一種基于石墨注入的高壓電纜緩沖層修復(fù)方法研究

宋鵬先， 張 華， 朱曉輝， 房晟辰， 魏占朋， 杜伯學(xué)， 李 奇， 劉 浩

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2.國網(wǎng)天津市電纜公司，天津 300171；3.天津大學(xué) 電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

0 引 言

面對日益增長的城市用電需求，電力電纜成為城市輸配電網(wǎng)絡(luò)的首選方案[1-2]，其中絕大部分為交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜[3-5]。XLPE 電纜結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽、緩沖層、皺紋鋁護(hù)套及外護(hù)套[6]。近年來，多地發(fā)生電纜故障，現(xiàn)場解剖發(fā)現(xiàn)是由緩沖層燒蝕導(dǎo)致，且在故障電纜緩沖層表面發(fā)現(xiàn)大量白色粉末和燒蝕痕跡[7-12]。

針對上述問題，許多學(xué)者從緩沖層的體積電阻率、電纜結(jié)構(gòu)、銅絲編織帶、緩沖層表面白色粉末以及電容電流等方面分析緩沖層故障原因。目前緩沖層故障機(jī)理主要有兩種：①電纜受潮時，緩沖層會析出阻水粉，并與鋁護(hù)套發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成高阻性物質(zhì)，增大緩沖層的體積電阻率，導(dǎo)致緩沖層與鋁護(hù)套間產(chǎn)生內(nèi)部懸浮電位，引發(fā)局部放電，最終導(dǎo)致燒蝕；②緩沖層體積電阻率的增大導(dǎo)致緩沖層電容電流集中引起發(fā)熱，進(jìn)而導(dǎo)致燒蝕[13-22]。針對故障電纜，目前僅能進(jìn)行整體更換，這會導(dǎo)致成本增加和資源浪費(fèi)。因此亟需研究緩沖層修復(fù)機(jī)理，尋找合適的緩沖層修復(fù)介質(zhì)，以及研發(fā)緩沖層修復(fù)工藝與實(shí)施技術(shù)。

針對上述問題，本文提出一種基于導(dǎo)電修復(fù)介質(zhì)的緩沖層修復(fù)技術(shù)。導(dǎo)電修復(fù)介質(zhì)可分為液體修復(fù)介質(zhì)和固體修復(fù)介質(zhì)。液體修復(fù)介質(zhì)目前主要采用雙組份硅橡膠，修復(fù)工藝與水樹修復(fù)方案較為接近，但存在配方研究難度大及成本高的問題，此外，液體注入修復(fù)會完全填滿電纜外絕緣屏蔽與鋁護(hù)套間的間隙，使得緩沖層失去原有的熱機(jī)械緩沖作用。相比液體修復(fù)介質(zhì)，固體修復(fù)介質(zhì)來源豐富，加工簡便易行，以炭黑為例，其導(dǎo)電性能優(yōu)異，價格低廉且性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于填充型導(dǎo)電復(fù)合材料領(lǐng)域。在緩沖層表面噴涂碳系導(dǎo)電介質(zhì)，一方面有助于其內(nèi)部導(dǎo)電通路的形成，進(jìn)而有效改善其電氣性能；另一方面，導(dǎo)電介質(zhì)可以填充微孔結(jié)構(gòu)，抑制緩沖層內(nèi)部缺陷的形成。

因此，本研究提出采用導(dǎo)電固體炭黑作為修復(fù)介質(zhì)對故障電纜緩沖層電氣性能進(jìn)行修復(fù)。首先基于有限元電場仿真，對修復(fù)方法的可行性進(jìn)行仿真計算，然后分別在長度為1.2 m 及6 m、橫截面積為1 200 mm2的220 kV 高壓XLPE 故障電纜進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并提出全套修復(fù)工藝，最后，基于接觸電阻及電容電流測試對修復(fù)效果進(jìn)行評價。

