中压电缆中间接头受潮规律试验

徐晓峰 ,朱光亚

(1.上海电缆研究所有限公司 特种电缆技术国家重点实验室,上海 200093;2.四川大学 电气工程学院,成都 610065)

0 引 言

中压电力电缆是电能配送的重要组成部分[1-2],其中,电缆中间接头是中压电缆系统的薄弱环节[3-4]。根据电缆运行经验,中压电缆中间接头的交联聚乙烯(XLPE)与硅橡胶(SiR)复合界面容易发生击穿故障[5-7]。常见的故障缺陷来源有人为制作缺陷、接头设计缺陷和外界因素长期作用引起的缺陷[8]。人为制作缺陷主要有主绝缘划伤、复合界面留有金属颗粒、半导电凸起和预制件错位等[9];接头设计缺陷有抱紧力过小或过大、密封结构设计缺陷等[10-11];引起缺陷的外界因素有受水分入侵、极端环境作用、机械挤压等[12-13]。随着中间接头制作工艺的进步,人为制作缺陷以及接头设计缺陷均可以得到有效避免,但是外界作用引起的接头绝缘破坏难以避免,最为常见的是沟道积水引起接头受潮进而导致界面绝缘破坏[14]。因此,研究中间接头受潮扩散路径以及影响因素具有重要工程意义。

目前,针对电缆中间接头受潮主要集中于检测及定位方法的研究。李蓉等[15]提出了一种基于频域反射法(FDR)的配电电缆中间接头受潮定位诊断方法。通过仿真和试验,结果表明:该方法能对不同受潮程度的配电电缆中间接头进行定位以及受潮诊断。张锴等[16]通过在MATLAB/Simulink 中分别对电缆本体、中间接头和水树枝进行建模、仿真,提出了一种基于时域反射法(TDR)的电缆受潮定位方法,并通过实例论证了该方法的有效性。黄晨曦等[17]基于理论和仿真,分析了线性阻抗谱技术识别电缆阻抗变化的原理,然后通过现场试验,验证了线性阻抗谱技术在配电电缆接头受潮缺陷检测与定位方面的有效性。杨帆等[18]提出了一种采用基于注入脉冲信号时域反射波检测、定位电缆中间接头复合界面不同程度受潮缺陷的方法,并通过工业应用案例验证了该方法的有效性。

综上所述,目前针对电缆接头受潮主要集中于检测与定位方法的研究,关于电缆接头受潮路径研究鲜有报道,如何有效防止水分入侵暂未可知。本工作通过制作三相与单相中间接头,并搭建加速受潮老化平台,研究了中间接头受潮过程水分的扩散规律以及影响因素,为实际电缆安全运行提供参考[19-20]。

1 试验部分

三相中间接头包含众多材料组成的复合界面。为了方便研究,本工作选择中间接头内金属屏蔽层为分界层。分界层以外称为中间接头外侧界面,以内称为接头内侧界面。外侧界面包含两层防水胶带组成的防水胶带-防水胶带界面,以及两层防水胶带分别与内外护套搭接组成的防水胶带-聚氯乙烯(PVC)界面;内侧界面包含金属屏蔽层-外半导电层界面、中间接头主体内部XLPE-SiR 界面。

1.1 试样制备

1.1.1 中间接头试样的制备

试验选用型号为JLS-8.7/10 kV-3×240 mm2三相中间接头,按照规范流程进行安装,安装期间为了操作方便,未对最外层铠装带进行缠绕处理。制备完成的三相中间接头试样的结构示意图见图1。

图1 三相中间接头结构示意图

为了更好地模拟实际敷设电缆沟道中常出现积水较多的情况,本工作采取增加水压的方法进行加速受潮处理,三相中间接头加速受潮试样结构示意图见图2。其中,水面高度设置为1 m。

图2 三相中间接头加速受潮试样结构示意图

1.1.2 内侧界面水分扩散研究所用接头试样制备

试验采用单相中间接头作为内侧界面受潮研究所用样本,安装期间为了简便处理,省去了最外层铠装带以及防水胶带缠绕操作。制备完成的单相中间接头加速受潮试样的结构示意图见图3。

图3 单相中间接头加速受潮试样结构示意图

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

分别搭建三相中间接头试样与单相接头试样的受潮老化试验平台。三相中间接头加速受潮平台采用载流试验设备进行升流试验,试验装置见图4。图4 中1#试样采用“U”型放置,2#试样采用水平放置。

图4 三相中间接头加速受潮平台

单相中间接头加速受潮平台采用载流试验设备进行升流试验,回路中包含15 个单相中间接头样本,其试验平台见图5。

图5 单相中间接头加速受潮平台

1.2.2 试验运行条件

为模拟实际电缆线路负荷变化,在回路中通以额定电流使导体达到稳定温度95 ℃。通电流总时间为4 h,其中导体温度保持稳定3 h,随后断开电流4 h,使导体温度自然冷却至室温。受潮老化时间为1 440 h,24 h 进行两次热循环试验。

1.2.3 受潮检测方法

由于中间接头不同界面的结构不同,需采用不同方法检测含水量。对于研究外侧界面受潮规律的三相中间接头试样,由于外侧界面含水量多,可直接通过视觉观察。对于单相接头试样金属屏蔽层-外半导电层界面处的水分,采用卤素水分测定仪测定。对于XLPE-SiR 复合界面,由于含水量少,难以用肉眼观察,试验选取无水硫酸铜粉末结合卤素水分测定仪进行水分扩散的监测,先将无水硫酸铜与硅油按照1 ∶1 比例进行混合,再将其均匀地涂抹到试样XLPE-SiR 复合界面上。

