǔn)水平，反而可能會(huì)對(duì)電纜絕緣造成損傷，降低電纜使用壽命。因此，對(duì)兩種電壓試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，明確兩種電壓試驗(yàn)方法對(duì)電纜的影響，從而確定26/35kV交聯(lián)電纜例行電壓試驗(yàn)的較優(yōu)方案，對(duì)電纜制造企業(yè)和用戶都有重要意義。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法國(guó)內(nèi)、外大量的研究表明，威布爾分布在絕緣擊穿壽命統(tǒng)計(jì)方面已得到廣泛應(yīng)用，特別適用于擠包絕緣電纜擊穿的統(tǒng)計(jì)和分析，擊穿電壓與電纜壽命正相關(guān)。IEC、IEEE和國(guó)標(biāo)均有應(yīng)用威布爾分布研究產(chǎn)品壽命的標(biāo)準(zhǔn)。因此在進(jìn)行試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，采用威布爾分布對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路采用兩組材料、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)設(shè)備和工藝完全相同的樣品，先分別各自進(jìn)行3.5U0/5min和2.5U0/30min例行電壓試驗(yàn)。然后在同一臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備上對(duì)兩組經(jīng)過(guò)電壓試驗(yàn)的試樣分別進(jìn)行逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，比較兩組試樣的逐級(jí)電壓擊穿水平是否有顯著差異。如果沒(méi)有顯著差異，則可認(rèn)為兩種例行電壓試驗(yàn)方法是等效的，可選擇效率較高的方法進(jìn)行試驗(yàn)。反之則認(rèn)為不等效，應(yīng)選擇對(duì)電纜絕緣損傷較小的方法進(jìn)行試驗(yàn)。2.2試樣考慮直接用26/35kV交聯(lián)電纜進(jìn)行試驗(yàn)得到的結(jié)論是最直接、最可靠的，但存在兩個(gè)難題。一是電壓擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性大，需要大量的試驗(yàn)樣品進(jìn)行多次試驗(yàn)才能得到足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，樣品成本太大。二是有關(guān)資料顯示，26/35kV交聯(lián)電纜平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)在30kV/mm以上，電纜的絕緣厚度為10.5mm，平均擊穿電壓高達(dá)300kV以上，需要高電壓試驗(yàn)變壓器和高壓試驗(yàn)終端，投資巨大，試驗(yàn)技術(shù)要求較高。針對(duì)以上難題，運(yùn)用模擬試驗(yàn)原理，采用較小的試驗(yàn)樣品和較低的試驗(yàn)電壓來(lái)模擬實(shí)際的26/35kV交聯(lián)電纜進(jìn)行試驗(yàn)。即采用相同的絕緣材料、相似的電纜結(jié)構(gòu)制作樣品，通過(guò)精心設(shè)計(jì)樣品的結(jié)構(gòu)尺寸、選擇合適的試驗(yàn)電壓，使樣品承受的試驗(yàn)電場(chǎng)強(qiáng)度與實(shí)際的26/35kV交聯(lián)電纜相近，從而顯著降低試驗(yàn)成本。樣品實(shí)現(xiàn)3.1樣品設(shè)計(jì)樣品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。樣品設(shè)計(jì)的核心是保證樣品與實(shí)際電纜盡可能相似，即樣品絕緣材料與實(shí)際電纜材料相似，樣品結(jié)構(gòu)與實(shí)際電纜結(jié)構(gòu)相似，樣品的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)與實(shí)際電纜的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)相似。以上要求，采取下列方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1）樣品結(jié)構(gòu)與實(shí)際電纜結(jié)構(gòu)相似。導(dǎo)體采用實(shí)心圓形銅導(dǎo)體，其表面光滑，故可省略導(dǎo)體屏蔽。電壓試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(shí)際電纜材料相同。樣品絕緣采用35kV化學(xué)交聯(lián)料，和實(shí)際電纜材料相同，采用普通擠出機(jī)可順利擠出?？紤]到交聯(lián)主要改變絕緣的熱特性和機(jī)械性能，對(duì)電性能基本沒(méi)有影響，為防止交聯(lián)工序可能對(duì)絕緣帶來(lái)的機(jī)械損傷，因此不進(jìn)行交聯(lián)。（3）樣品的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)與實(shí)際電纜的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)相似。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的絕緣厚度計(jì)算出26/35kV電纜例行試驗(yàn)的最大場(chǎng)強(qiáng)2.5U0時(shí)為11.54?8.02kV/mm，3.5Uv時(shí)為16.15?11.22kV/mm（對(duì)應(yīng)電纜截面為50?400mm）。從試驗(yàn)的嚴(yán)格性方面出發(fā)，選取最小規(guī)格對(duì)應(yīng)的最大場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行樣品設(shè)計(jì)。通過(guò)分析計(jì)算，并從工藝可實(shí)現(xiàn)的角度考慮，得到模擬樣品結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，按設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸和試驗(yàn)電壓，樣品承受的最大場(chǎng)強(qiáng)只略大于相同試驗(yàn)條件下實(shí)際電纜承受的最大場(chǎng)強(qiáng)，因此該樣品設(shè)計(jì)可以滿足要求。3.2樣品生產(chǎn)注意事項(xiàng)（1）所有樣品應(yīng)具有完全相同的生產(chǎn)條件和工藝，要求樣品的各道工序在一臺(tái)設(shè)備上一次生產(chǎn)完，開機(jī)過(guò)程中退火電壓、溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、收線速度等工藝參數(shù)保持穩(wěn)定。