劉宏亮，劉若溪，陳平，任志剛，李華春，侯宇程，車瑤，王帥， 馮濤，李浩浩，李斌

(1.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院，北京 100062；2.江蘇上上電纜集團有限公司，江蘇 溧陽 213300)

我國66 kV及以上電壓等級的高壓電纜大多采用半導電緩沖阻水層和皺紋鋁護套結構[1]。據(jù)統(tǒng)計，2010年至今，北京地區(qū)共發(fā)生110 kV及以上電壓等級電纜故障共計11起，其中電纜緩沖層燒蝕、白斑引發(fā)故障6起，電纜緩沖層燒蝕引發(fā)的故障占比超過一半。國家電網(wǎng)有限公司(以下簡稱“國網(wǎng)”)自2001年至今，發(fā)生電纜緩沖層燒蝕故障26起。此外廣東省、新加坡、澳大利亞等地也出現(xiàn)電纜半導電緩沖阻水層燒蝕、白斑引起的故障案例[3]。早期階段，許多電纜生產(chǎn)企業(yè)對半導電緩沖阻水層的作用及性能認識不足，造成結構設計不合理，同時關于高壓電纜的國家標準對緩沖層的要求規(guī)定不夠準確詳細，體積電阻率制訂數(shù)據(jù)偏大[11]，且沒有相應標準對半導電緩沖阻水層性能指標和檢測方法作出明確要求，導致該問題頻頻發(fā)生[12]。

相關文獻中，宮瑞磊等[17]針對緩沖層與波紋鋁護套之間的間隙，通過理論計算的方式研究電纜電場分布，發(fā)現(xiàn)電場強度隨緩沖層與波紋鋁護套之間間隙的增大而增大，存在氣隙放電的可能。張瀚[18]、周松霖等[19]通過理論計算和建模仿真的方式得到高壓電纜的電場分布，認為波紋鋁護套與緩沖層之間存在的空氣間隙會導致電場畸變，而間隙寬度減小會加劇金屬護套與緩沖層之間的放電，間隙的起始放電電壓隨間隙的增大而增大。孫進等[20]提出緩沖層中的阻水粉可能從半導電聚酯纖維布中溢出，游離在緩沖層與金屬護套之間的空隙內，在均熱狀態(tài)下吸附在金屬護套與緩沖層表面并聚集，使得在金屬護套與緩沖層之間形成一層絕緣膜，導致該處電場發(fā)生畸變，緩沖層與金屬護套之間產(chǎn)生電位差，最終導致空氣放電。鄧聲華等[21]通過實驗證實緩沖層在注水后，其體積電阻率大幅上升，水分影響白斑形成，進一步通過能譜分析發(fā)現(xiàn)其中鈉元素和鋁元素增多，說明可能是化學腐蝕導致緩沖層燒蝕。

目前半導電緩沖阻水層的故障分析多側重理論計算和有限元仿真，由于實際建模未必能夠完全對應電纜的真實運行情況，結果可能存在較大的偏差甚至相悖。目前未見通過在成品電纜中開展相關試驗對電纜緩沖層故障模擬驗證的報道。針對這一問題，本文通過制備相應結構的成品電纜長期帶電運行，在成品電纜上模擬接觸不良放電、電容電流燒蝕、白斑形成等多項試驗并開展分析。

1 皺紋鋁護套與半導電緩沖層接觸不良放電試驗模擬

試制1段64/110 kV 1×240 mm2的電纜樣品，樣品的皺紋鋁護套波谷內徑比半導電緩沖阻水層外徑大1.5 mm，模擬皺紋鋁護套與半導電緩沖層的接觸不良放電。試驗測量原理如圖1所示。圖1中：Cal為校準電容器，Ck為耦合電容器，Cx為試驗電纜，D為檢測儀器，V為高壓電壓表，W為交流電源，Z為濾波器，ZA為輸入單元。

圖1 測量原理

在導體和金屬套間施加96 kV的電壓(1.5U0，U0為電纜相電壓)，未檢測到局部放電(以下簡稱“局放”)信號。

重新制備樣品，將半導電緩沖阻水層和皺紋鋁護套之間的間隙減小到0.3 mm，電壓升至30 kV左右時開始檢測到局放信號。圖2是美國希波局放儀檢測到的電纜分別在96 kV、150 kV電壓下的接觸不良放電圖譜。不同于電纜本體放電，圖2有明顯的間隙放電特征，即：放電脈沖對稱分布于電壓零值兩側，在峰值處為0，電壓升高時其放電范圍和放電幅值變化不大，與DL/T 417—2019《電力設備局部放電現(xiàn)場測量導則》接觸不良的放電圖譜一致。

