中壓電纜中間接頭受潮規律試驗

徐曉峰 ,朱光亞

(1.上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室,上海 200093;2.四川大學 電氣工程學院,成都 610065)

0 引 言

中壓電力電纜是電能配送的重要組成部分[1-2],其中,電纜中間接頭是中壓電纜系統的薄弱環節[3-4]。根據電纜運行經驗,中壓電纜中間接頭的交聯聚乙烯(XLPE)與硅橡膠(SiR)復合界面容易發生擊穿故障[5-7]。常見的故障缺陷來源有人為制作缺陷、接頭設計缺陷和外界因素長期作用引起的缺陷[8]。人為制作缺陷主要有主絕緣劃傷、復合界面留有金屬顆粒、半導電凸起和預制件錯位等[9];接頭設計缺陷有抱緊力過小或過大、密封結構設計缺陷等[10-11];引起缺陷的外界因素有受水分入侵、極端環境作用、機械擠壓等[12-13]。隨著中間接頭制作工藝的進步,人為制作缺陷以及接頭設計缺陷均可以得到有效避免,但是外界作用引起的接頭絕緣破壞難以避免,最為常見的是溝道積水引起接頭受潮進而導致界面絕緣破壞[14]。因此,研究中間接頭受潮擴散路徑以及影響因素具有重要工程意義。

目前,針對電纜中間接頭受潮主要集中于檢測及定位方法的研究。李蓉等[15]提出了一種基于頻域反射法(FDR)的配電電纜中間接頭受潮定位診斷方法。通過仿真和試驗,結果表明:該方法能對不同受潮程度的配電電纜中間接頭進行定位以及受潮診斷。張鍇等[16]通過在MATLAB/Simulink 中分別對電纜本體、中間接頭和水樹枝進行建模、仿真,提出了一種基于時域反射法(TDR)的電纜受潮定位方法,并通過實例論證了該方法的有效性。黃晨曦等[17]基于理論和仿真,分析了線性阻抗譜技術識別電纜阻抗變化的原理,然后通過現場試驗,驗證了線性阻抗譜技術在配電電纜接頭受潮缺陷檢測與定位方面的有效性。楊帆等[18]提出了一種采用基于注入脈沖信號時域反射波檢測、定位電纜中間接頭復合界面不同程度受潮缺陷的方法,并通過工業應用案例驗證了該方法的有效性。

綜上所述,目前針對電纜接頭受潮主要集中于檢測與定位方法的研究,關于電纜接頭受潮路徑研究鮮有報道,如何有效防止水分入侵暫未可知。本工作通過制作三相與單相中間接頭,并搭建加速受潮老化平臺,研究了中間接頭受潮過程水分的擴散規律以及影響因素,為實際電纜安全運行提供參考[19-20]。

1 試驗部分

三相中間接頭包含眾多材料組成的復合界面。為了方便研究,本工作選擇中間接頭內金屬屏蔽層為分界層。分界層以外稱為中間接頭外側界面,以內稱為接頭內側界面。外側界面包含兩層防水膠帶組成的防水膠帶-防水膠帶界面,以及兩層防水膠帶分別與內外護套搭接組成的防水膠帶-聚氯乙烯(PVC)界面;內側界面包含金屬屏蔽層-外半導電層界面、中間接頭主體內部XLPE-SiR 界面。

1.1 試樣制備

1.1.1 中間接頭試樣的制備

試驗選用型號為JLS-8.7/10 kV-3×240 mm2三相中間接頭,按照規范流程進行安裝,安裝期間為了操作方便,未對最外層鎧裝帶進行纏繞處理。制備完成的三相中間接頭試樣的結構示意圖見圖1。

圖1 三相中間接頭結構示意圖

為了更好地模擬實際敷設電纜溝道中常出現積水較多的情況,本工作采取增加水壓的方法進行加速受潮處理,三相中間接頭加速受潮試樣結構示意圖見圖2。其中,水面高度設置為1 m。

