高壓XLPE 絕緣電力電纜放電因素及仿真分析

章先杰，劉培鎮(zhèn)，劉曉東

（廣州南洋電纜集團(tuán)有限公司，廣州 511356）

0 引言

我國(guó)高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜使用年限一般為近30 年，但從近年來(lái)電纜出現(xiàn)故障的概率和頻次，很多都發(fā)生在運(yùn)行了幾年、十幾年的電纜上，不符合電纜的設(shè)計(jì)使用年限。通過(guò)對(duì)故障電纜的解剖發(fā)現(xiàn)，絕緣屏蔽表面燒傷或放電痕跡大量出現(xiàn)，甚至由此引發(fā)擊穿現(xiàn)象，通常這種缺陷不是短時(shí)間內(nèi)能夠顯現(xiàn)出來(lái)的［1－6］。通過(guò)分析，其中高壓電纜用半導(dǎo)電緩沖（阻水）帶材料沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其各性能做出嚴(yán)格要求，材料廠家和制造商在設(shè)計(jì)中也沒(méi)有考慮到高壓電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各個(gè)元件（材料）之間的相容性問(wèn)題，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇等方面考慮的不夠仔細(xì)。交聯(lián)電纜頻繁出現(xiàn)緩沖層缺陷，是否與之息息相關(guān)，需引起重視。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于XLPE 電纜緩沖層放電燒蝕缺陷的研究，主要集中在緩沖層性能特性的分析、缺陷的實(shí)驗(yàn)?zāi)M、缺陷的機(jī)理研究［7－12］。交聯(lián)線芯運(yùn)行過(guò)程中受熱膨脹，緩沖層主要起緩沖、良好的電氣接觸等作用，大部分還具有縱向阻水，防止電纜進(jìn)水后水份進(jìn)一步往電纜里面蔓延。半導(dǎo)電緩沖層材料在制造、包裝、運(yùn)輸、使用的過(guò)程等環(huán)節(jié)沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)半導(dǎo)電緩沖阻水帶吸潮強(qiáng)的特性，使半導(dǎo)電緩沖層與金屬護(hù)套接觸部位形成白色粉末［13－16］。不合理的高壓電纜半導(dǎo)電緩沖層設(shè)計(jì)容易導(dǎo)致電纜泄漏電流、電容電流等電流的徑向集中，特別是形成白斑后的阻水帶，其電阻可達(dá)兆歐級(jí)別。本文主要對(duì)電纜進(jìn)行仿真分析，得到各影響因素的權(quán)重，對(duì)電纜提出優(yōu)化改進(jìn)，減少或者減緩緩沖層缺陷的發(fā)生。

1 案例

某工程輸電線路運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)了高壓電纜擊穿故障。為盡快分析電纜故障原因，截取了短段故障電纜進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，在1.5 U0有明顯的放電，如圖1所示。通過(guò)對(duì)故障電纜進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)電緩沖阻水帶表面和鋁護(hù)套波谷對(duì)應(yīng)位置已出現(xiàn)燒傷痕跡，拆開半導(dǎo)電緩沖阻水帶，絕緣屏蔽表面也出現(xiàn)有燒傷現(xiàn)象［1］，如圖2所示。

圖1 1.5 U0 局部放電

圖2 故障電纜解剖情況

2 金屬護(hù)層與緩沖層放電影響因素分析

當(dāng)金屬護(hù)層與緩沖層之間發(fā)生放電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致高壓XLPE電纜發(fā)生緩沖層燒蝕故障，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)爸鹘^緣層。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研分析，影響金屬護(hù)層與緩沖層之間放電的影響因素主要有以下幾點(diǎn)。

（1）層間結(jié)構(gòu)（空氣間隙）

電纜內(nèi)部的層間結(jié)構(gòu)反應(yīng)于金屬護(hù)套與緩沖層之間的空氣間隙，當(dāng)金屬護(hù)層與緩沖層之間存在較大的空氣間隙時(shí)，兩者之間接觸不良，可能導(dǎo)致金屬護(hù)層與緩沖層之間的局部電場(chǎng)過(guò)大而形成放電。

