半導(dǎo)電緩沖阻水帶與鋁護(hù)套接觸形成白斑的實(shí)驗(yàn)*

卞佳音，單魯平，徐研，劉曉東，劉培鎮(zhèn)，唐文川，何亞忠

（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

近年來(lái)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快的情況下，城市電網(wǎng)對(duì)電能需求量和電能質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求［1］。截止2020年底，南方電網(wǎng)公司轄區(qū)的110 kV及以上電壓等級(jí)的電力電纜長(zhǎng)度已超過(guò)5 000 km；國(guó)家電網(wǎng)公司轄區(qū)的110kV及以上電壓等級(jí)的電力電纜總長(zhǎng)度已超過(guò)27 099 km［2］。

交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)輸電等領(lǐng)域［3］。高壓、超高壓電力電纜一般采用電纜溝地下敷設(shè)，一旦電纜出現(xiàn)故障，查找故障點(diǎn)和維護(hù)都比較麻煩。因此應(yīng)確保電纜安全、可靠地運(yùn)行，減少不必要的維護(hù)成本，穩(wěn)定供電質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)的電力電纜技術(shù)起源于國(guó)內(nèi)日本合資技術(shù)，因此在早前的高壓電力電纜半導(dǎo)電緩沖阻水層都繞包有金布，由于各種原因此種結(jié)構(gòu)已逐漸成為交聯(lián)聚乙烯電纜設(shè)計(jì)的歷史。目前高壓、超高壓電力電纜緩沖層普遍直接繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶材，交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)使用壽命為30年，但現(xiàn)在有很多起電纜本體擊穿事故都是發(fā)生在只運(yùn)行了幾年、十幾年的電纜。目前，全國(guó)各地報(bào)道了多起電纜緩沖層燒蝕缺陷事故［4］，導(dǎo)致電纜故障，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引起絕緣擊穿。電纜緩沖層燒蝕缺陷已經(jīng)是電纜安全可靠運(yùn)行的一個(gè)巨大威脅，影響電纜正常的使用壽命，一旦出現(xiàn)問(wèn)題易引起供電大面積停電［5－6］。因此，有必要充分研究電纜緩沖層缺陷產(chǎn)生具體原因以及緩沖層缺陷產(chǎn)生的效率和影響因素，為后續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)電纜工藝和結(jié)構(gòu)提供一定的基礎(chǔ)［7－8］。

1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

此次實(shí)驗(yàn)用到的主要設(shè)備有TDGC2－0.5K調(diào)壓變壓器，輸出電壓AC 0～250 V，輸出電流AC 0～2 A，工作頻率50 Hz；0.0～66.0 MΩ交直流數(shù)字鉗形表。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)使用的電路回路如圖1所示，緩沖層一端和鋁護(hù)套的對(duì)端分別接交流電源的兩極，使用調(diào)壓變壓器在其兩端施電壓，根據(jù)歐姆定律可知緩沖層與鋁護(hù)套之間將流過(guò)電流。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路回路

如圖2所示，由于導(dǎo)電的鋁護(hù)套的電阻明顯小于半導(dǎo)電的緩沖層，即鋁護(hù)套與緩沖層之間的接觸電阻Ra遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于緩沖層電阻Rb。因此電流主要將從最靠近緩沖層電極的鋁護(hù)套波谷處集中流入鋁護(hù)套，由此就可以探究集中的電流對(duì)緩沖層的燒蝕影響。使用數(shù)顯電壓電流表可以直接測(cè)得電極兩端的電壓和通過(guò)兩極的電流［9］。

圖2 電流主要通過(guò)第一個(gè)波谷處流入鋁護(hù)套

電流不均勻的主要原因來(lái)自各接觸點(diǎn)的電勢(shì)不同，導(dǎo)致緩沖層與鋁護(hù)套之間各接觸處電流不均［10］。因此，為模擬緩沖層與鋁護(hù)套之間良好的電氣接觸，需要調(diào)整下極板電極。在緩沖層下增加鋁板，以鋁板作為下電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該改進(jìn)后的等效電路如圖3所示，由于緩沖層上各點(diǎn)為等電勢(shì)，因此電流將均勻地從緩沖層流入鋁護(hù)套。

圖3 下墊鋁板后電流將均勻流入鋁護(hù)套

1.3 半導(dǎo)電緩沖阻水帶材測(cè)量

半導(dǎo)電緩沖阻水帶沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)方法和檢測(cè)要求作出詳細(xì)的規(guī)定，直至2019年才有相應(yīng)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布和實(shí)施。對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水帶材進(jìn)行前期測(cè)量，表面電阻236Ω、20℃體積電阻率37Ω·m，符合T／CAS 374－2019中的要求［11］。

