不同试验电压对交联电缆寿命的影响研究

习有建　何文钧　罗绍武　谢华龙（昆明电缆集团股份有限公司，云南　昆明　　650100）



不同试验电压对交联电缆寿命的影响研究

习有建何文钧罗绍武谢华龙
（昆明电缆集团股份有限公司，云南昆明650100）

摘要：本文从电缆电压击穿的基本原理出发，设计了一种低成本的电缆寿命模拟试验模型，对国家标准规定的两种中压26/35kV交联电缆的例行电压试验方法进行对比研究，分析了两种例行电压试验方法对中压交联电缆使用寿命的影响。

关键词：电缆；试验电压；击穿；寿命影响

0. 引言

国家标准GB/T12706.3-2008中对目前国内大量使用的中压26/35kV交联聚乙烯绝缘电力电缆的例行电压试验规定，制造厂可选择3.5U0/5min或2.5U0/30min任意一种进行试验。

GB/T12706.3-2008标准规定可以在两种试验方法中进行选择，主要是考虑到电缆制造企业试验设备能力存在差异，既能让大多数制造企业使用原有按GB/T12706-2002版本标准配置的试验设备，在不增加投入的情况下可以进行试验，也让具有更高电压试验设备的制造企业可以提高工作效率。

GB/T12706.3-2008标准对例行电压试验的规定主要是参考了IEC60502-2：2005。

中规定的例行电压试验3.5U0/5min 和IEC60840：2004的情况确定。但IEC60502-2：2005适用的电缆的额定电压上限仅为18/30kV，而适用于35kV交联电缆的标准为IEC60840：2004。

使用3.5U0/5min或2.5U0/30min两种试验方法，试验时加到电缆上的场强前者比后者大40%，而试验时间前者比后者少25分钟。两者效果是否等效，迄今为止尚未见到有关的文献资料。

有电缆行业知名专家曾提出疑议，认为将较高的例行电压试验列入国标，并没有提高标准水平，反而可能会对电缆绝缘造成损伤，降低电缆使用寿命。

因此，对两种电压试验方法进行试验研究，明确两种电压试验方法对电缆的影响，从而确定26/35kV交联电缆例行电压试验的较优方案，对电缆制造企业和用户都有重要意义。

图1样品结构示意图

表1样品结构尺寸和设计场强

1. 数据统计分析方法

国内、外大量的研究表明，威布尔分布在绝缘击穿寿命统计方面已得到广泛应用，特别适用于挤包绝缘电缆击穿的统计和分析，击穿电压与电缆寿命正相关。IEC、IEEE和国标均有应用威布尔分布研究产品寿命的标准。因此在进行试验，得到试验数据后，采用威布尔分布对数据进行处理分析。

2. 试验方案设计

2.1设计思路

采用两组材料、结构、生产设备和工艺完全相同的样品，先分别各自进行3.5U0/5min和2.5U0/30min例行电压试验。然后在同一台试验设备上对两组经过电压试验的试样分别进行逐级电压击穿试验，通过对试验结果统计分析，比较两组试样的逐级电压击穿水平是否有显著差异。如果没有显著差异，则可认为两种例行电压试验方法是等效的，可选择效率较高的方法进行试验。反之则认为不等效，应选择对电缆绝缘损伤较小的方法进行试验。

2.2试样考虑

直接用26/35kV交联电缆进行试验得到的结论是最直接、最可靠的，但存在两个难题。一是电压击穿试验数据分散性大，需要大量的试验样品进行多次试验才能得到足够的数据进行统计分析，样品成本太大。二是有关资料显示，26/35kV交联电缆平均击穿场强在30kV/mm以上，电缆的绝缘厚度为10.5mm，平均击穿电压高达300kV以上，需要高电压试验变压器和高压试验终端，投资巨大，试验技术要求较高。

针对以上难题，运用模拟试验原理，采用较小的试验样品和较低的试验电压来模拟实际的26/35kV交联电缆进行试验。即采用相同的绝缘材料、相似的电缆结构制作样品，通过精心设计样品的结构尺寸、选择合适的试验电压，使样品承受的试验电场强度与实际的26/35kV交联电缆相近，从而显著降低试验成本。

3. 样品实现

3.1样品设计

样品结构示意图如图1所示。

样品设计的核心是保证样品与实际电缆尽可能相似，即样品绝缘材料与实际电缆材料相似，样品结构与实际电缆结构相似，样品的设计场强与实际电缆的设计场强相似。以上要求，采取下列方法来实现。

（1）样品结构与实际电缆结构相似。

导体采用实心圆形铜导体，其表面光滑，故可省略导体屏蔽。电压试验用水做辅助电极，水能和绝缘表面良好接触，因此绝缘屏蔽和金属屏蔽也可省略。既保证了结构的相似性，又降低了样品工艺难度和成本。

（2）样品绝缘材料与实际电缆材料相同。

样品绝缘采用35kV化学交联料，和实际电缆材料相同，采用普通挤出机可顺利挤出。考虑到交联主要改变绝缘的热特性和机械性能，对电性能基本没有影响，为防止交联工序可能对绝缘带来的机械损伤，因此不进行交联。

（3）样品的设计场强与实际电缆的设计场强相似。

按照标准规定的绝缘厚度计算出26/35kV电缆例行试验的最大场强2.5U0时为11.54～8.02kV/mm，3.5Uv时为16.15～11.22kV/mm（对应电缆截面为50～400mm）。

