高壓電纜運(yùn)行時(shí)緩沖層存在的分壓電壓分析*

卞佳音，單魯平，張 玨，孔詩琦，劉曉東，劉培鎮(zhèn)，羅小琨

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州510620；2.廣州南洋電纜集團(tuán)有限公司，廣州511356）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速增長，社會(huì)總用電量也在逐年攀升。廣大用戶對(duì)電力的需求與日劇增，對(duì)供電的可靠性要求也越來越高。近年來全國各地出現(xiàn)多起因緩沖層燒蝕缺陷導(dǎo)致的電纜故障。缺陷主要表現(xiàn)為半導(dǎo)電緩沖阻水帶上附著白色灼傷點(diǎn)，其中部分已損傷至絕緣屏蔽層，推測該缺陷的持續(xù)惡化將完全貫穿絕緣屏蔽層直至危及主絕緣，最終引發(fā)停電事故，嚴(yán)重影響城市電網(wǎng)運(yùn)行安全[1]。因此，準(zhǔn)確分析緩沖層故障原因?qū)ΡＵ想娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。

目前電力電纜緩沖層故障實(shí)際案例分析的文獻(xiàn)較少，故障原因的研究中大多又只給出定性的研究結(jié)論，或是通過實(shí)驗(yàn)或仿真描述燒蝕在施加電壓情況下緩沖層發(fā)生燒蝕的機(jī)理與現(xiàn)象。歐陽本紅等[2]通過有限元仿真建模方法分析了緩沖層生產(chǎn)絕緣白色物質(zhì)對(duì)鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間電場分布的影響，分析了電纜發(fā)生緩沖阻水燒蝕的可能性。劉書全[3]介紹了緩沖層阻水設(shè)計(jì)和試制過程以及工藝要點(diǎn)，對(duì)高壓電力電纜緩沖層的設(shè)計(jì)具有很大的參考價(jià)值。楊帆等[4]使用Simulink平臺(tái)搭建了高壓電纜緩沖層分布式電路模型，從電路理論與實(shí)際實(shí)驗(yàn)上分析驗(yàn)證了白色粉末對(duì)緩沖層阻抗的影響。汪傳斌、金海云[5]運(yùn)用有限元仿真軟件Ansys仿真計(jì)算了高壓電纜的電場分布，列舉了各種緩沖層結(jié)構(gòu)，分析了不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)條件下緩沖層內(nèi)電場分布情況。澳大利亞的Charles Q Su[6]報(bào)告了一起230 kV高壓電力電纜緩沖層燒蝕的案例，認(rèn)為金布內(nèi)銅絲數(shù)量不足將導(dǎo)致絕緣外屏蔽和鋁護(hù)套之間電氣接觸不良，進(jìn)而引起金布內(nèi)屏蔽銅絲的局部過熱，進(jìn)而導(dǎo)致燒蝕。與Su的觀點(diǎn)相符的是，上海電力檢修公司對(duì)一條雙回線路進(jìn)行了長期局放監(jiān)測[7]，結(jié)果局放信號(hào)顯著增大的一回電纜解剖后發(fā)現(xiàn)顯著的緩沖層燒蝕痕跡，進(jìn)一步分析表明這是因?yàn)榻鸩冀Y(jié)構(gòu)內(nèi)的銅絲直徑遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合上述可知，關(guān)于高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的緩沖層放電燒蝕研究，目前大部分文獻(xiàn)主要從有限元仿真、電路建模以及白色粉末生成及其電氣特征分析，以及高壓電力電纜緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)緩沖層進(jìn)行研究。對(duì)緩沖層工作情況做出評(píng)價(jià)的可觀測電氣性能指標(biāo)及其在運(yùn)行電纜中的測量方法研究較少。

由高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的緩沖層結(jié)構(gòu)可知，緩沖層在正常工作情況下將承受一定的分壓電壓，同時(shí)，金屬護(hù)層及其下的緩沖層要為絕緣充電電流、泄漏電流、中性電流、相間不平衡電流、故障電流、浪涌電流提供同心的導(dǎo)電通路[8]。

當(dāng)緩沖層阻抗較大，未能為金屬護(hù)套與絕緣屏蔽之間提供良好的電氣接觸時(shí)，緩沖層上將承受較大的分壓電壓。測量該分壓電壓有助于實(shí)現(xiàn)緩沖層工作狀態(tài)的評(píng)價(jià)。然而，從運(yùn)行電纜的結(jié)構(gòu)上來看，絕緣屏蔽層并非理想的導(dǎo)電電極，直接以金屬護(hù)套與絕緣屏蔽作為電極測量得到緩沖層分壓電壓將偏大。但運(yùn)行電纜的結(jié)構(gòu)不可改變，因此需要一個(gè)可以推算得到分壓電壓的方法。準(zhǔn)確地測量出運(yùn)行電纜分壓電壓，意義重大。

