赵建明
国网天津电缆公司 天津市河西区 300202
摘要:高压电力电缆的事故中发现大量电缆缓冲层烧蚀现象。从材料调研和试验数据着手，对缓冲层运行环境中过电压进行了分析，在此基础上建立缓冲层理论模型和等值电路，通过分压、产热过程计算，得到在绝热环境下缓冲层的温升值。通过电化学分析，进一步说明作用于缓冲层的电压极性对皱纹铝护套的危害性。另外，根据所得结果，也对其它材料的烧蚀现象给予了分析。依此提出，电缆生产和运检工作中需要注意的问题。
一、缓冲层的性能分析
图1为缓冲层在电缆结构中的位置。阻水带是两层无纺布带中间加一层膨胀阻水粉组成的，缓冲层是由多层阻水带绕包而成。它位于电缆绝缘屏蔽层和皱纹铝护套(以下简称金属套)之间，起到电气连接的作用;同时，它又起到堵塞沿金属套内通道进水的作用。根据调查，缓冲层电阻率无法降得很低是有原因的，它是和原材料的加工、生产车间的环境等相联系的。特别是潮气在加工和存放过程中进入缓冲层，使得膨胀粉吸潮膨胀，两层半导电无纺布之间出现隔绝，使缓冲层电阻增加，导致连接通道的电阻值接近或超过1000Ω。而电阻增加又会使电缆绝缘屏蔽层和金属套之间形成电位差，这个电位差不足以引起放电。有电位差，电阻上就流过电流，电阻就会发热，最终热量将缓冲层局部破坏。同时，在水分
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和电流的作用下，金属套(铝)出现氧化反应，电蚀其金属套(铝)内表面。图2和图3为电缆缓冲层、绝缘屏蔽层烧蚀痕迹和金属套内腐蚀痕迹。从多处现场发现，在电缆的缓冲层上有明显的烧蚀痕迹(见图2)，金属套上有明显的电蚀留下的白色粉末(见图3)，并且在电缆绝缘屏蔽层上也有腐蚀的痕迹(见图2)。
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从实际情况看，这些烧蚀，有的连续发生，有的以点状分布，但都发生在金属套的内峰处。
二、检测试验
2.1电缆试验样本制作
选取ZC-YJLW03-Z-64/110kV-1×630mm2电力电缆为试验样品。电缆试样如图1所示，两端线芯导体各露出150mm安装电缆线夹，用于试验回路连接，铝护套剥出150mm用于安装铜带，铜带宽度为100mm。
2.2电缆电-热协同试验平台
通过电缆电-热协同试验平台对绝缘屏蔽烧蚀损伤机理进行研究，主要由两部分构成：电压调节单元和电流调节单元。试验电压经2#调压器引入进而模拟铝护套与绝缘屏蔽间的电势差，通过电流表检测通过绝缘屏蔽的电流大小；电缆试验回路穿过电流互感器（CT），通过1#调压器在电缆试验回路中施加大电流，利用电缆线芯导体产生的热效应消除电缆本体自身残存的机械应力，以模拟电缆实际运行工况。，调压器最大输出电压为250V，试验回路电流可调整范围为0～1500A，电流表检测范围为0～1000mA，试验温度和湿度分别为25℃和60%。结合电缆线路的运维数据，ZC-YJLW03Z-64/110kV-1×630mm2高压电缆负荷电流为100～300A，因此电缆试验回路电流施加负荷电流200A。由于电缆传热过程较慢，待线芯持续施加负荷电流4h达到稳定状态后再进行试验。
2.3绝缘屏蔽层烧蚀深度和面积检测
依据不同电压下绝缘屏蔽层的放电烧蚀情况，调节试验电压，加速绝缘屏蔽放电烧蚀，试验温度和湿度分别为25℃和60%。采用精度为0.01mm的数显游标卡尺对放电烧蚀前绝缘屏蔽外径进行测量，并对不同放电烧蚀时间下绝缘屏蔽烧蚀区域的外径、长度及宽度进行测量，从而确定电缆绝缘屏蔽层的烧蚀深度及烧蚀面积。
三、试验结果
3.1电压电流变化趋势