从试验的严格性方面出发，选取最小规格对应的最大场强进行样品设计。通过分析计算，并从工艺可实现的角度考虑，得到模拟样品结构尺寸和设计场强见表1。

从表1中数据可以看出，按设计的结构尺寸和试验电压，样品承受的最大场强只略大于相同试验条件下实际电缆承受的最大场强，因此该样品设计可以满足要求。

表2逐级电压击穿数量统计表　单位：个

图2逐级电压击穿数量分布图

3.2样品生产注意事项

（1）所有样品应具有完全相同的生产条件和工艺，要求样品的各道工序在一台设备上一次生产完，开机过程中退火电压、温度、螺杆转速、收线速度等工艺参数保持稳定。

（2）导体生产时，线芯出拉线模后的所有过线导轮都进行磨光处理，并用毛毯包裹收线盘卷筒表面和侧面，确保导体表面光滑，无任何机械损伤。

（3）为与实际电缆有相似的工艺条件，绝缘挤出采用与实际交联电缆生产相同的挤压式挤出方式，加装相同的40+80+60目的滤网。

（4）绝缘挤出尽可能避免带入杂质，开机前对机头、料斗、螺杆进行彻底清理。

（5）挤包绝缘前塑料塑化应均匀，挤出物料表面光滑、有光泽、无杂质、无气泡、无焦料和无变色方可正式挤出。

（6）绝缘生产过程中所有过线轮均应保证表面光滑，转动灵活。收线盘采用塑料专用收线盘，避免绝缘损伤。

3.3样品制备

样品数量需满足统计分析足够的样本数、试验设备的容量和试验时间的要求。根据使用的试验设备进行测算和模拟试验，确定每个样品试验长度为10m，每一个试验方法100个样品。为提高试验效率，将样品分为10个一批，每次一批10个样品同时试验。

取样采取每次取20个样，试样交替截取，其中奇数序号者为2.5U0组，偶数序号者为3.5U0组，分别用于两种方法试验。每次取样后随即进行试验，每天试验一批，在两天内完成试验。然后再取下两批样试验，如此交替进行，直至试验全部完成。

4. 试验

4.1试验设备

（1）YDJ-100/10成套电压试验装置：容量10kVA，最高输出电压100kV。

（2）Q3-V静电电压表：3档，每档最高电压分别为7.5/15/30kV。

试验变压器输出端串联50kΩ水电阻，限制击穿电流不致过大，避免某个样品击穿时损伤同一批同时试验的其他样品。

模拟2.5U0和3.5U0例行电压试验（以下简称2.5U0预处理和3.5U0预处理）的试验电压用静电电压表直接测量，逐级击穿电压的试验电压用YDJ-100/10成套电压试验装置的电压测量装置测量。

4.2试验环境条件

全部试验在室温下进行。

4.3逐级电压击穿电压和时间

通过查阅文献资料，交联绝缘平均击穿场强在30kV/mm以上。因为样品绝缘厚度为0.7mm，所以估计击穿电压应该在20kV以上。用样品进行实际验证，从20kV开始，级差电压2kV，每级停留时间5s，结果5个样品击穿电压都在24kV以上。综合各种因素，最终确定逐级电压击穿试验起始电压16kV、级差电压为4kV、每级停留时间为5分钟。

4.4逐级电压击穿试验

每一批样品先浸水1h，然后进行预处理。2.5U0预处理的电压值为6.5kV；3.5U0预处理的电压值为9.1kV。预处理完成，随后立即进行逐级电压击穿试验，直至该批样品全部击穿。记录每个样品的击穿电压和时间。

5. 试验结果与分析

5.1试验数据处理

2.5U0和3.5U0预处理，以及逐级电压击穿试验中样品击穿数量统计见表2。

通过对击穿试样查看，2.5U0预处理有3个样品在预处理时击穿，予以剔除。另有两个样品击穿点附近有明显机械损伤，也予以剔除。合计有效数据95个。3.5U0预处理有2个样品在预处理时击穿，予以剔除。另有3个样品击穿点附近有明显机械损伤，也予以剔除。合计有效数据95个。

各级电压下击穿数量统计图如图2所示。

5.2数据分析

采用Excel的单变量求解进行计算，逐级电压击穿试验的威布尔分布参数计算值见表3。

表3逐级电压击穿试验的威布尔分布参数计算值

经验证两组数据的相关系数均达到0.95以上，为高度相关，说明试验结果符合威布尔分布，求得的威布尔分布参数是有效的。

根据求得的威布尔电压分布参数可绘出威布尔概率密度函数图，如图3所示。

图3逐级电压击穿威布尔概率密度函数比较图

从图中可以清楚地看到，两种电压试验方法的威布尔分布密度图形状几乎完全一样，说明两种预处理对电缆击穿电压的影响没有显著差异。

结语

（1）运用模拟试验原理，采用较小电缆和低电压来模拟中压26/35kV电缆进行电压试验，对样品进行2.5U0和3.5U0预处理后进行逐级电压击穿试验。通过对逐级电压击穿试验获得的试验数据采用威布尔分布进行统计处理分析，结果显示采用2.5U0/30min或3.5U0/5min电压试验对电缆击穿电压的影响没有显著差异。

（2）中压26/35kV交联聚乙烯绝缘电力电缆，采用现行有效的国家标准中规定的可任意选择的两种例行电压试验方法进行试验，结果是等效的，对电缆的使用寿命影响没有明显差异。

（3）电缆制造企业和使用单位可根据实际情况，在设备条件允许的前提下可以优先选择3.5U0/5min的试验方法进行例行电压试验，从而提高工作效率。

参考文献

［1］蒋佩南.交联电缆跨世纪的回顾与展望.交联电缆论文集［D］.上海电缆研究所信息中心，2006.

［2］（美）蒙哥马利.试验设计与分析（第6版）［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［3］刘耀南，邱昌容，等.电气绝缘测试技术［M］.北京：机械工业出版社，1981.

中图分类号：TM247

文献标识码：A