基于電熱耦合法的XLPE電纜緩沖層燒蝕特性研究

鄭建康， 蘇小婷， 李庚， 梁戰(zhàn)偉， 翟志辰， 黃靖濤， 周凱

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710032；2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引 言

緩沖層作為高壓與超高壓交聯(lián)聚乙烯（crosslinked polyethylene，XLPE）電力電纜金屬護(hù)套與外半導(dǎo)電層之間的重要介質(zhì)，主要用于實(shí)現(xiàn)電纜縱向阻水、緩沖電纜彎曲和絕緣熱膨脹時產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力[1]。近年來，國內(nèi)多地發(fā)生了110 kV高壓XLPE電纜擊穿事故，經(jīng)對事故電纜進(jìn)行拆卸，發(fā)現(xiàn)緩沖層上均附著有白斑，且擊穿位置的白斑量相對較多。白斑的存在會影響緩沖層的導(dǎo)電性能，進(jìn)一步發(fā)展可能會破壞電纜主絕緣，造成電纜事故的發(fā)生進(jìn)而危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要對緩沖層的燒蝕機(jī)理進(jìn)行研究，從而為緩沖層的制造和電力電纜的安裝敷設(shè)提供參考，提高電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性。

有關(guān)緩沖層的燒蝕機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究。有研究認(rèn)為由于緩沖層繞包帶材和結(jié)構(gòu)的不同，在不同壓力、溫度、水分及缺陷影響下，其體積電阻率會發(fā)生不同的變化[2-6]，導(dǎo)致緩沖層有可能發(fā)生局部放電而燒蝕[7-10]，但是這種機(jī)理并未考慮緩沖層體積電阻率發(fā)生變化時其電阻產(chǎn)熱的影響。實(shí)際運(yùn)行的電纜會在阻水緩沖層的兩端產(chǎn)生電位差，由于緩沖層的生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面存在差異，國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定其與波紋鋁護(hù)套之間的允許電位差限值及測試方法，但是，一旦存在電位差，緩沖層上就會流過電流，從而產(chǎn)生一定的電阻熱。文獻(xiàn)[11]對三相230 kV XLPE電纜的燒蝕缺陷進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金布中的銅絲數(shù)量較少或者銅絲直徑小于緩沖層的厚度時，電纜會出現(xiàn)局部過熱而發(fā)生燒蝕，但并沒有具體說明電纜的局部產(chǎn)熱過程。文獻(xiàn)[12]對某110 kV XLPE電纜進(jìn)行建模仿真，發(fā)現(xiàn)過電壓是緩沖層燒蝕的誘因之一。文獻(xiàn)[13]建立高壓電纜緩沖層的等效數(shù)學(xué)模型，計算了1 kHz操作過電壓對白斑緩沖層電阻產(chǎn)熱的影響，結(jié)果表明1 kHz操作過電壓能夠引起緩沖層溫度升高，但并沒有討論不同高頻過電壓對白斑緩沖層產(chǎn)熱的影響。

本研究通過測試新緩沖層和故障電纜不同位置不同白斑量緩沖層的化學(xué)元素和電導(dǎo)率，分析白斑可能的產(chǎn)生過程，以及白斑對緩沖層電導(dǎo)率的影響。并通過建立電力電纜的電熱偶合仿真模型，研究不同高頻過電壓下白斑緩沖層產(chǎn)生的電阻熱，得到高壓XLPE電纜緩沖層的熱燒蝕過程及特性。

1 高壓電纜緩沖層帶材結(jié)構(gòu)與故障特征

1.1 緩沖層帶材結(jié)構(gòu)

緩沖層作為高壓XLPE電纜絕緣屏蔽層與波紋鋁護(hù)套之間的重要組成部分，主要用于縱向阻水以及緩沖電纜彎曲和絕緣熱膨脹時產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。通常緩沖層由一層半導(dǎo)電無紡編織布、一層半導(dǎo)電蓬松棉，中間粘涂一層聚丙烯酸鈉阻水粉組成[14]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。阻水粉的主要化學(xué)成分為低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉鹽，其自身不具備導(dǎo)電性，但是會吸潮（或遇水）膨脹，并在一定時間內(nèi)迅速膨脹到一定高度，阻止水分侵入絕緣層而起到阻水作用。

