高壓電纜緩沖層燒蝕故障分析及預(yù)防

王 野， 張 濤， 趙新院

（青島漢纜股份有限公司，青島 266102）

0 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(guān)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(jié)構(gòu)特點、電學(xué)仿真計算、故障模擬試驗，以及檢測技術(shù)等方面，側(cè)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(shè)計、材料選擇、制造等過程的預(yù)防措施的研究和應(yīng)用。 結(jié)合高壓電纜緩沖層燒蝕故障的分析結(jié)論和其產(chǎn)品制造的實際情況，提出系統(tǒng)性的預(yù)防措施，對保障產(chǎn)品質(zhì)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(jié)合國內(nèi)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(yù)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)計的緩沖層可有效降低水分在電纜內(nèi)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(nèi)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(dǎo)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(xué)腐蝕，雖然反應(yīng)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(jié)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(xué)腐蝕所致，或是壓力+受潮共同作用下化學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)論得出，電纜緩沖層內(nèi)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(dǎo)致緩沖層失效的主要原因［6］。

另外，結(jié)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(yù)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(jié)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(jié)構(gòu)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。 其中，一組樣品中定期向緩沖層內(nèi)加水，模擬緩沖層受潮，試驗接線示意圖見圖1［7］。

圖1 試驗接線示意圖

試驗對注水樣品和未注水樣品進行了考察，結(jié)果見圖2。

圖2 水分對緩沖層的影響

由圖2 可知：注水樣品圖2（a）中有大量白色粉末產(chǎn)生和輕微燒蝕痕跡；未注水樣品圖2（b）中未發(fā)現(xiàn)可見燒蝕及白色粉末產(chǎn)生。

（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(dǎo)電阻水緩沖帶，將半導(dǎo)電緩沖帶纏繞固定于鋁護套表面，每隔一段時間給兩者接觸面注水，見圖3。

圖3 受潮腐蝕前、腐蝕后樣品

由圖3（b）和圖3（c）可以看出：鋁護套接觸面與阻水緩沖帶有白色粉末產(chǎn)生，同時鋁護套樣品表面有明顯腐蝕痕跡。

3.2 不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗

為驗證除半導(dǎo)電阻水緩沖帶成分外，其他導(dǎo)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(fù)3.1 節(jié)中（2）的試驗，試驗后樣品解剖情況見圖4。

圖4 試驗后樣品解剖

不同帶材產(chǎn)生白色粉末及鋁板腐蝕情況對比見表1。

由表1 可知：半導(dǎo)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(jié)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(jié)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。

表1 不同帶材產(chǎn)生白色粉末及鋁板腐蝕現(xiàn)象對比

（3）3.2 節(jié)的試驗結(jié)論顯示，緩沖層中半導(dǎo)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(dǎo)電類型的帶材在水作用下更容易與鋁發(fā)生反應(yīng)。

4 高壓電纜緩沖層燒蝕預(yù)防措施

試驗結(jié)果表明，受潮是引發(fā)電纜緩沖層燒蝕的重要原因之一。 結(jié)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(zhì)量的不利影響，制定了嚴格的預(yù)防措施。

（1）選用電阻性能優(yōu)良的半導(dǎo)電緩沖帶材。 優(yōu)化半導(dǎo)電緩沖帶材的體積電阻率，改進緩沖結(jié)構(gòu)的電氣特性和電場分布。 JB／T 10259—2014、T／CAS 374—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(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可減緩水分在電纜內(nèi)部擴散的速率，減少故障范圍。 針對不同結(jié)構(gòu)、厚度的緩沖層合理控制軋紋深度，保證其結(jié)構(gòu)緊湊，同時應(yīng)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(dǎo)電緩沖帶采用真空包裝；②生產(chǎn)及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)序時間。

（4）平滑鋁套電纜的推廣應(yīng)用。 平滑鋁套電纜緊湊型結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)合目前的研究成果，從電纜的設(shè)計、材料的選擇，以及在生產(chǎn)過程中制定可行的預(yù)防措施，對保障高壓電纜的質(zhì)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(yīng)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(yù)、降低損失，如快速檢測方法，故障電纜的修復(fù)技術(shù)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(zhì)管控，以及緊湊型結(jié)構(gòu)（平滑鋁套、鉛套、鋁塑復(fù)合型）電纜的生產(chǎn)應(yīng)用研究等。