徐忠林，馮 陽(yáng)，楊永鵬，茍 楊，趙 琦，周 凱

（1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力有限公司成都供電公司，四川 成都 610041；2. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

高壓電纜在電纜系統(tǒng)中承擔(dān)輸電任務(wù)，其安全運(yùn)行對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。近年來(lái)，電纜中間接頭作為電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到輸電系統(tǒng)的安全性[1-5]。

在110 kV 及以上電壓等級(jí)的中間接頭制作中，鉛封是連接鋁護(hù)套斷口與中間接頭接地銅殼的關(guān)鍵部件，具有提供護(hù)套環(huán)流泄放通道、耐熱密封性和防水保護(hù)的作用，其機(jī)械強(qiáng)度高，性能可靠[6]。但鉛封在出現(xiàn)裂紋或完全斷開(kāi)時(shí)將會(huì)在接頭中發(fā)生進(jìn)水等情況，進(jìn)而引起局部放電致使中間接頭擊穿[7-9]。現(xiàn)有研究認(rèn)為鉛封的缺陷或者裂紋主要來(lái)自制作工藝以及機(jī)械應(yīng)力變化。鉛封制作工藝不良情況包括鉛封厚度不足、鉛封與鋁護(hù)套假焊、鉛封處開(kāi)裂、鉛封時(shí)過(guò)熱等[10]。這些制作問(wèn)題將在鉛封中留下氣孔、裂紋等缺陷，對(duì)鉛封的機(jī)械強(qiáng)度造成惡劣的影響。此外，電纜運(yùn)行中由于受到外部振動(dòng)、地面沉降以及電纜負(fù)荷變化時(shí)引起的熱脹冷縮產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)使鉛封出現(xiàn)裂紋等缺陷[11]。從實(shí)際電纜運(yùn)行中來(lái)看，除制作工藝以及機(jī)械應(yīng)力之外，中間接頭鉛封處的電化學(xué)腐蝕也是引起鉛封粉化甚至斷裂的原因之一。但目前針對(duì)中間接頭鉛封處出現(xiàn)的電化學(xué)腐蝕鮮有報(bào)道，缺乏對(duì)高壓電纜中間接頭鉛封段電化學(xué)腐蝕的系統(tǒng)性研究。

為了確定中間接頭鉛封的狀態(tài)，現(xiàn)有的鉛封狀態(tài)檢測(cè)方法主要包括回路阻抗法、X射線(xiàn)檢測(cè)、超聲檢測(cè)、渦流探傷法?；芈纷杩狗ㄖ饕峭ㄟ^(guò)測(cè)量相鄰接頭間的阻抗判斷鉛封的狀態(tài)，但此方式只能檢測(cè)出鉛封完全斷裂時(shí)的狀況[12]。X 射線(xiàn)檢測(cè)法使用X 射線(xiàn)穿透被檢測(cè)物體，經(jīng)過(guò)平板探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)形成數(shù)字圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛封狀態(tài)的檢測(cè)。文獻(xiàn)[13]指出使用X 射線(xiàn)檢測(cè)會(huì)受制于原理及空間，需要多次調(diào)整射線(xiàn)源以及平板探測(cè)器角度才能對(duì)鉛封實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)，檢測(cè)圖像往往需要進(jìn)一步圖像處理才能獲取缺陷信息。文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)COMSOL 模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了渦流技術(shù)對(duì)于鉛封開(kāi)裂進(jìn)行檢測(cè)的可能性以及運(yùn)行工況下電磁干擾對(duì)鉛封渦流探傷檢測(cè)結(jié)果的影響，研究表明鉛封開(kāi)裂越嚴(yán)重，探頭線(xiàn)圈阻抗幅值和相位變化越明顯，并且渦流檢測(cè)具有抗電磁干擾的特點(diǎn)，但渦流僅能對(duì)鉛封表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)[14]。文獻(xiàn)[14]通過(guò)有限元軟件對(duì)高壓電纜終端鉛封典型缺陷進(jìn)行仿真，研究了超聲波在缺陷中的傳播特性，結(jié)果表明超聲波會(huì)在氣孔缺陷處發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，缺陷回波時(shí)間和幅值可以反映缺陷的位置，但在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中容易受到高頻噪聲的干擾。因此，現(xiàn)有鉛封狀態(tài)檢測(cè)方式均存在一定的局限性，對(duì)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)具有一定的難度。