（2）緩沖層電阻率

為控制交聯(lián)線芯絕緣屏蔽外緩沖層與鋁護(hù)套之間電位，緩沖層多采用半導(dǎo)電材料制作，而當(dāng)緩沖層的電阻率過(guò)大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)線芯絕緣外緩沖層電位懸浮，造成對(duì)鋁護(hù)套放電。

（3）電纜潮濕

由于電纜進(jìn)水或者吸潮，半導(dǎo)電緩沖阻水帶遇水吸潮膨脹特性，阻水粉析出，鋁護(hù)套與半導(dǎo)電阻水帶之間形成高阻值，導(dǎo)致內(nèi)部電場(chǎng)異常，會(huì)造成鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間產(chǎn)生電位差而放電。

（4）集中的徑向電流

高壓XLPE電纜的阻水緩沖層與波紋鋁護(hù)套緊密接觸處存在容性電流集中；過(guò)盈配合狀態(tài)下，容性電流不會(huì)造成明顯溫升；然而若存在軸向接觸不良，容性電流集中于緊密接觸位置流通，將導(dǎo)致該處緩沖層局部發(fā)熱；在受潮情況下溫升加劇。

（5）金布設(shè)計(jì)缺陷

個(gè)別電纜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中帶有金布，金布多由銅絲與纖維混合編織而成，編織布多采用半導(dǎo)電尼龍纖維或不導(dǎo)電的纖維帶。目前由于金布尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)范，電纜廠家多采用企業(yè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)定產(chǎn)品質(zhì)量。多數(shù)廠家僅規(guī)定銅絲直徑、銅絲編織密度，由于成本控制，銅絲直徑過(guò)小，忽略編織纖維導(dǎo)電性、厚度等參數(shù)，繼而出現(xiàn)絕緣編織纖維阻斷銅絲與半導(dǎo)電層、鋁護(hù)套接觸途徑，造成金屬懸浮電位，甚至緩沖層放電。當(dāng)銅絲纖維編織布厚度較銅絲直徑大，銅絲難以良好接觸緩沖層及鋁護(hù)套，運(yùn)行時(shí)可能存在懸浮電位造成放電。

3 含白斑缺陷緩沖層樣本試驗(yàn)

相對(duì)于正常情況，白斑的產(chǎn)生導(dǎo)致緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，而由于緩沖層位于鋁護(hù)套內(nèi)部，在不破壞鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)的前提下，無(wú)法得到白色粉末形成的具體情況。因此，根據(jù)白色粉末組成成分以及缺陷情況下緩沖層和鋁護(hù)套之間的接觸狀態(tài)變化，使用鋁護(hù)套和緩沖層樣本設(shè)計(jì)并進(jìn)行了放電模擬實(shí)驗(yàn)。

放電模擬實(shí)驗(yàn)的接線示意圖如圖3 所示，該實(shí)驗(yàn)裝置由鋁護(hù)套、緩沖層樣本、鋁板以及白色粉末組成。其中鋁護(hù)套和緩沖層的長(zhǎng)度均為4 個(gè)鋁護(hù)套螺紋節(jié)距。首先將緩沖層放置在鋁板上，然后在緩沖層表面設(shè)置4 個(gè)白色粉末（主要成分為Na2CO3）區(qū)域，白色粉末區(qū)域如圖4 所示，該區(qū)域中白色粉末的厚度約為1 mm，再然后將鋁護(hù)套放置在白色粉末區(qū)域的上方，并將交流電壓源的高壓側(cè)與鋁護(hù)套相連接，最后將底部的鋁板與交流電壓源的接地側(cè)相連接。

