一种XLPE电缆电热联合水树老化试验装置

一种xlpe电缆电热联合水树老化试验装置
技术领域
1.本实用新型涉及一种加速xlpe电缆水树老化的装置和方式，具体涉及一种xlpe电缆电热联合水树老化试验装置，属于电气绝缘技术领域。


背景技术：

2.交联聚乙烯电缆(xlpe insulated cable)由线芯、内半导电绝缘屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、外导电绝缘屏蔽层以及最外层金属屏蔽组成，具有传输容量大、良好的介电性能、易敷设、运行可靠性高等优点，由于各行各业对电力需求增大，提高电网的运行稳定性十分重要，因此人们对xlpe电缆的性能越来越重视。
3.水树老化是绝缘老化的主要形式之一，水树为绝缘内部产生树枝状的亲水性空洞，它可引起的 xlpe电缆绝缘老化。影响xlpe电缆绝缘老化的因素有很多，如：水、外施电压、温度、应力、空间电荷的产生和分布等，水分在电场作用下逐渐侵入电缆，电缆中原本存在的微孔缺陷会逐渐扩大，形成水树通道，导致电缆绝缘内部出现水树。绝缘尖端空隙处会产生空间电荷积聚现象，致使水树顶端场强严重畸变，造成绝缘材料进一步裂解，直至最终发展成电树枝，所以存在水树枝老化问题的电缆在雷击情况下很容易击穿，一旦在水树的顶端生成电树，电缆绝缘本体将在短时间内被击穿。由于需要投入使用的电缆寿命一般都有几十年，为了测量电缆是否为合格产品，需要对xlpe电缆进行加速水树老化试验来检验它的性能。
4.为了实现xlpe电缆加速水树老化试验，本实用新型设计一种xlpe电缆电热联合水树老化试验装置，解决了在采取电热联合老化的方法存在的控温问题。当使用感应加热的方法对电缆进行加热老化时，电缆绝缘和线芯之间存在着温差，电缆试样端部有连接端子，在感应加热时会产生很大热量，不易控制温度，而且如果同时对xlpe电缆加压，参考回路和主回路并联运行，使其互相干扰，容易出现故障。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型提供一种新型xlpe电缆电热联合水树老化试验装置。
6.为了解决对xlpe电缆水树加速老化培养过程中的控温问题，本实用新型设计了可控制温度和加热时间的水浴加热装置，有效的对xlpe电缆以电热联合的方式进行加速老化，具体方案如下所述：
7.第一方面，xlpe电缆电热联合水树老化试验装置的加热老化部分，包括管道系统和电采暖炉。具体的结构为放置导管首先由四根利用三通相互连接的单管道组成，其中一根完整管道的存水管道由水平的两根直管和一个三通连接组成，并在水平管道两端安装弯曲度为135
°
的弯管，来保存导管装置中的水，最后在弯管的顶端连接直管，来保证电缆的终端部位远离水位。出水管和进水管的一端都与放置导管相连接，出水管和进水管的另一端连接到电采暖炉，其中电采暖炉的循环泵连接到出水管和进水管的一端中，保证管道内的水循环，排水阀连接到放置导管，可控制管道内的存水量，进而形成一个可循环的管道系
统。多根导管并排安装时，导管之间有一定的间隔。对于管的承重框架，采用铝型材，它的机械性能好，承载能力大且耐腐蚀。将水浴加热装置搭建在铝型材框架上。
8.进一步的，在管道内加入水或nacl溶液，并通过循环泵，实现水或nacl溶液的循环。为了保证水温均匀控制，使用电采暖炉的智能控温加热设备，对循环的水或nacl溶液进行持续加热，实现整个管内的水温控制，保证了xlpe电缆加热老化时的稳定恒温控制。
9.第二方面，xlpe电缆电热联合水树老化试验装置的加压部分，包括试验变压器和电源控制箱。在放置导管中放入xlpe电缆，将它的线芯与试验变压器的电压输出端相连接，试验变压器与电源控制箱连接，可实现对xlpe电缆水浴加热的同时施加电压，达到对xlpe电缆电热联合老化的要求。
10.进一步的，可根据xlpe电缆老化要求，来选取试验变压器和电源控制箱，合理的控制加压时间和电压水平。
11.本实用新型达到的有益效果是：
