浅析南非标准中中压电缆的长期老化试验方法

吴丽芳， 蒋正萍， 李 骥

(1.无锡江南电缆有限公司，江苏无锡214251;2.上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

中压电缆一般不设金属防潮层，随着使用时间的增加，电缆敷设环境下的潮气会慢慢渗透进入护层，进而透过绝缘屏蔽进入绝缘层。在电缆制造和敷设过程中，由于终端没有良好封闭，水分有时也可通过导体浸入电缆内部。目前已有很多国家电力部门将导体阻水结构也列入常规的电缆结构中。自1983年以来，抗水树的交联聚乙烯绝缘材料(WTRXLPE)已大量投放市场，为了评价这些抗水树电缆材料的有效性，多个国家标准设计了多种电缆抗水树测量方案，对新型材料、制造方法和电缆结构进行快速甄别。本文主要介绍南非产品标准SANS 1339:2010对抗水树电缆的试验方法要求。

根据该标准，产品制造商应证明其所生产的三层共挤交联聚乙烯绝缘材料具有长期的可靠性和抗水树性。为此该标准提供了工频(频率50 Hz、电压3U0、老化时间2年)和中频(频率500 Hz、电压3U0、老化时间3000 h)两套试验方案进行验证。试验方法应按照SANS 6284-5:2007标准要求执行，该标准从试验仪器、供电设备、试验试样、测试步骤、结果评估以及水树试验这六个方面对试验的内容进行了规定。但由于目前国内很少接触南非电缆标准，且无相关测试设备，而测试设备价格昂贵且试验周期较长，最终我公司决定从国内采购元器件，进行自主研发设计。经过近两年的努力，不但研制出测试系统，而且成功运用于试验，目前已经取得了南非国家标准局的认可。在我们现有工频和中频的两套试验设备中，主要介绍中频500 Hz试验系统相关内容。

1 长期老化试验方案

长期老化试验的目的是为了证明三层共挤XLPE绝缘材料的可靠性和抗水树性。

长期老化试验的基本原理:将样品浸泡在50°C的水中进行1000 h的预处理，之后在室温下对该试样施加3U0的电压3000 h，老化试验期间总停机时间不能超过24 h，且停机时间要在最后进行补足，通过老化处理的试样进行逐级击穿耐压试验，南非标准局要求对试验过程全程监控，并提供能证明试验有效性的数据记录。根据SANS 6284-5:2007标准设计了试验原理及试验设备分布图(见图1)。

(1)恒温水浴系统。根据标准要求:样品应不少于10 m为1卷，每卷绕2～3圈，末端必须在水线以上且底部至少在水箱顶端50 cm以上，每一卷和终端必须固定使其在测试中无法移动，加热阶段，水箱水温控制在50°C±5°C然后保持1000 h。

根据该要求，我们设计了一个高度为2.5m、内切圆半径为3 m的六角形恒温水浴箱，其温控精度为±1℃。

(2)试验数据实时记录系统。由于老化试验过程中要求加压3000 h整个过程中系统停机时间不允许超过24 h，且必须有试验全程的数据记录，我们设想将所有试验参数由数据采集卡进行采集并输入计算机，由计算机每分钟记录。为防止意外断电造成计算机数据的遗失和试验数据的遗漏，我们安装了不间断电源对计算机进行供电。这样定期导出计算机中的数据，实现对设备运行状态的监控。

图1 试验原理及试验设备分布图

(3)中频耐压试验系统。我们用发电机将50 Hz的动力电源转换成500 Hz的试验电源，在摸索中我们发现电缆是容性阻抗，为保证功率因数约等于1，就必须选择一个合适的电感性阻抗来补偿。由于功率因数超前或滞后都会带来负载的增加，而发电机的额定功率是一定的，如果补偿电感选择不当，将很容易引起系统的过载，甚至会使发电机过热而烧毁。但是试验过程中样品的长度会由200 m逐渐减至168 m，我们在高压电压器上安装了过流保护装置，并安装了两个补偿电抗器。经反复调试后中频耐压系统最终定型为由以下四个部分组成:中频发电机组及控制柜;中频控制柜;中频高压试验变压器;电抗器两只。

2 老化试验流程

(1)试样的选取。按SANS 6284-5:2007要求规定，试验应在额定电压6.35/11 kV三层共挤的绝缘线芯上进行，且应是铜或铝导体，规格为95～400 mm2范围内的任一规格，所有的试样应从局部放电试验合格的产品上抽取。

