抗水树XLPE电力电缆工频击穿特性的研究

摘　要　同一制造厂分别采用5种不同电缆绝缘料，生产同一绝缘结构的电缆，并制作成90个电缆试样。在相同试验条件下，进行14天负荷循环、120天加速老化、180天加速老化、360天加速老化和480天加速老化试验，然后对老化前原始样和老化后电缆试样共六种不同老化状态的电缆试样进行工频逐级击穿，试验研究XLPE电力电缆工频击穿特性。试验结果表明：普通电缆绝缘料制造的XLPE电力电缆工频击穿特性相对抗水树电缆绝缘料制造的XLPE电力电缆工频击穿特性存在明显差异，抗水树XLPE电力电缆经过480天加速老化试验后仍保持较好的工频击穿特性，安全运行寿命较长。  
　　关键词　抗水树　XLPE电缆　电力电缆　加速老化　工频击穿　  绝缘结构  
　　0 引 言  
　　随着国内外绝缘材料制造水平和电力电缆制造技术的迅速发展，电力电缆本体中的微孔、杂质的尺寸和含量以及线芯偏心度等关健技术指标得到了严格控制，产品质量显著提高。35 kV以及下XLPE绝缘电力电缆由于外界因素如外力破坏、水分侵入形成水树枝等而导致运行击穿故障数量约占电力电缆运行故障总数的90%以上[1-4]。  
　　为了有效改善XLPE绝缘材料抗水树性能，自上世纪末，国内外高分子聚合物领域专家、学者就开始研制抗水树XLPE电力电缆绝缘材料，旨在提高XLPE绝缘电力电缆的老化击穿性能，减少电缆本体运行故障率，有效提高供电可靠性[5-7]。  
　　本文选取同一制造厂家，分别采用五种不同配方的介质，连续生产的普通XLPE绝缘和抗水树XLPE绝缘电力电缆共90个电缆试样为研究对象，所选取的电缆试样的电压等级、型号规格和绞合方式均相同。在相同试验条件下，进行14天负荷循环、120天加速老化、180天加速老化、360天加速老化和480天加速老化试验，然后对老化前原始电缆试样和老化后电缆试样共六种不同老化状态的电缆试样进行工频逐级击穿，试验研究不同配方的XLPE电力电缆工频击穿特性，为电力电缆线路设计、运行维护等部门根据电缆线路运行条件，合理选取XLPE绝缘电力电缆提供理论依据。  
　　1　电缆试样的选取与制备  
　　选取5种不同配方的普通XLPE绝缘和抗水树XLPE绝缘电力电缆，每种配方电力电缆制作18段电缆试样，共制作90段电缆试样为研究对象。该5种配方的XLPE绝缘电力电缆均由同一家电缆厂制造，其电压等级、型号规格和绞合方式均相同。电缆试样的线芯加工过程采用连续生产方式，每段试样之间有1000 m的过渡长度以保证多段材料的纯净和试验结果的可靠性。电缆试样的基本情况列入表1中。  
　   2　试验程序  
　　被试的每种电缆试品由18个试样组成，五种电缆试品共有90个试样，五种电缆按图1所示流程图进行相应的试验[1,2]。   
      2.1　加速老化试验  
　　将被试电缆置于电缆导管装置中，在电缆导体中的间隙以及电缆导管装置中注满自来水，然后施加电流加热，每天加热8h，冷却16h，电流应该使管外导体温度在通电流8 h期间的后4 h达到并保持在95℃～100℃范围内，在电缆导体上连续施加27±1 kV的工频电压作为一个加速老化天。对每一根电缆的13、14和15号试样进行120天的加速老化，16、17和18号试样进行180天的加速老化，19、20和21号试样进行360天的加速老化，22、23和24号试样进行480天的加速老化。  
　　2.2 工频逐级击穿试验  
　　为了考核试样在14天负荷循环前后以及经过加速老化试验后的电缆试样的工频击穿性能，对电缆试样分别进行工频逐级击穿试验。试验在室温下进行，将电缆试样的两端装入350 kV水终端中，起始试验电压值18 kV，保持5 mm，然后试验电压按7 kV的幅值为一级，每级保持5 mm，逐级升压，直至电缆试样击穿。  
　　3 试验结果及分析  
　　电缆A和电缆B在经过58天～170天的加速老化期间全部击穿，电缆C通过了120天的加速老化试验，但在129天时开始出现击穿，356天时全部击穿，电缆D和电缆E的所有样品全部通过了480天的加速老化。试验结果的直方图见图2和图3。  
      从这五种电缆试样的工频逐级击穿试验的结果可以明显地看出这些电缆的性能差异。电缆A的原始平均击穿场强为45.1 kV/mm，电缆B的原始平均击穿场强为45.2 kV/mm，电缆C的原始平均击穿场强为44.5 kV/mm，电缆D的原始平均击穿场强为38.8 kV/mm，电缆E的原始平均击穿场强为38.7 kV/mm，电缆A和B采用的是普通XLPE绝缘材料，虽然原始击穿场强最高，但其老化后的击穿性能最差，没有通过120天的加速老化试验，这说明材料配方对电力电缆的长期可靠性和使用寿命影响较大;电缆C虽然使用了抗水树电缆料，但导体屏蔽和绝缘屏蔽均为普通材料，其长期可靠性略好一些，通过了120天的加速老化，但在120天之后开始出现击穿现象，356天时全部击穿;电缆D和电缆E均使用了性能较好的抗水树配方材料，电缆D在480天后的平均击穿场强为33.1 kV/mm，击穿强度下降了14.7%，电缆E在480天后的平均击穿场强为25.5 kV/mm，击穿强度下降了34.1%，电缆D和电缆E的长期可靠性较高，使用寿命较长，电缆D比电缆E的性能好一些。  
　　由于这五种电缆均由同一制造厂生产，生产工序和生产工艺完全一样，因此可以排除设备和人为因数的影响。电缆在加速老化过程中虽然导致电缆击穿的原因很多，但主要原因是绝缘中的微孔和杂质，从试验数据可以看出，普通XLPE电缆料中的微孔尺寸偏大，杂质含量偏高，外界迁移进入的水份容易在缺陷处凝结而形成树枝状早期劣化，而抗水树配方电缆料中的微孔和杂质数量明显减少，特殊配方使得水分分散、不易凝结，阻止或减缓水树枝的形成。绝缘中微孔尺寸偏大，杂质含量偏高会使电缆过早地发生击穿，降低电缆的使用寿命，这也同时证实了洁净的电缆绝缘料对电缆可靠性的重要性。因此，各电缆材料制造商应进一步研究XLPE电缆料的性能，减少绝缘中的微孔和杂质，提高绝缘的击穿性能.  
　　4　结论  
　　(1)采用普通XLPE电缆料制造的电缆，由于其杂质含量偏高，在加速老化过程中电缆本体会发生击穿，电缆的长期可靠性不高，使用寿命不长;  
　　(2)使用抗水树配方电缆料制造的电缆可以通过480天的加速老化试验，其电缆的击穿性能较高，平均击穿强度比原始平均击穿强度下降14.7%～34.1%，电缆的长期可靠性高，使用寿命长;  
　　(3)使用杂质含量较少的特殊抗水树配方材料，可以极大地提高电缆的使用寿命，从而保证电网安全可靠地运行;  
　　(4)普通XLPE绝缘料的性能需要改进，减少绝缘中微孔尺寸和杂质含量是重点解决的问题之一。