劉曉東，劉培鎮(zhèn)

（廣州南洋電纜有限公司，廣州 511356）

0 引言

高壓電纜憑借其良好的電氣性能，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)之中[1-2]。電纜的緩沖層位于絕緣屏蔽層與金屬護(hù)套之間，對電纜電氣與絕緣性能的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用[3-4]。

由于電力電纜普遍敷設(shè)于地下，因此電纜內(nèi)部容易受到水分的侵襲，水分的進(jìn)入可能會導(dǎo)致電纜的主絕緣內(nèi)部出現(xiàn)水樹，這將加速絕緣的老化[5]。針對這種情況，電纜內(nèi)部應(yīng)當(dāng)設(shè)計相應(yīng)的阻水結(jié)構(gòu)。在電纜的阻水結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)電緩沖阻水帶（簡稱“緩沖層”）發(fā)揮了重要的阻水作用。但是，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有大量的電纜本體故障是因?yàn)榫彌_層燒蝕引起的[6-7]。針對這種情況，許多學(xué)者從緩沖層的間隙特征[8]、緩沖層的結(jié)構(gòu)與性能[9]以及相關(guān)理化分析[10]等方面，對緩沖層的燒蝕現(xiàn)象進(jìn)行了分析與研究，但目前暫無完善的理論對此現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)解釋，所以對電纜線路的正常運(yùn)行留下了隱患。

基于上述問題，本文從緩沖層電阻特性的角度出發(fā)，對故障和正常情況下的緩沖層交、直流電阻變化規(guī)律進(jìn)行了研究。通過對故障電纜進(jìn)行解剖，對故障現(xiàn)象進(jìn)行了觀察與分析。此外，本文設(shè)計了相關(guān)試驗(yàn)，測量了電纜緩沖層的交、直流電阻，并對正常與故障電纜的電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比與分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)分析能為評估電纜絕緣屏蔽燒傷的原因提供參考。

1 電纜結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象

1.1 電纜結(jié)構(gòu)

電纜結(jié)構(gòu)如表1 所示；示意圖如表2所示。

表1 電纜結(jié)構(gòu)

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 故障現(xiàn)象

在對故障電纜進(jìn)行解剖的過程中，發(fā)現(xiàn)了以下現(xiàn)象：

（1）將電纜的纜芯從鋁護(hù)套中抽出，觀察發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)電緩沖層阻水帶表面有阻水粉析出，且半導(dǎo)電緩沖阻水帶表面存在燒蝕痕跡，如圖2（a）所示；

（2）鋁護(hù)套內(nèi)表面存在燒蝕痕跡，燒蝕位置均位于鋁護(hù)套波谷處，如圖2（b）所示，此外，鋁護(hù)套內(nèi)表面的燒蝕位置與緩沖層的燒蝕位置相對應(yīng)；

（3）拆下半導(dǎo)電緩沖阻水帶，在與緩沖層燒蝕痕跡對應(yīng)的位置處，絕緣屏蔽層的表面也存在燒蝕痕跡，如圖2（c）所示。

圖2 電纜緩沖層間燒傷

2 試驗(yàn)裝置與方法

為了掌握在不同情況下電纜緩沖層交、直流電阻的變化情況，設(shè)計并實(shí)施了如圖3所示的電阻測量試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備主要包含：TDGC2-0.5K 調(diào)壓變壓器、電力測量分析儀HIOKI 3196、單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表和UT208 數(shù)字鉗式萬用表。各設(shè)備的參數(shù)如下所述：TDGC2-0.5K調(diào)壓變壓器的輸出電壓為AC 0～250 V，輸出電流為AC 0～2 A，工作頻率為50 Hz；單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表的電壓測量范圍為AC 0～500.0 V，電流測量范圍為AC 0～5.000 A，精度等級為0.5級。

在測量交流電阻的試驗(yàn)中，由調(diào)壓變壓器的輸出端引出2個電極，并將2個電極分別與鋁護(hù)套和絕緣屏蔽層相連接，單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表和電力測量分析儀的電壓端子并聯(lián)在鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層上，電流端子串聯(lián)在試驗(yàn)回路中。在試驗(yàn)中，記錄的數(shù)據(jù)包括電極兩端的電壓U，回路的電流I 以及功率W。則交流電阻可由計算公式R=P/ I2計算，回路的功率因數(shù)可由計算公式cosφ=P/(U·I)計算。

在測量直流電阻的試驗(yàn)中，將電壓表調(diào)至電阻測量檔，萬用表的兩極分別接在鋁護(hù)套和絕緣屏蔽層上，萬用表的讀數(shù)則為緩沖層的直流電阻。

圖3 試驗(yàn)裝置回路

圖4 日本HIOKI 公司3196電力測量分析儀

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試依據(jù)說明

本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由日本HIOKI公司的3196 電力測量分析儀測得，通過交流電阻（阻抗）的計算公式計算得出。如圖4所示，3196 電力測量分析儀廣泛應(yīng)用于電氣試驗(yàn)室的測試項(xiàng)目，可測量交流電壓、交流電流、有功/無功/視在功率、功率因數(shù)、有效功率量、無效功率量、頻率、諧波等電氣數(shù)據(jù)，依據(jù)的電力測量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 1159。

