高壓電纜緩沖層燒蝕及白斑模擬試驗(yàn)研究

劉宏亮，劉若溪，陳平，任志剛，李華春，侯宇程，車瑤，王帥， 馮濤，李浩浩，李斌

(1.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100062；2.江蘇上上電纜集團(tuán)有限公司，江蘇 溧陽 213300)

我國66 kV及以上電壓等級(jí)的高壓電纜大多采用半導(dǎo)電緩沖阻水層和皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年至今，北京地區(qū)共發(fā)生110 kV及以上電壓等級(jí)電纜故障共計(jì)11起，其中電纜緩沖層燒蝕、白斑引發(fā)故障6起，電纜緩沖層燒蝕引發(fā)的故障占比超過一半。國家電網(wǎng)有限公司(以下簡稱“國網(wǎng)”)自2001年至今，發(fā)生電纜緩沖層燒蝕故障26起。此外廣東省、新加坡、澳大利亞等地也出現(xiàn)電纜半導(dǎo)電緩沖阻水層燒蝕、白斑引起的故障案例[3]。早期階段，許多電纜生產(chǎn)企業(yè)對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水層的作用及性能認(rèn)識(shí)不足，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，同時(shí)關(guān)于高壓電纜的國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)緩沖層的要求規(guī)定不夠準(zhǔn)確詳細(xì)，體積電阻率制訂數(shù)據(jù)偏大[11]，且沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水層性能指標(biāo)和檢測方法作出明確要求，導(dǎo)致該問題頻頻發(fā)生[12]。

相關(guān)文獻(xiàn)中，宮瑞磊等[17]針對(duì)緩沖層與波紋鋁護(hù)套之間的間隙，通過理論計(jì)算的方式研究電纜電場分布，發(fā)現(xiàn)電場強(qiáng)度隨緩沖層與波紋鋁護(hù)套之間間隙的增大而增大，存在氣隙放電的可能。張瀚[18]、周松霖等[19]通過理論計(jì)算和建模仿真的方式得到高壓電纜的電場分布，認(rèn)為波紋鋁護(hù)套與緩沖層之間存在的空氣間隙會(huì)導(dǎo)致電場畸變，而間隙寬度減小會(huì)加劇金屬護(hù)套與緩沖層之間的放電，間隙的起始放電電壓隨間隙的增大而增大。孫進(jìn)等[20]提出緩沖層中的阻水粉可能從半導(dǎo)電聚酯纖維布中溢出，游離在緩沖層與金屬護(hù)套之間的空隙內(nèi)，在均熱狀態(tài)下吸附在金屬護(hù)套與緩沖層表面并聚集，使得在金屬護(hù)套與緩沖層之間形成一層絕緣膜，導(dǎo)致該處電場發(fā)生畸變，緩沖層與金屬護(hù)套之間產(chǎn)生電位差，最終導(dǎo)致空氣放電。鄧聲華等[21]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)緩沖層在注水后，其體積電阻率大幅上升，水分影響白斑形成，進(jìn)一步通過能譜分析發(fā)現(xiàn)其中鈉元素和鋁元素增多，說明可能是化學(xué)腐蝕導(dǎo)致緩沖層燒蝕。

目前半導(dǎo)電緩沖阻水層的故障分析多側(cè)重理論計(jì)算和有限元仿真，由于實(shí)際建模未必能夠完全對(duì)應(yīng)電纜的真實(shí)運(yùn)行情況，結(jié)果可能存在較大的偏差甚至相悖。目前未見通過在成品電纜中開展相關(guān)試驗(yàn)對(duì)電纜緩沖層故障模擬驗(yàn)證的報(bào)道。針對(duì)這一問題，本文通過制備相應(yīng)結(jié)構(gòu)的成品電纜長期帶電運(yùn)行，在成品電纜上模擬接觸不良放電、電容電流燒蝕、白斑形成等多項(xiàng)試驗(yàn)并開展分析。