1 緩沖層故障機(jī)理

為探究修復(fù)方法的可行性，本文建立了XLPE電纜仿真模型，研究修復(fù)前后緩沖層的電場分布特性。考慮到電纜各層結(jié)構(gòu)軸向?qū)ΨQ分布的特點(diǎn)，選用二維模型進(jìn)行電場仿真分析。

圖1 為220 kV XLPE 電纜的仿真模型，包括導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、主絕緣、絕緣屏蔽層、緩沖層與鋁護(hù)套等結(jié)構(gòu)，為簡化模型，暫不考慮電纜外護(hù)套結(jié)構(gòu)。表1為電纜緩沖層材料特征參數(shù)。

表1 220 kV XLPE電纜材料特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of XLPE cable material

圖1 220 kV XLPE電纜仿真模型Fig.1 Simulation model of 220 kV XLPE cable

圖2 為緩沖層在不同體積電阻率ρb下的電場仿真分布圖，其中深紅色代表最高場強(qiáng)高于3 kV/mm的區(qū)域。圖3為緩沖層在不同體積電阻率下的最高電場強(qiáng)度。從圖2～3可以看出，當(dāng)緩沖層體積電阻率過大時，緩沖層與鋁護(hù)套之間會發(fā)生嚴(yán)重的電場畸變，極易導(dǎo)致局部放電的發(fā)生，而隨著緩沖層體積電阻率的下降，緩沖層與鋁護(hù)套間的電氣連接逐漸恢復(fù)，電場分布趨于均勻。因此可通過注入導(dǎo)電修復(fù)介質(zhì)，降低緩沖層的體積電阻率及改善接觸狀態(tài)從而達(dá)到修復(fù)效果。

圖2 不同體積電阻率下緩沖層電場分布仿真圖Fig.2 Simulation diagram of electric field distribution in buffer layer with different volume resisitivity

圖3 不同體積電阻率下緩沖層內(nèi)最高電場強(qiáng)度Fig.3 Maximum electric field intensity in buffer layer with different volume resisitivity

2 緩沖層修復(fù)工藝

圖4 為XLPE 電纜緩沖層修復(fù)流程，詳細(xì)步驟如下。

圖4 修復(fù)流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of repair process

（1）電纜固定：如圖5 所示，將電纜置于移動云臺，并用云臺夾具進(jìn)行固定，以便于后續(xù)修復(fù)過程操作；在固定過程中夾具縮緊力不宜過大，以防止電纜鋁護(hù)套受力變形。

圖5 電纜固定示意圖Fig.5 Schematic diagram of cable fixing

（2）外護(hù)套環(huán)切破除：如圖6 所示，使用電纜外護(hù)套環(huán)切刀分別在開孔處兩側(cè)5 cm 處進(jìn)行外護(hù)套環(huán)切，接著沿電纜線芯方向?qū)㈦娎|外護(hù)套兩處環(huán)切位置切通，去除環(huán)切部位電纜外護(hù)套，并將去除的電纜外護(hù)套圓環(huán)外側(cè)與線芯方向所切開外護(hù)套外側(cè)進(jìn)行從外表面貫通到內(nèi)表面的45°倒角。

圖6 外護(hù)套去除過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of outer sheath removal process

（3）去除瀝青：首先采用熱風(fēng)槍加熱融化表面瀝青，然后使用硬脂酸擦拭待去除位置，使瀝青充分溶解在硬脂酸中，最后使用清潔布進(jìn)行清潔。

（4）鋁護(hù)套開孔：如圖7 所示，使用手電鉆在皺紋鋁護(hù)套波峰處鉆直徑為7 mm 的孔，鉆孔時鉆頭垂直于波峰，同時鉆頭應(yīng)根據(jù)鋁護(hù)套厚度安裝限位環(huán)，以防鉆孔過程中鉆傷緩沖層。

圖7 鋁護(hù)套開孔過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of trepaning on aluminum sheath

（5）連接孔攻絲：如圖8 所示，使用絲錐在步驟（4）中的孔內(nèi)壁攻出M8-1.25 的內(nèi)螺紋，使之與粉體注入裝置連接管的外螺紋相匹配。

圖8 連接孔攻絲過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of connection hole tapping process

