高壓電纜緩沖層燒蝕過程中電流密度與氣體產(chǎn)物濃度的關(guān)聯(lián)性研究

郭衛(wèi)， 門業(yè)堃， 任志剛， 陳平， 高建， 張浩然， 李建英

（1.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

0 引 言

高壓電纜是城市電網(wǎng)安全供電系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行可靠性至關(guān)重要[1-2]。然而，近年來國內(nèi)外頻繁出現(xiàn)因阻水緩沖層燒蝕而導(dǎo)致的高壓電纜本體擊穿事故，且目前仍有大量潛伏性燒蝕缺陷未被檢出，為城市供電系統(tǒng)埋下了極大的安全隱患，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注[3-4]。

目前國內(nèi)外已在高壓電纜阻水緩沖層燒蝕機(jī)理方面開展了大量的實(shí)驗(yàn)與仿真研究[5-8]，揭示了燒蝕過程中緩沖層的體積電阻率變化、電氣接觸情況以及白色固體燒蝕產(chǎn)物等對(duì)燒蝕過程的影響。門業(yè)堃等[9]通過燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在干燥條件下緩沖層的體積電阻率隨燒蝕時(shí)間延長逐漸增大，且緩沖層的電流密度在燒蝕過程中會(huì)出現(xiàn)短時(shí)激增現(xiàn)象；而潮濕條件下緩沖層的體積電阻率在燒蝕初期會(huì)先顯著減小，隨后逐漸增大。劉英等[10]通過電-熱耦合仿真研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電纜皺紋鋁護(hù)套與緩沖層間軸向連續(xù)接觸不良長度達(dá)到2 m以上時(shí)，緩沖層與鋁護(hù)套接觸的部位會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電流集中并導(dǎo)致急劇升溫，溫升最高可達(dá)476℃，從而引發(fā)緩沖層的過熱燒蝕分解。歐陽本紅等[11]通過電纜軸向有限元仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)緩沖層的電阻率為5×104Ω·cm，且鋁護(hù)套與緩沖層間存在0.3 mm的氣隙時(shí)，氣隙內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度將超過空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3 kV/mm），引發(fā)局部放電，導(dǎo)致緩沖層燒蝕故障。WU Z等[12]通過構(gòu)建高壓電纜電壓分布計(jì)算模型，研究了緩沖層燒蝕白斑的位置、數(shù)量、厚度和最大面積對(duì)電纜電壓分布的影響，發(fā)現(xiàn)燒蝕白斑缺陷數(shù)量的變化對(duì)電纜電壓的影響較大。

還有研究發(fā)現(xiàn)，緩沖層在燒蝕過程中會(huì)產(chǎn)生特征性氣體產(chǎn)物。趙西元[13]通過燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻水緩沖層在受潮條件下的燒蝕過程中會(huì)產(chǎn)生標(biāo)志性氣體產(chǎn)物——?dú)錃?。周凱等[14]通過緩沖層燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電纜緩沖層的狀態(tài)可分為腐蝕階段以及燒蝕階段，在腐蝕階段緩沖層會(huì)釋放出大量H2，而在燒蝕階段還會(huì)額外產(chǎn)生CH4、C2H6、C2H4以及C2H2氣體。劉順滿等[15]基于針-板模型開展了緩沖層放電燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)緩沖層在劇烈的電弧灼燒作用下會(huì)產(chǎn)生甲苯、鄰苯二甲酸乙二丁酯等芳香烴氣體。然而，目前的研究僅針對(duì)燒蝕過程中氣體產(chǎn)物的變化，缺少結(jié)合燒蝕過程中氣體產(chǎn)物與緩沖層導(dǎo)電性能變化的研究，從而難以掌握緩沖層在燒蝕過程中性能的變化與氣體產(chǎn)物之間的關(guān)聯(lián)。

本文通過開展緩沖層燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)，研究干燥與潮濕條件下緩沖層燒蝕過程中電流密度以及氣體產(chǎn)物濃度的演變規(guī)律，探究燒蝕氣體產(chǎn)物濃度的變化與緩沖層電流密度的關(guān)聯(lián)性，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 緩沖層燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)