1 皺紋鋁護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖層接觸不良放電試驗(yàn)?zāi)M

試制1段64/110 kV 1×240 mm2的電纜樣品，樣品的皺紋鋁護(hù)套波谷內(nèi)徑比半導(dǎo)電緩沖阻水層外徑大1.5 mm，模擬皺紋鋁護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖層的接觸不良放電。試驗(yàn)測量原理如圖1所示。圖1中：Cal為校準(zhǔn)電容器，Ck為耦合電容器，Cx為試驗(yàn)電纜，D為檢測儀器，V為高壓電壓表，W為交流電源，Z為濾波器，ZA為輸入單元。

圖1 測量原理

在導(dǎo)體和金屬套間施加96 kV的電壓(1.5U0，U0為電纜相電壓)，未檢測到局部放電(以下簡稱“局放”)信號(hào)。

重新制備樣品，將半導(dǎo)電緩沖阻水層和皺紋鋁護(hù)套之間的間隙減小到0.3 mm，電壓升至30 kV左右時(shí)開始檢測到局放信號(hào)。圖2是美國希波局放儀檢測到的電纜分別在96 kV、150 kV電壓下的接觸不良放電圖譜。不同于電纜本體放電，圖2有明顯的間隙放電特征，即：放電脈沖對(duì)稱分布于電壓零值兩側(cè)，在峰值處為0，電壓升高時(shí)其放電范圍和放電幅值變化不大，與DL/T 417—2019《電力設(shè)備局部放電現(xiàn)場測量導(dǎo)則》接觸不良的放電圖譜一致。

圖2 接觸不良放電圖譜

上述2個(gè)對(duì)比試驗(yàn)與某些文獻(xiàn)的電場仿真結(jié)論有一定出入，這是由于半導(dǎo)電緩沖阻水層和鋁護(hù)套之間間隙增加，二者間電場強(qiáng)度(以下簡稱“場強(qiáng)”)減小。通過對(duì)環(huán)形皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)進(jìn)行場強(qiáng)仿真(如圖3所示)，間隙1.5 mm時(shí)的最大場強(qiáng)出現(xiàn)在波谷處，場強(qiáng)不足0.3 kV/mm，小于空氣的擊穿強(qiáng)度(3 kV/mm)，試驗(yàn)時(shí)無局放產(chǎn)生。重新制作的電纜樣品緩沖層和鋁護(hù)套之間間隙減小(間隙0.3 mm)，場強(qiáng)增加，超過空氣的擊穿場強(qiáng)，當(dāng)施加電壓時(shí)，可檢測到局放信號(hào)。

圖3 半導(dǎo)電緩沖層與金屬套之間的場強(qiáng)仿真

2 充電電流對(duì)緩沖層燒蝕試驗(yàn)

高壓電纜相當(dāng)于圓柱形電容器，其阻抗等效電路圖4所示。圖4中，XXLPE為絕緣層的電抗，RXLPE為絕緣層電阻，XH為半導(dǎo)電緩沖阻水層電抗，RH為半導(dǎo)電緩沖阻水層自身電阻，Rcon為半導(dǎo)電緩沖阻水層和金屬套的接觸電阻，Ic為充電電流(也稱電容電流)。

圖4 高壓電纜等效阻抗電路

由于RXLPE?XXLPE，RXLPE、XXLPE并聯(lián)時(shí)可忽略RXLPE；XH?RH，RH、XH并聯(lián)時(shí)可忽略XH。因此等效電路簡化如圖5所示。

根據(jù)圖5的簡化的阻抗電路，高壓電纜在帶電運(yùn)行期間，相當(dāng)于對(duì)電容充電，有持續(xù)的充電電流Ic流過半導(dǎo)電緩沖阻水層，緩沖層電阻(RH+Rcon)在Ic的作用下產(chǎn)生熱效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)電緩沖阻水層和鋁護(hù)套接觸不良，有效傳導(dǎo)充電電流的緩沖層面積減小，使得通過半導(dǎo)電緩沖阻水層的單位電流密度增加，較大的充電電流密度會(huì)對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水層產(chǎn)生燒蝕。