12.其一，能够在管道系统内选择加入水或nacl溶液，控制水位与浓度；能够给xlpe电缆线芯注水；能够均匀加热电缆，克服了电缆加热时端部过热的问题。
13.其二，利用可智能控制的水循环系统和加热系统，可以智能的控制加热时间和温度，实现对电缆的智能温控。
14.第三，此装置可在对xlpe电缆加热老化的同时，对其端部线芯处施加电压，进而实现对xlpe 电缆以电热联合的方式加速老化。
附图说明
15.图1为本实用新型xlpe电缆电热联合水树老化试验装置示意图。
16.图2为本实用新型电采暖炉结构示意图。
17.其中：1.放置导管，2.出水管，3.进水管，4.电采暖炉，5.承重支架，6.xlpe电缆，7.试验变压器，8.直管，9.弯管，10.三通，11.电源控制箱，12.智能控温加热设备13.循环泵，14.排水阀。
具体实施方式
18.为使本实用新型的目的和技术方案更加清楚明了，下面结合附图，通过具体实施例对本实用新型专利做进一步描述，但应理解，此实施范例只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。
19.参照图1和图2，本实施例的一种xlpe电缆电热联合水树老化试验装置，它的放置导管部分由四根水平放置的内径为225mm的导管组成，水平放置的导管由两根长为1.7m的abs管加一个225
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110三通组成(搭接量为90mm)。相对于钢管来说，abs管有着良好的机械强度，它不仅流动摩擦力小，抗冲击性能好，而且减少了结构重量；在水平导管两端安装135
°
弯管，来保存导管装置中的水，搭接量为90mm。abs管的壁厚为10mm，在弯管的顶端连接直管，保证电缆在水中有足够的长度，直管长为300mm，管与管之间用225-110mm三通连接，三通长度为299mm，搭接部分长度为90mm。多根导管并排安装时，导管之间有70mm以上的间隔，且自来水的液面距导管顶端距离任何时候不大于100mm；进水管和出水管由内径为70mm，长度为1.2m的ppr导管组成，它的壁厚5mm。将水浴加热装置搭建在铝型材框架上，对
于管的承重框架，采用铝型材，它的机械性能好，选取的铝型材型号为4080raw，框架的主体有40
×
80和40
×
40两种规格，固定用的角件也有80
×
80和40
×
40两种，规格承载能力大且耐腐蚀。选取型号为wdz-yjy-8.7/15kv，截面积为95mm2的xlpe电缆，电缆长7m，其中5m浸泡在水中，剩余部分安装电缆终端，对试样采取内部注水加外部浸泡的方式处理，向线芯注入自来水，在导管内充入nacl溶液，促进水树的生成。进行老化时，将xlpe电缆试样安置在的导管中，总共4根导管，每根管内放置5根试样。查阅文献，可知60℃为影响电缆水树生长的转折点，转折点前后水树生长变化明显，因此可以考虑选择将试样温度加热到60℃，这个温度既符合xlpe电缆实际运行情况，又对水树老化影响明显。用加热装置给导管中的水加热，用2h将导管中的水从20℃加热到60℃。保持温度8h，其余14h自然冷却。同时在电缆样品的输入端施加2.5u0电压，对试样进行加速水树老化。为了验证此设计的合理性，我们开始理论与实际的结合，来计算该装置的可行性。
20.首先是承重框架的载重核算，我们选取的铝型材型号为4080raw。计算静载荷状态下的铝型材变形量：
[0021][0022]
式(1)中，f为载荷(n)，l为铝型材无支撑长度(mm)，e是弹性模量(70000n/mm2)，集合惯性(cm4)，g＝9.81n/kg，δ为变形量(mm)。
[0023]
abs塑料的密度为1.1g/cm3，已知导管外径225mm，壁厚10mm，根据试验方案电缆浸在水中长为5m，则经过粗算导管装置的体积v(cm3)：
[0024][0025]