圖1 110 kV高壓XLPE電纜徑向截面圖Fig.1 Radial section image of 110 kV XLPE cable

1.2 緩沖層故障特征

據(jù)了解，從2007年至今，110 kV及以上電壓等級電纜的緩沖層發(fā)生了多起故障，這些故障電纜投運(yùn)年限分散性大，且與導(dǎo)體截面尺寸無關(guān)。通過對某110 kV高壓XLPE故障電纜進(jìn)行拆卸，發(fā)現(xiàn)電纜發(fā)生故障的位置不是在電纜附件或主絕緣處，而是在電纜金屬護(hù)套和絕緣屏蔽層之間，并且在緊貼于波紋鋁護(hù)套波谷的電纜緩沖層外側(cè)存在明顯的白斑，呈條狀或帶狀分布，如圖2所示。除此之外，波紋鋁護(hù)套的內(nèi)側(cè)與絕緣屏蔽層的外表面存在一些細(xì)小的燒蝕凹坑[15]。

圖2 110 kV高壓XLPE電纜緩沖層白斑分布圖Fig.2 White spot distribution of 110 kV high voltage XLPE cable buffer layer

2 緩沖層理化性能分析

2.1 實(shí)驗(yàn)樣本制作

為了分析白斑緩沖層的理化性能，制作4個緩沖層樣本。其中樣本1為中航寶勝電纜有限公司生產(chǎn)的厚度為2 mm的緩沖帶。樣本2（無明顯白斑）、樣本3（少量白斑）和樣本4（大量白斑）為某110 kV XLPE故障電纜的緩沖層，樣本尺寸為3 cm×4 cm，如圖3所示。

圖3 110 kV高壓XLPE電纜緩沖層樣本Fig.3 Buffer layer samples of high voltage XLPE cable

2.2 EDS測試結(jié)果

為了分析高壓XLPE電纜緩沖層白斑的形成過程，首先通過能譜儀（enegry dispersive spectrometer，EDS）對緩沖層樣本1～4（圖3中虛線框處）進(jìn)行能譜測量，得到各樣本的化學(xué)元素及組成如表1所示。

表1 緩沖層的元素及組成Tab.1 The element and composition of buffer layers %

從表1可知，4個緩沖層樣本中均含有C、O、Na和Al元素。樣本1為新樣本，理論上不應(yīng)含有Al元素，推測為取樣過程中不小心與鋁護(hù)套接觸而帶入。樣本2和樣本3中Al元素含量與樣本1中Al元素含量相差不大，結(jié)合白斑在緩沖層上的分布形狀，推測緩沖層與波紋鋁套波谷緊密接觸時，將Al元素帶入了緩沖層。相比樣本1、樣本2和樣本4，樣本3中的Na元素含量最多，而樣本3本身并不位于波紋鋁護(hù)套波谷處，說明有可能是緩沖層受潮將阻水粉析出引入了Na元素，因?yàn)樽杷壑饕幕瘜W(xué)成分為低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉鹽。相比樣本1、樣本2和樣本3，樣本4中的Al元素含量最多，其次為Na元素，說明緩沖層受潮，同時與鋁護(hù)套發(fā)生了電化學(xué)腐蝕[15]。

2.3 電導(dǎo)率測試結(jié)果

為了分析白斑對緩沖層電導(dǎo)率的影響，對緩沖層樣本1～4的電導(dǎo)率進(jìn)行了測量?？紤]到白斑附著不均勻且白斑的面積較小，在樣本上截取面積為1 cm×1 cm（圖3中虛線框處）的緩沖層進(jìn)行電導(dǎo)率測量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同白斑含量的緩沖層電導(dǎo)率Fig.4 Conductivity of buffer layer with different white spot content

