劉順滿，王健，程皓，胡麗斌，陳杰，周文青，劉剛

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2. 華南理工大學(xué)分析測(cè)試中心，廣東 廣州 510641；3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

受土地資源和現(xiàn)有城市規(guī)劃布局的制約，電纜成為城市供電系統(tǒng)主要的電能輸送設(shè)備，我國(guó)城市線路電纜化率從2012年的44.98%提升至2020年的57.23%，這對(duì)電力電纜的運(yùn)行可靠性及在線檢測(cè)技術(shù)提出了更高要求。然而近20年來(lái)，中國(guó)、東南亞、澳大利亞等地出現(xiàn)多起由于緩沖層燒蝕引發(fā)的電纜故障，嚴(yán)重影響了電纜系統(tǒng)的可靠性[1]。110 kV及以上電壓等級(jí)高壓XLPE絕緣電纜中出現(xiàn)的緩沖層燒蝕缺陷具體表現(xiàn)為：緩沖層與鋁護(hù)套內(nèi)壁有灼傷現(xiàn)象，緩沖層與絕緣屏蔽層有白色斑點(diǎn)以及放電痕跡，缺陷嚴(yán)重時(shí)緩沖層有明顯燒蝕孔洞[2-7]，破壞了緩沖層的緩沖阻水以及均勻電場(chǎng)作用，這種緩沖層燒蝕缺陷嚴(yán)重危害了電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低了電能傳輸?shù)目煽啃裕蟠罂s短了電纜的使用年限。為了避免同類缺陷再次發(fā)生或盡早發(fā)現(xiàn)這類缺陷，及時(shí)采取相應(yīng)修復(fù)措施，研究有效的高壓XLPE電纜緩沖層燒蝕缺陷檢測(cè)方法意義重大。

目前針對(duì)緩沖層燒蝕缺陷的檢測(cè)技術(shù)主要有局部放電和X光檢測(cè)。齊偉強(qiáng)等[8]對(duì)含有緩沖層燒蝕缺陷的電纜分別進(jìn)行了X射線探傷檢測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室局部放電檢測(cè)效果驗(yàn)證，其中X射線成像圖中觀察不到緩沖層的燒蝕點(diǎn)，檢測(cè)效果不明顯；采用特高頻、高頻、超聲、脈沖電流法檢測(cè)電纜局部放電信號(hào)，均未見(jiàn)異常。劉維功等[9]認(rèn)為這種燒蝕缺陷是由絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間發(fā)生懸浮電位放電導(dǎo)致的，因此通過(guò)局部放電檢測(cè)譜圖識(shí)別懸浮電位放電的基本特征，可以有效檢測(cè)電纜緩沖層燒蝕缺陷；但局部放電檢測(cè)會(huì)受到周圍檢測(cè)環(huán)境噪聲的影響，而且在緩沖層發(fā)生的局部放電是間歇性放電，沒(méi)有固定的放電周期，存在即使有燒蝕缺陷也可能難以形成符合圖譜特征的局放信號(hào)的情況。劉三偉等[10]對(duì)應(yīng)用X射線檢測(cè)電纜緩沖層缺陷開(kāi)展研究，認(rèn)為對(duì)檢測(cè)影像進(jìn)行深度處理后可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜緩沖層缺陷的智能識(shí)別。然而X射線檢測(cè)主要是檢測(cè)緩沖層是否有白斑，并不能檢測(cè)出是否發(fā)展到燒蝕缺陷，而且X射線檢測(cè)會(huì)受電纜敷設(shè)環(huán)境的影響，例如在電纜穿管敷設(shè)、直埋敷設(shè)等情況下難以開(kāi)展X射線檢測(cè)。

氣體檢測(cè)在識(shí)別電力設(shè)備缺陷中廣泛應(yīng)用[11-12]。趙法強(qiáng)等對(duì)XLPE電纜中間接頭局部放電特征氣體進(jìn)行研究，取放電氣體中濃度含量前5的氣體作為特征氣體[13]；唐明等對(duì)XLPE粉末分別在80 ℃、120 ℃、150 ℃以及180 ℃下釋放的氣體進(jìn)行檢測(cè)，最終取氣體含量與溫度正相關(guān)的乙醛和丙酮作為特征氣體[14]；陳林聰?shù)葘?duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的空氣放電氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為可以通過(guò)檢測(cè)CO、NO2來(lái)判斷開(kāi)關(guān)柜是否有放電缺陷[15]。通過(guò)檢測(cè)電纜緩沖層燒蝕時(shí)釋放的特征氣體是值得研究的新型檢測(cè)技術(shù)，但目前應(yīng)用氣體檢測(cè)來(lái)識(shí)別緩沖層燒蝕缺陷的研究尚屬空白。且由于緩沖層燒蝕分解的產(chǎn)物具有隨時(shí)間累積的特性，氣體檢測(cè)法在測(cè)試時(shí)并不要求緩沖層有放電發(fā)生，更適于檢測(cè)電纜緩沖層這種長(zhǎng)期存在但間歇性發(fā)生的低能量局部放電。

