高壓XLPE電力電纜緩沖層放電問題分析

李陳瑩， 李鴻澤， 陳　杰，胡麗斌， 譚　笑， 曹京滎

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024)

0　前言

高壓與超高壓交聯(lián)電纜金屬護(hù)套與電纜線芯之間的緩沖層是電纜的重要組成部分，對(duì)電纜的機(jī)械、熱性能具有重要的影響。國內(nèi)大多電纜廠家沿用國外電纜設(shè)計(jì)模式，對(duì)緩沖層設(shè)計(jì)要求并不清晰，甚至外購緩沖帶材，對(duì)緩沖帶材管控要求較低。目前電纜緩沖帶材無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范其性能要求，電纜相關(guān)國標(biāo)僅規(guī)定成型電力電纜緩沖層幾何尺寸，電纜廠家主要采用企標(biāo)對(duì)帶材性能做出約束，不同廠家之間產(chǎn)品差異較大，市場(chǎng)帶材性能管控力較低。

近年，國內(nèi)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)高壓電纜線路故障中多次出現(xiàn)緩沖層放電現(xiàn)象。國網(wǎng)公司僅2017年第二季度已發(fā)生三起高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套電力電纜本體擊穿故障。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只給出定性的研究結(jié)論，較少進(jìn)行定量的仿真計(jì)算。電力電纜緩沖層設(shè)計(jì)的多定性分析，未具備實(shí)際工程案例支持分析結(jié)果。文獻(xiàn)[1]證實(shí)無緩沖層的電纜結(jié)構(gòu)受雷電沖擊時(shí)存在較大的感應(yīng)電壓，說明緩沖層及具備靜電屏蔽的重要性。文獻(xiàn)[2—4]說明緩沖層間隙可能產(chǎn)生電纜內(nèi)部局放。文獻(xiàn)[5—6]分析了電纜緩沖層對(duì)電纜運(yùn)行溫升及載流量的影響。文獻(xiàn)[7—8]闡述了電纜緩沖層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及緩沖層部分性能要求檢測(cè)值。

文中在分析緩沖層結(jié)構(gòu)及作用的同時(shí)，通過分析兩起電纜緩沖層放電典型案例，研究緩沖層設(shè)計(jì)的缺陷隱患及緩沖層放電問題原因，對(duì)電纜設(shè)計(jì)及電纜故障分析提供有效參考。

1　電纜緩沖層設(shè)計(jì)要求

目前國內(nèi)高壓電力電纜主要采用壓鋁機(jī)擠包皺紋鋁護(hù)套及氬弧焊焊皺紋鋁護(hù)套，鋁護(hù)套及電纜外半導(dǎo)電層之間的緩沖層設(shè)計(jì)主要考慮電氣、機(jī)械、載流量等方面的要求。

(1) 緩沖性能要求。在高壓與超高壓電纜絕緣和鋁護(hù)套間留有間隙，半導(dǎo)電緩沖墊層介于其間，需滿足吸收電纜絕緣層熱膨脹，可有效緩沖電纜彎曲、熱膨脹時(shí)的機(jī)械應(yīng)力，并防止金屬護(hù)套損傷絕緣。

(2) 電位控制要求。電纜絕緣外屏蔽層為半導(dǎo)電材料制作，若與鋁護(hù)套之間無電氣連接，會(huì)由于靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)出現(xiàn)外屏蔽層懸浮電位，嚴(yán)重時(shí)造成電纜外半導(dǎo)層及鋁護(hù)套間存在較高電位差，出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。因此緩沖層需滿足控制外半導(dǎo)電層電位的功能需求。

(3) 散熱性能要求。緩沖層影響高壓交聯(lián)電纜金屬護(hù)套與導(dǎo)體之間部分的熱阻特性，既而影響電纜運(yùn)行散熱，表現(xiàn)為對(duì)電纜載流量的制約。因此電纜緩沖層設(shè)計(jì)時(shí)需考慮繞包帶結(jié)構(gòu)、繞包帶的厚度、氣隙總含量，盡可能降低繞包帶熱阻系數(shù)，強(qiáng)化電纜的散熱性能。