圖2 三相中間接頭加速受潮試樣結構示意圖

1.1.2 內側界面水分擴散研究所用接頭試樣制備

試驗采用單相中間接頭作為內側界面受潮研究所用樣本,安裝期間為了簡便處理,省去了最外層鎧裝帶以及防水膠帶纏繞操作。制備完成的單相中間接頭加速受潮試樣的結構示意圖見圖3。

圖3 單相中間接頭加速受潮試樣結構示意圖

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置

分別搭建三相中間接頭試樣與單相接頭試樣的受潮老化試驗平臺。三相中間接頭加速受潮平臺采用載流試驗設備進行升流試驗,試驗裝置見圖4。圖4 中1#試樣采用“U”型放置,2#試樣采用水平放置。

圖4 三相中間接頭加速受潮平臺

單相中間接頭加速受潮平臺采用載流試驗設備進行升流試驗,回路中包含15 個單相中間接頭樣本,其試驗平臺見圖5。

圖5 單相中間接頭加速受潮平臺

1.2.2 試驗運行條件

為模擬實際電纜線路負荷變化,在回路中通以額定電流使導體達到穩定溫度95 ℃。通電流總時間為4 h,其中導體溫度保持穩定3 h,隨后斷開電流4 h,使導體溫度自然冷卻至室溫。受潮老化時間為1 440 h,24 h 進行兩次熱循環試驗。

1.2.3 受潮檢測方法

由于中間接頭不同界面的結構不同,需采用不同方法檢測含水量。對于研究外側界面受潮規律的三相中間接頭試樣,由于外側界面含水量多,可直接通過視覺觀察。對于單相接頭試樣金屬屏蔽層-外半導電層界面處的水分,采用鹵素水分測定儀測定。對于XLPE-SiR 復合界面,由于含水量少,難以用肉眼觀察,試驗選取無水硫酸銅粉末結合鹵素水分測定儀進行水分擴散的監測,先將無水硫酸銅與硅油按照1 ∶1 比例進行混合,再將其均勻地涂抹到試樣XLPE-SiR 復合界面上。

1.2.4 界面剝離強度測試

對于中間接頭外側界面包含的兩層防水膠帶-PVC 界面、防水膠帶-防水膠帶界面,由于水分無法在兩個月時間內通過防水膠帶本體滲透進入內側,因此,為了進一步研究中間接頭外側界面水分擴散能力,本工作以界面剝離強度作為防水性能的指標。通過電子拉力試驗機進行了初始狀態、受潮狀態防水膠帶-PVC 界面和防水膠帶-防水膠帶界面剝離強度測試,每測量3 次后取平均值。

2 結果與討論

2.1 接頭外側界面水分擴散規律

在“U”型三相接頭樣本加速受潮兩個月后,將其解剖,發現兩層防水膠的內側均存在大量水分,水分已經由外界擴散至金屬屏蔽層。

防水膠帶-PVC 界面的初始狀態與受潮狀態下剝離強度測試結果見圖6。對于防水膠帶-PVC 界面,隨著受潮時間的增加,界面剝離強度呈現單調遞減的趨勢。在受潮1 008 h 時,界面剝離強度下降至初始的30%左右。

圖6 潮濕環境下防水膠帶-PVC界面剝離強度變化曲線

對于防水膠帶-防水膠帶界面,不管界面是否受潮,即使防水膠帶被拉斷也無法將此界面剝離。因此,可以認為受潮對于該界面黏結性能的影響較小,即該界面粘貼牢固不容易受潮。

2.2 接頭內側界面水分擴散規律

2.2.1 金屬屏蔽層-外半導電層界面水分擴散

金屬屏蔽層-外半導電層界面見圖7。由于金屬屏蔽層存在斷口,在單相中間接頭浸水1 h 后,從金屬屏蔽層斷口處切取3 個外半導電層塊狀樣本,編號為1～3 號,4 號為未受潮樣本。樣本長度約為30 mm,相鄰樣本間隔為30 mm。