采用BHZD200型商用緩沖層材料進(jìn)行研究，試樣尺寸為3 cm×3 cm×2 mm。實(shí)驗(yàn)前將緩沖層試樣置于50℃烘箱內(nèi)烘干12 h以充分去除水分。通過向緩沖層試樣中注射1 mL去離子水以模擬緩沖層受潮時(shí)的情況。在緩沖層的上下兩側(cè)分別放置電工鋁片（尺寸為3 cm×3 cm×2 mm）以及半導(dǎo)電屏蔽層試樣（尺寸為3 cm×3 cm×1 mm），并放入電極腔體中，以模擬實(shí)際電纜中緩沖層的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 緩沖層燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Simulated ablation experiment diagram of buffer layer

在電極兩端施加30 V的交流電壓[16]，對(duì)緩沖層試樣進(jìn)行模擬燒蝕。燒蝕過程中實(shí)時(shí)記錄緩沖層試樣的電流密度，計(jì)算電流密度的面積約為9 cm2，采樣時(shí)間間隔為5 s。每組燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)長為6 h，實(shí)驗(yàn)過程中，每隔1 h在實(shí)驗(yàn)腔體中采集一次氣體。

1.2 氣相色譜實(shí)驗(yàn)

采用河南中分儀器公司的ZF-301B型氣相色譜儀研究燒蝕過程中的氣體產(chǎn)物成分，儀器配備有熱導(dǎo)檢測(cè)器和火焰離子化檢測(cè)器，用于檢測(cè)H2和低分子量烴。氣體進(jìn)樣量為1 mL，每組測(cè)試8 min。根據(jù)色譜峰的面積，結(jié)合奧氏系數(shù)折算出氣體濃度。

1.3 微觀形貌與元素組成分析

采用天美科學(xué)儀器有限公司的SU3500型鎢燈絲掃描電鏡對(duì)燒蝕后緩沖層試樣表面的微觀形貌以及元素組成進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩沖層燒蝕過程中電流密度的演變規(guī)律

干燥條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的變化如圖2所示。從圖2可以看出，干燥緩沖層在加壓燒蝕過程中的電流密度隨燒蝕時(shí)間呈類似于指數(shù)型的衰減規(guī)律，起始時(shí)刻的電流密度約為33.5 A/m2，燒蝕1 h時(shí)的電流密度下降至約20.3 A/m2，相比于起始時(shí)刻下降了約39.4%，而當(dāng)燒蝕時(shí)間為2 h時(shí)，緩沖層的電流密度下降至約17.7 A/m2，相比于起始時(shí)刻下降了約47.2%。此外可以看出，緩沖層電流密度的衰減速率也隨燒蝕過程逐漸降低。

圖2 干燥條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的變化Fig.2 The change of current density of buffer layer with ablation time under dry condition

為了定量描述緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的衰減過程，采用式（1）所示雙指數(shù)函數(shù)對(duì)電流密度隨燒蝕時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

式（1）中：J為緩沖層電流密度；t為燒蝕時(shí)間；A1、A2、A3、τ1、τ1均為擬合參數(shù)。

從圖2可以看出，擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.992，擬合效果良好，表明雙指數(shù)函數(shù)能夠用于描述干燥狀態(tài)下緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的衰減過程。

潮濕條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3 潮濕條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的變化Fig.3 The change of current density of buffer layer with ablation time under wet condition

從圖3可以看出，受潮后緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的變化規(guī)律與干燥條件下有顯著的區(qū)別。在燒蝕過程中，受潮緩沖層的電流密度會(huì)先迅速升高，在到達(dá)峰值后呈指數(shù)型衰減趨勢(shì)，到達(dá)峰值的時(shí)間約為0.23 h，峰值電流密度約為406.7 A/m2。燒蝕初期緩沖層電流密度的激增過程可能與受潮后緩沖層中的載流子濃度短時(shí)增大有關(guān)[9]。當(dāng)緩沖層受潮后，其中的阻水粉會(huì)吸水電離出大量可自由遷移的Na+，Na+會(huì)作為載流子參與緩沖層的導(dǎo)電過程，從而導(dǎo)致緩沖層電流密度在燒蝕初期劇烈攀升。