對(duì)此，本文通過(guò)分析高壓電纜緩沖層材料組分以及模擬緩沖層放電燒蝕實(shí)驗(yàn)，收集檢測(cè)緩沖層放電燒蝕氣體、在運(yùn)正常電纜緩沖層間氣體，對(duì)比分析后總結(jié)出緩沖層放電特征氣體，最后通過(guò)檢測(cè)實(shí)際含緩沖層放電缺陷的電纜緩沖層間氣體驗(yàn)證結(jié)論，旨在提供一種新的電纜緩沖層放電缺陷檢測(cè)方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的不足。

1 電纜緩沖層燒蝕缺陷描述

1.1 電纜緩沖層燒蝕缺陷原因

由于生產(chǎn)或者運(yùn)行過(guò)程中緩沖層受潮，高壓XLPE電纜的緩沖層與鋁護(hù)套波谷的接觸處容易形成白色粉末(亦稱白斑)，其產(chǎn)生過(guò)程可解釋為：阻水粉吸水后產(chǎn)生游離的Na+和OH-離子，鋁護(hù)套上的鋁元素與2種離子發(fā)生反應(yīng)，即：

2Al+2OH-+2H2O+2Na+=

2NaAlO2+3H2↑.

隨后，空氣中的CO2進(jìn)入電纜內(nèi)部，與上述反應(yīng)生成的偏鋁酸鈉發(fā)生反應(yīng)：

2NaAlO2+2CO2+4H2O=

2Al(OH)3↓+2NaHCO3.

Al(OH)3易分解成Al2O3和H2O，當(dāng)阻水粉吸水后產(chǎn)生足夠多的OH-離子，NaHCO3繼續(xù)與游離的OH-離子發(fā)生如下反應(yīng)：

2NaHCO3+2OH-=Na2CO3+2H2O.

由以上化學(xué)反應(yīng)方程式可知，電纜緩沖層吸水后會(huì)產(chǎn)生白斑沉淀，白斑的主要成分為NaHCO3、Na2CO3和Al2O3。然而，根據(jù)白斑主要成分的電阻率極大可知，白斑呈現(xiàn)絕緣性質(zhì)，破壞了該處緩沖層與鋁護(hù)套的電氣連接，當(dāng)緩沖層上的白斑范圍增大，將導(dǎo)致絕緣屏蔽層不能有效接地。因此電纜在運(yùn)行過(guò)程中，白色粉末處的絕緣屏蔽層懸浮電位將會(huì)提升，即該處緩沖層間的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，具體如圖1所示。圖1中，外層為鋁護(hù)套，內(nèi)層為緩沖層。由于重力作用，電纜內(nèi)部并非同心圓結(jié)構(gòu)，而是在電纜底部緩沖層與鋁護(hù)套波谷處緊密接觸。該處產(chǎn)生白斑后，增大了此處的電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)層間電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)(3 MV/m)時(shí)會(huì)發(fā)生局部放電，隨著局部放電達(dá)到一定劇烈程度，就會(huì)在存在白斑缺陷的鋁護(hù)套波谷處引起燒蝕現(xiàn)象[16-18]。

圖1 緩沖層二維電場(chǎng)分布

1.2 電纜緩沖層燒蝕現(xiàn)象描述

對(duì)某些地區(qū)故障電纜緩沖層燒蝕形貌進(jìn)行觀察及分析發(fā)現(xiàn)：①皺紋鋁護(hù)套上的燒蝕處存在黑色碳化痕跡；②燒蝕缺陷嚴(yán)重時(shí)，絕緣屏蔽出現(xiàn)灼傷痕跡；③緩沖層出現(xiàn)燒蝕孔洞。緩沖層燒蝕形貌如圖2所示。由此可知，在發(fā)生燒蝕時(shí)，緩沖層材料有明顯損失，這部分材料在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生某些氣體，因此需要全面分析緩沖層的材料及元素組分。