從圖4可以看出，隨著白斑含量的增加，緩沖層的電導(dǎo)率越來越小，根據(jù)表1可知，這是由于Na元素和Al元素含量逐漸增加導(dǎo)致的。對于樣本3，由于受機(jī)械應(yīng)力和重力作用，電纜上部緩沖層與波紋鋁護(hù)套的波谷接觸不緊密時[16]，具有阻水作用的阻水粉受潮會發(fā)生膨脹，膨脹到一定高度會使無紡編織布與蓬松棉質(zhì)之間出現(xiàn)局部接觸不良，導(dǎo)致其電導(dǎo)率減小。結(jié)合表1和圖2可知，緩沖層上的白斑是由受潮和電化學(xué)腐蝕共同引起的，且白斑含量越多，越容易阻斷緩沖層的電流通路，使其電導(dǎo)率下降。

3 緩沖層溫升電熱耦合計算模型

3.1 仿真模型建立

為了分析白斑與緩沖層燒蝕之間的關(guān)系，通過COMSOL仿真軟件建立了一個長度為0.5 m的110 kV高壓XLPE電纜的二維軸向?qū)ΨQ電熱耦合仿真模型，截取部分模型如圖5所示。由于電纜緩沖層本身為一種電阻性材料，本研究中將其介電常數(shù)設(shè)置為常數(shù)，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 110kV高壓XLPE電纜結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.2 Parameters of structure materials for 110 kV high voltage XLPE cable

圖5 110 kV XLPE電纜二維軸向仿真模型Fig.5 Two-dimensional axial simulation model of 110 kV XLPE cable

為了簡化計算，對該110 kV電纜的仿真運(yùn)行條件進(jìn)行以下4點(diǎn)假設(shè)：①電纜內(nèi)部各個模塊的參數(shù)固定，不隨負(fù)荷的變化而變化；②介電性能具有較好的一致性，各結(jié)構(gòu)層間接觸光滑，無接觸電阻產(chǎn)生；③電纜的結(jié)構(gòu)和尺寸不受重力的影響；④緩沖層與波紋鋁護(hù)套緊密接觸。

3.2 仿真結(jié)果與討論

3.2.1 工頻電阻熱

對工頻電壓（110 kV高壓XLPE電纜的額定運(yùn)行電壓為64 kV）下運(yùn)行時新緩沖層的電阻熱進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)、(b)可以看出，沿著緩沖層的軸向方向，當(dāng)絕緣屏蔽層與波紋鋁護(hù)套之間的距離最小時，電阻熱最大。從圖6(a)、(c)可以看出，當(dāng)絕緣屏蔽層與波紋鋁護(hù)套之間距離最小時，沿著緩沖層徑向方向，波紋鋁護(hù)套波谷處緩沖層的電阻熱最大。即當(dāng)緩沖層的電導(dǎo)率不變時，在電場的作用下，緩沖層外表面與波紋鋁護(hù)套波谷的緊密接觸處會產(chǎn)生最大電阻熱。

圖6 工頻下新緩沖層的電阻熱仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of resistance heating for new buffer layer under power frequency