为使试验电缆保持一个相对稳定的状态，将电缆在电-热协同试验平台上老化30天后进行试验，分析不同电压下通过绝缘屏蔽的电流变化趋势。由于试验结果具有随机性，通过统计的方式研究不同电压下电流的变化趋势，统计100次试验结果，并绘制出不同试验电压下电流的变化趋势，，不同电压下电流上升幅度呈现出明显差异，可分为3个阶段：①试验电压低于50V时，电流增长幅度较小，电流幅值在1～3mA，幅值较小，无明显放电现象；②试验电压在50～110V时，电流迅速增长，从2mA迅速增长至121mA，放电现象明显，伴随着明显的放电火花和放电声音；③试验电压在110～150V时，电流增长趋势变缓，电流从120mA增至145mA，放电现象更为明显，放电火花和放电声音也更为强烈。上述试验结果表明，不同试验电压下电流增长趋势不同，放电强度存在明显差异。
3.2绝缘屏蔽烧蚀损伤
为进一步研究不同烧蚀时间下电缆绝缘屏蔽的烧蚀损伤程度，对不同烧蚀时间下绝缘屏蔽烧蚀损伤情况进行分析，结果如图4所示。从图4可以看出，不同烧蚀时间下电缆绝缘屏蔽的烧蚀程度不同。图4(a)中，绝缘屏蔽层未经放电烧蚀时，表面平整、光滑。绝缘屏蔽层经放电烧蚀240h时，表面部分区域被烧蚀变色，与未烧蚀区域有明显的分界，且被烧蚀区域表面粗糙、不平整。图4(c)中，绝缘屏蔽层经放电烧蚀480h时，部分区域表面被阻水带中白色阻水粉覆盖，表面粗糙不平整。图4(d)中，绝缘屏蔽层经放电烧蚀720h时，放电烧蚀严重，阻水带白色阻水粉中夹杂黑色阻水带，绝缘屏蔽层被完全碳化，此时表面极为粗糙。对不同烧蚀时间下绝缘屏蔽层的烧蚀面积和
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烧蚀深度进行了统计。
2.3试验分析
由于局部放电烧蚀具有累积效应，在放电烧蚀作用下绝缘屏蔽表面逐渐从光滑过渡到粗糙不平整，烧蚀深度和烧蚀面积也在不断加大。随着放电烧蚀的进一步加剧，在外半导电层表面形成了阻水粉、阻水带以及绝缘屏蔽层的混合物，破坏电缆绝缘结构，最终导致电缆绝缘击穿。
四、改进措施
电缆绝缘屏蔽层与阻水带和铝护套间存在气隙，进而引发局部放电是导致电缆绝缘击穿、故障频发的重要原因。目前，由于电缆阻水带表面电阻和体积电阻没有统一标准，各电缆制造企业生产的阻水带体积电阻、表面电阻以及填充性能存在差异，导致阻水带与绝缘屏蔽和铝护套接触不良，接触电阻过大，存在电势差，进而引发局部放电，造成电缆绝缘击穿，其改进措施如下：（1）提高阻水带的电导率，保证绝缘屏蔽与阻水缓冲带和金属铝护套可靠接触，消除电势差。（2）电缆在敷设完成后自然放置一段时间，释放电缆内部残余机械应力，保证电缆结构完整性。（3）提高电缆生产质量，选用填充性能更为优异的阻水带，消除电缆内部气隙。
五、结论
通过搭建110kV电缆电-热协同试验平台对高压电力电缆绝缘屏蔽烧蚀机理进行了研究，并针对如何降低绝缘屏蔽和阻水带以及铝护套之间的电势差提出了相应改进措施，得出如下结论：（1）不同电压和烧蚀时间作用下，试验回路电流大小和电缆绝缘屏蔽烧蚀损伤程度存在明显差异。（2）高压电缆绝缘屏蔽与阻水带和金属铝护套接触不良形成气隙，引发局部放电是导致电缆绝缘屏蔽层烧蚀击穿的重要原因。（3）提高阻水缓冲带电导率和电缆制造工艺水平，抑制电缆局部放电，将有效延长电缆使用寿命及提升电缆运行可靠性。(4)高压电缆线路在运行时，应尽量减少操作，从而减少产生负极性操作过电压的可能性，减少铝套的电腐蚀。
参考文献
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