綜上所述，為理解使用絕緣屏蔽直接作為測量電極引入的誤差以及獲得相對(duì)精確的緩沖層分壓電壓，本文旨在通過進(jìn)行電纜試驗(yàn)，得到未包繞銅帶的運(yùn)行電纜的緩沖層視在分壓電壓與真實(shí)分壓電壓結(jié)果，通過數(shù)學(xué)模型找出視在電壓與真實(shí)電壓之間的關(guān)系。

1 分壓電壓測量理論

1.1 電極影響

國內(nèi)生產(chǎn)高壓電力電纜結(jié)構(gòu)較為統(tǒng)一，目前國內(nèi)生產(chǎn)高壓電力電纜其軸向剖面圖中部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，緩沖層作為絕緣屏蔽與鋁護(hù)套之間的襯層，要能在絕緣屏蔽與金屬護(hù)套之間提供良好的電氣接觸。

圖1 電纜部分結(jié)構(gòu)軸向剖面

在電纜生產(chǎn)過程中，導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層在導(dǎo)體外部通過三層共擠工藝同時(shí)擠出絕緣屏蔽為半導(dǎo)電性質(zhì)。具體而言，國標(biāo)《額定電壓110 kV（Um=126 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第一部分：試驗(yàn)方法和要求》中指出額定電壓110 kV電纜的絕緣屏蔽老化前和老化后的體積電阻率不應(yīng)超過500 Ω?m[8]。一般工程上定義導(dǎo)體的電阻率在10-8~10-5Ω?m[9]，半導(dǎo)體的電阻率為10-5~107Ω?m，絕 緣 體107~1018Ω?m，可見屏蔽層電阻較導(dǎo)體電阻仍有一定差距。將其視為導(dǎo)體并直接作為用于測量電壓的電極必然引入較大的誤差，具體如圖2所示。

圖2 以屏蔽層作為電極時(shí)的等效電路

將鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間的電阻記為Ra，該電阻主要為緩沖層電阻；絕緣屏蔽層在導(dǎo)電通路中的電阻記為Rb，由于絕緣屏蔽層非理想電極，則電阻Rb較大，在計(jì)算過程中不可忽略。因此若以絕緣屏蔽作為電極一端，以金屬護(hù)套作為另一端測量得到的電壓實(shí)為電壓Uab，稱為視在電壓，并非以節(jié)點(diǎn)a、c為電壓表兩端測得的真正緩沖層分壓電壓Uac。根據(jù)電路圖也可以看出，視在電壓的測量結(jié)果增加了通過絕緣屏蔽的橫向電壓Ubc，因此視在電壓將較真實(shí)值偏大。此外，由于絕緣屏蔽層表面并不能被視為理想等勢面，因此測量過程中電壓表的絕緣屏蔽一極僅為點(diǎn)電極，將電極放在空間不同位置也會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果不同。

根據(jù)上述分析可知，影響測量結(jié)果偏大的原因主要來源于絕緣屏蔽層電阻Rb，且電極接絕緣屏蔽層一端為點(diǎn)接觸電極并非面接觸電極。因此，為了改善這一狀況，在緩沖層與絕緣屏蔽之間繞包銅帶如圖3所示。

圖3 繞包銅帶后的電纜軸向剖面結(jié)構(gòu)

銅為良導(dǎo)體，此時(shí)銅帶在絕緣屏蔽層表面可以等效為一層等勢面。以銅電極替代絕緣屏蔽電極電路如圖4所示，電極兩端電壓Uab=Uac，測量電壓即為緩沖層分壓電壓。

圖4 以銅帶為電極的等效電路

1.2 分壓電壓推算模型

由于目前工程實(shí)際中運(yùn)行電纜均不存在上述銅帶繞包結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其分壓電壓測量時(shí)需要以絕緣屏蔽作為電壓電極。如上所述，該電極的使用將引入誤差使得測量結(jié)果偏大。因此有必要通過實(shí)驗(yàn)，獲得銅帶繞包電纜測得的實(shí)際分壓電壓V0與以絕緣屏蔽層為電極測得視在電壓V1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：

根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，可以將不準(zhǔn)確的視在電壓折算為精確值，因此在實(shí)際生產(chǎn)中并不需要為測量分壓電壓增加多余的繞包銅帶結(jié)構(gòu)。通過該關(guān)系可以直接進(jìn)行視在電壓與真實(shí)分壓電壓的折算，簡化測量過程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中運(yùn)行行電力電纜緩沖層分壓電壓的準(zhǔn)確計(jì)算。

