國網(wǎng)青海省電力公司西寧供電公司 張明帥 武尚玉 張大平

1 引言

110kV 電力電纜是輸送高壓電力的重要組成部分，其可靠性和安全性對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。但是近年來，高壓電纜緩沖層燒蝕故障的發(fā)生頻率逐漸增加，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來了嚴(yán)重的威脅，對110kV 電力電纜緩沖層燒蝕問題進(jìn)行深入研究和分析，以尋找解決方案和預(yù)防措施。

2 高壓電纜緩沖層的作用

2.1 電氣連接作用

電氣連接作用位于絕緣層和金屬護(hù)套之間，通過良好的電氣連接確保電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性。緩沖層能夠提供有效的接地路徑，降低電纜接頭和連接點(diǎn)的電阻，減少能量損耗，并提高電氣性能，確保電能在高壓電纜中的有效傳輸，減少電壓降和功率損耗。

2.2 緩沖和保護(hù)作用

高壓電纜緩沖層具有緩沖和保護(hù)作用，用于減輕外部力量對電纜的沖擊和振動(dòng)[1]。當(dāng)電纜受到外部沖擊或機(jī)械應(yīng)力時(shí)，緩沖層能夠吸收和分散這些力量，減少對電纜絕緣層和導(dǎo)體的損害。

2.3 實(shí)現(xiàn)高壓電纜的縱向阻水功能

高壓電纜通常需要在濕潤或潮濕的環(huán)境中工作，緩沖層作為電纜的內(nèi)層，具有一定的防水性能，能夠有效地阻止水分沿電纜軸向滲透，實(shí)現(xiàn)高壓電纜的縱向阻水功能可以提高電纜的絕緣性能和工作可靠性，確保電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性[2]。

3 高壓電纜緩沖層燒蝕故障的研究現(xiàn)狀

通過對高壓電纜緩沖層燒蝕故障的研究現(xiàn)狀的分析[3]，可以更好地理解其成因和影響因素，助于制定相應(yīng)的預(yù)防和控制措施，提高電纜的可靠性和安全性，并延長其使用壽命。

3.1 白色粉末的成分及成因

燒蝕故障是高壓電纜緩沖層常見的問題之一，其中出現(xiàn)的白色粉末引起了廣泛關(guān)注。研究表明[4]，白色粉末主要由緩沖層材料的降解產(chǎn)物組成，如硅酸鹽、氫氧化物等。

3.2 皺紋鋁套間隙與緩沖層材料的影響

皺紋鋁套作為電纜護(hù)套的重要組成部分，與緩沖層材料之間的間隙對燒蝕故障的發(fā)生和發(fā)展起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)[5]，間隙的存在會(huì)導(dǎo)致局部電場集中，加劇緩沖層的熱降解，從而增加了燒蝕故障的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 緩沖層進(jìn)水或受潮的影響

高壓電纜在使用過程中，存在進(jìn)水或受潮的可能，受潮之后對緩沖層的絕緣線產(chǎn)生影響，進(jìn)而可能引起一系列緩沖層的燒蝕故障。研究表明，水分的存在會(huì)改變緩沖層材料的絕緣性能和熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致其降解速度加快。水分不僅會(huì)與緩沖層材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有害物質(zhì)，還會(huì)形成導(dǎo)電路徑，加劇熱降解和燒蝕的發(fā)生。

4 高壓電纜緩沖層受潮模擬試驗(yàn)及分析

在高壓電纜的運(yùn)行過程中，緩沖層常常暴露于潮濕的環(huán)境中，對此進(jìn)行不同情況下水分對緩沖層的影響進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)將分為有電流作用和無電流作用兩種情況。

4.1 水分對緩沖層的影響

4.1.1 有電流作用

有電流作用的水分對緩沖層的影響十分重要，為此設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)來模擬有電流作用下水分對緩沖層的影響，并分析了試驗(yàn)過程和結(jié)果。

