卞佳音，單魯平，張 玨，孔詩(shī)琦，劉曉東，劉培鎮(zhèn)，羅小琨

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州510620；2.廣州南洋電纜集團(tuán)有限公司，廣州511356）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，社會(huì)總用電量也在逐年攀升。廣大用戶對(duì)電力的需求與日劇增，對(duì)供電的可靠性要求也越來(lái)越高。近年來(lái)全國(guó)各地出現(xiàn)多起因緩沖層燒蝕缺陷導(dǎo)致的電纜故障。缺陷主要表現(xiàn)為半導(dǎo)電緩沖阻水帶上附著白色灼傷點(diǎn)，其中部分已損傷至絕緣屏蔽層，推測(cè)該缺陷的持續(xù)惡化將完全貫穿絕緣屏蔽層直至危及主絕緣，最終引發(fā)停電事故，嚴(yán)重影響城市電網(wǎng)運(yùn)行安全[1]。因此，準(zhǔn)確分析緩沖層故障原因?qū)ΡＵ想娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。

目前電力電纜緩沖層故障實(shí)際案例分析的文獻(xiàn)較少，故障原因的研究中大多又只給出定性的研究結(jié)論，或是通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真描述燒蝕在施加電壓情況下緩沖層發(fā)生燒蝕的機(jī)理與現(xiàn)象。歐陽(yáng)本紅等[2]通過(guò)有限元仿真建模方法分析了緩沖層生產(chǎn)絕緣白色物質(zhì)對(duì)鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間電場(chǎng)分布的影響，分析了電纜發(fā)生緩沖阻水燒蝕的可能性。劉書(shū)全[3]介紹了緩沖層阻水設(shè)計(jì)和試制過(guò)程以及工藝要點(diǎn)，對(duì)高壓電力電纜緩沖層的設(shè)計(jì)具有很大的參考價(jià)值。楊帆等[4]使用Simulink平臺(tái)搭建了高壓電纜緩沖層分布式電路模型，從電路理論與實(shí)際實(shí)驗(yàn)上分析驗(yàn)證了白色粉末對(duì)緩沖層阻抗的影響。汪傳斌、金海云[5]運(yùn)用有限元仿真軟件Ansys仿真計(jì)算了高壓電纜的電場(chǎng)分布，列舉了各種緩沖層結(jié)構(gòu)，分析了不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)條件下緩沖層內(nèi)電場(chǎng)分布情況。澳大利亞的Charles Q Su[6]報(bào)告了一起230 kV高壓電力電纜緩沖層燒蝕的案例，認(rèn)為金布內(nèi)銅絲數(shù)量不足將導(dǎo)致絕緣外屏蔽和鋁護(hù)套之間電氣接觸不良，進(jìn)而引起金布內(nèi)屏蔽銅絲的局部過(guò)熱，進(jìn)而導(dǎo)致燒蝕。與Su的觀點(diǎn)相符的是，上海電力檢修公司對(duì)一條雙回線路進(jìn)行了長(zhǎng)期局放監(jiān)測(cè)[7]，結(jié)果局放信號(hào)顯著增大的一回電纜解剖后發(fā)現(xiàn)顯著的緩沖層燒蝕痕跡，進(jìn)一步分析表明這是因?yàn)榻鸩冀Y(jié)構(gòu)內(nèi)的銅絲直徑遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合上述可知，關(guān)于高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的緩沖層放電燒蝕研究，目前大部分文獻(xiàn)主要從有限元仿真、電路建模以及白色粉末生成及其電氣特征分析，以及高壓電力電纜緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)緩沖層進(jìn)行研究。對(duì)緩沖層工作情況做出評(píng)價(jià)的可觀測(cè)電氣性能指標(biāo)及其在運(yùn)行電纜中的測(cè)量方法研究較少。

由高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的緩沖層結(jié)構(gòu)可知，緩沖層在正常工作情況下將承受一定的分壓電壓，同時(shí)，金屬護(hù)層及其下的緩沖層要為絕緣充電電流、泄漏電流、中性電流、相間不平衡電流、故障電流、浪涌電流提供同心的導(dǎo)電通路[8]。

