本文摘要：摘 要：緩沖層燒蝕故障嚴重危害高壓電纜的安全可靠運行。 為進一步揭示緩沖層燒蝕機理，開展了高壓電纜緩沖層燒蝕試驗，研究了緩沖層受潮進水對燒蝕故障的影響。 此外，利用鋁板與幾種常用帶材組合成試驗模型，驗證了緩沖層燒蝕的其他誘因。 結合國內現(xiàn)有研究成果，提
摘 要：緩沖層燒蝕故障嚴重危害高壓電纜的安全可靠運行。 為進一步揭示緩沖層燒蝕機理，開展了高壓電纜緩沖層燒蝕試驗，研究了緩沖層受潮進水對燒蝕故障的影響。 此外，利用鋁板與幾種常用帶材組合成試驗模型，驗證了緩沖層燒蝕的其他誘因。 結合國內現(xiàn)有研究成果，提出了高壓電纜緩沖層及金屬套的結構設計、生產(chǎn)過程控制等方面的改善建議。 研究結果可為高壓電纜的結構優(yōu)化、產(chǎn)品質量提升提供參考。
關鍵詞：高壓電纜; 緩沖層; 燒蝕; 受潮; 預防措施
引 言
20 世紀 80 年代初期，我國首次從國外引進110 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜[1]，經(jīng)過近 40 年的發(fā)展，目前已實現(xiàn) 110～ 500 kV XLPE 絕緣電纜的國產(chǎn)化。 然而，近年來在電纜線路遷改和故障處理過程中，發(fā)現(xiàn)高壓電纜絕緣屏蔽層及緩沖層出現(xiàn)“燒蝕”和“白粉”現(xiàn)象。 新加坡和澳大利亞也有相關事故報道。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，故障電纜的運行周期為 2～15 a 不等，故障產(chǎn)品的運行時間跨度大，分布范圍廣，對高壓電纜系統(tǒng)的安全運行造成嚴重隱患。 因此，研究并分析電纜緩沖層故障的成因，提出有效的防護措施，對保障電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。
目前，研究主要集中在“白粉” 現(xiàn)象的成因、緩沖層材料特性、金屬套和緩沖層結構特點、電學仿真計算、故障模擬試驗，以及檢測技術等方面，側重于高壓電纜緩沖層燒蝕故障的機理分析和檢測方法，仍缺乏系統(tǒng)性地從產(chǎn)品設計、材料選擇、制造等過程的預防措施的研究和應用。 結合高壓電纜緩沖層燒蝕故障的分析結論和其產(chǎn)品制造的實際情況，提出系統(tǒng)性的預防措施，對保障產(chǎn)品質量，提升高壓電纜系統(tǒng)的可靠性具有一定積極作用。本工作研究了高壓電纜緩沖層燒蝕故障，結合國內現(xiàn)有研究成果，提出了針對高壓電纜緩沖層燒蝕故障的預防措施。
1 高壓電纜緩沖層的作用
高壓電纜的緩沖層具有電氣連接、緩沖和保護、實現(xiàn)高壓電纜縱向阻水等幾方面作用。
(1)電氣連接作用。 緩沖層由半導電帶材纏繞于絕緣屏蔽表面，將絕緣屏蔽與金屬護套進行電氣連接，傳遞電纜運行時產(chǎn)生的電容電流、泄漏電流等，控制兩者間電位差。
(2)緩沖和保護作用。 電纜在運行過程中，導體溫度升高會引起絕緣線芯膨脹：一方面體積膨脹產(chǎn)生徑向上的擴張，另一方面線芯的線性膨脹產(chǎn)生軸向上的伸長[2]。 緩沖層填充在絕緣線芯和金屬護套之間，吸收線芯的徑向熱膨脹，同時，也可保護絕緣線芯在電纜彎曲和敷設等過程中免受金屬護套的擠壓損傷。
(3)實現(xiàn)高壓電纜的縱向阻水功能。 高壓電纜在安裝和運行過程中一旦發(fā)生護層損傷進水，有阻水功能設計的緩沖層可有效降低水分在電纜內部的縱向擴散速率，維持電纜的運行安全。
2 高壓電纜緩沖層燒蝕故障的研究現(xiàn)狀
目前，國內針對緩沖層燒蝕故障開展了大量研究工作，從白色粉末成分及成因、皺紋鋁套間隙與緩沖層材料的影響，以及電纜受潮進水的影響等方面開展了深入研究。