圖2 緩沖層燒蝕形貌

2 緩沖層材料組分分析及放電模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 緩沖層材料組分

按照阻水特性，緩沖層材料一般分為半導(dǎo)電緩沖層和半導(dǎo)電緩沖阻水層。緩沖層由聚酯無(wú)紡布和蓬松型纖維復(fù)合而成[19]，主要成分是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)[20]，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為

有縱向阻水功能的緩沖層增加了高吸水性的聚丙烯酸鈉，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為

從化學(xué)結(jié)構(gòu)式可以看出緩沖層帶材成分中苯基、酯基和羰基含量較多，放電條件下纖維發(fā)生解離，這些基團(tuán)是后續(xù)特征氣體分析時(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 緩沖層形貌及元素分析

從實(shí)驗(yàn)運(yùn)行電纜中選取含有白斑的緩沖層和正常緩沖層，制取5 mm×5 mm樣品，使用電鏡能譜方法 (energy dispersion spectrum，EDS)分別對(duì)2種帶材進(jìn)行形貌觀察和元素分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 白斑與正常阻水緩沖層EDS檢測(cè)結(jié)果

從宏觀形貌上可以看出緩沖層的白斑缺陷沿皺紋鋁護(hù)套波谷路徑生長(zhǎng)，具有一定的連貫性，而正常電纜緩沖層可見(jiàn)鋁護(hù)套波谷壓痕，但并未有白斑產(chǎn)生。在微觀形貌方面，白斑物質(zhì)嵌入緩沖層纖維中，對(duì)無(wú)紡布的纖維結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)性破壞。通過(guò)EDS元素分析發(fā)現(xiàn)白斑中的主要元素成分為C、O和Na，從聚丙烯酸鈉的化學(xué)式可以推斷白斑產(chǎn)物與阻水材料有關(guān)。正常阻水緩沖層在微觀上呈現(xiàn)纖維團(tuán)簇形式，一方面有利于導(dǎo)電炭黑的在緩沖層制備過(guò)程中充分滲入，降低帶材電阻率；另一方面為XLPE的受熱膨脹提供擴(kuò)張?jiān)６?。EDS元素分析表明正常緩沖層材的主要成分為C和O，與PET材料化學(xué)式成分相符。

2.3 電纜緩沖層放電模擬

2.3.1 緩沖層放電實(shí)驗(yàn)裝置

為模擬電纜緩沖層燒蝕條件和采集放電產(chǎn)生的特征氣體，本文設(shè)計(jì)如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置。其中密封箱尺寸為27 cm×21 cm×21 cm，金屬地極板尺寸為200 mm×200 cm×3 mm，緩沖層樣品為目前應(yīng)用最多的半導(dǎo)電緩沖阻水層，氣體采樣袋容量為2 L，氣閥用于連接密封箱和氣泵，待實(shí)驗(yàn)完成后通過(guò)氣泵收集至氣體采樣袋。

圖4 緩沖層放電模擬及氣體采集裝置

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，高壓針電極與極板間距10 mm，將緩沖層試樣放置于金屬地極板中心位置，并且與針電極保持居中位置。通過(guò)分析預(yù)實(shí)驗(yàn)效果，設(shè)置試驗(yàn)?zāi)蛪弘妷? kV，升壓速率0.5 kV/s。

為避免前一次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成干擾，每次實(shí)驗(yàn)完成后使用無(wú)水乙醇噴涂擦洗試驗(yàn)裝置，通風(fēng)靜置10 min無(wú)異味后再進(jìn)行下一輪實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在上述裝置條件下對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中密封箱內(nèi)相對(duì)濕度維持在(80±5)%，溫度維持在(20±2) ℃。樣品在電壓升至4 kV時(shí)針電極尖端出現(xiàn)放電，升至7 kV時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)燃弧，此時(shí)緩沖層樣品在電弧作用下燃燒，升壓至8 kV時(shí)電弧持續(xù)燃燒，耐壓2 min，期間觀察到放電電弧間歇式重燃，如圖5所示。在放電燒蝕過(guò)程中，緩沖層沿電極中心位置徑向擴(kuò)張燒蝕，伴隨產(chǎn)生煙塵以及刺鼻性氣體，在極板上殘留黃色油狀物質(zhì)，如圖6所示。

圖5 緩沖阻水層放電燒蝕過(guò)程

圖6 緩沖層燒蝕結(jié)果及殘留油狀物質(zhì)