样品长度:分15段，每段14 m，其中的3段分别在750、1500、2250 h时各取出一段进行耐压试验或水树检查。而剩下的12段，在3000 h后全部取出进行交流逐级击穿试验和水树检查。

(2)样品的制作

1)水终端的制作:国外相似设备所采样的水终端，通常采用循环水的方式来降低电缆在耐压运行中水终端的热量，提高水终端的使用时间。我们根据水终端的制作要求，采用了较粗的塑料套管，并在电缆上制作一个阻水的端子，且在1年多的运行中，并未出现任何问题。

2)试样的安装:用一个三角形的支架或是四边行的支架(内接于外径3 m的圆，以达到绕三圈约10 m的长度要求)，将电缆线芯绕在上面，然后放入水箱中，切忌在进行试样的安装时损伤外部绝缘层和绝缘屏蔽层，如果因为操作过程中造成了损伤，在试品进行击穿试验前均应标记清楚，以免无效数据影响检测结果。一般情况下，我们会在单根绝缘线芯的外面绕包一层铜带，一是在耐压过程中直接接地起到第二电极的作用，另一作用就是防止在安装过程中对绝缘线芯有所损伤。

(3)逐级击穿电压试验(试样质量的评估方法)。将线芯从水箱中取出，按要求分成12段，每段10 m(因标准中规定工频逐级击穿试验的样品需要至少7.93 m的有效电缆长度)，并在电缆上绕包一层铜带或是铜丝编织以便接地，两端使用去离子水终端或是其他可以进行高压试验的终端，先给电缆施加3U0的电压5 min，然后把电压提高到4U0持续5 min，依次递增，每次增加1U0、5 min直至击穿。用同样的方法依次测试剩下的11个样品，并记录其可以承受的电压值。

试验结果如下:击穿场强大于22 kV/mm个数(Ub=65.34 kV):7;击穿场强大于18 kV/mm个数(Ub=53.46 kV):10;击穿场强大于14 kV/mm个数(Ub=41.58 kV):12。试验结果符合SANS 1339:2010 中4.7.3 条款的规定。

3 与国内相关标准的比较

目前国内考核电缆绝缘材料抗水树性能一般参照DL/T 1070-2007《中压交联电缆抗水树性能鉴定试验和要求》进行评价。该标准主要规定了国内6～35 kV中压交联聚乙烯绝缘电力电缆抗水树性能鉴定的试验方法和要求。与本文所述标准相比，主要有以下几点不同:

(1)从样品选择上，DL/T 1070—2007规定只能选用50 mm2铜芯导体，电压等级为8.7/10 kV或8.7/15 kV。而SANS 6284-5:2007样品选择相对宽泛。

(2)从老化程序上，DL/T 1070要求对21个试样分别进行不同类型试验，未老化样品进行电气测量和交流逐级击穿，14 d负荷循环样品进行热冲击逐级击穿，120 d、180 d、360 d老化后的样品都进行交流逐级击穿试验，所有经过长期加速老化的样品均要进行结构检查和水树检查。和SANS 6284相比，DL/T 1070的试验程序更为复杂，每种试验都规定了相应的考核要求。

(3)从老化条件上，DL/T 1070要求(27±1)kV，频率为49～61 Hz，在加速水树老化的过程中，还要穿插进行不同天数的热负荷循环。而SANS 6284对老化条件只有电压和温度的要求，频率可以选择50 Hz或500 Hz，在500 Hz电源下老化可以大大缩短老化时间。

(4)结果的评价:DL/T 1070规定了不同时间加速老化条件下的击穿电压耐受值，而SANS 6284由于最后12个样品老化条件一致，所以标准给出了一系列击穿场强值下所必须达到统计个数。

4 结束语

长期老化试验系统成功地应用于检测，不但解决了我公司出口南非的中压电缆老化试验的问题，为产品成功打入南非市场奠定了基础，同时也填补了国内该项试验的空白。目前工频下的电缆长期老化试验正在进行中，我们将对工频和中频下老化的试验结果进行比较，分析其在不同频率下的水树形成机理有何异同之处。

［1］SANS 1339:2010 Electric cables-cross-linked polyethylene(XLPE)insulated cables for rated voltages 3.8/6.6 kV to 19/33 kV［S］.

［2］SANS 6284-5:2007 Test methods for cross-linked polyethylene(XLPE)insulated electric cables Part 5:Ageing tests［S］.

［3］DL/T 1070—2007中压交联电缆抗水树性能鉴定试验和要求［S］.