同樣采用式（1）對(duì)潮濕條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間的衰減過程進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.999，擬合效果良好，表明緩沖層在潮濕條件下燒蝕過程中的電流密度衰減過程同樣可以通過雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行定量描述。

從式（1）可知，參數(shù)τ1、τ2反映了電流密度從初始時(shí)刻的衰減速率衰減到0 A/m2時(shí)所需的時(shí)間，能夠反映電流密度的衰減速率。干燥與潮濕條件下緩沖層電流密度的擬合參數(shù)分別如表1所示。從表1可以看出，τ1、τ2在干燥條件下的值是潮濕條件下的2～3倍，表明在干燥條件下緩沖層電流密度在燒蝕過程中的衰減速度相對(duì)于潮濕條件下更緩慢。

表1 燒蝕過程中緩沖層電流密度隨燒蝕時(shí)間變化的擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of current density change with ablation time of buffer layer during ablation process

另外，擬合參數(shù)A1和A2反映了緩沖層電流密度在衰減過程中的幅值，而A3則反映了緩沖層電流密度衰減至穩(wěn)定后的穩(wěn)定值。從表1可以看出，潮濕條件下緩沖層電流密度在衰減過程中的幅值要遠(yuǎn)高于干燥條件下，而干燥與潮濕條件下緩沖層電流密度的穩(wěn)定值相差不大。

將緩沖層電流密度的擬合結(jié)果對(duì)燒蝕時(shí)間進(jìn)行微分，即可進(jìn)一步得到緩沖層的電流密度衰減速率隨燒蝕時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在干燥與潮濕條件下，緩沖層電流密度的衰減速率隨燒蝕時(shí)間呈相同的變化趨勢(shì)，即隨著燒蝕過程的進(jìn)行，電流密度的衰減速率先快速降低，在燒蝕持續(xù)約1 h后逐漸趨于穩(wěn)定，并且干燥與潮濕條件下緩沖層電流密度衰減速率的穩(wěn)定值相差不大，干燥條件下約為-0.34 A/(m2·h)，潮濕條件下約為-0.57 A/(m2·h)。

圖4 燒蝕過程中緩沖層電流密度衰減速率隨燒蝕時(shí)間的變化Fig.4 The change of current density decay rate with ablation time of buffer layers during ablation process

2.2 緩沖層燒蝕過程中氣體產(chǎn)物的演變規(guī)律

干燥條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產(chǎn)物濃度隨燒蝕時(shí)間的變化如圖5所示。從圖5可以看出，在干燥條件下，緩沖層在燒蝕過程中會(huì)產(chǎn)生CO2、CO、C2H4、CH4、C2H6、C2H2等6種氣體產(chǎn)物。這些氣體的濃度隨著燒蝕時(shí)間的延長均呈現(xiàn)出先快速增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，而氣體濃度增長時(shí)間與干燥條件下電流密度衰減時(shí)間相一致，二者隨燒蝕時(shí)間的變化趨勢(shì)存在明顯關(guān)聯(lián)性。

圖5 干燥條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產(chǎn)物濃度隨燒蝕時(shí)間的變化Fig.5 The change of gas product concentrations with ablation time of buffer layer during ablation process under dry condition

受潮條件下，緩沖層燒蝕過程中氣體產(chǎn)物濃度隨燒蝕時(shí)間的變化如圖6所示。從圖6可以看出，緩沖層受潮后在燒蝕過程中會(huì)產(chǎn)生CO2、H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等7種氣體產(chǎn)物，相比于干燥條件下額外產(chǎn)生了H2，氣體產(chǎn)物的濃度均呈現(xiàn)出隨燒蝕時(shí)間先迅速增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，與潮濕條件下緩沖層電流密度先大幅衰減后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6 潮濕條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產(chǎn)物濃度隨燒蝕時(shí)間的變化Fig.6 The change of gas product concentrations with ablation time of buffer layer during ablation process under wet condition