此外，在試驗(yàn)中，通過添加單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的雙路測量，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并通過對2種設(shè)備測量結(jié)果取平均值的方式，減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在測量故障電纜的交、直流電阻的試驗(yàn)中，制作了4 段故障電纜試樣，其長度均為1 m。其中，試樣1、2、3中只有半導(dǎo)電緩沖阻水帶纏繞在絕緣屏蔽表面，而試樣4中的半導(dǎo)電緩沖阻水帶表面還纏繞有金布。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2～3所示。

表2 故障電纜絕緣屏蔽與鋁套之間交直流電阻測試數(shù)據(jù)

表3 故障電纜施加電壓前后的實(shí)測直流電阻

在調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的輸出電壓過程中有如下現(xiàn)象發(fā)生：

（1）試樣1 電流升到400 mA時開始出現(xiàn)泄漏電流，并伴有白煙和焦燒味；

（2）試樣2電流升到300 mA時開始出現(xiàn)泄漏電流；

（3）試樣3 電流升到290 mA時開始出現(xiàn)泄漏電流，并伴有白煙和焦燒味。

故障電纜試樣緩沖層交流電阻的變化趨勢如圖5所示。

圖5 故障電纜交流電阻變化曲線圖

從故障電纜交、直流電阻測量試驗(yàn)的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論。

（1） 對于電纜試樣1、2 和3（只含有半導(dǎo)電緩沖阻水帶） 而言，絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的交流電阻均大于200 Ω，而對于故障電纜試樣4（含有半導(dǎo)電緩沖阻水帶和金布）而言，其交流電阻要小于前3個電纜試樣，說明金布的存在能使絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的接觸狀態(tài)更加良好。

（2）絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的交流電阻會隨著承受電壓的增大而減小，結(jié)合試驗(yàn)中出現(xiàn)白煙和燒焦氣味的現(xiàn)象，推測該現(xiàn)象出現(xiàn)的可能是因?yàn)榻^緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的電壓過大，導(dǎo)致了二者之間電場強(qiáng)度超過空氣的擊穿場強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)了空氣放電現(xiàn)象，空氣放電現(xiàn)象會導(dǎo)致緩沖層局部溫度升高。此外，電壓的增大引起電流的增大，這導(dǎo)致緩沖層與鋁護(hù)套接觸位置發(fā)熱量的增大，進(jìn)而引起緩沖層局部溫度升高。局部溫度升高使緩沖層受熱膨脹，此時緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸會更加緊密，所以，交流電阻會出現(xiàn)減小現(xiàn)象。

（3）施加電壓后，直流電阻的測量結(jié)果出現(xiàn)了明顯變小的現(xiàn)象，原因是在施加交流電壓時，局部溫度升高，使得緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸狀態(tài)變得更加良好，所以，再次對直流電阻測量時，直流電阻會出現(xiàn)減小現(xiàn)象。

在測量正常電纜的交直流電阻時，制作了3根長度為1 m的正常電纜試樣，規(guī)格均為630 mm2、額定電壓為64/110 kV。試樣1 繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶后外徑與鋁套內(nèi)徑之間存在2 mm 的間隙，接觸不良；試樣2 繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶后外徑與鋁套接觸較緊密，無間隙；試樣3繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶后外徑大于鋁套內(nèi)徑2 mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線圖如表4～5和圖6所示。

表4 正常電纜絕緣屏蔽與鋁套之間交直流電阻測試數(shù)據(jù)

由正常電纜試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，正常電纜試樣的交、直流電阻測量結(jié)果的變化規(guī)律與故障電流試樣的變化規(guī)律相似。但是，正常電纜試樣的交、直流電阻遠(yuǎn)小于故障電纜；緩沖層與鋁護(hù)套之間的間隙越大，交、直流電阻的測量結(jié)果均越大。

圖6 正常無問題電纜交流電阻變化曲線圖

表5 正常電纜施加電壓前后的實(shí)測直流電阻

5 結(jié)束語

通過本文的研究，得到以下參考結(jié)論：

（1）當(dāng)電纜發(fā)生緩沖層缺陷時，緩沖層的交、直流電阻均會增大；

（2）在絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間施加過大的電壓，可能會導(dǎo)致緩沖層局部過熱和放電現(xiàn)象的發(fā)生，此過程會使緩沖層的交、直流電阻變小，但可能會損傷絕緣屏蔽層、緩沖層和鋁護(hù)套；

（3）對于相同規(guī)格的電纜而言，電纜緩沖層與鋁護(hù)套之間的間隙越大，絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的交、直流電阻均越大；在設(shè)計電纜時，應(yīng)適當(dāng)增加緩沖層的厚度，以減小因交、直流電阻過大對電纜正常運(yùn)行造成的影響。