圖2 接觸不良放電圖譜

上述2個對比試驗與某些文獻的電場仿真結論有一定出入，這是由于半導電緩沖阻水層和鋁護套之間間隙增加，二者間電場強度(以下簡稱“場強”)減小。通過對環(huán)形皺紋鋁護套結構進行場強仿真(如圖3所示)，間隙1.5 mm時的最大場強出現(xiàn)在波谷處，場強不足0.3 kV/mm，小于空氣的擊穿強度(3 kV/mm)，試驗時無局放產(chǎn)生。重新制作的電纜樣品緩沖層和鋁護套之間間隙減小(間隙0.3 mm)，場強增加，超過空氣的擊穿場強，當施加電壓時，可檢測到局放信號。

圖3 半導電緩沖層與金屬套之間的場強仿真

2 充電電流對緩沖層燒蝕試驗

高壓電纜相當于圓柱形電容器，其阻抗等效電路圖4所示。圖4中，XXLPE為絕緣層的電抗，RXLPE為絕緣層電阻，XH為半導電緩沖阻水層電抗，RH為半導電緩沖阻水層自身電阻，Rcon為半導電緩沖阻水層和金屬套的接觸電阻，Ic為充電電流(也稱電容電流)。

圖4 高壓電纜等效阻抗電路

由于RXLPE?XXLPE，RXLPE、XXLPE并聯(lián)時可忽略RXLPE；XH?RH，RH、XH并聯(lián)時可忽略XH。因此等效電路簡化如圖5所示。

根據(jù)圖5的簡化的阻抗電路，高壓電纜在帶電運行期間，相當于對電容充電，有持續(xù)的充電電流Ic流過半導電緩沖阻水層，緩沖層電阻(RH+Rcon)在Ic的作用下產(chǎn)生熱效應。當半導電緩沖阻水層和鋁護套接觸不良，有效傳導充電電流的緩沖層面積減小，使得通過半導電緩沖阻水層的單位電流密度增加，較大的充電電流密度會對半導電緩沖阻水層產(chǎn)生燒蝕。

圖5 高壓電纜等效簡化阻抗電路

本試驗試制110 kV的500 mm2電纜樣品85 m，半導電緩沖阻水層外繞無紡布，在電纜中間位置(約42 m處)，長85 cm不繞無紡布，樣品電纜只有此1%長度的半導電緩沖阻水層與鋁護套接觸。由于無紡布的體積電阻率(1014Ω·cm)遠大于半導電緩沖層的體積電阻率(104Ω·cm)，相當于絕緣，根據(jù)電阻分流原理，充電電流只在85 cm長未繞無紡布的半導電緩沖層流通。本試驗用于模擬接觸不良狀態(tài)下充電電流對半導電緩沖阻水層的燒蝕。

在導體和金屬套間施加96 kV的電壓(1.5U0)，金屬套可靠接地，累計施加電壓32 d，試驗結束后解剖電纜，檢查燒蝕情況，如圖6所示。圖6中，有1段長度約85 cm的黑色部分是裸露的半導電緩沖阻水層，其余全部繞包了白色的無紡布，相當于只有正常電纜1%的半導電緩沖層與鋁護套接觸。全面檢查發(fā)現(xiàn)無紡布、緩沖層表面均無可見燒蝕孔洞或碳化痕跡。

圖6 電纜剖開檢查

長度85 m、110 kV 的500 mm2電纜，在96 kV電壓下的充電電流

Ic=UωCL.

(1)

式中：U為導體對地電壓(試驗電壓為96 kV)；樣品長度L=85 m；電容C=1.65×10-10F/m；ω為角頻率，ω=2πf，f為電源頻率。將相關數(shù)據(jù)代入式(1)計算出Ic=424 mA。

Ic全部經(jīng)由長度85 cm的緩沖層與鋁護套通過接地線釋放，85 cm長電纜緩沖層表面積

S=πdL.

(2)

式中d為半導電緩沖阻水層外徑，取值77 mm。代入式(2)計算得出S=0.21 m2。

電流密度

J=Ic/S.