（2）導(dǎo)體生產(chǎn)時(shí)，線芯出拉線模后的所有過(guò)線導(dǎo)輪都進(jìn)行磨光處理，并用毛毯包裹收線盤卷筒表面和側(cè)面，確保導(dǎo)體表面光滑，無(wú)任何機(jī)械損傷。（3）為與實(shí)際電纜有相似的工藝條件，絕緣擠出采用與實(shí)際交聯(lián)電纜生產(chǎn)相同的擠壓式擠出方式，加裝相同的40+80+60目的濾網(wǎng)。（4）絕緣擠出盡可能避免帶入雜質(zhì)，開機(jī)前對(duì)機(jī)頭、料斗、螺桿進(jìn)行徹底清理。（5）擠包絕緣前塑料塑化應(yīng)均勻，擠出物料表面光滑、有光澤、無(wú)雜質(zhì)、無(wú)氣泡、無(wú)焦料和無(wú)變色方可正式擠出。（6）絕緣生產(chǎn)過(guò)程中所有過(guò)線輪均應(yīng)保證表面光滑，轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)量需滿足統(tǒng)計(jì)分析足夠的樣本數(shù)、試驗(yàn)設(shè)備的容量和試驗(yàn)時(shí)間的要求。根據(jù)使用的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)算和模擬試驗(yàn)，確定每個(gè)樣品試驗(yàn)長(zhǎng)度為10m，每一個(gè)試驗(yàn)方法100個(gè)樣品。為提高試驗(yàn)效率，將樣品分為10個(gè)一批，每次一批10個(gè)樣品同時(shí)試驗(yàn)。取樣采取每次取20個(gè)樣，試樣交替截取，其中奇數(shù)序號(hào)者為2.5U0組，偶數(shù)序號(hào)者為3.5U0組，分別用于兩種方法試驗(yàn)。每次取樣后隨即進(jìn)行試驗(yàn)，每天試驗(yàn)一批，在兩天內(nèi)完成試驗(yàn)。然后再取下兩批樣試驗(yàn)，如此交替進(jìn)行，直至試驗(yàn)全部完成。試驗(yàn)4.1試驗(yàn)設(shè)備（1）YDJ-100/10成套電壓試驗(yàn)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(yàn)變壓器輸出端串聯(lián)50kQ水電阻，限制擊穿電流不致過(guò)大，避免某個(gè)樣品擊穿時(shí)損傷同一批同時(shí)試驗(yàn)的其他樣品。模擬2.5U0和3.5U0例行電壓試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱2.5U0預(yù)處理和3.5U0預(yù)處理)的試驗(yàn)電壓用靜電電壓表直接測(cè)量，逐級(jí)擊穿電壓的試驗(yàn)電壓用YDJ-100/10成套電壓試驗(yàn)裝置的電壓測(cè)量裝置測(cè)量。4.2試驗(yàn)環(huán)境條件全部試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。4.3逐級(jí)電壓擊穿電壓和時(shí)間通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，交聯(lián)絕緣平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)在30kV/mm以上。因?yàn)闃悠方^緣厚度為0.7mm，所以估計(jì)擊穿電壓應(yīng)該在20kV以上。用樣品進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，從20kV開始，級(jí)差電壓2kV，每級(jí)停留時(shí)間5s，結(jié)果5個(gè)樣品擊穿電壓都在24kV以上。綜合各種因素，最終確定逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)起始電壓16kV、級(jí)差電壓為4kV、每級(jí)停留時(shí)間為5分鐘。4.4逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)每一批樣品先浸水1h,然后進(jìn)行預(yù)處理°2.5U0預(yù)處理的電壓值為6.5kV；3.5U0預(yù)處理的電壓值為9.1kV。預(yù)處理完成，隨后立即進(jìn)行逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)，直至該批樣品全部擊穿。記錄每個(gè)樣品的擊穿電壓和時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果與分析5.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理2.5U0和3.5U0預(yù)處理，以及逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)中樣品擊穿數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表2。通過(guò)對(duì)擊穿試樣查看，2.5U0預(yù)處理有3個(gè)樣品在預(yù)處理時(shí)擊穿，予以剔除。另有兩個(gè)樣品擊穿點(diǎn)附近有明顯機(jī)械損傷，也予以剔除。合計(jì)有效數(shù)據(jù)95個(gè)。3.5U0預(yù)處理有2個(gè)樣品在預(yù)處理時(shí)擊穿，予以剔除。另有3個(gè)樣品擊穿點(diǎn)附近有明顯機(jī)械損傷，也予以剔除。合計(jì)有效數(shù)據(jù)95個(gè)。各級(jí)電壓下?lián)舸?shù)量統(tǒng)計(jì)圖如圖2所示。5.2數(shù)據(jù)分析采用Excel的單變量求解進(jìn)行計(jì)算，逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)的威布爾分布參數(shù)計(jì)算值見表3。經(jīng)驗(yàn)證兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.95以上，為高度相關(guān)，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果符合威布爾分布，求得的威布爾分布參數(shù)是有效的。根據(jù)求得的威布爾電壓分布參數(shù)可繪出威布爾概率密度函數(shù)圖，如圖3所示。從圖中可以清楚地看到，兩種電壓試驗(yàn)方法的威布爾分布密度圖形狀幾乎完全一樣，說(shuō)明兩種預(yù)處理對(duì)電纜擊穿電壓的影響沒(méi)有顯著差異。結(jié)語(yǔ)（1）運(yùn)用模擬試驗(yàn)原理，采用較小電纜和低電壓來(lái)模擬中壓26/35kV電纜進(jìn)行電壓試驗(yàn)，對(duì)樣品進(jìn)行2.5U0和3.5U0預(yù)處理后進(jìn)行逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)逐級(jí)電壓擊穿試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用威布爾分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理分析，結(jié)果顯示采用2.5U0/30min