圖7為工頻下不同白斑含量緩沖層的電阻熱仿真結(jié)果。從圖7可以看出，隨著白斑量的增加，即電導(dǎo)率減小，緩沖層上電阻熱增大，說明緩沖層上電阻熱與電導(dǎo)率成負(fù)相關(guān)。當(dāng)電導(dǎo)率大幅減小時，如樣本4的電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于其他樣本，此時產(chǎn)生的電阻熱會顯著增大。這是因?yàn)殡妼?dǎo)率越大，通流能力越強(qiáng)，流經(jīng)緩沖層中的電荷經(jīng)鋁護(hù)套直接進(jìn)入大地，緩沖層上積聚的電荷量少，電阻熱??；一旦緩沖層的導(dǎo)電性能劣化，電導(dǎo)率小，阻斷了電流的通路，電荷量不能及時經(jīng)鋁護(hù)套進(jìn)入大地，就會在局部積聚產(chǎn)熱，最終產(chǎn)生較大的電阻熱。由于緩沖層為一種電阻性材料，其損耗主要取決于電導(dǎo)損耗即電阻熱。如果緩沖層的電導(dǎo)率不變，同時電纜各層介質(zhì)的介電性能具有較好的一致性（同種介質(zhì)分布均勻），則在電纜正常運(yùn)行時，其絕緣屏蔽層會產(chǎn)生一個等電勢U。由電阻熱P的計算公式（P=U2/R，R=ρl/S，其中R為緩沖層的電阻；ρ為電阻率；l為極板距離，即緩沖層的厚度；S為極板的面積）可知，l越小，產(chǎn)生的電阻熱越大，即絕緣屏蔽層與皺紋鋁護(hù)套距離越近，產(chǎn)生的電阻熱越大，也就是說在皺紋鋁護(hù)套的波谷處產(chǎn)生的電阻熱最大。

圖7 工頻下不同白斑含量緩沖層的電阻熱仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of resistance heating for buffer layers with different white spot content under power frequency

由于緩沖層上的白斑并非均勻分布，為了分析不同高頻過電壓對含白斑緩沖層的影響，首先分析工頻電壓對不同白斑含量的緩沖層產(chǎn)生的電阻熱的影響。測量緩沖層上與波紋鋁護(hù)套波谷環(huán)繞方向一致的白斑面積，發(fā)現(xiàn)白斑的寬度約為6 mm，長度隨著波紋鋁護(hù)套波谷與緩沖層環(huán)繞接觸長度而不同。為此采用一個寬度為6 mm、厚度為0.5 mm的矩形框近似模擬白斑。設(shè)置緩沖層正常區(qū)域的電導(dǎo)率為1.02×10-2S/m，當(dāng)緩沖層上附著有不同含量的白斑時，在工頻電壓運(yùn)行時產(chǎn)生的電阻熱分布結(jié)果如圖8所示。

圖8 工頻下不同白斑含量緩沖層的電阻熱分布圖Fig.8 Resistance heating distribution of buffer layers with different white spot content under power frequency

從圖8可以看出，電纜在工頻下運(yùn)行時，當(dāng)緩沖層上附著白斑時，在白斑的兩側(cè)局部小區(qū)域會產(chǎn)生較大的電阻熱，并且白斑含量越多，其局部區(qū)域所產(chǎn)生的電阻熱越大。這是因?yàn)榘装吆吭蕉?，電?dǎo)率越小，導(dǎo)致緩沖層的通流能力減弱，阻礙了緩沖層中電荷流向鋁護(hù)套的通路，從而使電荷量在緩沖層白斑的邊緣處大量積聚，最終產(chǎn)生較大的電阻熱。由此推測在緩沖層的白斑邊緣位置有可能發(fā)生熱量積聚而燒蝕。從圖8也可以看出，不論緩沖層上的白斑含量多少，當(dāng)在工頻下運(yùn)行時其產(chǎn)生的最大電阻熱都很?。?.25×10-7W/m3），說明電纜在工頻下運(yùn)行，且緩沖層與波紋鋁護(hù)套連接良好時不會發(fā)生燒蝕。

3.2.2 高頻過電壓電阻熱

電纜在運(yùn)維過程中易受高頻過電壓的破壞，雖然高頻過電壓持續(xù)的時間很短，但是在頻率很高時也會對電纜緩沖層產(chǎn)生一定的沖擊。有研究者發(fā)現(xiàn)高頻諧波對電纜應(yīng)力控制部分發(fā)熱起到主要誘發(fā)作用[17-18]。因此，設(shè)置最大頻率為50 kHz、幅值為額定電壓3倍即192 kV的過電壓，用于定性分析不同高頻過電壓對電纜緩沖層電阻熱的影響。在穩(wěn)態(tài)時計算得到緩沖層白斑兩側(cè)局部產(chǎn)生的最大電阻熱，如圖9所示。

