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)分析測試中心，廣東 廣州 510641；3. 國網(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，我國城市線路電纜化率從2012年的44.98%提升至2020年的57.23%，這對電力電纜的運(yùn)行可靠性及在線檢測技術(shù)提出了更高要求。然而近20年來，中國、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?，大大縮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方法意義重大。

目前針對緩沖層燒蝕缺陷的檢測技術(shù)主要有局部放電和X光檢測。齊偉強(qiáng)等[8]對含有緩沖層燒蝕缺陷的電纜分別進(jìn)行了X射線探傷檢測以及實(shí)驗(yàn)室局部放電檢測效果驗(yàn)證，其中X射線成像圖中觀察不到緩沖層的燒蝕點(diǎn)，檢測效果不明顯；采用特高頻、高頻、超聲、脈沖電流法檢測電纜局部放電信號，均未見異常。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，因此通過局部放電檢測譜圖識別懸浮電位放電的基本特征，可以有效檢測電纜緩沖層燒蝕缺陷；但局部放電檢測會受到周圍檢測環(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的情況。劉三偉等[10]對應(yīng)用X射線檢測電纜緩沖層缺陷開展研究，認(rèn)為對檢測影像進(jìn)行深度處理后可實(shí)現(xiàn)對電力電纜緩沖層缺陷的智能識別。然而X射線檢測主要是檢測緩沖層是否有白斑，并不能檢測出是否發(fā)展到燒蝕缺陷，而且X射線檢測會受電纜敷設(shè)環(huán)境的影響，例如在電纜穿管敷設(shè)、直埋敷設(shè)等情況下難以開展X射線檢測。

氣體檢測在識別電力設(shè)備缺陷中廣泛應(yīng)用[11-12]。趙法強(qiáng)等對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XLPE粉末分別在80 ℃、120 ℃、150 ℃以及180 ℃下釋放的氣體進(jìn)行檢測，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﹂_關(guān)柜內(nèi)的空氣放電氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為可以通過檢測CO、NO2來判斷開關(guān)柜是否有放電缺陷[15]。通過檢測電纜緩沖層燒蝕時(shí)釋放的特征氣體是值得研究的新型檢測技術(shù)，但目前應(yīng)用氣體檢測來識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，氣體檢測法在測試時(shí)并不要求緩沖層有放電發(fā)生，更適于檢測電纜緩沖層這種長期存在但間歇性發(fā)生的低能量局部放電。

對此，本文通過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)，收集檢測緩沖層放電燒蝕氣體、在運(yùn)正常電纜緩沖層間氣體，對比分析后總結(jié)出緩沖層放電特征氣體，最后通過檢測實(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方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有檢測技術(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)行過程中，白色粉末處的絕緣屏蔽層懸浮電位將會提升，即該處緩沖層間的電場強(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，增大了此處的電場強(qiáng)度，當(dāng)層間電場強(qiáng)度超過空氣擊穿場強(qiáng)(3 MV/m)時(shí)會發(fā)生局部放電，隨著局部放電達(dá)到一定劇烈程度，就會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 緩沖層二維電場分布

1.2 電纜緩沖層燒蝕現(xiàn)象描述

對某些地區(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。緩沖層由聚酯無紡布和蓬松型纖維復(fù)合而成[19]，主要成分是聚對苯二甲酸乙二酯(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，具有一定的連貫性，而正常電纜緩沖層可見鋁護(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，對無紡布的纖維結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)性破壞。通過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)完成后使用無水乙醇噴涂擦洗試驗(yàn)裝置，通風(fēng)靜置10 min無異味后再進(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樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中密封箱內(nèi)相對濕度維持在(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)行測試分析。為了對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)場檢測的有效特征氣體，抽取檢測某電纜廠家在運(yùn)正常狀態(tài)的電纜緩沖層間氣體作為對比。

3.1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測

本文使用的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器型號為Agilent GCMS7890B-7000C，色譜柱型號為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分子量大于33的有機(jī)化合物檢測有效，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

對比正常電纜緩沖層間的氣體組分，可見癸烷(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。這些芳香烴氣體來源于緩沖層主要材料聚對苯二甲酸乙二酯(PET)的熱裂解[21]，其熱裂解產(chǎn)氣過程大體如下：

首先PET的酯鍵無規(guī)斷裂生成乙烯基酯和羧酸，反應(yīng)過程為

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)生成對苯二甲酸二乙烯酯、對苯二甲酸單乙烯酯以及對苯甲酸，反應(yīng)過程如下，反應(yīng)式中的苯基用Ph表示：

對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)過程如下：

當(dāng)熱裂解溫度達(dá)到400～700 ℃，PET裂解會產(chǎn)生淺黃色的煙(如苯甲酸、對苯二甲酸等)，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，收集其緩沖層間氣體，具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖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)場排查時(shí)發(fā)現(xiàn)該電纜有微弱的放電信號。

圖9 含緩沖層放電缺陷電纜實(shí)驗(yàn)平臺

本研究截取該電纜的一部分用作實(shí)驗(yàn)電纜，長度為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)測其放電情況。由局部放電檢測儀檢測結(jié)果可知，施加電壓期間，該電纜樣品有明顯的放電信號，檢測結(jié)果如圖11所示。

圖10 氣體采樣閥

圖11 局部放電檢測結(jié)果

局部放電實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集并檢測其緩沖層間氣體，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

本文針對高壓電纜緩沖層燒蝕缺陷的問題，提出利用特征氣體檢測方法。對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，并通過檢測實(shí)際含有緩沖層放電缺陷電纜的緩沖層間氣體來驗(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%，因此可通過檢測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。