基于現(xiàn)有的研究，本文首先對(duì)某市3 只在中間接頭銅尾管內(nèi)部發(fā)生過(guò)擊穿事故的高壓電纜中間接頭進(jìn)行解剖，并分析事故原因。然后使用電化學(xué)工作站對(duì)鉛封處銅尾管、鋁護(hù)套、鉛封焊料3種材料的開(kāi)路電位（open circuit potential，OCP）、電化學(xué)阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）、塔菲爾曲線(xiàn)（Tafel）進(jìn)行測(cè)試，以確定3種材料的抗腐蝕能力。結(jié)合事故分析與電化學(xué)工作站實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鉛封處的電化學(xué)腐蝕進(jìn)行歸納總結(jié)。最后，根據(jù)電化學(xué)腐蝕分析結(jié)果，將H2選作特征氣體，用H2的濃度表征鉛封受損以及中間接頭進(jìn)水缺陷的嚴(yán)重程度，并對(duì)在運(yùn)電纜以及退運(yùn)電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證以H2濃度反映鉛封腐蝕狀態(tài)及中間接頭進(jìn)水的有效性。

1 事故簡(jiǎn)介

近年來(lái)，某市發(fā)生了三起較為典型的110 kV 高壓電纜中間接頭擊穿事故，事故中間接頭擊穿點(diǎn)均位于中間接頭的接地銅尾管內(nèi)部，并在銅尾管表面留下?lián)舸┛?。三起事故的?jiǎn)要介紹如下：

（1）2011年6月，110 kV 某支線(xiàn)C相單相接地故障跳閘，故障相接地電流達(dá)9 kA 以上。去除接頭表面防水膠及絕緣層，發(fā)現(xiàn)在接頭銅管上有1 處徑向貫穿性的擊穿孔，擊穿中心點(diǎn)距離應(yīng)力錐尾部2 cm，擊穿區(qū)域范圍為40 mm×40 mm。

（2）2020年6月，110 kV 某支線(xiàn)C 相故障跳閘。故障原因?yàn)?#C 中間接頭擊穿，故障擊穿點(diǎn)距離擊穿側(cè)應(yīng)力錐端部7 cm 處，事故發(fā)生前此接頭已運(yùn)行18年。故障前110 kV支線(xiàn)負(fù)荷為324 A。

（3）2020年7月，110 kV某支線(xiàn)A相接頭故障擊穿，線(xiàn)路跳閘。擊穿點(diǎn)距離擊穿側(cè)鋁護(hù)套斷口20 cm，事故發(fā)生前接頭已運(yùn)行17年。故障前110 kV線(xiàn)路負(fù)荷為290.44 A。

三起事故中的電纜本體型號(hào)均為YJLW03-64/110-1×500，接頭型號(hào)為YJJJZ164/110 kV-1×500。

2 接頭解剖及事故分析

三起事故中的接頭型號(hào)一致，解剖流程一致，在解剖流程中出現(xiàn)的特征也表現(xiàn)出相似性。因此，本文僅對(duì)2020年7月事故接頭解剖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行說(shuō)明及分析。中間接頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 110 kV中間接頭結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of 110 kV intermediate joint

2.1 接頭解剖及樣本制作

110 kV 高壓電纜中間接頭主體外部由瀝青以及防爆盒包裹。去除防爆盒之后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的瀝青并未良好固化，在瀝青的縫隙中可見(jiàn)明顯的水跡。

在清理防水膠及表面防水膠帶后，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧絕緣體表面涂敷的導(dǎo)電銀漆未見(jiàn)異常，上部繞包的銅網(wǎng)表面已經(jīng)氧化。去除瀝青后在銅尾管表面發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的擊穿孔，擊穿孔附近的銅網(wǎng)已經(jīng)缺失。擊穿孔如圖2所示。

圖2 銅尾管上的擊穿孔Fig.2 Hole in copper tailpipe

去除銅尾管段表面半導(dǎo)電帶之后發(fā)現(xiàn)靠近鉛封根部的電纜鋁護(hù)套已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕斷口?；U封之后，可見(jiàn)鋁護(hù)套已經(jīng)完全腐蝕，并在斷口處發(fā)現(xiàn)聚集的白色粉末。鋁護(hù)套斷口腐蝕如圖3所示。