(1)白色粉末的成分及成因。 研究主要集中于白色粉末的成分分析和成因機理的推理。 通過紅外光譜分析，其成分中含鈉元素和鋁元素的含量較高，測量白色粉末材料的絕緣電阻為兆歐級以上，導電性差。 分析主要成因是水分的作用和金屬套接觸造成的化學腐蝕，雖然反應路徑不同，但最終均有鋁元素的產(chǎn)生，分析過程同時還考慮了幾種外界因素，如接觸壓力，電流大小等。 有結論給出，白色粉末中鋁元素是電壓+受潮或電壓+受潮+壓力共同作用下電化學腐蝕所致，或是壓力+受潮共同作用下化學腐蝕所致[3]。
(2)皺紋鋁套間隙與緩沖層材料的影響。 研究主要利用三維建模方法對電纜結構進行分析。 分析得出，皺紋鋁套軋紋深度與緩沖層配合不緊密(如軋紋間隙過大、銅絲編織帶銅絲過細等) 而形成的氣隙，造成電場分布不均勻，一定情況下場強超過空氣的擊穿場強3 kV·mm-1，從而造成放電;另外，緩沖層的電阻率升高會造成鋁護套與絕緣屏蔽間的電位差升高。 有研究結論得出，電纜緩沖層內部放電是電纜絕緣擊穿的主要原因之一[4]。
(3)緩沖層進水或受潮的影響。 研究水分對白色粉末產(chǎn)生、緩沖層電阻率劣化的影響機理。 緩沖層注水后在交流電壓作用下極易產(chǎn)生白色粉末。 產(chǎn)生白色粉末后緩沖層材料的成分以碳、氧、鋁等元素為主，與未產(chǎn)生白色粉末的新緩沖層材料對比，前者的含氧量明顯增加，含鋁量大幅增加[5]。
另有研究表明，阻水帶電阻率和白色粉末對電纜中緩沖層的電場分布有顯著影響。 緩沖層的電阻率上升和白色粉末的形成主要原因是受潮，該條件下的放電過程是導致緩沖層失效的主要原因[6]。另外，結合對故障電纜的統(tǒng)計分析，多數(shù)故障電纜存在外力損傷進水、緩沖層受潮等問題。 因此，研究水分侵入對電纜緩沖層的影響，有助于分析緩沖層故障原理和制定預防措施。
3 高壓電纜緩沖層受潮模擬試驗及分析
通過不同試驗方案，進行對比驗證，結果表明緩沖層受潮進水是白色粉末產(chǎn)生的主要原因。
3. 1 水分對緩沖層的影響
(1)有電流作用。 選取兩段結構相同的高壓電纜樣品，置于相同溫度、濕度環(huán)境中。 將樣品絕緣屏蔽和金屬套分別制作電極，試驗時在電極間施加工頻電壓，并保持模擬電流穩(wěn)定在 200 mA。
(2)無電流作用。 選取一段表面潔凈的皺紋鋁護套樣品和一段干燥半導電阻水緩沖帶，將半導電緩沖帶纏繞固定于鋁護套表面。
3. 2 不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗為驗證除半導電阻水緩沖帶成分外，其他導電成分、帶材種類等因素對白色粉末產(chǎn)生的影響，進行了如下試驗：選取幾款帶材繞包在鋁板表面制成小樣，置于相同環(huán)境下，重復 3. 1 節(jié)中(2) 的試驗，試驗后樣品解剖情況。半導電帶材均有白色粉末產(chǎn)生，絕緣型阻水帶未發(fā)現(xiàn)白色粉末產(chǎn)生，無紡布出現(xiàn)較重變色情況，但未產(chǎn)生白色粉末及鋁板腐蝕。
3. 3 結果分析
(1)通過模擬試驗可知，無論電纜緩沖層是否有電流通過，受潮情況下，緩沖層與鋁護套均可產(chǎn)生白色粉末和鋁護套的腐蝕現(xiàn)象。(2) 在 3. 1 節(jié)的試驗中，白色粉末最先在帶材與鋁套結合最緊密位置產(chǎn)生，對比兩份樣品所產(chǎn)生白色粉末的數(shù)量，可知電流對白色粉末的產(chǎn)生有促進作用。
(3)3. 2 節(jié)的試驗結論顯示，緩沖層中半導電特性將有助于白色粉末的產(chǎn)生，并引起金屬鋁的腐蝕，可能是由于半導電類型的帶材在水作用下更容易與鋁發(fā)生反應。4 高壓電纜緩沖層燒蝕預防措施試驗結果表明，受潮是引發(fā)電纜緩沖層燒蝕的重要原因之一。 結合目前研究成果，考慮到生產(chǎn)過程緩沖層進水受潮對電纜質量的不利影響，制定了嚴格的預防措施。