（6）修復(fù)裝置連接：修復(fù)裝置如圖9 所示，主要由氣泵、除濕器、真空泵、粉泵、粉桶與粉體收集器組成。安裝時首先將注入/抽出孔連接件與電纜鋁護(hù)套開孔通過螺紋旋緊并安裝密封墊防止粉體泄漏，隨后連接注入/抽出管路。注入管路主要包括氣泵、除濕器與粉桶，氣泵輸出端包括三條管路，經(jīng)除濕器除濕后，分別連接粉桶底部與粉泵，粉桶底部管路主要實(shí)現(xiàn)石墨粉體與空氣的充分混合；粉泵粗管路為主氣流通道，其主要作用為提供注入氣流實(shí)現(xiàn)粉體的抽出，粉泵細(xì)管路為輔助氣體通道，用以防止粉體聚集堵塞氣流主通路。抽出管路包括粉體收集器及真空泵，粉體收集器原理與洗液瓶一致，即通過液體溶解吸收多余粉體。

圖9 修復(fù)裝置及連接示意圖Fig.9 Schematic diagram of repair device and connection

（7）注入修復(fù)：如圖10所示，修復(fù)過程開始前應(yīng)打開真空泵判斷電纜內(nèi)部注入通道是否通暢，若有連續(xù)大量氣體抽出則證明管路通暢，隨后打開氣泵并調(diào)節(jié)注入壓力開始注入粉體（通常注入壓力越大，粉體注入越快，但為保證不損傷其他電纜附件，注入壓力最大不能超過0.3 MPa），待粉體抽出端有石墨粉體流出時，證明石墨已分布于整個電纜緩沖層結(jié)構(gòu)，此時先后關(guān)閉氣泵及真空泵后并拆除連接件即完成整體修復(fù)過程。

圖10 注入修復(fù)過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of injection repair process

（8）鋁護(hù)套修復(fù)：高壓電纜緩沖層的修復(fù)工作完成后，將外螺紋為M8-1.25 的半弧形鋁螺釘旋緊擰入注入裝置連接孔，使用硬毛刷去除鋁護(hù)套及鋁鉚釘氧化層，再使用煤氣噴槍熔化鋁焊條在鋁螺釘螺帽與螺帽周圍的皺紋鋁護(hù)套進(jìn)行打底，然后使用封鉛焊條將鋁螺釘?shù)穆菝焙吐菝敝車陌櫦y鋁護(hù)套焊接為密封整體，此時高壓電纜皺紋鋁護(hù)套的密封和電氣性能已恢復(fù)完成，如圖11所示。

圖11 電纜鋁護(hù)套修復(fù)示意圖Fig.11 Schematic diagram of repair process of cable aluminum sheath

（9）外護(hù)套修復(fù)：電纜皺紋鋁護(hù)套恢復(fù)后，將切除的外護(hù)套按波紋鋁螺紋形狀扣回原處，用綁線將外護(hù)套綁緊，使其緊貼皺紋鋁護(hù)套，并使用熱風(fēng)槍加熱熔化環(huán)切處的電纜外護(hù)套，再用熱風(fēng)槍熔化寬度為1 cm 的電纜外護(hù)套窄條前端，并填充于切削好的外護(hù)套倒角里，高度略高于電纜外護(hù)套，在兩處環(huán)切位置焊接完成后，松開綁線，在線芯方向斷口處使用同樣方法進(jìn)行焊接。

（10）絕緣增強(qiáng)：使用乙丙橡膠絕緣自粘帶纏繞兩層，自粘帶要壓過環(huán)切處兩側(cè)各5 cm 以加強(qiáng)絕緣性能。

（11）防水帶纏繞：在絕緣自粘帶的外面纏繞兩層防水帶，防水帶要壓過絕緣自粘帶5 cm，最后在防水帶的外面采用半搭接方式纏繞兩層PVC 膠帶，確保防水帶不受外界環(huán)境影響。至此，完成電纜修復(fù)全部過程，如圖12所示。