圖3 鉛封及鋁護(hù)套貫穿性腐蝕缺陷Fig.3 Penetrating corrosion defects of lead sealing and aluminum sheath

拆除銅尾管之后發(fā)現(xiàn)XLPE 上擊穿點(diǎn)距離鋁護(hù)套斷口處20 cm，銅尾管內(nèi)有明顯長(zhǎng)期浸水的痕跡。應(yīng)力錐的尾部有嚴(yán)重的灼燒痕跡，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力錐尾部的灼燒痕跡Fig.4 Burn marks at the tail of stress cone

非擊穿側(cè)的鉛封及鋁護(hù)套同樣存在不同程度的腐蝕，并且接地銅尾管內(nèi)部存在水跡。接頭內(nèi)部XLPE 并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的色澤改變，表面依舊存在硅脂。灼燒段應(yīng)力錐包裹的XLPE 表面出現(xiàn)了輕微的發(fā)黃跡象。

接頭完全拆解后，對(duì)發(fā)黃段主絕緣以及鉛封斷口處的白色粉末進(jìn)行采樣，并分別進(jìn)行傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）測(cè)試以及X射線(xiàn)衍射分析（X-ray diffraction，XRD）。FTIR 測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，XRD 測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 白色粉末XRD測(cè)試結(jié)果Tab.1 XRD test results of white powder

圖5 FTIR測(cè)試結(jié)果Fig.5 FTIR test results

從表1 可以看出，鉛封粉化產(chǎn)生的主要產(chǎn)物為Al(OH)3，測(cè)試結(jié)果與接頭中嚴(yán)重的鋁護(hù)套腐蝕相符合。推測(cè)晶相SiO2是隨水一同進(jìn)入接頭內(nèi)部的雜質(zhì)。通過(guò)對(duì)比新電纜中XLPE 以及變色段XLPE 的FTIR 結(jié)果來(lái)看，相較于新電纜，發(fā)黃絕緣中出現(xiàn)了兩個(gè)較為明顯的含氧基團(tuán)，分別是1 085 cm-1處的C-O 以及1 659 cm-1處的C=O[15]。根據(jù)文獻(xiàn)[16]研究顯示，XLPE 在經(jīng)過(guò)熱氧老化后分子鏈中將出現(xiàn)含氧基團(tuán)，在可見(jiàn)光的照射下，含羰基材料會(huì)展現(xiàn)出特定的顏色。由此可推測(cè)，鉛封失效后水分進(jìn)入接頭內(nèi)部，使得XLPE 在電、熱以及水分的共同作用下發(fā)生了輕微的氧化，并在主絕緣交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入含氧基團(tuán)，使部分XLPE呈現(xiàn)淡黃色。

2.2 擊穿事故分析

根據(jù)近年來(lái)相關(guān)高壓電纜附件失效相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)電纜失效的主要原因包括電纜中出現(xiàn)的局部放電以及大電流[17]。因此，本文從主要電場(chǎng)以及電流兩方面對(duì)接頭擊穿事故原因進(jìn)行分析。

為了研究鉛封失效前后的銅尾管內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度變化，本文按照電纜的實(shí)際尺寸，在COMSOL 中建立了銅尾管段的二維軸對(duì)稱(chēng)模型，并利用軟件中的AC/DC 模塊對(duì)鉛封失效前后的銅尾管內(nèi)電場(chǎng)進(jìn)行仿真。纜芯施加50 Hz、89.6×103V 的電勢(shì)，鋁護(hù)套以及銅尾管設(shè)置為接地。

在本模型中將皺紋鋁護(hù)套等效為平滑鋁護(hù)套。銅尾管與鋁護(hù)套搭接4 cm，模型整體的長(zhǎng)度為500 mm。模型的尺寸以及相關(guān)參數(shù)如表2～3所示。

表2 電纜中間接頭材料電氣參數(shù)[17]Tab.2 Electrical parameters of cable intermediate joint

表3 銅尾管段尺寸Tab.3 The size of copper tailpipe

按照物理場(chǎng)控制網(wǎng)格的方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計(jì)算之后得到銅尾管段接頭回旋幾何如圖6所示，銅尾管內(nèi)部絕緣屏蔽層表面電勢(shì)以及電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 鉛封失效前后的短端銅尾管回旋幾何Fig.6 Gyratory geometry of end copper tailpipe before and after lead sealing failure