為了更好地模擬鋁護(hù)套與緩沖層接觸的情況，本實(shí)驗(yàn)事先制取了若干塊長(zhǎng)100 mm，寬20 mm的波紋鋁板。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在波紋鋁板上放置20 g的重物，模擬在重力作用下鋁護(hù)套部分壓入緩沖層的情況。在實(shí)驗(yàn)前曾嘗試將波紋鋁板直接置于緩沖層之上，但波紋鋁板過(guò)輕將使波紋鋁板與緩沖層之間不完全接觸，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大的誤差。

本實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象主要為集中的電流和潮濕環(huán)境對(duì)緩沖層燒蝕和結(jié)構(gòu)缺陷生成的影響，因此設(shè)置了如表1所示的7組實(shí)驗(yàn)。通過(guò)控制變量，對(duì)不同組的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以探究不同環(huán)境參數(shù)變化對(duì)緩沖層燒蝕和缺陷產(chǎn)生的影響。

表格1 實(shí)驗(yàn)分組情況

將波紋鋁板放在干燥的半導(dǎo)電緩沖阻水帶上，施加100 mA交流電流，一個(gè)下極加鋁板一個(gè)下極不加鋁板，分別記為實(shí)驗(yàn)樣品1和實(shí)驗(yàn)樣品2，實(shí)驗(yàn)樣品3

則為干燥不加電流樣品。將波紋鋁板放在潮濕的半導(dǎo)電緩沖阻水帶上。具體而言，通過(guò)向半導(dǎo)電緩沖阻水帶中直接加入少量純凈水（分別為10 mL、5 mL），提高緩沖阻水帶的含水率，以模擬在潮濕環(huán)境下半導(dǎo)電緩沖阻水帶已吸水的情況。分別設(shè)置施加100 mA交流電流，記為實(shí)驗(yàn)樣品4和實(shí)驗(yàn)樣品5；不通電流的情況下，分別記為實(shí)驗(yàn)樣品6和實(shí)驗(yàn)樣品7。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品1、2與實(shí)驗(yàn)樣品3的結(jié)果，可以探究集中電流單獨(dú)作用對(duì)緩沖層燒蝕和白斑生成的影響，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品4、5、6和實(shí)驗(yàn)7可以探究潮濕環(huán)境單獨(dú)作用對(duì)緩沖層燒蝕和白斑生成的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥狀態(tài)

施加電流中下極加鋁板與不加鋁板實(shí)驗(yàn)樣品如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)樣品1在施加100 mA電流72 h后波紋鋁板波峰與半導(dǎo)電緩沖阻水帶接觸位置無(wú)明顯肉眼可見(jiàn)的異?，F(xiàn)象；而樣品2同樣是施加100 mA電流48 h后波紋鋁板波峰與半導(dǎo)電緩沖阻水帶接觸位置就有如圖5所示的電流燒蝕痕跡，該位置符合先前所預(yù)測(cè)的電流集中通過(guò)處，半導(dǎo)電緩沖阻水帶對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)灼傷后留下的洞眼。而半導(dǎo)電緩沖阻水帶底下加鋁板電極可以使得電流較均勻地通過(guò)緩沖層流向鋁護(hù)套。

圖4 施加電流中下極加鋁板與不加鋁板實(shí)驗(yàn)樣品

圖5 樣品1燒蝕痕跡

另一方面，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品3而言，波紋鋁板放在干燥的半導(dǎo)電緩沖阻水帶上不通電流，經(jīng)歷96 h的實(shí)驗(yàn)后結(jié)果如圖6所示，在波紋鋁板與緩沖層接觸處未出現(xiàn)任何燒傷、腐蝕的痕跡。分析可知，集中的電流可導(dǎo)致波紋鋁護(hù)套與緩沖阻水層之間發(fā)生局部過(guò)熱，進(jìn)而引起燒蝕。

圖6 樣品2未見(jiàn)異常

對(duì)比3個(gè)干燥環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，集中的電流會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)電緩沖阻水帶與鋁護(hù)套接觸點(diǎn)發(fā)生電流燒蝕。此外，實(shí)驗(yàn)樣品1、實(shí)驗(yàn)樣品2和實(shí)驗(yàn)樣品3中均未出現(xiàn)過(guò)往緩沖層燒蝕電纜中出現(xiàn)的白斑。分析認(rèn)為原因可能是在干燥環(huán)境下波紋鋁護(hù)套與緩沖阻水層間化學(xué)反應(yīng)的速度十分緩慢，在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的生成不明顯。