圖5 高壓電纜等效簡化阻抗電路

本試驗(yàn)試制110 kV的500 mm2電纜樣品85 m，半導(dǎo)電緩沖阻水層外繞無紡布，在電纜中間位置(約42 m處)，長85 cm不繞無紡布，樣品電纜只有此1%長度的半導(dǎo)電緩沖阻水層與鋁護(hù)套接觸。由于無紡布的體積電阻率(1014Ω·cm)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)電緩沖層的體積電阻率(104Ω·cm)，相當(dāng)于絕緣，根據(jù)電阻分流原理，充電電流只在85 cm長未繞無紡布的半導(dǎo)電緩沖層流通。本試驗(yàn)用于模擬接觸不良狀態(tài)下充電電流對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水層的燒蝕。

在導(dǎo)體和金屬套間施加96 kV的電壓(1.5U0)，金屬套可靠接地，累計(jì)施加電壓32 d，試驗(yàn)結(jié)束后解剖電纜，檢查燒蝕情況，如圖6所示。圖6中，有1段長度約85 cm的黑色部分是裸露的半導(dǎo)電緩沖阻水層，其余全部繞包了白色的無紡布，相當(dāng)于只有正常電纜1%的半導(dǎo)電緩沖層與鋁護(hù)套接觸。全面檢查發(fā)現(xiàn)無紡布、緩沖層表面均無可見燒蝕孔洞或碳化痕跡。

圖6 電纜剖開檢查

長度85 m、110 kV 的500 mm2電纜，在96 kV電壓下的充電電流

Ic=UωCL.

(1)

式中：U為導(dǎo)體對(duì)地電壓(試驗(yàn)電壓為96 kV)；樣品長度L=85 m；電容C=1.65×10-10F/m；ω為角頻率，ω=2πf，f為電源頻率。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算出Ic=424 mA。

Ic全部經(jīng)由長度85 cm的緩沖層與鋁護(hù)套通過接地線釋放，85 cm長電纜緩沖層表面積

S=πdL.

(2)

式中d為半導(dǎo)電緩沖阻水層外徑，取值77 mm。代入式(2)計(jì)算得出S=0.21 m2。

電流密度

J=Ic/S.

(3)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出J=2 A/m2。

由此可見，與正常結(jié)構(gòu)的運(yùn)行電纜相比，試驗(yàn)電纜半導(dǎo)電緩沖阻水層和鋁護(hù)套只有1%的長度有效接觸，施加電壓為1.5U0，相當(dāng)于試驗(yàn)電流密度為實(shí)際運(yùn)行電流密度的150倍，運(yùn)行32 d后無燒蝕或碳化痕跡。也就是在緩沖層性能良好、緩沖層和鋁護(hù)套緊密接觸情況下，不可能發(fā)生充電電流燒蝕半導(dǎo)電緩沖阻水層的情況。

但當(dāng)半導(dǎo)電緩沖阻水層受潮后，緩沖層電阻急劇增加[21]，相同的電流密度熱效應(yīng)也明顯增加。為進(jìn)一步研究溫度、濕度與電流密度對(duì)緩沖層燒蝕發(fā)展規(guī)律的影響，在恒溫、恒濕箱中進(jìn)行模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)。恒溫、恒濕箱溫度調(diào)節(jié)范圍為-70～150 ℃，相對(duì)濕度調(diào)節(jié)范圍為0～100%，試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 電流燒蝕模擬裝置

為加速反應(yīng)進(jìn)程，設(shè)定試驗(yàn)電流密度分別為10 A/m2、20 A/m2、30 A/m2、40 A/m2，環(huán)境濕度分別為90%、80%、70%；考慮溫度的影響，分別取35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃ 這4個(gè)溫度點(diǎn)。設(shè)電流密度值為自變量，燒蝕起始時(shí)間t0為因變量，溫度、濕度為環(huán)境條件，得到不同環(huán)境條件下燒蝕起始時(shí)間隨電流密度變化擬合曲線，如圖8所示，其中RH為環(huán)境濕度。

由圖8可知，在一定的溫度與濕度條件下，燒蝕起始時(shí)間的自然對(duì)數(shù)與電流密度近似呈線性關(guān)系。隨著溫度改變，對(duì)應(yīng)直線的斜率與截距發(fā)生變化；隨著濕度改變，斜率與截距大幅變化。