從圖7 可以看出，鉛封失效前后的銅尾管內(nèi)部絕緣屏蔽層表面的電場(chǎng)強(qiáng)度以及電勢(shì)均未發(fā)生明顯的變化。仿真數(shù)據(jù)表明，鉛封失效前后表面電勢(shì)的最大值為18.677 V，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.080 2 kV/mm，遠(yuǎn)小于空氣的電氣強(qiáng)度（3 kV/mm），鉛封失效不足以在銅尾管內(nèi)部引起爬電以及局部放電。這是由高壓電纜中間接頭的特殊連接方式?jīng)Q定的，鉛封在電纜中間接頭處的作用主要是連接接地銅尾管與鋁護(hù)套，為鋁護(hù)套中的環(huán)流提供接地通道，同時(shí)承擔(dān)縱向阻水的作用。當(dāng)單端鉛封失效之后，鋁護(hù)套僅從雙端接地轉(zhuǎn)變?yōu)閱味私拥?，因此，鉛封失效并不會(huì)對(duì)銅尾管內(nèi)部的電勢(shì)以及電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。

圖7 鉛封失效前后銅尾管內(nèi)部電氣參數(shù)變化Fig.7 Changes of internal electrical parameters of copper tailpipe before and after lead sealing failure

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，事故在運(yùn)電纜線(xiàn)路的敷設(shè)方式為溝道敷設(shè)，三相電纜排列方式可近似為一字排列，相間距為60 cm，回路間距為200 cm，如圖8所示。圖8 表明在同一電纜溝道中同時(shí)敷設(shè)了兩回110 kV 電纜敷設(shè)線(xiàn)路。文獻(xiàn)[18-19]表明電纜敷設(shè)的間距以及回路數(shù)對(duì)護(hù)套中的環(huán)流具有較大的影響，雙回線(xiàn)路敷設(shè)會(huì)比單回路敷設(shè)下的環(huán)流高30%，并且電纜分段越不均勻環(huán)流會(huì)越大[20]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到護(hù)套中最大環(huán)流甚至可達(dá)到40 A[21]。

圖8 事故110 kV線(xiàn)路電纜敷設(shè)方式Fig.8 Cable laying mode of accident 110 kV line

當(dāng)電纜中的鉛封出現(xiàn)粉化或斷裂時(shí)，電纜鋁護(hù)套中流過(guò)的感應(yīng)電流以及泄漏電流將會(huì)改變其流入地的通道；其流通路徑將由鋁護(hù)套-鉛封-銅網(wǎng)帶-銅尾管-接地線(xiàn)變?yōu)殇X護(hù)套-繞包帶材（半導(dǎo)電層、銅網(wǎng)帶）-電纜絕緣屏蔽-應(yīng)力錐-銅制固定件-銅尾管-接地線(xiàn)。鉛封失效時(shí)，接地線(xiàn)與鋁護(hù)套之間的電阻由電纜繞包帶材電阻、絕緣屏蔽電阻、應(yīng)力錐屏蔽電阻組成。在護(hù)套環(huán)流以及電阻的共同作用下將灼燒銅尾管段的主絕緣，當(dāng)主絕緣出現(xiàn)損傷時(shí)發(fā)生擊穿故障[22]。這一解釋也正好與銅尾管段應(yīng)力錐端部燒蝕痕跡相對(duì)應(yīng)。

3 鉛封的電化學(xué)腐蝕

根據(jù)事故電纜解剖以及XRD測(cè)試結(jié)果，確定在水分進(jìn)入高壓電纜中間接頭內(nèi)部之后會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。組成電化學(xué)腐蝕最主要的3部分為電解質(zhì)溶液（水分以及雜質(zhì)離子）、不同金屬活性的金屬（主要是鋁護(hù)套、銅尾管、鉛封）、電流[23]。