3 緩沖層燒蝕缺陷特征氣體分析

本章采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)合分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)采集到的緩沖層放電燒蝕產(chǎn)生的氣體樣品進(jìn)行測(cè)試分析。為了對(duì)比分析緩沖層放電燒蝕產(chǎn)生的特征氣體，提取可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的有效特征氣體，抽取檢測(cè)某電纜廠家在運(yùn)正常狀態(tài)的電纜緩沖層間氣體作為對(duì)比。

3.1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)

本文使用的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器型號(hào)為Agilent GCMS7890B-7000C，色譜柱型號(hào)為HP INNO-WAX 30 m×0.25 mm×0.25 μm，氦氣作為載氣，分流比為50∶1，檢測(cè)的進(jìn)樣方式為固相微萃取進(jìn)樣。本研究所使用的氣體分析儀器對(duì)分子量大于33的有機(jī)化合物檢測(cè)有效，因此不考慮將CH4、O3、NO2、NO等低分子量氣體或非有機(jī)化合物作為特征氣體。

3.2 在運(yùn)正常狀態(tài)電纜緩沖層特征氣體分析

對(duì)110 kV在運(yùn)正常狀態(tài)的高壓XLPE電纜緩沖層間氣體樣品進(jìn)行色譜-質(zhì)譜分析，該電纜截面積為630 mm2。由于電纜內(nèi)部的有機(jī)材料非常復(fù)雜，其揮發(fā)出來(lái)的氣體十分龐雜，為了有效篩選正常電纜緩沖層間氣體，選擇氣體峰形圖的最大峰面積3%及以上的氣體作為正常電纜緩沖層間氣體(3%以下的氣體含量太少，不是主要成分)，同時(shí)排除儀器中色譜柱流失所引入的雜質(zhì)氣體(含硅元素氣體)，結(jié)合2.1節(jié)緩沖層材料組分分析，緩沖層不含有硅元素，可確認(rèn)含硅元素的氣體為雜質(zhì)氣體。

正常電纜緩沖層間氣體總離子流如圖7所示，經(jīng)篩選，正常電纜緩沖層間氣體主要有7種。7種氣體名稱、結(jié)構(gòu)式以及氣體的體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1，由表1可知正常電纜緩沖層氣體主要包含醇類，烷烴類，酮類，酯類氣體，而芳香烴類氣體含量極少。

圖7 在運(yùn)正常狀態(tài)電纜緩沖層氣體總離子流

表1 在運(yùn)正常狀態(tài)電纜緩沖層氣體分析結(jié)果

3.3 緩沖層放電燒蝕特征氣體分析

緩沖層的放電燒蝕氣體總離子流如圖8所示。同樣選擇最大峰面積3%及以上且譜庫(kù)分?jǐn)?shù)為80以上的氣體作為緩沖阻水層放電燒蝕氣體，主要有11種氣體，11種氣體名稱、結(jié)構(gòu)式以及氣體具體含量見(jiàn)表2，由表2可知緩沖層放電燒蝕氣體有甲苯(toluene)、鄰苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate)等芳香烴類氣體，經(jīng)歸一化體積計(jì)算，各種芳香烴氣體含量占緩沖層放電燒蝕氣體的83%。

圖8 緩沖層放電燒蝕氣體總離子流

表2 緩沖層放電燒蝕氣體分析結(jié)果

對(duì)比正常電纜緩沖層間的氣體組分，可見(jiàn)癸烷(decane)為共同部分，應(yīng)排除，剩余10種芳香烴氣體均只出現(xiàn)在緩沖層放電氣體中。這些芳香烴氣體來(lái)源于緩沖層主要材料聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)的熱裂解[21]，其熱裂解產(chǎn)氣過(guò)程大體如下：

首先PET的酯鍵無(wú)規(guī)斷裂生成乙烯基酯和羧酸，反應(yīng)過(guò)程為

乙烯基酯和羧酸進(jìn)一步酯鍵斷裂得到分子更小的乙烯基酯和羧酸，同時(shí)生成對(duì)苯二甲酸二乙烯酯、對(duì)苯二甲酸單乙烯酯以及對(duì)苯甲酸，反應(yīng)過(guò)程如下，反應(yīng)式中的苯基用Ph表示：