圖12 電纜外護(hù)套修復(fù)效果圖Fig.12 Schematic diagram of cable outer sheath repair effect

在實(shí)際電纜修復(fù)過程中，外護(hù)套去除與修復(fù)較為復(fù)雜，因此，本文對外護(hù)套去除工藝進(jìn)行優(yōu)化，將原有的環(huán)切工藝改進(jìn)為采用35 mm 限位開孔鉆打孔去除的方式，優(yōu)化效果如圖13所示。優(yōu)化后工藝在長度為6 m 的交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，優(yōu)化后極大地降低了電纜破除面積，并縮短了修復(fù)時間，降低了修復(fù)難度。

圖13 外護(hù)套去除工藝優(yōu)化Fig.13 Schematic diagram of outer sheath removal process optimization

3 緩沖層修復(fù)評價

電纜受潮時，緩沖層析出的阻水粉會與鋁護(hù)套發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成高阻性物質(zhì)，增大緩沖層的體積電阻率，而通過注入導(dǎo)電修復(fù)介質(zhì)可以降低故障電纜緩沖層的體積電阻率。基于緩沖層故障與修復(fù)機(jī)理，本文提出基于接觸電阻測試與電容電流測試的修復(fù)效果評價方法。

3.1 基于接觸電阻測試的電纜緩沖層修復(fù)效果評價方法

3.1.1 接觸電阻測試原理與方法

高壓電纜絕緣屏蔽與皺紋鋁護(hù)套之間分布參數(shù)電路模型建立在如下3 個假設(shè)基礎(chǔ)上：①假設(shè)電纜段內(nèi)部各個皺紋節(jié)距內(nèi)，絕緣屏蔽電阻、緩沖層表面電阻及緩沖層體積電阻相等；②假設(shè)電纜段內(nèi)部各個皺紋節(jié)距內(nèi)，皺紋鋁護(hù)套與緩沖層之間的接觸狀態(tài)保持相同；③假設(shè)緩沖層僅繞包一層。

對于入網(wǎng)運(yùn)行的電纜，在電纜為直線敷設(shè)且皺紋鋁護(hù)套外部未發(fā)生破損的前提下，假設(shè)①、假設(shè)②符合工程實(shí)踐，容易滿足。一般情況下，假設(shè)③不符合工程實(shí)踐，為簡化分布參數(shù)電路模型，后文結(jié)論對于緩沖層進(jìn)行多層繞包的情況可以類推。

將絕緣屏蔽與皺紋鋁護(hù)套之間直流電阻記為R、單個皺紋節(jié)距內(nèi)絕緣屏蔽電阻記為RP、單個皺紋節(jié)距內(nèi)緩沖層徑向電阻記為RV、單個皺紋節(jié)距內(nèi)緩沖層表面電阻記為RS，同時忽略皺紋鋁護(hù)套的電阻，則可得如圖14所示分布參數(shù)電路模型。該模型的直觀解釋是在電纜全長范圍內(nèi)有多個皺紋，每個皺紋節(jié)距可以根據(jù)生產(chǎn)工藝記錄查閱或?qū)嶋H測量得到，則電纜全長已知前提下，可知內(nèi)皺紋數(shù)量N。在每個皺紋內(nèi)，皺紋鋁護(hù)套與緩沖層可保證存在一個良好接觸點(diǎn)，則電纜長度內(nèi)可根據(jù)皺紋數(shù)量建立分布參數(shù)模型，每個皺紋內(nèi)形成一個由皺紋鋁護(hù)套電阻、緩沖層表面電阻、緩沖層徑向電阻以及絕緣屏蔽層電阻的單元，多個單元組合在一起形成最終的分布參數(shù)電路模型。