1.2.4 界面剥离强度测试

对于中间接头外侧界面包含的两层防水胶带-PVC 界面、防水胶带-防水胶带界面,由于水分无法在两个月时间内通过防水胶带本体渗透进入内侧,因此,为了进一步研究中间接头外侧界面水分扩散能力,本工作以界面剥离强度作为防水性能的指标。通过电子拉力试验机进行了初始状态、受潮状态防水胶带-PVC 界面和防水胶带-防水胶带界面剥离强度测试,每测量3 次后取平均值。

2 结果与讨论

2.1 接头外侧界面水分扩散规律

在“U”型三相接头样本加速受潮两个月后,将其解剖,发现两层防水胶的内侧均存在大量水分,水分已经由外界扩散至金属屏蔽层。

防水胶带-PVC 界面的初始状态与受潮状态下剥离强度测试结果见图6。对于防水胶带-PVC 界面,随着受潮时间的增加,界面剥离强度呈现单调递减的趋势。在受潮1 008 h 时,界面剥离强度下降至初始的30%左右。

图6 潮湿环境下防水胶带-PVC界面剥离强度变化曲线

对于防水胶带-防水胶带界面,不管界面是否受潮,即使防水胶带被拉断也无法将此界面剥离。因此,可以认为受潮对于该界面黏结性能的影响较小,即该界面粘贴牢固不容易受潮。

2.2 接头内侧界面水分扩散规律

2.2.1 金属屏蔽层-外半导电层界面水分扩散

金属屏蔽层-外半导电层界面见图7。由于金属屏蔽层存在断口,在单相中间接头浸水1 h 后,从金属屏蔽层断口处切取3 个外半导电层块状样本,编号为1～3 号,4 号为未受潮样本。样本长度约为30 mm,相邻样本间隔为30 mm。

图7 金属屏蔽层-外半导电层界面

采用卤素水分测量仪测定3 个样本中的含水量,中间接头受潮1 h 后,不同位置外半导电层含水量见表1。

表1 接头受潮1 h 后,不同位置外半导电层含水量 %

由表1 可知,与未受潮样本相比,3 个受潮样本含水量较高,数值接近。结果表明,一旦有水分通过断口到达金属屏蔽层-外半导电层界面,会快速发生水分扩散。

2.2.2 XLPE-SiR 界面水分扩散

XLPE-SiR 界面总长为120 mm,试验从水分径向扩散与轴向扩散两个角度,进行界面水分扩散规律研究。

取受潮1 344 h 中间接头样本,剖开并擦净界面表面水分及杂质,由外到内在界面轴向20,60,100 mm 处分别切片取样,在相应SiR、XLPE 材料表面径向向内每隔1 mm 切取3 个厚度约为0.5 mm样本,并采用卤素水分测定仪测定样本含水量,测试结果见表2。

表2 界面轴向不同位置处XLPE 和SiR样本纵向水分扩散结果

由表2 可知,随着取样位置从样本表面逐渐向内,XLPE 和SiR 样本含水量快速下降,并趋于稳定。结果表明,材料本体内部并未有大量水分扩散,最外层样本受潮时间最长,故其含水量最高;靠近外界环境的界面位置(如界面20 mm 处)所取样本含水量较高,原因是靠近环境界面水分入侵位置处受潮最为严重。

试验发现,水分在XLPE-SiR 复合界面轴向扩散是均匀推进的,原因是中间接头界面压力较大导致界面气隙尺寸较小,因此水分受重力影响较小。沿XLPE-SiR 界面环向取4 个方向,分别间隔90°,测量各个方向的水分扩散长度,并计算其平均值,结果见图8。

图8 复合界面水分轴向扩散规律

由图8 可知,水分扩散长度随着受潮时间呈现先增大后趋于稳定的趋势。在受潮504 h 之前,水分扩散长度随着时间近似线性增加。在受潮504 h之后,水分扩散长度降低,出现异常数据,原因可能是套管内水分未及时补充,界面部分水分受热蒸发。从受潮840 h 开始,水分扩散长度继续增加,但增加的速率逐渐减小。在受潮1 344 h 后,水分扩散长度达到120 mm,水分扩散至整个界面。

2.3 中间接头整体水分扩散规律

通过2.1 节和2.2 节的试验结果可知,中间接头受潮过程中,水分由外到内逐层扩散,其扩散规律示意图见图9。

图9 中压电缆中间接头整体水分扩散规律示意图

图9 中,最外层防水胶带-PVC 界面因为受潮而导致黏结性能下降,引起界面气隙增加,容易引起水分入侵,进而扩散至中间接头铠装处。此时,水分沿着铠装连接线扩散至中间接头对侧铠装位置,并引起第二层防水胶带-PVC 界面受潮而导致黏结性能下降,进一步引起该处界面受潮。水分经该界面扩散至中间接头内部金属屏蔽层。水分沿金属屏蔽层快速扩散至中间接头主体端部,同时沿屏蔽层断口向中间接头两端电缆主体快速扩散。当水分扩散至中间接头主体内部XLPE-SiR 复合界面时,水分主要沿界面轴向扩散,且受重力影响较小,呈现均匀推进趋势。

3 结 论

本工作开展了中压电缆中间接头受潮试验,探究中间接头内部水分扩散规律,得到如下结论。

1)防水胶带-PVC 界面在潮湿环境下黏合性能急剧下降,导致水分从外界环境进入中间接头外侧界面。此外,铠装处连接线的存在,使得水分由一端扩散至另一端。由于铜屏蔽层存在断口,外界水分容易进一步向本体进行扩散。

2)中间接头主体内部XLPE-SiR 界面主要以轴向扩散为主,径向扩散深度极为有限,且轴向扩散受重力因素影响较小,呈现轴向均匀推进。