(3)

代入相關數(shù)據(jù)計算得出J=2 A/m2。

由此可見，與正常結構的運行電纜相比，試驗電纜半導電緩沖阻水層和鋁護套只有1%的長度有效接觸，施加電壓為1.5U0，相當于試驗電流密度為實際運行電流密度的150倍，運行32 d后無燒蝕或碳化痕跡。也就是在緩沖層性能良好、緩沖層和鋁護套緊密接觸情況下，不可能發(fā)生充電電流燒蝕半導電緩沖阻水層的情況。

但當半導電緩沖阻水層受潮后，緩沖層電阻急劇增加[21]，相同的電流密度熱效應也明顯增加。為進一步研究溫度、濕度與電流密度對緩沖層燒蝕發(fā)展規(guī)律的影響，在恒溫、恒濕箱中進行模擬燒蝕實驗。恒溫、恒濕箱溫度調節(jié)范圍為-70～150 ℃，相對濕度調節(jié)范圍為0～100%，試驗裝置如圖7所示。

圖7 電流燒蝕模擬裝置

為加速反應進程，設定試驗電流密度分別為10 A/m2、20 A/m2、30 A/m2、40 A/m2，環(huán)境濕度分別為90%、80%、70%；考慮溫度的影響，分別取35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃ 這4個溫度點。設電流密度值為自變量，燒蝕起始時間t0為因變量，溫度、濕度為環(huán)境條件，得到不同環(huán)境條件下燒蝕起始時間隨電流密度變化擬合曲線，如圖8所示，其中RH為環(huán)境濕度。

由圖8可知，在一定的溫度與濕度條件下，燒蝕起始時間的自然對數(shù)與電流密度近似呈線性關系。隨著溫度改變，對應直線的斜率與截距發(fā)生變化；隨著濕度改變，斜率與截距大幅變化。

此外，鋁護套、緩沖層中的導電碳黑和水三者形成原電池，其中鋁較為活潑，形成原電池的負極，導電碳黑為正極。正極發(fā)生的反應為H2O得電子，生成H2和OH-，對應的電極電勢為-0.827 7 V；負極發(fā)生的反應為Al失電子，生成Al(OH)3，電極電勢為-2.31 V，Al-C原電池的標準電動勢為1.5 V，氧化還原反應可以自發(fā)進行，鋁作為負極被氧化腐蝕。此反應長期發(fā)展會對鋁產(chǎn)生腐蝕，且該反應為放熱反應， 局部溫度過高會對半導電緩沖阻水層產(chǎn)生燒蝕。

由試驗可知，干燥狀態(tài)下的半導電緩沖層不太容易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，當半導電緩沖層受潮時，較易發(fā)生燒蝕，尤其在潮濕環(huán)境下，電化學持續(xù)進行，電纜在長期運行過程中出現(xiàn)半導電緩沖層燒蝕的風險較高。

3 白斑形成原因分析

3.1 半導電緩沖阻水層的強吸濕性

半導電緩沖阻水層是由1層半導電蓬松棉、 1層半導電無紡布，以及兩者之間涂粘的阻水粉組成。阻水粉的主要成分是聚丙烯酸鈉(C3H3NaO2)n，聚丙烯酸鈉含有大量親水基團。制備阻水粉過程中，通過特定的工藝制備出表面粗糙、內部多孔的結構，讓更多的親水基團暴露在高分子吸濕材料表面，賦予樹脂相互貫通的毛細孔道，增加材料的比表面積，進而增加吸濕材料與水分子的作用點，增大水分子在吸濕材料內部的固定結合力，使得材料具有極強的吸水性能[22]，一旦吸濕，將很難脫水。半導電緩沖阻水層受潮后，會有阻水粉析出，在表面形成白斑或白色粉末。

3.2 半導電緩沖阻水層/半導電緩沖層溶液的pH值

試驗分別取3個廠家的半導電緩沖阻水層和1個廠家的半導電緩沖層。在樣片中心區(qū)域，剪30 mm×15 mm各一小塊，浸泡于250 ml的蒸餾水中，每20 min攪拌1次，1 h后測其pH值，結果見表1。

表1中前3種樣品為半導電緩沖阻水層，含阻水粉，pH值呈堿性；第4種樣品為半導電緩沖層，不含阻水粉，pH值呈酸性。半導電緩沖阻水層溶液之所以呈堿性，是因為阻水粉的主要成分聚丙烯酸鈉鹽是強堿弱酸鹽，且在制備過程中會添加過量氫氧化鈉，溶液中有OH-存在。純鋁屬于活潑金屬，在空氣中極易被氧化，在表面生成致密的氧化膜，氧化膜保護鋁不再進一步被氧化。但在堿性環(huán)境下，OH-使氧化膜被破壞，失去對鋁自身的保護作用。