此外，鋁護(hù)套、緩沖層中的導(dǎo)電碳黑和水三者形成原電池，其中鋁較為活潑，形成原電池的負(fù)極，導(dǎo)電碳黑為正極。正極發(fā)生的反應(yīng)為H2O得電子，生成H2和OH-，對(duì)應(yīng)的電極電勢為-0.827 7 V；負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為Al失電子，生成Al(OH)3，電極電勢為-2.31 V，Al-C原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢為1.5 V，氧化還原反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，鋁作為負(fù)極被氧化腐蝕。此反應(yīng)長期發(fā)展會(huì)對(duì)鋁產(chǎn)生腐蝕，且該反應(yīng)為放熱反應(yīng)， 局部溫度過高會(huì)對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水層產(chǎn)生燒蝕。

由試驗(yàn)可知，干燥狀態(tài)下的半導(dǎo)電緩沖層不太容易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，當(dāng)半導(dǎo)電緩沖層受潮時(shí)，較易發(fā)生燒蝕，尤其在潮濕環(huán)境下，電化學(xué)持續(xù)進(jìn)行，電纜在長期運(yùn)行過程中出現(xiàn)半導(dǎo)電緩沖層燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)較高。

3 白斑形成原因分析

3.1 半導(dǎo)電緩沖阻水層的強(qiáng)吸濕性

半導(dǎo)電緩沖阻水層是由1層半導(dǎo)電蓬松棉、 1層半導(dǎo)電無紡布，以及兩者之間涂粘的阻水粉組成。阻水粉的主要成分是聚丙烯酸鈉(C3H3NaO2)n，聚丙烯酸鈉含有大量親水基團(tuán)。制備阻水粉過程中，通過特定的工藝制備出表面粗糙、內(nèi)部多孔的結(jié)構(gòu)，讓更多的親水基團(tuán)暴露在高分子吸濕材料表面，賦予樹脂相互貫通的毛細(xì)孔道，增加材料的比表面積，進(jìn)而增加吸濕材料與水分子的作用點(diǎn)，增大水分子在吸濕材料內(nèi)部的固定結(jié)合力，使得材料具有極強(qiáng)的吸水性能[22]，一旦吸濕，將很難脫水。半導(dǎo)電緩沖阻水層受潮后，會(huì)有阻水粉析出，在表面形成白斑或白色粉末。

3.2 半導(dǎo)電緩沖阻水層/半導(dǎo)電緩沖層溶液的pH值

試驗(yàn)分別取3個(gè)廠家的半導(dǎo)電緩沖阻水層和1個(gè)廠家的半導(dǎo)電緩沖層。在樣片中心區(qū)域，剪30 mm×15 mm各一小塊，浸泡于250 ml的蒸餾水中，每20 min攪拌1次，1 h后測其pH值，結(jié)果見表1。

表1中前3種樣品為半導(dǎo)電緩沖阻水層，含阻水粉，pH值呈堿性；第4種樣品為半導(dǎo)電緩沖層，不含阻水粉，pH值呈酸性。半導(dǎo)電緩沖阻水層溶液之所以呈堿性，是因?yàn)樽杷鄣闹饕煞志郾┧徕c鹽是強(qiáng)堿弱酸鹽，且在制備過程中會(huì)添加過量氫氧化鈉，溶液中有OH-存在。純鋁屬于活潑金屬，在空氣中極易被氧化，在表面生成致密的氧化膜，氧化膜保護(hù)鋁不再進(jìn)一步被氧化。但在堿性環(huán)境下，OH-使氧化膜被破壞，失去對(duì)鋁自身的保護(hù)作用。

表1 半導(dǎo)電緩沖(阻水)層溶液的pH值

3.3 白斑成分物化檢測

3.3.1 X射線熒光光譜分析

在故障電纜上分別取燒蝕的和完好的半導(dǎo)電緩沖阻水層，進(jìn)行X射線熒光光譜(X-ray fluorescence spectrometry，XRF)分析，燒蝕前后各物質(zhì)成分變化見表2。