则导管的质量为37.149kg，水的密度为1g/cm3，一根导管中水的质量为33.772kg，采取水浴加热的方法时，一根导管中有5根电缆试样，已知导体铜的密度为8.960g/cm3，截面积95mm2，单根电缆长度为7m，可以求出导体铜的质量为29.792kg。交联聚乙烯密度为0.92g/cm3，电缆直径为23.52mm，导体截面积为95mm2，忽略内外半导体层，除去导体部分按照电缆的绝缘计算，则一根导管内绝缘的质量为10.932kg，计划使用一根导管放置5根电缆。因此，一根导管装置的质量为155.373kg，求得载荷f(n)：
[0026]
f＝mg＝155.373
×
9.81＝1524.209(n)(3)
[0027]
型号为4080raw铝型材的集合惯性为l
x
＝82.0cm4、ly＝20.4cm4，结构惯性矩l
x
主要计算弯矩作用下绕x轴的截面抗弯刚度，根据式(1)得出变形量：
[0028][0029]
下一步计算铝型材最大允许弯曲应力q(n/m3)：
[0030][0031]
式(3)中，z为截面惯性(cm2)，横梁选取的是截面为40
×
80(mm2)的4080raw型铝型材，截面惯性为z
x
＝19.2cm3，z
x
是衡量弯矩作用下绕x轴的截面抗弯刚度，k是铝型材的线性密度，取值3.91kg/m，则铝型材的弯曲应力q(n/m3)为：
[0032][0033]
可知铝型材最大允许弯曲应力q
max
《200n/m3，所以符合对试验装置的搭建的要求。
[0034]
其次是计算当管内填满水时加热到20℃加热到60℃的所需功率，以及加热时间，根据对水浴装置的搭建，水浴加热装置由四根水平放置的内径为205mm的导管组成，依据标准，三通长度为299mm，搭接部分长度为90mm。根据试验装置的搭接尺寸，可知水平放置直管长3.519m，计算一根水平放置直管中水的体积v1(m3)：
[0035][0036]
在导管两端安装135
°
弯管，来保存导管装置中的水。根据定积分原理，可得一个弯管的体积为0.005m3，则一根弯管中水的体积v2(m3)：
[0037]v2
＝0.005
×
2＝0.01
[0038]
在每个弯管的顶端连接2个直管，直管长度30mm，直管保证电缆在水中的部分有足够的长度，直管之间连接部分用三通连接。由前面知倾斜管长809mm，则倾斜放置直管中水的体积v3(m3)：
[0039][0040]
由上可知，整个装置导管中水的体积v(m3)为：
[0041]
v＝4
×
(v1+v2+v3)＝0.716(m3)
[0042]
根据质量的计算公式,算出装置导管中水的质量m(kg)：
[0043]
m＝ρv＝1
×
103×
0.716＝716(kg)(6)
[0044]
水的比热容c为4.2
×
103j/kg
·
℃，用比热容来计算热量，δt为温度改变量，则将导管中的水从20℃升温到60℃所需要的热量q(kj)：
[0045]
q＝cmδt＝4.2
×
103×
716
×
(60-20)＝120288kj(7)
[0046]
试验加热装置的最大功率p为20kw，将导管中的水升温所用的时间t(s)为：
[0047][0048]
根据试验设计方案，用两个小时将导管中的水从室温20℃加热到60℃所需要的功率p1(kw)为：
[0049][0050]
所以根据上述计算结果，无论是加热到所需温度的功率还是时间，本装置都可以实现，之后还可以在电缆绝缘外皮表面上安装热电偶，记录电缆试样水浴加热时间与温度的关系，进行验证性试验。通过omega温度记录仪记录的温度-时间曲线来看，试验方案设计合理。所以按照计划进行了xlpe电缆水树电热联合加速老化试验。
[0051]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点，本实用新型不受上述实施例的限制，在不脱离本发明原理与思路的前提下，本实用新型还会有多种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型的保护范围内。