3.1 鉛封處各結(jié)構(gòu)電化學(xué)測(cè)試

為了研究鉛封處3種金屬結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力，本文對(duì)事故電纜中間接頭鉛封處的銅尾管、鋁護(hù)套以及鉛封處的焊料進(jìn)行取樣，去除表面的雜質(zhì)后制成尺寸為12 mm×6 mm×1 mm 的長(zhǎng)方形樣本。實(shí)驗(yàn)裝置為上海辰華儀器有限公司的CHI760E 型電化學(xué)工作站，電解質(zhì)溶液選用蒸餾水，電解池采用常用的三電極結(jié)構(gòu)。其中，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，測(cè)試電極分別選取3種樣本，三電極裝置如圖9 所示。OCP 測(cè)試時(shí)間為400 s，EIS 測(cè)試中頻率上下限為0.1～100 000 Hz，Tafel 曲線(xiàn)測(cè)試中測(cè)量電壓范圍為-1～1 V，測(cè)試數(shù)據(jù)在ZView4軟件中進(jìn)行擬合。

圖9 三電極測(cè)試系統(tǒng)Fig.9 Three electrode test system

由于OCP 以及EIS 測(cè)量為無(wú)損測(cè)量，而Tafel測(cè)試為有損測(cè)量，因此同一樣本的測(cè)試順序?yàn)镺CP、EIS 以及Tafel。開(kāi)路電位測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。圖10中的測(cè)試結(jié)果顯示，銅、鉛封焊料、鋁護(hù)套的開(kāi)路電位隨著測(cè)試時(shí)間的增加表現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)，這是由表面腐蝕產(chǎn)物的積累抑制了陽(yáng)極反應(yīng)造成的[24]。最終，3種材料的開(kāi)路電位分別穩(wěn)定在-0.013、-0.389、-0.606 V。文獻(xiàn)[25-26]研究表明，材料的開(kāi)路電位越低，對(duì)應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)越高，材料與溶液表面電子偶空穴轉(zhuǎn)移的能力越強(qiáng)，越容易被氧化劑氧化溶解。

圖10 開(kāi)路電位測(cè)試結(jié)果Fig.10 Open circuit potential test results

圖11 為3種材料的電化學(xué)阻抗譜圖（EIS）。在材料的電化學(xué)阻抗譜研究中，任何電路都可以看作電阻與電容的簡(jiǎn)單并聯(lián)電路的線(xiàn)性組合，EIS 圖中出現(xiàn)一個(gè)圓弧就表明存在一個(gè)并聯(lián)支路。圖11 中高頻圓弧與虛軸之間的距離表示電解池內(nèi)部溶液或者固體電解質(zhì)的阻抗，在電路中一般用Rb表示。EIS 圓弧的圓心不在阻抗譜的實(shí)軸上意味著在測(cè)試過(guò)程中存在著阻礙電子移動(dòng)的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，一般用Rct表示[27]；高頻段的圓弧對(duì)應(yīng)著電極材料的初始化學(xué)溶解，中低頻段圓弧對(duì)應(yīng)材料表面的鈍化膜。圓弧的直徑越小，代表著電荷傳遞的阻力越小，在電化學(xué)中更加容易被腐蝕[25]，該過(guò)程通常使用Rct與雙電層電容CPE 并聯(lián)表示。低頻段的線(xiàn)性部分代表著離子在電極界面和溶液之間來(lái)回?cái)U(kuò)散產(chǎn)生的阻抗，使用Warburg 阻抗W表示[28]。因此，設(shè)計(jì)了電化學(xué)電荷傳遞過(guò)程和傳質(zhì)過(guò)程共同控制的電極等效電路圖，如圖12所示。

圖11 EIS譜圖Fig.11 EIS spectrum

圖12 電極的等效電路圖Fig.12 Equivalent circuit diagram of electrodes

圖11 中銅電極的圓弧半徑最大，意味著在電化學(xué)腐蝕中電荷的傳遞阻力最大，在腐蝕中最容易保持穩(wěn)定。相較于銅電極，鋁護(hù)套與鉛封焊料則更加容易發(fā)生電化學(xué)溶解。

圖13為3種電極材料在蒸餾水中的Tafel曲線(xiàn)。Zview 擬合極化曲線(xiàn)獲得的電化學(xué)參數(shù)包括陽(yáng)極Tafel 斜率ba、陰極Tafel 斜率bc、腐蝕電流密度Jcorr以及腐蝕電位Ecorr，擬合結(jié)果如表4所示。