圖3 第一組放電模擬實(shí)驗(yàn)接

圖4 白色粉末區(qū)域

在這種布置方式下，能夠?qū)彌_層和鋁護(hù)套之間的接觸面進(jìn)行直接觀察，能更好地掌握緩沖層和鋁護(hù)套之間的放電情況。在實(shí)驗(yàn)中，以0.1 kV／s的升壓速度使實(shí)驗(yàn)電壓在0～2 kV范圍內(nèi)變化。當(dāng)實(shí)驗(yàn)電壓達(dá)到2 kV時(shí)，保持此電壓3 min。在升壓過(guò)程中觀察緩沖層和鋁護(hù)套之間的放電情況，放電模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，鋁護(hù)套和緩沖層的表面形貌如圖5 所示。

圖5 鋁護(hù)套和緩沖層表面形貌

4 電纜分壓模型

基于上述分析，為了研究緩沖層缺陷對(duì)高壓XLPE電纜的影響，本文以單個(gè)鋁護(hù)套螺距長(zhǎng)度的電纜作為最小單元，將電纜劃分為若干個(gè)長(zhǎng)度相等的單元，進(jìn)而建立了電纜分壓模型，如圖6 所示。圖中，C 區(qū)域?yàn)閱蝹€(gè)最小單元的等效模型，A 區(qū)域表示正常區(qū)域的緩沖層等效支路，B區(qū)域表示缺陷區(qū)域的緩沖層等效支路。

圖6 電纜分壓模型示意圖

在模型中，R1為導(dǎo)體屏蔽層的徑向電阻，R2為導(dǎo)體屏蔽層的軸向電阻，C1為絕緣層的等效電容，R3為絕緣外屏蔽層的軸向電阻，R4為絕緣外屏蔽層的徑向電阻，R5為緩沖層的軸向電阻，R6為緩沖層的徑向電阻，Cx為緩沖層表面白色物質(zhì)的等效電容，Ca為缺陷處空氣間隙的等效電容。

根據(jù)模型，當(dāng)緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸面完全被白色物質(zhì)占據(jù)后，絕緣外屏蔽層與鋁護(hù)套之間的電氣連接會(huì)被破壞，緩沖層與鋁護(hù)套之間的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增大，由于緩沖層是蓬松型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部間隙存在空氣，所以在底部區(qū)域極有可能會(huì)發(fā)生空氣放電現(xiàn)象。當(dāng)空氣放電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，電纜底部區(qū)域的緩沖層和絕緣外屏蔽層均可能被空氣放電損傷。

5 金屬護(hù)層與緩沖層放電引起的燒蝕研究

當(dāng)出現(xiàn)白斑缺陷時(shí)，緩沖層的導(dǎo)電性能將下降，而未出現(xiàn)白斑的緩沖層由于自身材料疏松多孔的特性，會(huì)在護(hù)套與外屏蔽層之間形成微小氣隙，其微觀結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示。將該結(jié)構(gòu)理想化為：以白斑及微小氣隙為介質(zhì)的兩平行板電極，如圖7（b）所示，該理想結(jié)構(gòu)在交流電場(chǎng)下的放電現(xiàn)象可利用圖7（c）所示的等效電路進(jìn)行分析。

圖7 含白斑緩沖層微觀結(jié)構(gòu)等效示意圖

圖7（b）中，U 為兩極板間電壓，δ為微小氣隙的厚度，d為極板間介質(zhì)總厚度，圖7（c）中，CX為白斑缺陷的等效電容，Cg、Rg為微小氣隙的電阻和電容，CL和RL為與氣隙串聯(lián)部分的電阻和電容。

由于氣隙放電是一個(gè)瞬間過(guò)程，約為10－8～10－7s，放電電流相當(dāng)于一個(gè)頻率很高的脈沖信號(hào)，因此等效電路中的Rg和RL均可以忽略，只需考慮電容對(duì)電路的影響，故放電過(guò)程中的白斑缺陷等效電路可簡(jiǎn)化為一個(gè)由3 個(gè)電容組成的電路模型，該電路模型在放電瞬間的等值回路如圖8 所示。