表2 燒蝕前后各元素成分比例

由表2可以看出，燒蝕后緩沖層的物質(zhì)組分有變化，鋁元素比例由0.998%增加到3.190%，鋁含量明顯增加。

3.3.2 傅里葉紅外光譜測試

分別取故障電纜緩沖層表面的白色粉末和未燒蝕處的阻水粉開展紅外光譜測試，阻水粉、燒蝕粉末紅外光譜如圖9所示。阻水粉與燒蝕處粉末的吸收峰在波數(shù)1 000～1 600(成分中存在苯環(huán)及稠芳環(huán)或長碳鏈)及3 300(存在烷基與不飽和烴)的2個(gè)波段略有差異，其余變化規(guī)律基本一致。差異原因可能是燒蝕過程導(dǎo)致阻水粉中某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低了其含量?？梢哉J(rèn)為白色粉末主要由高吸水樹脂為主的阻水粉組成，結(jié)合XRF分析，白色粉末還包含氧化鋁成分。

圖9 阻水粉、燒蝕粉末紅外光譜圖

半導(dǎo)電緩沖阻水層受潮是形成白斑的重要原因，這是由于半導(dǎo)電緩沖阻水層受潮后，阻水粉容易析出，附著在緩沖層表面。此外，金屬護(hù)套中的鋁表面的保護(hù)膜在堿性環(huán)境下受到破壞，生成氫氧化鋁也會(huì)沉降在半導(dǎo)電緩沖層表面，長期發(fā)展積累成為肉眼可見的白色粉末。白色粉末中含有阻水粉和鋁的混合物，兩者均不導(dǎo)電。用萬用表測量緩沖層表面直流電阻，測量原理如圖10所示，在萬用表兩探針間距相同的情況下，無白色粉末區(qū)域的緩沖層表面電阻為3.4 kΩ，而存在白色粉末區(qū)域的緩沖層表面電阻達(dá)18.1 MΩ，增大5 000多倍。當(dāng)電纜運(yùn)行時(shí)間增加，白色粉末大量增加，覆蓋在半導(dǎo)電緩沖阻水層表面，增大了半導(dǎo)電緩沖阻水層與金屬護(hù)套的接觸電阻。

圖10 半導(dǎo)電緩沖層表面白斑電阻測量

4 白斑試驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證

制作110 kV 、240 mm2電纜樣品，在緩沖層繞包工序生產(chǎn)時(shí)，使用噴霧器對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水層材均勻噴濕，然后生產(chǎn)至成品。在導(dǎo)體和金屬套之間施加電壓96 kV，同時(shí)利用穿心變壓器對(duì)電纜導(dǎo)體加熱，導(dǎo)體溫度90 ℃，加壓、加熱試驗(yàn)時(shí)間累積50 d。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)結(jié)束后剖開電纜對(duì)緩沖層表面開展檢查。檢查結(jié)果如圖12所示，由圖12發(fā)現(xiàn)在緩沖層表面有白色粉末狀物質(zhì)，對(duì)應(yīng)的鋁護(hù)套內(nèi)表面有明顯腐蝕的痕跡。

圖12 緩沖層上的白斑和鋁護(hù)套表面腐蝕的痕跡

5 結(jié)論

a) 半導(dǎo)電緩沖阻水層與鋁護(hù)套間隙會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)電緩沖層和鋁護(hù)套之間存在局放，間隙越小，場強(qiáng)越高，長期放電會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)電緩沖層燒蝕。正常運(yùn)行電纜的充電電流(電容電流)的熱效應(yīng)不足以對(duì)半導(dǎo)電緩沖阻水層燒蝕，半導(dǎo)電緩沖阻水層受潮后，燒蝕起始時(shí)間大幅降低。

b)半導(dǎo)電緩沖阻水層受潮是白斑形成的重要因素，白斑是阻水粉和氧化鋁的混合物。半導(dǎo)電緩沖阻水層受潮阻水粉極易析出，溶液呈堿性，鋁護(hù)套在堿性環(huán)境下表面的氧化膜被破壞，受到電化學(xué)腐蝕，形成氧化鋁。

c)燒蝕和白斑是2種不同的發(fā)生機(jī)理，兩者相伴發(fā)生，又相輔相成。白斑中的阻水粉和氧化鋁均為不導(dǎo)電物質(zhì)，白斑分布在鋁護(hù)套波谷和半導(dǎo)電緩沖層接觸的位置，增大了兩者的接觸電阻，會(huì)進(jìn)一步加劇放電燒蝕的發(fā)生。