高壓電纜半導(dǎo)電緩沖層新型評價方法探討

施楠楠， 徐曉峰， 夏俊峰

（上海電纜研究所有限公司，特種電纜技術(shù)國家重點實驗室，上海200092）

0 引 言

近年來，隨著高壓電纜使用年限的增長，全國各地均出現(xiàn)高壓電纜半導(dǎo)電緩沖層燒蝕引起的電纜故障。故障電纜經(jīng)解剖后發(fā)現(xiàn)，在電纜絕緣層、緩沖阻水帶和皺紋鋁護套內(nèi)壁均存在表面放電現(xiàn)象，嚴(yán)重的已經(jīng)發(fā)生燒蝕并存在大量白色粉末，部分故障點主絕緣已嚴(yán)重?fù)p傷［1-2］。

目前，國內(nèi)對該類故障的研究也在逐步推進，對緩沖層的測評主要通過以下方式進行：

（1）對緩沖帶材的電阻進行測試，主要包括帶材的體積電阻率和表面電阻的測試（可參考JB／T 10259—2014《電纜和光纜用阻水帶》），但無法反映繞包工藝、緩沖層與鋁套間隙對電氣過渡性能的影響。

（2）出廠前或線路投運前，對電纜成品進行高壓電氣試驗，包括工頻耐壓試驗和局部放電試驗，主要考核絕緣系統(tǒng)狀態(tài)，但無法反映各區(qū)段電纜的緩沖層過渡和接地性能狀況。

因此，亟需一種評價半導(dǎo)電緩沖層電氣性能的測試方法。基于此，本工作提出了一種半導(dǎo)電緩沖層電氣性能的測試方法，搭建相應(yīng)的測試平臺，可測試不同狀態(tài)電纜的半導(dǎo)電緩沖層與金屬護套之間的電氣接觸性能并進行定量化評估。

1 高壓電纜半導(dǎo)電緩沖層結(jié)構(gòu)

1.1 半導(dǎo)電緩沖層

國內(nèi)66 kV及以上高壓電力電纜基本采用金屬套屏蔽結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)電緩沖層位于擠包絕緣線芯和金屬套之間，一般由繞包工藝制成。

1.2 半導(dǎo)電緩沖層的性能要求及作用

半導(dǎo)電緩沖層的性能要求：

（1）電氣性能，緩沖層應(yīng)是半導(dǎo)電的，以使絕緣半導(dǎo)電屏蔽層與金屬屏蔽層保持電氣上的良好接觸，指標(biāo)上應(yīng)滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定［3］。

（2）縱向阻水性能，如電纜有縱向阻水要求，絕緣屏蔽層與徑向金屬防水層之間應(yīng)有縱向阻水層，當(dāng)電纜發(fā)生損壞時，能夠防止水沿電纜縱向延伸［4］。

（3）熱膨脹緩沖，緩沖層的厚度應(yīng)能達(dá)到電纜運行中熱膨脹的要求。

半導(dǎo)電緩沖層作為電纜內(nèi)高電位向低電位過渡、絕緣向金屬接地過渡的組成單元，可實現(xiàn)絕緣線芯軸向連續(xù)有效接地。在我國華東、華中和華南地區(qū)，考慮敷設(shè)環(huán)境中水分的影響，往往要求緩沖層具有縱向阻水的特性。

1.3 電纜結(jié)構(gòu)缺陷分析

目前，金屬套多采用擠出或焊接的皺紋鋁套形式，皺紋鋁套與緩沖層之間呈間隔局部接觸，如果緩沖層選材、設(shè)計、生產(chǎn)或使用等環(huán)節(jié)控制不當(dāng)，均會導(dǎo)致絕緣線芯接地不良，直接體現(xiàn)為運行中絕緣線芯的容性電流和泄漏電流徑向和軸向局部集中，經(jīng)緩沖層無法泄放，緩沖層中材料和金屬層之間出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕鋁套甚至絕緣屏蔽，在運行期間的高電壓和可能的線路內(nèi)部過電壓作用下，緩沖層出現(xiàn)局部放電、電蝕，直至損傷主絕緣，引起擊穿故障。

2 測試系統(tǒng)

目前，國內(nèi)只有針對電纜緩沖帶材的測試方法，本所經(jīng)過近幾年的深入研究，提出了測試電纜緩沖層與鋁護套之間電氣性能的方法，并搭建了相應(yīng)的測試平臺，測試平臺接線圖見圖1［5］。

圖1 測試平臺接線圖

通過高壓極、屏蔽極、測試極的設(shè)置，可測得直流條件下絕緣屏蔽材料與金屬套間的電阻值，近似反映出半導(dǎo)電緩沖層的電接觸性能。

3 樣品的測試及數(shù)據(jù)處理

3.1 電纜樣品的選擇

收集不同的電纜樣品并編號，主要包括以下幾種類型的電纜樣品：

（1）新電纜樣品（樣品1），該樣品的緩沖層由雙層緩沖繞包帶繞包而成，金屬護套為皺紋鋁套。

（2）新電纜樣品（樣品2），該樣品的緩沖層由雙層緩沖繞包帶繞包而成，金屬護套為平直鉛套。

（3）故障樣品（樣品3），該樣品取自故障現(xiàn)場，樣品的緩沖層由雙層緩沖繞包帶繞包而成，金屬護套為皺紋鋁套。

按照圖1將電纜樣品水平放置，并將待測樣品與測試平臺各接線極連接，形成測試回路。

3.2 電纜樣品的測試

對樣品1、樣品2和樣品3不同狀態(tài)電纜樣品施加不同的電流，采集外屏蔽與金屬護套之間的回路電流及電壓，計算可得接觸電阻，接觸電阻測試結(jié)果見圖2。

圖2 接觸電阻測試結(jié)果

由圖2可以看出：3種不同狀態(tài)電纜的接觸電阻差異較大，故障電纜（樣品3）的接觸電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他電纜，可以說明其電氣接觸性能相對于其他電纜較差。新電纜樣品（樣品1和樣品2）的電阻值較低，說明緩沖層與金屬套之間的電氣接觸性能較好，其中平直金屬套電纜的電阻值最優(yōu)，說明其具有良好的接觸性能。

接觸電阻雖可以體現(xiàn)不同電纜樣品之間的差異，但電纜樣品的直徑及金屬護套的長度各有不同，因此，以電纜測試段絕緣屏蔽的表面積為基準(zhǔn)，對緩 沖層與金屬套之間的接觸電阻進行歸一化處理，計算得到可比較的接觸電阻率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同樣品的接觸電阻率

由圖3可知：經(jīng)數(shù)據(jù)歸一化處理后，樣品的接觸電阻率的變化規(guī)律與接觸電阻的變化規(guī)律一致，能夠直接反映半導(dǎo)電緩沖層與金屬套之間的電氣接觸性能。

4 結(jié) 論

（1）提出了一種測試電纜緩沖層與金屬護套之

間電氣接觸性能的測試方法，并搭建了相應(yīng)的測試平臺。

（2）對故障電纜樣品進行測試，其接觸電阻及接觸電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新電纜。

（3）后期可通過收集大量不同狀態(tài)的故障電纜樣品，通過測試及計算可得到其接觸電阻率，用以定量評價電纜緩沖層與金屬套之間的電氣接觸性能。