圖8 放電過(guò)程中的等效電

放電瞬間等值回路如圖9 所示，圖中，r為放電通道電阻，ir為放電通道電阻上流過(guò)的電流，ig為氣隙放電電流。假設(shè)Ucr是臨界放電電壓，當(dāng)兩端Cg電壓上升至Ucr時(shí)，緩沖層間的氣隙被擊穿而發(fā)生電火花放電，Cg兩端的電壓低于熄滅電壓Ue時(shí)，氣隙不再放電，氣隙兩端的電壓在放電過(guò)程中降低了ΔU ＝Ucr－Ue。因此白斑等效電容Cg需為CL、CX補(bǔ)充電荷，在此過(guò)程中，可得到如下方程：

圖9 放電瞬間等值回路

上式中ug為氣隙等效電容兩端的電壓，聯(lián)立式（1）～（4），可以推出氣隙實(shí)際放電電荷的表達(dá)式為：

由于實(shí)際的放電量難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，因此可以通過(guò)研究視在放電量來(lái)對(duì)放電情況進(jìn)行表征：

據(jù)式（6）可知，放電過(guò)程中的實(shí)際放電電量與視在放電電量呈正相關(guān)，則三電容模型中，微小氣隙的視在放電電量可由下式表示：

式中：Ucr為氣隙的臨界擊穿電壓；εg和εL分別為氣隙和與氣隙串聯(lián)部分介質(zhì)的介電常數(shù)；φ取0.1～0.8，這是由于當(dāng)氣隙面積較大時(shí)，放電僅在氣隙的一部分中進(jìn)行；A為氣隙面積；d 為完整介質(zhì)的厚度；δ為氣隙厚度。

通過(guò)以上研究對(duì)影響放電的因素進(jìn)行分析可得：（1）隨著金屬護(hù)套與緩沖層間的氣隙面積增大，實(shí)際放電量將增大；（2）若氣隙周圍能夠形成導(dǎo)電層或半導(dǎo)電層，實(shí)際放電量將減小，若電氣連接狀況良好，氣隙間將不會(huì)放電；（3）當(dāng)氣隙周圍的電場(chǎng)較大時(shí)，將導(dǎo)致φ升高，增大放電面積，使得總放電量上升；（4）當(dāng)氣隙的臨界擊穿電壓Ucr較大時(shí)，放電量也將增大。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸狀態(tài)變差時(shí)，絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的電氣連接會(huì)被破壞，在兩者之間會(huì)存在電位差。在電纜部分區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，其內(nèi)部間隙存在空氣，所以在該區(qū)域就有可能會(huì)發(fā)生空氣放電現(xiàn)象。

根據(jù)本文分析，結(jié)合對(duì)電纜緩沖層的結(jié)構(gòu)的研究，可以將影響緩沖層放電的因素分為以下幾點(diǎn)：

（1）白斑發(fā)展情況，若電纜白斑缺陷嚴(yán)重，緩沖層將無(wú)法提供電流通路，半導(dǎo)電的性能也會(huì)被消除；

（2）緩沖層電阻率，緩沖層電阻率的升高會(huì)阻礙絕緣屏蔽層與金屬鋁護(hù)套之間的電氣連接，是影響緩沖層放電情況的重要因素；

（3）金布結(jié)構(gòu)，金布除在緩沖層中起到屏蔽作用外，還能增強(qiáng)與金屬護(hù)套間的電氣連接，控制外半導(dǎo)電層的懸浮電位，前提是金布有良好的電氣性能；

（4）空氣間隙，間隙過(guò)大會(huì)使得緩沖層形成懸浮電位，氣隙面積增大，放電量也將增大；

（5）半導(dǎo)電緩沖層與金屬護(hù)套有良好的電氣接觸，氣隙將不會(huì)放電。

因此，半導(dǎo)電緩沖層與金屬護(hù)層保持良好的電氣接觸，可以避免電纜出現(xiàn)放電，提高電纜穩(wěn)定運(yùn)行。