對(duì)苯二甲酸單乙烯酯裂解成苯甲酸乙烯酯、苯甲酸、CO2；其中苯甲酸裂解成苯和CO2，反應(yīng)過(guò)程如下：

同時(shí)部分乙烯基酯和羧酸發(fā)生歧化，裂解成酸酐、乙醛以及各種芳香烴化合物，反應(yīng)過(guò)程為

分子量小的乙烯基酯有3條裂解路徑，分別生成苯甲酸、乙炔、苯乙烯、CO2以及苯乙酮、CO，反應(yīng)過(guò)程如下：

當(dāng)熱裂解溫度達(dá)到400～700 ℃，PET裂解會(huì)產(chǎn)生淺黃色的煙(如苯甲酸、對(duì)苯二甲酸等)，這與3.2節(jié)中模擬緩沖層放電燒蝕實(shí)驗(yàn)中觀察到的煙塵以及鋁板電極上有淺黃色油狀物的現(xiàn)象一致，可見(jiàn)局部放電溫度為400～700 ℃。因此電纜緩沖層間的芳香烴類氣體可作為判斷緩沖層是否發(fā)生放電的特征氣體。

PET在熱裂解過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性產(chǎn)物十分復(fù)雜，且在不同溫度下產(chǎn)生的主要揮發(fā)性產(chǎn)物不同，但在不同溫度下的產(chǎn)物都含有芳香族化合物，對(duì)比3.2節(jié)正常電纜緩沖層間的主要?dú)怏w組分，可知正常緩沖層間芳香烴類氣體含量以及種數(shù)極少，而緩沖層放電特征氣體中芳香烴類氣體體積分?jǐn)?shù)高達(dá)83%。因此，也可通過(guò)電纜緩沖層間氣體中的芳香烴類氣體是否占總氣體的主要部分(體積分?jǐn)?shù)50%以上)來(lái)判斷電纜是否有緩沖層放電缺陷。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證第3章總結(jié)的緩沖層放電特征氣體，搭建含有緩沖層放電缺陷的電纜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，收集其緩沖層間氣體，具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。該電纜為某供電局在因線路跳閘搶修故障現(xiàn)場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的含有嚴(yán)重緩沖層白斑缺陷的110 kV高壓XLPE故障電纜，并且在現(xiàn)場(chǎng)排查時(shí)發(fā)現(xiàn)該電纜有微弱的放電信號(hào)。

圖9 含緩沖層放電缺陷電纜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本研究截取該電纜的一部分用作實(shí)驗(yàn)電纜，長(zhǎng)度為18 m，電纜截面積為630 mm2，在電纜終端附近處安裝氣體采樣閥，用于抽取緩沖層間氣體，如圖10所示。對(duì)該電纜樣品持續(xù)施加額定運(yùn)行電壓(63.5 kV)7 h，監(jiān)測(cè)其放電情況。由局部放電檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果可知，施加電壓期間，該電纜樣品有明顯的放電信號(hào)，檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖10 氣體采樣閥

圖11 局部放電檢測(cè)結(jié)果

局部放電實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集并檢測(cè)其緩沖層間氣體，氣體總離子流如圖12所示。同樣選擇最大峰面積3%及以上且譜庫(kù)分?jǐn)?shù)為80以上的氣體作為該實(shí)驗(yàn)電纜緩沖層間氣體，具體氣體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 緩沖層放電電纜氣體分析結(jié)果

圖12 緩沖層放電電纜氣體總離子流

由氣體檢測(cè)結(jié)果可知，該實(shí)驗(yàn)電纜緩沖層間含有7種芳香烴類氣體，其中包含甲苯、鄰苯二甲酸二丁酯，同時(shí)芳香烴類氣體體積分?jǐn)?shù)占總氣體的82%，這驗(yàn)證了第3章結(jié)論。

5 結(jié)論

本文針對(duì)高壓電纜緩沖層燒蝕缺陷的問(wèn)題，提出利用特征氣體檢測(cè)方法。對(duì)比分析緩沖層放電缺陷氣體與正常電纜緩沖層間氣體，總結(jié)出緩沖層燒蝕缺陷特征氣體，并通過(guò)檢測(cè)實(shí)際含有緩沖層放電缺陷電纜的緩沖層間氣體來(lái)驗(yàn)證結(jié)論，具體如下：

a)正常運(yùn)行電纜緩沖層間的氣體主要包含醇類、烷烴類、酮類、酯類氣體，而芳香烴類氣體含量極少；

b)緩沖層放電燒蝕模擬產(chǎn)生的氣體中，特征氣體主要有甲苯、鄰苯二甲酸二丁酯等芳香烴類氣體，且芳香烴氣體占總氣體的主要部分，體積分?jǐn)?shù)高達(dá)83%；

c)實(shí)際含有緩沖層放電缺陷的電纜緩沖層間含有大量的芳香烴類氣體，體積分?jǐn)?shù)高達(dá)82%，因此可通過(guò)檢測(cè)緩沖層間是否含有芳香烴類氣體判斷緩沖層是否有放電缺陷。