摘 要：缓冲层烧蚀故障严重危害高压电缆的安全可靠运行。 为进一步揭示缓冲层烧蚀机理，开展了高压电缆缓冲层烧蚀试验，研究了缓冲层受潮进水对烧蚀故障的影响。 此外，利用铝板与几种常用带材组合成试验模型，验证了缓冲层烧蚀的其他诱因。 结合国内现有研究成果，提出了高压电缆缓冲层及金属套的结构设计、生产过程控制等方面的改善建议。 研究结果可为高压电缆的结构优化、产品质量提升提供参考。
关键词：高压电缆; 缓冲层; 烧蚀; 受潮; 预防措施
引 言
20 世纪 80 年代初期，我国首次从国外引进110 kV交联聚乙烯(XLPE)电缆[1]，经过近 40 年的发展，目前已实现 110～ 500 kV XLPE 绝缘电缆的国产化。 然而，近年来在电缆线路迁改和故障处理过程中，发现高压电缆绝缘屏蔽层及缓冲层出现“烧蚀”和“白粉”现象。 新加坡和澳大利亚也有相关事故报道。
统计数据显示，故障电缆的运行周期为 2～15 a 不等，故障产品的运行时间跨度大，分布范围广，对高压电缆系统的安全运行造成严重隐患。 因此，研究并分析电缆缓冲层故障的成因，提出有效的防护措施，对保障电网的安全运行具有重要意义。
目前，研究主要集中在“白粉” 现象的成因、缓冲层材料特性、金属套和缓冲层结构特点、电学仿真计算、故障模拟试验，以及检测技术等方面，侧重于高压电缆缓冲层烧蚀故障的机理分析和检测方法，仍缺乏系统性地从产品设计、材料选择、制造等过程的预防措施的研究和应用。 结合高压电缆缓冲层烧蚀故障的分析结论和其产品制造的实际情况，提出系统性的预防措施，对保障产品质量，提升高压电缆系统的可靠性具有一定积极作用。本工作研究了高压电缆缓冲层烧蚀故障，结合国内现有研究成果，提出了针对高压电缆缓冲层烧蚀故障的预防措施。
1 高压电缆缓冲层的作用
高压电缆的缓冲层具有电气连接、缓冲和保护、实现高压电缆纵向阻水等几方面作用。
(1)电气连接作用。 缓冲层由半导电带材缠绕于绝缘屏蔽表面，将绝缘屏蔽与金属护套进行电气连接，传递电缆运行时产生的电容电流、泄漏电流等，控制两者间电位差。
(2)缓冲和保护作用。 电缆在运行过程中，导体温度升高会引起绝缘线芯膨胀：一方面体积膨胀产生径向上的扩张，另一方面线芯的线性膨胀产生轴向上的伸长[2]。 缓冲层填充在绝缘线芯和金属护套之间，吸收线芯的径向热膨胀，同时，也可保护绝缘线芯在电缆弯曲和敷设等过程中免受金属护套的挤压损伤。
(3)实现高压电缆的纵向阻水功能。 高压电缆在安装和运行过程中一旦发生护层损伤进水，有阻水功能设计的缓冲层可有效降低水分在电缆内部的纵向扩散速率，维持电缆的运行安全。
2 高压电缆缓冲层烧蚀故障的研究现状
目前，国内针对缓冲层烧蚀故障开展了大量研究工作，从白色粉末成分及成因、皱纹铝套间隙与缓冲层材料的影响，以及电缆受潮进水的影响等方面开展了深入研究。
(1)白色粉末的成分及成因。 研究主要集中于白色粉末的成分分析和成因机理的推理。 通过红外光谱分析，其成分中含钠元素和铝元素的含量较高，测量白色粉末材料的绝缘电阻为兆欧级以上，导电性差。 分析主要成因是水分的作用和金属套接触造成的化学腐蚀，虽然反应路径不同，但最终均有铝元素的产生，分析过程同时还考虑了几种外界因素，如接触压力，电流大小等。 有结论给出，白色粉末中铝元素是电压+受潮或电压+受潮+压力共同作用下电化学腐蚀所致，或是压力+受潮共同作用下化学腐蚀所致[3]。
(2)皱纹铝套间隙与缓冲层材料的影响。 研究主要利用三维建模方法对电缆结构进行分析。 分析得出，皱纹铝套轧纹深度与缓冲层配合不紧密(如轧纹间隙过大、铜丝编织带铜丝过细等) 而形成的气隙，造成电场分布不均匀，一定情况下场强超过空气的击穿场强3 kV·mm-1，从而造成放电;另外，缓冲层的电阻率升高会造成铝护套与绝缘屏蔽间的电位差升高。 有研究结论得出，电缆缓冲层内部放电是电缆绝缘击穿的主要原因之一[4]。
(3)缓冲层进水或受潮的影响。 研究水分对白色粉末产生、缓冲层电阻率劣化的影响机理。 缓冲层注水后在交流电压作用下极易产生白色粉末。 产生白色粉末后缓冲层材料的成分以碳、氧、铝等元素为主，与未产生白色粉末的新缓冲层材料对比，前者的含氧量明显增加，含铝量大幅增加[5]。
另有研究表明，阻水带电阻率和白色粉末对电缆中缓冲层的电场分布有显著影响。 缓冲层的电阻率上升和白色粉末的形成主要原因是受潮，该条件下的放电过程是导致缓冲层失效的主要原因[6]。另外，结合对故障电缆的统计分析，多数故障电缆存在外力损伤进水、缓冲层受潮等问题。 因此，研究水分侵入对电缆缓冲层的影响，有助于分析缓冲层故障原理和制定预防措施。
3 高压电缆缓冲层受潮模拟试验及分析
通过不同试验方案，进行对比验证，结果表明缓冲层受潮进水是白色粉末产生的主要原因。
3. 1 水分对缓冲层的影响