1.3 實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

通過對(duì)比繞包銅帶與未繞包銅帶電纜的分壓電壓，對(duì)繞包銅帶時(shí)緩沖層分壓電壓結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出實(shí)際分壓電壓與工程中視在電壓的關(guān)系。為了驗(yàn)證該分析的合理性，具體探究實(shí)際電壓與視在電壓之間的關(guān)系，本文設(shè)置實(shí)驗(yàn)回路如圖5所示。對(duì)于單點(diǎn)接地交聯(lián)聚乙烯電力電纜而言，在其正常工作過程中流過緩沖層的電流主要是絕緣泄漏電流，理論分析知該電流僅與電纜絕緣結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)以及工作頻率有關(guān)。若進(jìn)行電纜負(fù)載實(shí)驗(yàn)，較大的線芯電流可能產(chǎn)生較大的電磁干擾，為了避免電磁干擾可能對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，本次實(shí)驗(yàn)為空載試驗(yàn)，導(dǎo)體一端開路，另一端接于串聯(lián)諧振系統(tǒng)上。金屬護(hù)套接地，將電壓測量表一端接于絕緣屏蔽（或銅帶上），另一端接金屬護(hù)套，對(duì)分壓電壓進(jìn)行測量。

圖5 實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好2根25 m的64/110 kV 1×800 mm2電纜。一根電纜為正常結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，另一根25 m電纜交聯(lián)線芯表面完全繞包銅帶后再繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶，銅帶規(guī)格0.1 mm×40 mm。

將電纜兩端頭按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)處理，裝好附件，用電纜支架固定如圖6所示。緩沖層分壓電壓取自絕緣屏蔽-金屬護(hù)套的電壓，如果單純?cè)诮^緣屏蔽引出根測量線，因?yàn)辄c(diǎn)接觸測量的誤差要大于面接觸，所以在正常結(jié)構(gòu)電纜絕緣屏蔽繞包一層銅帶后再引出測量電極如圖7所示。另一根已經(jīng)繞包銅帶的電纜直接在銅帶表面引出測量電極。

圖6 實(shí)驗(yàn)回路實(shí)物

圖7 絕緣屏蔽表面繞包銅帶

同時(shí)對(duì)2根25 m電纜試樣進(jìn)行施加電壓，逐級(jí)升壓的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜的分壓電壓，并記錄數(shù)據(jù)。測量過程中使用屏蔽傳輸線以減小長信號(hào)線上的電磁干擾以提高測量精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行電纜空載升壓實(shí)驗(yàn)的過程中記錄了電壓表測量得到的緩沖層分壓電壓，記錄數(shù)據(jù)的過程中保持高壓端串聯(lián)諧振系統(tǒng)輸出電壓不變，測量結(jié)果如表1所示。

表1 電纜A、電纜B分壓電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 所示為電纜A與電纜B中測量的分壓電壓大小比較。電纜A在繞包銅帶后，以銅帶為測量電極得到的分壓電壓小于電纜B以絕緣屏蔽為電極測量的分壓電壓，這一數(shù)據(jù)與前述理論分析相符。

圖9 電纜A與電纜B分壓電壓

進(jìn)一步通過比較電纜A與電纜B的分壓電壓大小，可以得到二者間函數(shù)關(guān)系。擬合結(jié)果如圖10所示，二者之間呈現(xiàn)出十分顯著的線性關(guān)系，擬合得到：

圖10 電纜A與電纜B分壓電壓測量結(jié)果關(guān)系

V1=0.706V0+0.003 4

因此對(duì)于實(shí)際工程中的電纜，可以認(rèn)為通過以絕緣屏蔽為電極測得的電壓V1可以推算出實(shí)際緩沖層分壓電壓V0為：

對(duì)2根電纜緩沖層電阻進(jìn)行測試，將原電壓表電極以萬用表電極代替，測得正常生產(chǎn)電纜電阻為272 Ω，繞包銅帶電纜電阻為5.2 Ω?？梢娙魧⒔^緣屏蔽作為測量分壓電壓的一極測得電阻將顯著大于繞包銅帶以銅帶為電極的電阻，導(dǎo)致引入很大的誤差。

4 結(jié)束語

本文首先從高壓交聯(lián)聚乙烯電纜的結(jié)構(gòu)上分析了電纜絕緣屏蔽層、緩沖層及波紋鋁護(hù)套之間的電路模型。從定義及數(shù)據(jù)上分析了以絕緣屏蔽層作為測量分壓電壓的電極將出現(xiàn)的測量不精確情況，指出通過改變電纜結(jié)構(gòu)，繞包銅帶可以提高測量分壓電壓的精確度。

本文通過繞包銅帶電纜與正常電纜的分壓電壓測量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析過程中預(yù)測的現(xiàn)象。依據(jù)實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：（1）測量分壓電壓的實(shí)驗(yàn)中，在交聯(lián)線芯外側(cè)繞包銅帶以代替絕緣屏蔽作為電極，測量得到的分壓電壓較小，分析可知銅帶為電極時(shí)得到的結(jié)果更接近緩沖層實(shí)際分壓電壓；（2）通過測量電阻可知，在絕緣屏蔽外側(cè)繞包銅帶顯著減小了緩沖襯層的測量電阻；（3）通過比較繞包銅帶與正常生產(chǎn)電纜的分壓電壓，得到二者之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，該關(guān)系可為判斷運(yùn)行電纜緩沖層工作情況提供參考。