(4) 縱向阻水要求。高壓XLPE電力電纜主要采用電纜金屬護(hù)套及外護(hù)套實(shí)現(xiàn)徑向阻水功能，在結(jié)構(gòu)防止水分滲入絕緣層，形成水樹枝，危害電纜運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)護(hù)層及金屬套損壞時(shí)要求緩沖工程能有效地防止電纜進(jìn)水，一定時(shí)間內(nèi)可維持電力電纜穩(wěn)定運(yùn)行。

2　電纜緩沖層帶材分類

目前國內(nèi)高壓與超高壓XLPE電纜緩沖層主要采用阻水帶、緩沖帶、銅絲纖維編織布等帶材繞包制作而成。

(1) 半導(dǎo)電阻水帶。半導(dǎo)電阻水帶具備吸水膨脹的特性，可以實(shí)現(xiàn)電力電纜縱向阻水功能。阻水帶是在半導(dǎo)電的聚脂無紡纖維中加入聚丙烯酸脂膨脹粉制成，膨脹粉遇水后能在一定時(shí)間內(nèi)迅速膨脹到一定高度，起到阻隔水的作用。帶有阻水功能的阻水帶可以分為單面半導(dǎo)電阻水帶和雙面半導(dǎo)電阻水帶。因緩沖層性能要求，阻水帶選材設(shè)計(jì)時(shí)因考慮其制造成品具有緩沖襯墊功能。

(2) 緩沖帶。緩沖帶主要由半導(dǎo)電橡膠自粘帶，或者半導(dǎo)電緩沖帶構(gòu)成。半導(dǎo)電緩沖帶一般由半導(dǎo)電無紡布、聚丙烯酸醋膨脹粉、半導(dǎo)電蓬松棉三層組成。緩沖帶通過無紡布及蓬松棉中間粘涂的聚丙烯酸醋膨脹粉，實(shí)現(xiàn)縱向阻水功能，由無紡布及蓬松棉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緩沖作用，組成材料半導(dǎo)電特性實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣外屏蔽層運(yùn)行電位的控制。雖然蓬松棉具有半導(dǎo)電性質(zhì)，但是疏松多孔的結(jié)構(gòu)使其易變形，與電纜絕緣本體產(chǎn)生偏心現(xiàn)象。

(3) 銅絲纖維編織布。銅絲纖維編織布俗稱金布，主要使用細(xì)的祼銅絲(或鍍錫)與半導(dǎo)電尼龍纖維(也有許多采用不導(dǎo)電的纖維帶)混合編織而成。銅絲纖維編織布可起到靜電屏蔽作用，可控制絕緣外半導(dǎo)電層與鋁護(hù)套之間的電位。當(dāng)沖擊電壓襲來時(shí)，銅絲纖維編織布可降低半導(dǎo)電層產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，防止緩沖層內(nèi)部局部放電。

3　電力電纜緩沖層放電原因分析

3.1　緩沖層未采用半導(dǎo)電材料

為控制絕緣外半導(dǎo)電層與鋁護(hù)套之間電位，緩沖層多采用半導(dǎo)電材料制作。若緩沖層帶材采用非絕緣材料會(huì)造成絕緣外半導(dǎo)電層電位懸浮，造成對(duì)鋁護(hù)套放電。

某110 kV電纜線路2號(hào)、3號(hào)接頭之間電纜本體主絕緣發(fā)生擊穿，故障現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該段本體緩沖層帶層電阻過高，并非半導(dǎo)電材料，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1　故障電纜外半導(dǎo)電層放電痕跡Fig.1　Discharge traces of fault cable outside semiconducting layer

3.2　緩沖帶材長期進(jìn)水

電纜護(hù)套出現(xiàn)破損或電纜接頭封鉛處密封存在缺陷時(shí)均會(huì)造成電纜緩沖層進(jìn)水。緩沖層長期進(jìn)水運(yùn)行時(shí)，緩沖層電氣性能下降，無法有效牽制電纜外半導(dǎo)電層與鋁護(hù)套之間電位，導(dǎo)致局部放電產(chǎn)生。

某110 kV電纜本體主絕緣擊穿，故障定位后立即切除故障段電纜并對(duì)故障點(diǎn)取樣密封處理。后期對(duì)取樣段解體時(shí)發(fā)現(xiàn)阻水帶存在大量浸水現(xiàn)象。對(duì)電纜主絕緣切片觀察，取樣存在多處電纜主絕緣外半導(dǎo)電層放電灼燒痕跡，灼燒深度最深處如圖2所示。