圖7 金屬屏蔽層-外半導電層界面

采用鹵素水分測量儀測定3 個樣本中的含水量,中間接頭受潮1 h 后,不同位置外半導電層含水量見表1。

表1 接頭受潮1 h 后,不同位置外半導電層含水量 %

由表1 可知,與未受潮樣本相比,3 個受潮樣本含水量較高,數值接近。結果表明,一旦有水分通過斷口到達金屬屏蔽層-外半導電層界面,會快速發生水分擴散。

2.2.2 XLPE-SiR 界面水分擴散

XLPE-SiR 界面總長為120 mm,試驗從水分徑向擴散與軸向擴散兩個角度,進行界面水分擴散規律研究。

取受潮1 344 h 中間接頭樣本,剖開并擦凈界面表面水分及雜質,由外到內在界面軸向20,60,100 mm 處分別切片取樣,在相應SiR、XLPE 材料表面徑向向內每隔1 mm 切取3 個厚度約為0.5 mm樣本,并采用鹵素水分測定儀測定樣本含水量,測試結果見表2。

表2 界面軸向不同位置處XLPE 和SiR樣本縱向水分擴散結果

由表2 可知,隨著取樣位置從樣本表面逐漸向內,XLPE 和SiR 樣本含水量快速下降,并趨于穩定。結果表明,材料本體內部并未有大量水分擴散,最外層樣本受潮時間最長,故其含水量最高;靠近外界環境的界面位置(如界面20 mm 處)所取樣本含水量較高,原因是靠近環境界面水分入侵位置處受潮最為嚴重。

試驗發現,水分在XLPE-SiR 復合界面軸向擴散是均勻推進的,原因是中間接頭界面壓力較大導致界面氣隙尺寸較小,因此水分受重力影響較小。沿XLPE-SiR 界面環向取4 個方向,分別間隔90°,測量各個方向的水分擴散長度,并計算其平均值,結果見圖8。

圖8 復合界面水分軸向擴散規律

由圖8 可知,水分擴散長度隨著受潮時間呈現先增大后趨于穩定的趨勢。在受潮504 h 之前,水分擴散長度隨著時間近似線性增加。在受潮504 h之后,水分擴散長度降低,出現異常數據,原因可能是套管內水分未及時補充,界面部分水分受熱蒸發。從受潮840 h 開始,水分擴散長度繼續增加,但增加的速率逐漸減小。在受潮1 344 h 后,水分擴散長度達到120 mm,水分擴散至整個界面。

2.3 中間接頭整體水分擴散規律

通過2.1 節和2.2 節的試驗結果可知,中間接頭受潮過程中,水分由外到內逐層擴散,其擴散規律示意圖見圖9。

圖9 中壓電纜中間接頭整體水分擴散規律示意圖

圖9 中,最外層防水膠帶-PVC 界面因為受潮而導致黏結性能下降,引起界面氣隙增加,容易引起水分入侵,進而擴散至中間接頭鎧裝處。此時,水分沿著鎧裝連接線擴散至中間接頭對側鎧裝位置,并引起第二層防水膠帶-PVC 界面受潮而導致黏結性能下降,進一步引起該處界面受潮。水分經該界面擴散至中間接頭內部金屬屏蔽層。水分沿金屬屏蔽層快速擴散至中間接頭主體端部,同時沿屏蔽層斷口向中間接頭兩端電纜主體快速擴散。當水分擴散至中間接頭主體內部XLPE-SiR 復合界面時,水分主要沿界面軸向擴散,且受重力影響較小,呈現均勻推進趨勢。

3 結 論

本工作開展了中壓電纜中間接頭受潮試驗,探究中間接頭內部水分擴散規律,得到如下結論。

1)防水膠帶-PVC 界面在潮濕環境下黏合性能急劇下降,導致水分從外界環境進入中間接頭外側界面。此外,鎧裝處連接線的存在,使得水分由一端擴散至另一端。由于銅屏蔽層存在斷口,外界水分容易進一步向本體進行擴散。

2)中間接頭主體內部XLPE-SiR 界面主要以軸向擴散為主,徑向擴散深度極為有限,且軸向擴散受重力因素影響較小,呈現軸向均勻推進。