干燥與潮濕條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產(chǎn)物濃度的穩(wěn)定值如圖7所示。從圖7可以看出，在干燥與潮濕條件下燒蝕后，CO2的濃度相差不大，相比于燒蝕前均增大了約36%。H2僅在潮濕條件下燒蝕后產(chǎn)生，其濃度穩(wěn)定值約為915.19×10-6。對(duì)于CO，在干燥條件下燒蝕后的濃度穩(wěn)定值（約230.57×10-6）明顯低于潮濕燒蝕后的穩(wěn)定值（約303.15×10-6）。而對(duì)于C2H4、CH4、C2H6、C2H2，在干燥條件下燒蝕后的濃度穩(wěn)定值均明顯高于潮濕條件下燒蝕后的穩(wěn)定值。表明緩沖層在干燥與潮濕條件下燒蝕后氣體產(chǎn)物濃度的穩(wěn)定值具有明顯的差別。

2.3 緩沖層燒蝕過程中電流密度與氣體產(chǎn)物濃度演變規(guī)律的關(guān)聯(lián)性分析

根據(jù)緩沖層材料的組成結(jié)構(gòu)可知，緩沖層的導(dǎo)電過程主要取決于蓬松棉與無紡布中的半導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)以及蓬松棉和無紡布之間夾雜的阻水粉[16-17]。已有研究表明，緩沖層燒蝕過程中的氣體產(chǎn)物可能源自于緩沖層半導(dǎo)電纖維的熱分解[18-20]以及阻水粉與鋁護(hù)套之間的電化學(xué)反應(yīng)[21-23]，說明緩沖層的半導(dǎo)電纖維以及阻水粉是燒蝕過程中生成氣體產(chǎn)物的反應(yīng)物。

干燥與潮濕條件下緩沖層燒蝕后的表面微觀形貌如圖8所示。

圖8 燒蝕后緩沖層表面的微觀形貌Fig.8 Surface morphology of buffer layer after ablation

從圖8可以看出，干燥條件下緩沖層燒蝕后出現(xiàn)了纖維絲斷裂的現(xiàn)象，表明干燥燒蝕過程中可能由于熱分解破壞了緩沖層的半導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)，從而造成緩沖層的電流密度隨時(shí)間延長逐漸減小。而潮濕條件下緩沖層燒蝕后表面出現(xiàn)了明顯的白色物質(zhì)。通過能譜分析得到圖8(b)中不同區(qū)域內(nèi)白色物質(zhì)的元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。從表2可以看出，該白色物質(zhì)中存在大量Al元素，對(duì)應(yīng)于潮濕條件下燒蝕過程中電化學(xué)反應(yīng)過程生成的高阻性Al2O3[21-23]。從圖8(b)還可以看出，白色物質(zhì)填充于緩沖層的半導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中，可能會(huì)阻斷其導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致潮濕條件下緩沖層的電流密度逐漸減小。除了電化學(xué)反應(yīng)，潮濕條件下緩沖層在燒蝕過程中也可能伴隨有導(dǎo)電纖維絲的分解過程，導(dǎo)致其電流密度隨時(shí)間延長逐漸減小。

表2 潮濕燒蝕后緩沖層表面白色物質(zhì)元素組成Tab.2 Element composition of white materials on the surface of buffer layer after the wet ablation

從圖4可以看出，無論是干燥還是潮濕條件下，緩沖層燒蝕過程中電流密度的衰減速率均呈現(xiàn)出先快速降低后基本不變的趨勢(shì)。而對(duì)比緩沖層燒蝕過程中氣體產(chǎn)物濃度的變化可以發(fā)現(xiàn)，在干燥與潮濕條件下的燒蝕過程中，氣體產(chǎn)物的濃度也均呈現(xiàn)出先快速增大之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，與緩沖層電流密度衰減速率的變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。因此，緩沖層在燒蝕過程中電流密度與氣體產(chǎn)物濃度的演變規(guī)律之間具有一定的關(guān)聯(lián)性。