圖2　外半導(dǎo)電層顯微鏡下放電痕跡Fig.2　Discharge traces of fault cable outside semiconducting layer in microscope

放電灼燒最深處外半導(dǎo)電層剩余0.69 mm。該片試樣未發(fā)生放電處外半導(dǎo)電層厚0.98 mm，放電灼燒量為29.6%，說明長期外部放電已削弱主絕緣外半導(dǎo)電層厚度。

根據(jù)GB/T 11017—2014，對(duì)電纜絕緣進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1絕緣性能檢測(cè)結(jié)果
Tab.1The tests results of insulation performance

檢測(cè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)結(jié)論絕緣厚度/mm≥21．624．55合格絕緣偏心度/%≤80．99合格絕緣抗張強(qiáng)度/MPa≥12．521．5合格絕緣斷裂伸長率/%≥200555合格絕緣熱延伸負(fù)荷下最大伸長率/%17555合格冷卻后最大永久伸長率/%15-0．5合格

電纜絕緣檢測(cè)性能合格，排除電纜絕緣本體缺陷導(dǎo)致的故障原因。由于電纜本體存在大量進(jìn)水，故障原因主要為電纜本體浸水，電纜阻水帶電氣性能下降，無法有效牽制電纜外半導(dǎo)電層與鋁護(hù)套之間電位，導(dǎo)致局部放電，長期放電引起電纜絕緣特性受損，造成電纜本體擊穿。

3.3　銅絲纖維編織布設(shè)計(jì)缺陷

銅絲纖維編織布多由銅絲與纖維混合編織而成，編織布多采用半導(dǎo)電尼龍纖維或不導(dǎo)電的纖維帶。目前由于銅絲纖維編織布尚無國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)范，電纜廠家多采用企業(yè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)定產(chǎn)品質(zhì)量。多數(shù)廠家僅規(guī)定銅絲直徑、銅絲編織密度，忽略編織纖維導(dǎo)電性、厚度等參數(shù)，繼而出現(xiàn)絕緣編織纖維阻斷銅絲與半導(dǎo)電層、鋁護(hù)套接觸途徑，造成金屬懸浮電位，甚至緩沖層放電。

某220 kV電纜線路，全長5.699 km，投運(yùn)近10 a，出現(xiàn)本體擊穿事故，解體后發(fā)現(xiàn)全線電纜緩沖層內(nèi)存在放電痕跡，如圖3所示。

圖3　某220 kV電纜緩沖層放電痕跡Fig.3　Discharge traces of a 220 kV fault cable outside semiconducting layer

解體發(fā)現(xiàn)主銅絲編織布、緩沖層、絕緣外半導(dǎo)電層上均出現(xiàn)放電條狀灼燒痕跡，相鄰痕跡間隔均勻，且灼燒痕跡最小間距為2.8 cm，與鋁護(hù)套波紋間距相吻合，說明鋁護(hù)套內(nèi)側(cè)凸起處與主絕緣外半導(dǎo)電層之間存在多處放電痕跡，銅絲編織布、緩沖層存在長期放電。

對(duì)送檢故障相電纜距擊穿點(diǎn)40 cm處進(jìn)行取樣，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)電纜短樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查、絕緣機(jī)械性能(老化前)、絕緣熱延伸、絕緣熱收縮試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果表明電纜短樣符合GB/T 18890—2015標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)送檢故障點(diǎn)附近本體取樣切片，染色后進(jìn)行觀察。取樣存在多處電纜主絕緣外半導(dǎo)電層放電灼燒痕跡，灼燒深度最深處如圖4(a)所示，最深處外半導(dǎo)電層僅剩0.43 mm。該片試樣未發(fā)生放電處外半導(dǎo)電層厚1.08 mm，放電灼燒量為60.2%。說明長期外部放電已削弱主絕緣外半導(dǎo)電層厚度。部分取樣中發(fā)現(xiàn)外半導(dǎo)電層放電通道，如圖4(b)所示，通道均由外半導(dǎo)電層外表面發(fā)起，證實(shí)外半導(dǎo)電層外部存在過放電現(xiàn)象。