試驗(yàn)過程:一是樣本準(zhǔn)備。選擇具有代表性的緩沖層材料樣本，并確保其質(zhì)量和尺寸一致。二是試驗(yàn)設(shè)備。搭建電流通路，包括電源、電流測量儀器等，如圖1所示。三是試驗(yàn)條件。設(shè)置不同電流值和持續(xù)時(shí)間，以模擬實(shí)際運(yùn)行中的電流情況。四是濕度控制?？刂茖?shí)驗(yàn)室濕度，確保水分的存在和相對穩(wěn)定的條件。五是試驗(yàn)記錄。記錄電流值、試驗(yàn)時(shí)間、水分含量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)接線

4.1.2 無電流作用

無電流作用的水分對緩沖層的影響也是一個(gè)重要的研究方向，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)來模擬無電流作用下水分對緩沖層的影響，并分析了試驗(yàn)過程和結(jié)果。

試驗(yàn)過程:一是樣本準(zhǔn)備。選擇具有代表性的緩沖層材料樣本，并確保其質(zhì)量和尺寸一致。二是試驗(yàn)設(shè)備。準(zhǔn)備恒溫恒濕箱和濕度控制系統(tǒng)，確保試驗(yàn)條件的穩(wěn)定性。三是濕度控制。設(shè)置不同的濕度條件，使緩沖層樣本暴露于不同的濕度環(huán)境中。四是試驗(yàn)時(shí)間。設(shè)置適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)時(shí)間，以模擬長期暴露的情況。五是試驗(yàn)記錄。記錄試驗(yàn)過程中的濕度值、試驗(yàn)時(shí)間、緩沖層的質(zhì)量和尺寸變化等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

4.2 不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗(yàn)

緩沖層通常與皺紋鋁套或其他材料接觸，因此不同接觸方式對緩沖層受潮情況產(chǎn)生影響。通過設(shè)置不同材料的接觸面積、壓力等參數(shù)，模擬實(shí)際情況下的接觸狀態(tài)，觀察水分在緩沖層和接觸材料之間的擴(kuò)散情況。通過測量吸濕性能、界面接觸電阻等指標(biāo)，評估不同接觸方式對緩沖層受潮的影響。

4.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室濕度控制設(shè)備：用于控制試驗(yàn)環(huán)境的濕度，確保穩(wěn)定的濕潤條件。溫度控制設(shè)備用于控制實(shí)驗(yàn)室的溫度，保持一致的試驗(yàn)條件。選擇不同類型的帶材樣本，如半導(dǎo)電緩沖帶材、絕緣帶材等，根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行切割和準(zhǔn)備，如圖2所示。鋁板作為帶材樣本的接觸介質(zhì)，確保與帶材緊密接觸。

圖2 試驗(yàn)后樣品解剖

4.2.2 試驗(yàn)過程

樣本準(zhǔn)備：根據(jù)試驗(yàn)需求，將不同帶材樣本切割成適當(dāng)?shù)某叽绾托螤?，并確保其表面光滑和清潔。接觸裝置搭建：將帶材樣本和鋁板按照所需的接觸方式進(jìn)行裝配，確保其緊密接觸。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：設(shè)置實(shí)驗(yàn)室的濕度和溫度，濕度設(shè)置為80% RH，溫度為25℃，以模擬實(shí)際工作環(huán)境中的潮濕條件。試驗(yàn)時(shí)間控制：將帶材樣本與鋁板接觸的試樣放置在設(shè)定的濕度環(huán)境中，記錄試驗(yàn)時(shí)間，進(jìn)行72h 的受潮試驗(yàn)。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)高壓電纜緩沖層受潮模擬試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和綜合評價(jià)。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，比較不同情況下的試驗(yàn)結(jié)果，分析水分對緩沖層的影響機(jī)制和程度。

4.3.1 水分對緩沖層的影響-有電流作用

在有電流作用下的試驗(yàn)中，觀察得到相關(guān)結(jié)果。一是濕潤區(qū)域形成：隨著水分的滲透，帶材表面出現(xiàn)明顯的濕潤區(qū)域。這是由于水分導(dǎo)致緩沖層材料的電阻降低，使電流易于通過，并導(dǎo)致局部區(qū)域的濕潤。二是電阻變化：在有電流作用下，帶材的電阻值明顯增加。這是因?yàn)樗值拇嬖谠黾恿司彌_層材料的電導(dǎo)率，導(dǎo)致電阻增加。三是性能評估：帶材在有電流作用下出現(xiàn)濕潤區(qū)域和電阻增加的現(xiàn)象，表明緩沖層的防潮性能不足。這可能導(dǎo)致電纜在潮濕環(huán)境中的可靠性下降，甚至引發(fā)燒蝕故障。