圖14中，左側(cè)第一個RP為絕緣屏蔽上繞包金屬網(wǎng)帶與皺紋鋁護(hù)套切口保持一個皺紋節(jié)距部分的絕緣屏蔽電阻；右側(cè)各網(wǎng)格形連接方式分別體現(xiàn)了各個皺紋節(jié)距內(nèi)，絕緣屏蔽在軸向上的電阻分布、緩沖層內(nèi)外表面電阻以及緩沖層徑向電阻。由圖14 可見絕緣屏蔽與皺紋鋁護(hù)套之間端口電阻為絕緣屏蔽電阻、緩沖層表面電阻以及緩沖層徑向電阻之間的混聯(lián)電路。

圖15 為接觸電阻測量示意圖，測量分以下3步：①拆除故障電纜段兩端外護(hù)套、皺紋鋁護(hù)套與緩沖層，使絕緣屏蔽層以及鋁護(hù)套在電纜圓周全部方向上露出至少一個波紋節(jié)距長度，且鋁護(hù)套套與緩沖層的切口對齊；②分別在皺紋鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層上纏繞一圈金屬網(wǎng)帶，并使得絕緣屏蔽層上的金屬網(wǎng)帶距離鋁護(hù)套與緩沖層的切口至少一個波紋節(jié)距長度；③分別測量電纜兩端絕緣屏蔽處金屬網(wǎng)帶與皺紋鋁護(hù)套處金屬網(wǎng)帶之間的直流電阻值，測量多次取平均值。

圖15 電纜緩沖層接觸電阻測量示意圖Fig.15 Schematic diagram of contact resistance measurement of cable buffer layer

3.1.2 接觸電阻測試結(jié)果與分析

表2 為試驗(yàn)故障電纜修復(fù)前后接觸電阻測量值。從表2 可以看出，修復(fù)后緩沖層與鋁護(hù)套間接觸電阻明顯下降。

表2 修復(fù)前后電纜緩沖層接觸電阻測量結(jié)果Tab.2 Measurement results of contact resistance of cable buffer layer before and after repair kΩ

在緩沖層修復(fù)前后分別進(jìn)行絕緣屏蔽與皺紋鋁護(hù)套之間端口電阻測量，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用緩沖層修復(fù)技術(shù)后對內(nèi)部電路的影響。首先，在加入石墨粉的過程中，由于不改變絕緣屏蔽與緩沖層自身的溫度及其他影響阻值的條件，不會造成兩者電阻的增大；其次，在加入石墨粉后，端口電阻顯著減小，說明對于絕緣屏蔽及緩沖層構(gòu)成的混聯(lián)電路中，至少有一部分電阻產(chǎn)生了顯著的下降。對于混聯(lián)電路，只有當(dāng)部分電阻下降時才會造成總端口電阻下降，并且由前文可知，加入石墨粉過程不會造成各部分阻值上升，故加入碳粉的過程必然造成以下3 種結(jié)果中的至少一種：①絕緣屏蔽阻值下降，對應(yīng)的是石墨粉分布于絕緣屏蔽表面，提升絕緣屏蔽表面的導(dǎo)電性能；②緩沖層表面電阻下降，對應(yīng)的是石墨粉分布于緩沖層表面，提升緩沖層表面的導(dǎo)電性能；③緩沖層徑向電阻下降，對應(yīng)于石墨粉注入至緩沖層內(nèi)部，提升緩沖層兩側(cè)之間的導(dǎo)電性能。此外，實(shí)際運(yùn)行過的電纜由于外部破損受潮等原因，在每個皺紋節(jié)距內(nèi)緩沖層電阻并不相同，導(dǎo)致左右兩個端口測量阻值有所差異，但是上述分析對于各皺紋節(jié)距內(nèi)阻值并不相同的電路網(wǎng)絡(luò)同樣適用，即加入石墨粉的過程只是減小了電路中若干部分的電阻而不會使其增大。綜上所述，開展緩沖層修復(fù)，加入石墨粉后，無論是降低絕緣屏蔽電阻、緩沖層表面電阻或是緩沖層徑向電阻，總體上均會使得皺紋鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間的電阻值顯著下降，電氣連接性能提升，增強(qiáng)了絕緣屏蔽至大地的電荷疏導(dǎo)能力。