圖13 3種電極材料的Tafel曲線(xiàn)Fig.13 Tafel curves of three eletrodes

表4 3種電極材料的電化學(xué)參數(shù)Tab.4 Electrochemical parameters of three electrode materials

Ecorr與Jcorr都是反映材料抗腐蝕能力的參數(shù)，腐蝕電位越低，腐蝕電流密度越大，材料越容易被腐蝕或者氧化[25]，表4 結(jié)果與OCP 和EIS 的測(cè)試結(jié)果相符合。根據(jù)Tafel 公式，ba與bc越小，電子的傳遞系數(shù)將會(huì)越大，表明材料的腐蝕反應(yīng)速率增大，容易被腐蝕。由表4可知，3種材料中鋁護(hù)套的抗腐蝕能力最差，銅抗腐蝕能力最高。

3.2 原電池腐蝕

金屬腐蝕研究表明金屬越活潑，其化學(xué)電位值越小，越容易在反應(yīng)中失去電子成為陽(yáng)極材料[20]。本文3.1 節(jié)中得到銅尾管、鉛封焊料以及鋁護(hù)套的OCP 分別為-0.013、-0.389、-0.606 V。兩種金屬電位差別最大的材料更加容易構(gòu)成原電池腐蝕，因此在鉛封端最主要的腐蝕為Al-Cu原電池。鉛封的腐蝕作為次要的腐蝕。

當(dāng)電解質(zhì)溶液中含有比鋁金屬化學(xué)電位高的金屬陽(yáng)離子時(shí)，鋁電極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，并在銅電極上發(fā)生貴金屬陽(yáng)離子析出的反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中貴金屬陽(yáng)離子的濃度下降，使得原電池反應(yīng)放緩，但隨著電纜接頭持續(xù)進(jìn)水，貴金屬陽(yáng)離子的補(bǔ)充又會(huì)促進(jìn)反應(yīng)的加速。

鋁電極發(fā)生的氧化反應(yīng)如式（1）所示。

當(dāng)電解質(zhì)溶液呈現(xiàn)電中性或堿性，且不含有貴金屬陽(yáng)離子時(shí)，在兩電極發(fā)生吸氧反應(yīng)，如式（2）～（3）所示。

在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的Al(OH)3等沉淀附著在陽(yáng)極金屬的表面，使得反應(yīng)的接觸面積減小，減緩反應(yīng)的進(jìn)行。

當(dāng)電介質(zhì)溶液中含有大量的H+時(shí)，電解質(zhì)溶液呈現(xiàn)出酸性的特征，此時(shí)在銅電極上發(fā)生的還原反應(yīng)如式（4）～（5）所示。

3.3 電解池腐蝕

電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，由外加電源、電解質(zhì)溶液、電極構(gòu)成。在電解池反應(yīng)過(guò)程中與電源正極相連接的電極定義為陽(yáng)極，與電源負(fù)極連接的電極定義為陰極。

當(dāng)電源為交流電源時(shí)，電解池反應(yīng)可分解為兩階段進(jìn)行分析。將鋁電極為陽(yáng)極時(shí)定義為正半周期，活性金屬Al作為陽(yáng)極。因此在正半周期的陽(yáng)極過(guò)程為Al 的腐蝕，Al 作為陽(yáng)極失去電子被氧化，生成的Al3+進(jìn)入到電解質(zhì)溶液中，部分Al3+將會(huì)和OH-相結(jié)合，生成白色沉淀。溶液中的陽(yáng)離子將會(huì)依據(jù)氧化性從強(qiáng)到弱的順序，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。在本示例中，溶液中的Cu2+將會(huì)在陰極被還原。酸性條件下，H+則會(huì)被還原成為H2。

在負(fù)半周期內(nèi)，Cu 作為活性金屬，被強(qiáng)制氧化成為Cu2+進(jìn)入溶液，但在正半周期內(nèi)Cu2+又會(huì)被還原。由于被氧化的Al3+氧化性小于水中的H+，在電解池反應(yīng)中始終不能被還原成單質(zhì)附著在電極上。因此，在整個(gè)電解池反應(yīng)中，損失量最大的金屬為Al。圖14 為活性電極組成交流電解池反應(yīng)中的電子流向與物質(zhì)生成關(guān)系[23]。