當(dāng)緩沖層產(chǎn)生強(qiáng)烈的半導(dǎo)電纖維熱分解或電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，燒蝕氣體產(chǎn)物迅速生成。此時(shí)，緩沖層的導(dǎo)電通路被破壞，或高阻性物質(zhì)含量迅速增加，導(dǎo)致其電流密度迅速降低，同時(shí)燒蝕氣體產(chǎn)物的濃度迅速增加。而當(dāng)緩沖層中的半導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)熱分解速率或電化學(xué)反應(yīng)速率較低時(shí)，緩沖層材料的導(dǎo)電通路處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于燒蝕氣體產(chǎn)物的濃度穩(wěn)定不變。因此，緩沖層燒蝕氣體產(chǎn)物濃度的增長速率反映了緩沖層材料的燒蝕破壞的速度。

進(jìn)而，根據(jù)燒蝕氣體產(chǎn)物的生成速率可推斷出緩沖層的燒蝕破壞速率。當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)緩沖層燒蝕的氣體產(chǎn)物濃度在短時(shí)間內(nèi)迅速增加時(shí)，緩沖層很可能正在發(fā)生劇烈的半導(dǎo)電纖維熱分解或電化學(xué)反應(yīng)，表明緩沖層正處于劇烈的燒蝕破壞過程，電流密度迅速降低，導(dǎo)致緩沖層電阻率顯著增加；當(dāng)檢測(cè)到燒蝕氣體產(chǎn)物的濃度在一段時(shí)間內(nèi)均趨近于一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)，表明此時(shí)緩沖層中的半導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)的熱分解速率或電化學(xué)反應(yīng)速率較低，緩沖層材料處于相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，電流密度保持穩(wěn)定，電阻率無明顯的變化。

另外，根據(jù)前述分析可知，干燥與潮濕條件下緩沖層的電流密度和氣體濃度的變化速率以及氣體濃度的穩(wěn)定值均具有顯著的區(qū)別，表明干燥與潮濕條件下緩沖層的燒蝕破壞速率有所差異。通過分析緩沖層燒蝕氣體濃度的變化速率范圍以及燒蝕氣體濃度的穩(wěn)定值范圍有助于判斷緩沖層的燒蝕故障類型。

3 結(jié) 論

本文開展了高壓電纜緩沖層燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)，研究了干燥與潮濕條件下，緩沖層的電流密度以及氣體產(chǎn)物濃度隨燒蝕時(shí)間的演變規(guī)律，并分析了其機(jī)理，主要得到以下結(jié)論：

（1）干燥條件下，緩沖層的電流密度隨燒蝕時(shí)間延長逐漸衰減；而潮濕條件下，緩沖層的電流密度在燒蝕初期會(huì)出現(xiàn)電流密度峰值，隨后逐漸衰減。在干燥與潮濕條件下，電流密度的衰減過程均可以通過雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行定量描述，且衰減速率隨燒蝕時(shí)間均呈先快速降低后基本不變的趨勢(shì)。

（2）在干燥與潮濕條件下，緩沖層燒蝕的氣體產(chǎn)物濃度隨燒蝕時(shí)間延長均呈先快速增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。緩沖層燒蝕氣體產(chǎn)物的生成速率以及濃度穩(wěn)定值在干燥與潮濕條件下均有差異。

（3）緩沖層燒蝕過程中電流密度的衰減過程與氣體的產(chǎn)生過程可能具有一定的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)緩沖層發(fā)生劇烈的半導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)熱分解或電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，燒蝕氣體的產(chǎn)物濃度將迅速增大；而當(dāng)緩沖層半導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)的熱分解速率或電化學(xué)反應(yīng)的速率較低時(shí)，燒蝕氣體產(chǎn)物的濃度則趨于穩(wěn)定。通過分析燒蝕氣體產(chǎn)物的濃度變化速率一定程度上能夠推斷出緩沖層當(dāng)前的燒蝕速率。