(1)有电流作用。 选取两段结构相同的高压电缆样品，置于相同温度、湿度环境中。 将样品绝缘屏蔽和金属套分别制作电极，试验时在电极间施加工频电压，并保持模拟电流稳定在 200 mA。
(2)无电流作用。 选取一段表面洁净的皱纹铝护套样品和一段干燥半导电阻水缓冲带，将半导电缓冲带缠绕固定于铝护套表面。
3. 2 不同带材与铝板接触的受潮试验为验证除半导电阻水缓冲带成分外，其他导电成分、带材种类等因素对白色粉末产生的影响，进行了如下试验：选取几款带材绕包在铝板表面制成小样，置于相同环境下，重复 3. 1 节中(2) 的试验，试验后样品解剖情况。半导电带材均有白色粉末产生，绝缘型阻水带未发现白色粉末产生，无纺布出现较重变色情况，但未产生白色粉末及铝板腐蚀。
3. 3 结果分析
(1)通过模拟试验可知，无论电缆缓冲层是否有电流通过，受潮情况下，缓冲层与铝护套均可产生白色粉末和铝护套的腐蚀现象。(2) 在 3. 1 节的试验中，白色粉末最先在带材与铝套结合最紧密位置产生，对比两份样品所产生白色粉末的数量，可知电流对白色粉末的产生有促进作用。
(3)3. 2 节的试验结论显示，缓冲层中半导电特性将有助于白色粉末的产生，并引起金属铝的腐蚀，可能是由于半导电类型的带材在水作用下更容易与铝发生反应。4 高压电缆缓冲层烧蚀预防措施试验结果表明，受潮是引发电缆缓冲层烧蚀的重要原因之一。 结合目前研究成果，考虑到生产过程缓冲层进水受潮对电缆质量的不利影响，制定了严格的预防措施。
(1)选用电阻性能优良的半导电缓冲带材。 优化半导电缓冲带材的体积电阻率，改进缓冲结构的电气特性和电场分布。 JB/ T 10259—2014、T / CAS374—2019 对阻水带体积电阻率的规定分别为不大于 1×105 和不大于 5×103Ω·cm。目前，JB/ T 10259—2014、T / CAS 374—2019 中的测试方法有一定差异，生产时，应依据不同标准选用体积电阻率优于标准中规定的高压电缆缓冲阻水带。
(2)皱纹铝套与绝缘屏蔽间隙控制。 合理设计和控制金属铝护套与绝缘屏蔽之间的间隙，有利于改进结构间的接触电阻、消除气隙放电和改进电场分布。 紧密的轧纹结构可减缓水分在电缆内部扩散的速率，减少故障范围。 针对不同结构、厚度的缓冲层合理控制轧纹深度，保证其结构紧凑，同时应考虑运行时绝缘线芯的热膨胀需求。
(3)生产过程中防潮措施。 具体如下：①半导电缓冲带采用真空包装;②生产及转序过程中，产品严格执行防潮保护措施;③严格控制绕包后半成品缆芯的转序时间。(4)平滑铝套电缆的推广应用。 平滑铝套电缆紧凑型结构增加了缓冲层与铝护套的接触面积，降低铝套与缓冲层的接触电阻，提升了电气性能。 通过对平滑铝电场分布模拟分析可知，平滑铝套电缆的电场分布较皱纹铝电缆更加合理，可避免缓冲层放电现象的发生[3]。
5 结束语
缓冲层进水受潮是引发电缆缓冲层烧蚀的主要原因之一。 结合目前的研究成果，从电缆的设计、材料的选择，以及在生产过程中制定可行的预防措施，对保障高压电缆的质量、提高电网运行可靠性具有重要意义。建议今后研究的方向应主要集中在两个方面：一方面是针对现有存量高压电缆产品，旨在早发现、早干预、降低损失，如快速检测方法，故障电缆的修复技术等;另一方面是新增高压电缆产品如何避免出现类似现象，如制定原材料检测方法和标准、加强电缆生产过程的品质管控，以及紧凑型结构(平滑铝套、铅套、铝塑复合型)电缆的生产应用研究等。
参考文献：
[ 1 ] 赵健康. 高压电缆及附件[ M]. 北京： 中国电力出版社，2020.
[ 2 ] 管卫卫， 冯涛， 李浩浩， 等. 高压电力电缆绝缘线芯热膨胀计算[J]. 电线电缆，2014(3)：31⁃37.
[ 3 ] 陈云. 高压 XLPE 电缆缓冲层故障特征与机理[D]. 广州： 华南理工大学，2019.
[ 4 ] 李陈莹， 李鸿泽， 陈杰， 等. 高压 XLPE 电力电缆缓冲层放电问题分析[J]. 电力工程技术，2018，37(2)：61⁃66.
[ 5 ] 邓声华， 江福章， 刘和平， 等. 高压电缆缓冲层材料及结构特性研究[J]. 电线电缆，2019(2)：19⁃27.
[ 6 ] DU B X， DU X Y， KONG X X， et al. An investigation ondischarge fault in buffer layer of 220 kV XLPE AC cable [ J].
IET Science， Measurement & Technology，2021，15 ( 6)：508⁃516
作者：王 野， 张 涛， 赵新院
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