圖4　外半導(dǎo)電層觀察Fig.4　theoutside semiconducting layer observed

解體發(fā)現(xiàn)故障相除擊穿點(diǎn)附近電纜段外，全線存在緩沖層放電痕跡，考慮到放電點(diǎn)痕跡及放電通道痕跡，銅絲纖維編織布厚度較銅絲直徑大，銅絲難以良好接觸緩沖層及鋁護(hù)套，運(yùn)行時(shí)可能存在懸浮電位造成放電，因此電纜銅絲纖維編織布存在設(shè)計(jì)缺陷。

4　電力電纜緩沖層放電仿真分析

為證實(shí)銅絲纖維編織布是否符合設(shè)計(jì)要求，針對(duì)3.3所述故障案例，依據(jù)該段故障電纜實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其進(jìn)行電場(chǎng)仿真計(jì)算分析。仿真模擬現(xiàn)有電纜銅絲纖維編織布銅絲直徑與編織布厚度配合，再模擬銅絲直徑增大情況下電場(chǎng)分布，仿真建模如圖5所示。

圖5　仿真結(jié)構(gòu)Fig.5　Simulation structure diagram

以鋁護(hù)套內(nèi)部凸起處建立仿真模型，考慮電纜額定電壓為220 kV，單相電壓為127 kV，對(duì)線芯施加電壓127 kV。金屬護(hù)套與金布緊密貼合，電勢(shì)、電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　鋁護(hù)套內(nèi)部凸起截面仿真Fig.6　Simulation of aluminium sheath

根據(jù)仿真結(jié)果可知，阻水帶與銅絲編織布界面處最大場(chǎng)強(qiáng)為9.8×106V/m，銅絲編織布與鋁護(hù)套界面處最大場(chǎng)強(qiáng)為9.8×106V/m，大于空氣中擊穿場(chǎng)強(qiáng)3×106V/m。

考慮到鋁護(hù)套自身結(jié)構(gòu)、銅絲編織布銅絲直徑小于編織布厚度，鋁護(hù)套與銅絲編織布交界面處可能存在氣隙，以此條件建立仿真模型，電場(chǎng)分布如圖7所示。

圖7　氣隙附近電場(chǎng)分布Fig.7　Distribution of electric field near air gap

氣隙處最大場(chǎng)強(qiáng)為1.22×107V/m，大于空氣中擊穿場(chǎng)強(qiáng)3×106V/m，極易發(fā)生局部放電現(xiàn)象。同理，銅絲編織布與緩沖層之間也易發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

為證實(shí)氣隙電場(chǎng)受緩沖層銅絲直徑影響，模擬銅絲直徑大于紡織纖維厚度下氣隙電場(chǎng)分布，結(jié)果如圖8所示。氣隙處最大場(chǎng)強(qiáng)為5.12×102V/m，小于空氣中擊穿場(chǎng)強(qiáng)3×106V/m，不會(huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

圖8　銅絲直徑較大時(shí)電場(chǎng)分布Fig.8　Distribution of electric field with larger diameter

理論分析可知銅絲編織布銅絲直徑小于編織布厚度，部分銅絲未良好接觸到鋁護(hù)套及緩沖層，引起鋁護(hù)套與外半導(dǎo)電層之間長期存在放電現(xiàn)象，削弱半導(dǎo)電層厚度，造成主絕緣擊穿隱患。實(shí)際故障現(xiàn)象存在多處半導(dǎo)電層放電灼燒、外半導(dǎo)電層存在放電痕跡，均可驗(yàn)證外半導(dǎo)電層經(jīng)歷長期放電。仿真結(jié)果表明原有銅絲編織布設(shè)計(jì)下的局部電場(chǎng)較大，氣隙處電場(chǎng)已大于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，易發(fā)生局部放電現(xiàn)象。變更銅絲編織布直徑，可避免該現(xiàn)象發(fā)生，證實(shí)銅絲編織布存在設(shè)計(jì)缺陷。

5　結(jié)語

電纜緩沖層內(nèi)部放電是電纜絕緣擊穿的主要原因之一。通過三起電纜緩沖層放電典型案例分析，表明緩沖層放電。實(shí)際工作中，應(yīng)強(qiáng)化電纜緩沖層帶材性能管控，規(guī)范電纜帶材技術(shù)指標(biāo)，加強(qiáng)電纜設(shè)計(jì)審核、到貨驗(yàn)收、后期運(yùn)維，確保電纜線路安全運(yùn)行。

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