綜合試驗(yàn)結(jié)果分析：水分對緩沖層的影響在有電流作用下更加顯著。濕潤區(qū)域的形成以及電阻的增加表明水分對緩沖層材料的導(dǎo)電性能和防潮性能都具有重要影響。因此，在高壓電纜的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，應(yīng)選擇具有良好防潮性能的緩沖層材料，并采取有效措施防止水分的滲透，以確保電纜的可靠性和安全性。

4.3.2 不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗(yàn)后，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的示例，使用表格形式進(jìn)行比較，見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以進(jìn)行相關(guān)分析。濕潤區(qū)域形成情況：帶材A 顯示出明顯的濕潤區(qū)域，表示其較易受潮，而帶材B 只有輕微濕潤區(qū)域，帶材C 則沒有濕潤區(qū)域形成，表明其較為耐潮。電阻變化：帶材A 的電阻值相對較高，說明在受潮情況下，導(dǎo)電性能受到一定的影響。帶材B 和帶材C 的電阻值變化較小，表明其在受潮環(huán)境下保持較好的導(dǎo)電性能。性能評估：根據(jù)濕潤區(qū)域形成情況和電阻變化，可以評估帶材的性能。帶材A 的性能降低，可能需要采取額外的預(yù)防措施；帶材B 保持較穩(wěn)定的性能，具有較好的抗潮能力；帶材C 在受潮環(huán)境下保持良好的性能，可作為一種可靠的選擇。

5 高壓電纜緩沖層燒蝕預(yù)防措施

5.1 選用電阻性能優(yōu)良的半導(dǎo)電緩沖帶材

選擇電阻性能優(yōu)良的半導(dǎo)電緩沖帶材，可使電纜的電氣連接性能顯著提高，并減少燒蝕故障的發(fā)生。根據(jù)JB/T102569和T/CAS374要求對阻水帶體積電阻率的規(guī)定分別為不大于105和不大于5×105Ω·cm。

5.2 皺紋鋁套與絕緣屏蔽間隙控制

根據(jù)110kV 電纜的設(shè)計(jì)要求，皺紋鋁套與絕緣屏蔽之間的間隙應(yīng)控制在15～25mm。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)將間隙控制在20mm 左右，能夠有效提供良好的絕緣和屏蔽效果，降低燒蝕風(fēng)險(xiǎn)。在試驗(yàn)中，測得皺紋鋁套與絕緣屏蔽的平均間隙為21.3mm。

5.3 生產(chǎn)過程中防潮措施

在電纜的生產(chǎn)過程中，采取防潮措施對于110kV 電纜的可靠性至關(guān)重要。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，控制制造過程中的濕度在45%～55%，溫度在20～25℃，可以有效防止緩沖層進(jìn)水或受潮。

5.4 平滑鋁套電纜的推廣應(yīng)用

針對110kV 電纜的特殊要求，推廣應(yīng)用平滑鋁套電纜是一種有效的預(yù)防措施。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，使用平滑鋁套能夠有效阻止水分滲透，提供更好的防潮保護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在高濕度條件下，平滑鋁套電纜的防潮性能比皺紋鋁套電纜更優(yōu)秀。

6 結(jié)語

高壓電纜緩沖層在電力系統(tǒng)中具有電氣連接、緩沖和保護(hù)以及縱向阻水等功能。燒蝕故障中白色粉末的主要成分為鋁氧化物，可能由于皺紋鋁套與緩沖層材料之間的摩擦磨損導(dǎo)致。皺紋鋁套間隙與緩沖層材料的接觸狀態(tài)對燒蝕現(xiàn)象具有顯著影響，間隙過大或過小都可能導(dǎo)致燒蝕的加劇。對此提出建議來預(yù)防和解決高壓電纜緩沖層燒蝕問題，有助于提高110kV 電力電纜緩沖層的抗燒蝕性能，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。