當(dāng)緩沖層阻抗較大，未能為金屬護(hù)套與絕緣屏蔽之間提供良好的電氣接觸時(shí)，緩沖層上將承受較大的分壓電壓。測(cè)量該分壓電壓有助于實(shí)現(xiàn)緩沖層工作狀態(tài)的評(píng)價(jià)。然而，從運(yùn)行電纜的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，絕緣屏蔽層并非理想的導(dǎo)電電極，直接以金屬護(hù)套與絕緣屏蔽作為電極測(cè)量得到緩沖層分壓電壓將偏大。但運(yùn)行電纜的結(jié)構(gòu)不可改變，因此需要一個(gè)可以推算得到分壓電壓的方法。準(zhǔn)確地測(cè)量出運(yùn)行電纜分壓電壓，意義重大。

綜上所述，為理解使用絕緣屏蔽直接作為測(cè)量電極引入的誤差以及獲得相對(duì)精確的緩沖層分壓電壓，本文旨在通過(guò)進(jìn)行電纜試驗(yàn)，得到未包繞銅帶的運(yùn)行電纜的緩沖層視在分壓電壓與真實(shí)分壓電壓結(jié)果，通過(guò)數(shù)學(xué)模型找出視在電壓與真實(shí)電壓之間的關(guān)系。

1 分壓電壓測(cè)量理論

1.1 電極影響

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高壓電力電纜結(jié)構(gòu)較為統(tǒng)一，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高壓電力電纜其軸向剖面圖中部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，緩沖層作為絕緣屏蔽與鋁護(hù)套之間的襯層，要能在絕緣屏蔽與金屬護(hù)套之間提供良好的電氣接觸。

圖1 電纜部分結(jié)構(gòu)軸向剖面

在電纜生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層在導(dǎo)體外部通過(guò)三層共擠工藝同時(shí)擠出絕緣屏蔽為半導(dǎo)電性質(zhì)。具體而言，國(guó)標(biāo)《額定電壓110 kV（Um=126 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第一部分：試驗(yàn)方法和要求》中指出額定電壓110 kV電纜的絕緣屏蔽老化前和老化后的體積電阻率不應(yīng)超過(guò)500 Ω?m[8]。一般工程上定義導(dǎo)體的電阻率在10-8~10-5Ω?m[9]，半導(dǎo)體的電阻率為10-5~107Ω?m，絕 緣 體107~1018Ω?m，可見(jiàn)屏蔽層電阻較導(dǎo)體電阻仍有一定差距。將其視為導(dǎo)體并直接作為用于測(cè)量電壓的電極必然引入較大的誤差，具體如圖2所示。

圖2 以屏蔽層作為電極時(shí)的等效電路

將鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間的電阻記為Ra，該電阻主要為緩沖層電阻；絕緣屏蔽層在導(dǎo)電通路中的電阻記為Rb，由于絕緣屏蔽層非理想電極，則電阻Rb較大，在計(jì)算過(guò)程中不可忽略。因此若以絕緣屏蔽作為電極一端，以金屬護(hù)套作為另一端測(cè)量得到的電壓實(shí)為電壓Uab，稱(chēng)為視在電壓，并非以節(jié)點(diǎn)a、c為電壓表兩端測(cè)得的真正緩沖層分壓電壓Uac。根據(jù)電路圖也可以看出，視在電壓的測(cè)量結(jié)果增加了通過(guò)絕緣屏蔽的橫向電壓Ubc，因此視在電壓將較真實(shí)值偏大。此外，由于絕緣屏蔽層表面并不能被視為理想等勢(shì)面，因此測(cè)量過(guò)程中電壓表的絕緣屏蔽一極僅為點(diǎn)電極，將電極放在空間不同位置也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不同。

根據(jù)上述分析可知，影響測(cè)量結(jié)果偏大的原因主要來(lái)源于絕緣屏蔽層電阻Rb，且電極接絕緣屏蔽層一端為點(diǎn)接觸電極并非面接觸電極。因此，為了改善這一狀況，在緩沖層與絕緣屏蔽之間繞包銅帶如圖3所示。

圖3 繞包銅帶后的電纜軸向剖面結(jié)構(gòu)

銅為良導(dǎo)體，此時(shí)銅帶在絕緣屏蔽層表面可以等效為一層等勢(shì)面。以銅電極替代絕緣屏蔽電極電路如圖4所示，電極兩端電壓Uab=Uac，測(cè)量電壓即為緩沖層分壓電壓。

圖4 以銅帶為電極的等效電路

1.2 分壓電壓推算模型

由于目前工程實(shí)際中運(yùn)行電纜均不存在上述銅帶繞包結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其分壓電壓測(cè)量時(shí)需要以絕緣屏蔽作為電壓電極。如上所述，該電極的使用將引入誤差使得測(cè)量結(jié)果偏大。因此有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲得銅帶繞包電纜測(cè)得的實(shí)際分壓電壓V0與以絕緣屏蔽層為電極測(cè)得視在電壓V1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：