圖9 不同高頻過電壓下含白斑緩沖層的電阻熱Fig.9 Resistance heating of buffer layer containing white spot under different high frequency overvoltage

從圖9可以看出，當(dāng)緩沖層的電導(dǎo)率不變時，隨著過電壓頻率的增大，電阻熱逐漸增大；當(dāng)過電壓的頻率不變時，緩沖層的電導(dǎo)率越小，產(chǎn)生的電阻熱越大。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隨著緩沖層電導(dǎo)率的減小，過電壓頻率的增大，沿著軸向方向白斑兩側(cè)局部產(chǎn)生的電阻熱越來越大。在過電壓頻率為50 kHz時，緩沖層產(chǎn)生的最大電阻熱為23 W/m3，相比較工頻運(yùn)行電壓時產(chǎn)生的最大電阻熱（2.25×10-7W/m3），增大了8個數(shù)量級，說明過電壓存在的時間雖然短暫，但其瞬間提升的電壓值給電纜帶來了巨大的能量沖擊。

為了分析不同高頻過電壓對含白斑緩沖層產(chǎn)熱的影響，仿真計算得到緩沖層含有大量白斑（電導(dǎo)率為2.04×10-6S/m）時，其局部外圍產(chǎn)生的最大電阻熱和溫度，如圖10所示。

圖10 高頻過電壓下含白斑緩沖層的電阻熱和溫度分布圖Fig.10 Distributions on resistance heating and temperature of buffer layer containing white spot under high frequency overvoltage

從圖10可以看出，隨著過電壓頻率的升高，含白斑緩沖層產(chǎn)生的電阻熱以及由此引起的溫度呈單調(diào)上升趨勢，且緩沖層產(chǎn)生的電阻熱與溫度具有強(qiáng)相關(guān)性。當(dāng)過電壓的頻率超過30 kHz時，電阻熱累計的熱量引起的溫升達(dá)到90℃，超過了電纜絕緣層的耐受溫度，說明高頻過電壓會引起緩沖層白斑處熱量積聚產(chǎn)生高溫。當(dāng)緩沖層受潮且/或局部發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，會產(chǎn)生白斑，劣化緩沖層的導(dǎo)電性能，此時在高頻過電壓的作用下，流經(jīng)緩沖層的電纜絕緣泄漏電流只能從緩沖層上電氣連接良好的局部通路流過，造成熱量在局部電氣連接不良處累積而燒蝕緩沖層。實(shí)際運(yùn)行中，過電壓的作用是一個暫態(tài)過程，其頻率和作用時間對緩沖層的產(chǎn)熱均有影響，應(yīng)該綜合考慮過電壓對緩沖層的影響因素以及緩沖層的介電性能，分析緩沖層的熱燒蝕特性。

4 結(jié) 論

對110 kV高壓XLPE電纜緩沖層的白斑進(jìn)行測試，并基于測試結(jié)果建立電熱偶合仿真模型對緩沖層的產(chǎn)熱特性進(jìn)行計算，主要得到以下結(jié)論：

（1）緩沖層白斑EDS化學(xué)元素測量結(jié)果顯示，緊貼于波紋鋁護(hù)套波谷的含有大量白斑的緩沖層，其Al元素的相對含量高于Na元素，含有少量白斑的其他區(qū)域中Na元素的相對含量遠(yuǎn)高于Al元素，表明最初白斑是緩沖層受潮而析出的阻水粉。

（2）白斑的產(chǎn)生降低了緩沖層的電導(dǎo)率，且白斑含量越多，電導(dǎo)率越低。

（3）由于緩沖層電導(dǎo)率的下降，導(dǎo)致電纜產(chǎn)生的電阻熱變大，從而引起局部溫升。同時電阻熱與高頻過電壓的頻率成正相關(guān)，隨著緩沖層白斑的析出，在高頻過電壓的作用下，緩沖層白斑邊緣會產(chǎn)生大量的電阻熱，導(dǎo)致電纜溫度上升而發(fā)生燒蝕。