表1 半導電緩沖(阻水)層溶液的pH值

3.3 白斑成分物化檢測

3.3.1 X射線熒光光譜分析

在故障電纜上分別取燒蝕的和完好的半導電緩沖阻水層，進行X射線熒光光譜(X-ray fluorescence spectrometry，XRF)分析，燒蝕前后各物質成分變化見表2。

表2 燒蝕前后各元素成分比例

由表2可以看出，燒蝕后緩沖層的物質組分有變化，鋁元素比例由0.998%增加到3.190%，鋁含量明顯增加。

3.3.2 傅里葉紅外光譜測試

分別取故障電纜緩沖層表面的白色粉末和未燒蝕處的阻水粉開展紅外光譜測試，阻水粉、燒蝕粉末紅外光譜如圖9所示。阻水粉與燒蝕處粉末的吸收峰在波數(shù)1 000～1 600(成分中存在苯環(huán)及稠芳環(huán)或長碳鏈)及3 300(存在烷基與不飽和烴)的2個波段略有差異，其余變化規(guī)律基本一致。差異原因可能是燒蝕過程導致阻水粉中某些物質發(fā)生化學反應，降低了其含量。可以認為白色粉末主要由高吸水樹脂為主的阻水粉組成，結合XRF分析，白色粉末還包含氧化鋁成分。

圖9 阻水粉、燒蝕粉末紅外光譜圖

半導電緩沖阻水層受潮是形成白斑的重要原因，這是由于半導電緩沖阻水層受潮后，阻水粉容易析出，附著在緩沖層表面。此外，金屬護套中的鋁表面的保護膜在堿性環(huán)境下受到破壞，生成氫氧化鋁也會沉降在半導電緩沖層表面，長期發(fā)展積累成為肉眼可見的白色粉末。白色粉末中含有阻水粉和鋁的混合物，兩者均不導電。用萬用表測量緩沖層表面直流電阻，測量原理如圖10所示，在萬用表兩探針間距相同的情況下，無白色粉末區(qū)域的緩沖層表面電阻為3.4 kΩ，而存在白色粉末區(qū)域的緩沖層表面電阻達18.1 MΩ，增大5 000多倍。當電纜運行時間增加，白色粉末大量增加，覆蓋在半導電緩沖阻水層表面，增大了半導電緩沖阻水層與金屬護套的接觸電阻。

圖10 半導電緩沖層表面白斑電阻測量

4 白斑試驗模擬驗證

制作110 kV 、240 mm2電纜樣品，在緩沖層繞包工序生產(chǎn)時，使用噴霧器對半導電緩沖阻水層材均勻噴濕，然后生產(chǎn)至成品。在導體和金屬套之間施加電壓96 kV，同時利用穿心變壓器對電纜導體加熱，導體溫度90 ℃，加壓、加熱試驗時間累積50 d。試驗現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 試驗現(xiàn)場

試驗結束后剖開電纜對緩沖層表面開展檢查。檢查結果如圖12所示，由圖12發(fā)現(xiàn)在緩沖層表面有白色粉末狀物質，對應的鋁護套內表面有明顯腐蝕的痕跡。

圖12 緩沖層上的白斑和鋁護套表面腐蝕的痕跡

5 結論

a) 半導電緩沖阻水層與鋁護套間隙會導致半導電緩沖層和鋁護套之間存在局放，間隙越小，場強越高，長期放電會導致半導電緩沖層燒蝕。正常運行電纜的充電電流(電容電流)的熱效應不足以對半導電緩沖阻水層燒蝕，半導電緩沖阻水層受潮后，燒蝕起始時間大幅降低。

b)半導電緩沖阻水層受潮是白斑形成的重要因素，白斑是阻水粉和氧化鋁的混合物。半導電緩沖阻水層受潮阻水粉極易析出，溶液呈堿性，鋁護套在堿性環(huán)境下表面的氧化膜被破壞，受到電化學腐蝕，形成氧化鋁。

c)燒蝕和白斑是2種不同的發(fā)生機理，兩者相伴發(fā)生，又相輔相成。白斑中的阻水粉和氧化鋁均為不導電物質，白斑分布在鋁護套波谷和半導電緩沖層接觸的位置，增大了兩者的接觸電阻，會進一步加劇放電燒蝕的發(fā)生。