圖14 交流電下的電解池反應(yīng)Fig.14 Electrolytic cell reaction under alternating current

此外，當(dāng)惰性電極參與電解池反應(yīng)時(shí)，此時(shí)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)由電解質(zhì)溶液中離子的氧化性以及還原性所決定，反應(yīng)遵循放電順序。為了驗(yàn)證鋁的電解池反應(yīng)，本文搭建Al-C 電解池并施加50 Hz、15 V 電源，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可明顯觀察到Al 電極出現(xiàn)了明顯的腐蝕凹坑以及氣泡。

3.4 鋁的交流電腐蝕

文獻(xiàn)[29]研究表明鋁在水與交流電的作用下也會(huì)發(fā)生腐蝕。鋁金屬為活潑金屬，在空氣中表面會(huì)形成一層致密但含有缺陷的氧化膜（Al2O3，Al2O3?xH2O）。氧化膜通常由兩層薄膜組成：①致密無(wú)孔的阻擋層；②大塊疏松的本征層。鋁金屬截面如圖15所示。

圖15 鋁金屬截面Fig.15 The structure of aluminum section

文獻(xiàn)[29]定義電子遠(yuǎn)離金屬表面缺陷時(shí)為正半周期。在正半周期內(nèi)，電解質(zhì)溶液中的H+離子從金屬氧化物表面被拉走。在氧化膜缺陷處，Al3+離子逸出進(jìn)入溶液，與水結(jié)合形成腐蝕產(chǎn)物Al2O3或Al2O3?3H2O，如式（6）所示。溶液中的OH-為了維持局部的電中性會(huì)往金屬氧化物薄膜靠近，如圖16(a)所示。

圖16 鋁的交流電腐蝕[29]Fig.16 Alternating current corrosion of aluminum

OH-層的發(fā)展會(huì)使得金屬表面pH 值增大。在負(fù)半周期內(nèi)，H+離子被驅(qū)動(dòng)到氧化物表面，而OH-離子被驅(qū)動(dòng)離開(kāi)。H+在此時(shí)得到電子，變成H2被釋放，如圖16(b)所示。溶液中H+離子的消耗會(huì)使得鋁金屬表面的pH 值進(jìn)一步增大，促使表面氧化膜溶解，如式（7）所示。

氧化物薄膜的溶解導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)更多的缺陷，使得Al被氧化成為Al3+，造成金屬的腐蝕?？傊?，在鋁的交流電腐蝕中最主要的兩方面為Al在正半周期通過(guò)氧化成為Al3+進(jìn)入溶液，造成Al 金屬的腐蝕。另一方面則是整個(gè)周期內(nèi)的反應(yīng)引起溶液的pH值增大，造成表面金屬氧化物薄膜的破壞。

經(jīng)過(guò)后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁金屬表面電流密度小于0.077 5 mA/cm2時(shí)，鋁的交流電腐蝕并不會(huì)發(fā)生，當(dāng)表面電流密度達(dá)到0.155 mA/cm2時(shí)，會(huì)發(fā)生較為明顯的氧化層破壞[29]。

根據(jù)上述原電池、電解池、鋁的交流電腐蝕反應(yīng)過(guò)程可以得到以下結(jié)論：①鋁在電化學(xué)腐蝕中更容易被腐蝕，且被腐蝕后產(chǎn)生的Al3+不能通過(guò)還原反應(yīng)還原。在電流的作用下，3種腐蝕中鋁的電解池腐蝕最為嚴(yán)重，原電池腐蝕反應(yīng)程度最低；②腐蝕產(chǎn)物包括Al(OH)3或Al2O3?xH2O 等白色沉淀以及H2；③銅尾管在反應(yīng)過(guò)程中幾乎不會(huì)受損。

4 中間接頭進(jìn)水缺陷診斷

在本文第3節(jié)中可以發(fā)現(xiàn)H2會(huì)作為鉛封段腐蝕的特別產(chǎn)物出現(xiàn)，因此考慮將H2作為高壓電纜中間接頭的狀態(tài)檢測(cè)特征氣體。