(1)選用電阻性能優(yōu)良的半導電緩沖帶材。 優(yōu)化半導電緩沖帶材的體積電阻率，改進緩沖結構的電氣特性和電場分布。 JB/ T 10259—2014、T / CAS374—2019 對阻水帶體積電阻率的規(guī)定分別為不大于 1×105 和不大于 5×103Ω·cm。目前，JB/ T 10259—2014、T / CAS 374—2019 中的測試方法有一定差異，生產(chǎn)時，應依據(jù)不同標準選用體積電阻率優(yōu)于標準中規(guī)定的高壓電纜緩沖阻水帶。
(2)皺紋鋁套與絕緣屏蔽間隙控制。 合理設計和控制金屬鋁護套與絕緣屏蔽之間的間隙，有利于改進結構間的接觸電阻、消除氣隙放電和改進電場分布。 緊密的軋紋結構可減緩水分在電纜內部擴散的速率，減少故障范圍。 針對不同結構、厚度的緩沖層合理控制軋紋深度，保證其結構緊湊，同時應考慮運行時絕緣線芯的熱膨脹需求。
(3)生產(chǎn)過程中防潮措施。 具體如下：①半導電緩沖帶采用真空包裝;②生產(chǎn)及轉序過程中，產(chǎn)品嚴格執(zhí)行防潮保護措施;③嚴格控制繞包后半成品纜芯的轉序時間。(4)平滑鋁套電纜的推廣應用。 平滑鋁套電纜緊湊型結構增加了緩沖層與鋁護套的接觸面積，降低鋁套與緩沖層的接觸電阻，提升了電氣性能。 通過對平滑鋁電場分布模擬分析可知，平滑鋁套電纜的電場分布較皺紋鋁電纜更加合理，可避免緩沖層放電現(xiàn)象的發(fā)生[3]。
5 結束語
緩沖層進水受潮是引發(fā)電纜緩沖層燒蝕的主要原因之一。 結合目前的研究成果，從電纜的設計、材料的選擇，以及在生產(chǎn)過程中制定可行的預防措施，對保障高壓電纜的質量、提高電網(wǎng)運行可靠性具有重要意義。建議今后研究的方向應主要集中在兩個方面：一方面是針對現(xiàn)有存量高壓電纜產(chǎn)品，旨在早發(fā)現(xiàn)、早干預、降低損失，如快速檢測方法，故障電纜的修復技術等;另一方面是新增高壓電纜產(chǎn)品如何避免出現(xiàn)類似現(xiàn)象，如制定原材料檢測方法和標準、加強電纜生產(chǎn)過程的品質管控，以及緊湊型結構(平滑鋁套、鉛套、鋁塑復合型)電纜的生產(chǎn)應用研究等。
參考文獻：
[ 1 ] 趙健康. 高壓電纜及附件[ M]. 北京： 中國電力出版社，2020.
[ 2 ] 管衛(wèi)衛(wèi)， 馮濤， 李浩浩， 等. 高壓電力電纜絕緣線芯熱膨脹計算[J]. 電線電纜，2014(3)：31⁃37.
[ 3 ] 陳云. 高壓 XLPE 電纜緩沖層故障特征與機理[D]. 廣州： 華南理工大學，2019.
[ 4 ] 李陳瑩， 李鴻澤， 陳杰， 等. 高壓 XLPE 電力電纜緩沖層放電問題分析[J]. 電力工程技術，2018，37(2)：61⁃66.
[ 5 ] 鄧聲華， 江福章， 劉和平， 等. 高壓電纜緩沖層材料及結構特性研究[J]. 電線電纜，2019(2)：19⁃27.
[ 6 ] DU B X， DU X Y， KONG X X， et al. An investigation ondischarge fault in buffer layer of 220 kV XLPE AC cable [ J].
IET Science， Measurement & Technology，2021，15 ( 6)：508⁃516
作者：王 野， 張 濤， 趙新院
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