3.2 基于電容電流測試的電纜緩沖層修復(fù)效果評價方法

3.2.1 電容電流測試原理與方法

電纜中，電容電流路徑可等效為主絕緣與緩沖層串聯(lián)，其中主絕緣可視為電容，緩沖層可視為電阻，等效電路如圖16 所示。則修復(fù)前的電容電流I1可表示為式（1）。

圖16 等效電路圖Fig.16 Equivalent circuit diagram

式（1）中：ω為施加電壓角頻率，ω=2πf；Δc為電纜分布電容；L為故障電纜長度；R1為修復(fù)前緩沖層電阻，為簡化計算，按照平滑鋁護(hù)套與緩沖層為30%面積接觸，其計算公式為式（2）。

式（2）中：ρ為緩沖層體積電阻率；t為緩沖層厚度；A為緩沖層與鋁護(hù)套接觸面積；d為3層（主絕緣層、半導(dǎo)電屏蔽層、緩沖層）共擠絕緣外徑。

考慮到故障電纜中存在具有高阻特性的白色粉末，導(dǎo)致緩沖層與鋁護(hù)套連接效果減弱，通過石墨粉體注入修復(fù)，緩沖層與鋁護(hù)套間接觸電阻會明顯降低，對應(yīng)式（1）中R1數(shù)值發(fā)生變化，記錄修復(fù)后接觸電阻為R2，則修復(fù)后電容電流I2為式（3）。

因此可通過對比修復(fù)前后緩沖層故障電纜電容電流變化間接反映出修復(fù)效果，并通過電纜電容電流變化率（ΔI）對修復(fù)效果進(jìn)行定量描述，如式（4）所示。

電容電流測試實(shí)驗(yàn)平臺主要由高壓脈沖源、采樣電阻（50 Ω）、電纜（型號為YJLW03 50/220 1 200；長度為1.2 m）、示波器組成。采用上升時間為10 ns，第一脈沖幅值為345 V 的沖擊電壓作為激勵施加在電纜導(dǎo)體線芯與鋁護(hù)套之間，其中電纜線芯與高壓脈沖源高壓極連接，電纜鋁護(hù)套連接脈沖源地電極。

3.2.2 電容電流測試結(jié)果與分析

圖17 為修復(fù)前電纜的電容電流測試結(jié)果。從圖17 可以看出，第一脈沖峰反向，并且第一脈沖幅值發(fā)生明顯衰減，約為120 V。

圖18 為修復(fù)后電纜的電容電流測試結(jié)果。對比圖17 和18 可以看出，修復(fù)后電纜電容電流測試脈沖源幅值與修復(fù)前電容電流測試保持一致，第一脈沖峰反向，并且第一脈沖幅值發(fā)生衰減，約為170 V，相比修復(fù)前電纜幅值高出41.67%。這是由于修復(fù)后鋁護(hù)套與緩沖層的電氣連接性能恢復(fù)，緩沖層與鋁護(hù)套間體積電阻率減小，采樣電阻分壓增大。

圖18 修復(fù)后電容電流波形（電壓信號）Fig.18 Capacitance current waveform(voltage signal) after repair

4 結(jié) 論

（1）隨著緩沖層體積電阻率升高，緩沖層與鋁護(hù)套之間電場畸變嚴(yán)重，極易引發(fā)局部放電，從而引起電纜故障；而隨著緩沖層體積電阻率的下降，緩沖層與鋁護(hù)套間的電氣連接逐漸恢復(fù)，電場分布趨于均勻。

（2）基于故障機(jī)理，提出注入導(dǎo)電修復(fù)介質(zhì)的緩沖層修復(fù)方案與全套現(xiàn)場修復(fù)工藝，通過降低故障電纜緩沖層的體積電阻率，恢復(fù)緩沖層與鋁護(hù)套間電氣連接，從而達(dá)到修復(fù)的目的。

（3）修復(fù)后的緩沖層與鋁護(hù)套之間的電阻明顯下降，下降幅度可達(dá)41.67%，充分證明了緩沖層與鋁護(hù)套電氣連接性能得到恢復(fù)。