首先對(duì)已經(jīng)切除的電纜中間接頭采取打孔抽氣的方式進(jìn)行測(cè)試。氫氣傳感器型號(hào)為ADKS-1，可測(cè)量體積分?jǐn)?shù)為0～2 000×10-6。測(cè)試點(diǎn)位分別為防爆盒遠(yuǎn)端電纜本體A、防爆盒近端電纜本體B、防爆盒C 點(diǎn)。測(cè)得H2體積分?jǐn)?shù)分別為13×10-6、2 000×10-6、2 000×10-6。拆除接頭之后可見(jiàn)明顯水跡。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證H2與電纜接頭受潮程度的相關(guān)性，對(duì)退運(yùn)電纜以及在運(yùn)電纜進(jìn)行H2檢測(cè)，檢測(cè)方式包括對(duì)潛水艇外殼開(kāi)蓋測(cè)量、電纜本體上打孔測(cè)量、中間接頭的長(zhǎng)端或短端測(cè)量。測(cè)試儀器為APES-ZH2-ZM 型便攜式氣體檢測(cè)儀，可測(cè)量體積分?jǐn)?shù)為0～40 000×10-6，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 接頭氣體檢測(cè)部分結(jié)果Tab.5 Partial results of joint gas detection

表5 的測(cè)試結(jié)果表明，H2濃度可以有效反應(yīng)電纜鉛封段腐蝕以及中間接頭的進(jìn)水情況。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10 000×10-6時(shí)，說(shuō)明鉛封已經(jīng)出現(xiàn)貫穿裂紋。H2濃度越高，表明鉛封腐蝕以及中間接頭進(jìn)水情況越嚴(yán)重。對(duì)在運(yùn)的電纜線(xiàn)路進(jìn)行氫氣測(cè)試之后得到的部分結(jié)果如表6所示。

表6測(cè)試結(jié)果表明，在同一接頭中，靠近鉛封位置處的H2濃度要遠(yuǎn)高于防爆盒內(nèi)的濃度，H2濃度分布特點(diǎn)與第3 節(jié)中推測(cè)的電化學(xué)腐蝕的位置相對(duì)應(yīng)。從整體測(cè)試結(jié)果來(lái)看，接頭中H2含量能夠反映中間接頭的進(jìn)水程度，并且測(cè)得最大的H2體積分?jǐn)?shù)并未超過(guò)40 000×10-6。H2體積分?jǐn)?shù)越高，中間接頭進(jìn)水并發(fā)生電化學(xué)腐蝕的可能性越高。根據(jù)某市現(xiàn)有的測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)接頭中H2體積分?jǐn)?shù)高于8 000×10-6時(shí)可認(rèn)為接頭已經(jīng)發(fā)生了進(jìn)水狀況，需要運(yùn)行單位對(duì)中間接頭進(jìn)行渦流探傷以及X 射線(xiàn)檢測(cè)等測(cè)試，綜合評(píng)估中間接頭的運(yùn)行狀態(tài)。但這一具體閾值需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行現(xiàn)狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定?，F(xiàn)有測(cè)試結(jié)果表明通過(guò)監(jiān)測(cè)中間接頭段H2含量有望發(fā)展成為高壓電纜中間接頭進(jìn)水缺陷的新型監(jiān)測(cè)方式，并且具有實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用前景。

表6 部分線(xiàn)路氫氣檢測(cè)結(jié)果Tab.6 Hydrogen detection results of some lines

5 結(jié)論

（1）交叉互聯(lián)系統(tǒng)使得鉛封失效不會(huì)引起銅尾管內(nèi)部發(fā)生爬電以及局部放電，引起銅尾管段絕緣擊穿的原因在于鉛封失效后護(hù)套環(huán)流熱效應(yīng)灼燒銅尾管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，損傷絕緣引起。

（2）鉛封段主要的腐蝕產(chǎn)物為Al(OH)3，電化學(xué)工作站測(cè)得銅尾管、鉛封焊料以及鋁護(hù)套的OCP 分別為-0.013、-0.389、-0.606 V。鉛封段的鋁護(hù)套最容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，包括原電池、電解池以及鋁的交流電腐蝕。腐蝕的結(jié)果是鉛封粉化斷裂。

（3）H2可以作為特征氣體反映中間接頭的進(jìn)水狀態(tài)。接頭中H2濃度越高，則發(fā)生的電化學(xué)腐蝕以及進(jìn)水越嚴(yán)重，需要運(yùn)行單位對(duì)接頭進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)與處理。具體的H2濃度預(yù)警閾值需要結(jié)合當(dāng)?shù)仉娎|的實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀，在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行選取。