2.2 潮濕狀態(tài)

半導(dǎo)電緩沖阻水帶極易吸收空氣中的水分變得潮濕，為探究不同含水率對(duì)緩沖層燒蝕和白斑生成的影響，本次實(shí)驗(yàn)也模擬了半導(dǎo)電緩沖阻水帶在不同含水率條件下與鋁護(hù)套的白斑生成實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品4注入10 mL純凈水，樣品5注入5 mL純凈水，待阻水帶全部吸收水分后施加100 mA的交流電流。5 min

后斷電打開(kāi)半導(dǎo)電緩沖阻水帶與波紋鋁板接觸位置均已出現(xiàn)白斑，將半導(dǎo)電緩沖阻水帶揭開(kāi)下級(jí)鋁板接觸位置也同樣有白斑現(xiàn)象生成，如圖7所示。

圖7 10 mL、5 mL均出現(xiàn)白斑現(xiàn)象

同樣的，將樣品6注入10 mL純凈水、樣品7注入5 mL純凈水后放上波紋鋁套，上面再壓上200 g重物，自然放置。在靜置15 h后波紋鋁板與半導(dǎo)電緩沖阻水帶接觸位置也開(kāi)始都出現(xiàn)如圖8所示的發(fā)白現(xiàn)象，樣品6和樣品7生成白斑速率基本相同。由此可見(jiàn)，無(wú)論半導(dǎo)電緩沖阻水帶含水率的大小，只要受潮了與鋁護(hù)套接觸都會(huì)出現(xiàn)白斑現(xiàn)象。白斑的生成不需要電流的參與，鋁護(hù)套與受潮的半導(dǎo)電緩沖阻水帶將緩慢生成白斑。

圖8 不同含水率白斑形成

對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品4和5與實(shí)驗(yàn)樣品6和7可知，波紋鋁護(hù)套與受潮的緩沖阻水層之間直接接觸時(shí)在接觸面上將產(chǎn)生電阻很大的白斑，波紋鋁護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖阻水帶之間施加電流將顯著提高白斑的生成速度。

用萬(wàn)用表電阻檔位測(cè)量正常無(wú)白斑的波紋鋁板的電阻，如圖9所示，結(jié)果正常波紋鋁板兩相鄰波谷的電阻為18.6Ω。而將萬(wàn)用表表筆一支放于實(shí)驗(yàn)波紋鋁板無(wú)白斑位置，另一支放于實(shí)驗(yàn)中生成的白斑上，此時(shí)電阻值很大，已超出萬(wàn)用表電阻擋位最大量程。將萬(wàn)用表兩只表筆同時(shí)放置于生成的白斑上，無(wú)論表筆放置距離的遠(yuǎn)近，測(cè)量電阻值均超儀表最大量程。

圖9 白斑電阻測(cè)量

在電纜的實(shí)際運(yùn)行中，金屬護(hù)層與其下的半導(dǎo)電層需要有良好、均勻的電氣接觸。白斑的出現(xiàn)顯然破壞了鋁護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖阻水層之間的電氣接觸，此外，部分區(qū)域高阻白斑的生成也會(huì)使電流于其他電氣接觸良好處集中，造成如實(shí)驗(yàn)樣品2所示結(jié)果的燒蝕。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述的白斑生成和緩沖層燒蝕影響因素探究實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論。

（1）集中的電流將導(dǎo)致緩沖層與鋁護(hù)套接觸面發(fā)生局部過(guò)熱，最終引起緩沖層燒蝕。

（2）在潮濕的半導(dǎo)電緩沖阻水帶且有電流流過(guò)的情況下，電纜鋁護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖阻水帶接觸極易形成白斑，生成速度快。該白斑呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，嚴(yán)重破壞了鋁護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖阻水層之間的良好電氣接觸。必將造成電流在其他部位的集中，同樣將引起燒蝕。

（3）在潮濕但沒(méi)有施加電流時(shí)，隨著時(shí)間的推移，電纜護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖阻水帶接觸位置也會(huì)形成白斑，含水率的大小對(duì)白斑形成速度影響不大。

基于本文研究的白斑生成與緩沖層燒蝕實(shí)驗(yàn)，針對(duì)后續(xù)相關(guān)研究做出如下展望：確定當(dāng)波紋鋁護(hù)套與緩沖阻水層之間某處白斑生成后，對(duì)同一電纜其他未生成白斑處流過(guò)電流大小的影響。