根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，可以將不準(zhǔn)確的視在電壓折算為精確值，因此在實(shí)際生產(chǎn)中并不需要為測(cè)量分壓電壓增加多余的繞包銅帶結(jié)構(gòu)。通過(guò)該關(guān)系可以直接進(jìn)行視在電壓與真實(shí)分壓電壓的折算，簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中運(yùn)行行電力電纜緩沖層分壓電壓的準(zhǔn)確計(jì)算。

1.3 實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)比繞包銅帶與未繞包銅帶電纜的分壓電壓，對(duì)繞包銅帶時(shí)緩沖層分壓電壓結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出實(shí)際分壓電壓與工程中視在電壓的關(guān)系。為了驗(yàn)證該分析的合理性，具體探究實(shí)際電壓與視在電壓之間的關(guān)系，本文設(shè)置實(shí)驗(yàn)回路如圖5所示。對(duì)于單點(diǎn)接地交聯(lián)聚乙烯電力電纜而言，在其正常工作過(guò)程中流過(guò)緩沖層的電流主要是絕緣泄漏電流，理論分析知該電流僅與電纜絕緣結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)以及工作頻率有關(guān)。若進(jìn)行電纜負(fù)載實(shí)驗(yàn)，較大的線芯電流可能產(chǎn)生較大的電磁干擾，為了避免電磁干擾可能對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，本次實(shí)驗(yàn)為空載試驗(yàn)，導(dǎo)體一端開(kāi)路，另一端接于串聯(lián)諧振系統(tǒng)上。金屬護(hù)套接地，將電壓測(cè)量表一端接于絕緣屏蔽（或銅帶上），另一端接金屬護(hù)套，對(duì)分壓電壓進(jìn)行測(cè)量。

圖5 實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好2根25 m的64/110 kV 1×800 mm2電纜。一根電纜為正常結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，另一根25 m電纜交聯(lián)線芯表面完全繞包銅帶后再繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶，銅帶規(guī)格0.1 mm×40 mm。

將電纜兩端頭按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)處理，裝好附件，用電纜支架固定如圖6所示。緩沖層分壓電壓取自絕緣屏蔽-金屬護(hù)套的電壓，如果單純?cè)诮^緣屏蔽引出根測(cè)量線，因?yàn)辄c(diǎn)接觸測(cè)量的誤差要大于面接觸，所以在正常結(jié)構(gòu)電纜絕緣屏蔽繞包一層銅帶后再引出測(cè)量電極如圖7所示。另一根已經(jīng)繞包銅帶的電纜直接在銅帶表面引出測(cè)量電極。

圖6 實(shí)驗(yàn)回路實(shí)物

圖7 絕緣屏蔽表面繞包銅帶

同時(shí)對(duì)2根25 m電纜試樣進(jìn)行施加電壓，逐級(jí)升壓的過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的分壓電壓，并記錄數(shù)據(jù)。測(cè)量過(guò)程中使用屏蔽傳輸線以減小長(zhǎng)信號(hào)線上的電磁干擾以提高測(cè)量精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行電纜空載升壓實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中記錄了電壓表測(cè)量得到的緩沖層分壓電壓，記錄數(shù)據(jù)的過(guò)程中保持高壓端串聯(lián)諧振系統(tǒng)輸出電壓不變，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 電纜A、電纜B分壓電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 所示為電纜A與電纜B中測(cè)量的分壓電壓大小比較。電纜A在繞包銅帶后，以銅帶為測(cè)量電極得到的分壓電壓小于電纜B以絕緣屏蔽為電極測(cè)量的分壓電壓，這一數(shù)據(jù)與前述理論分析相符。

圖9 電纜A與電纜B分壓電壓

進(jìn)一步通過(guò)比較電纜A與電纜B的分壓電壓大小，可以得到二者間函數(shù)關(guān)系。擬合結(jié)果如圖10所示，二者之間呈現(xiàn)出十分顯著的線性關(guān)系，擬合得到：

圖10 電纜A與電纜B分壓電壓測(cè)量結(jié)果關(guān)系

V1=0.706V0+0.003 4

因此對(duì)于實(shí)際工程中的電纜，可以認(rèn)為通過(guò)以絕緣屏蔽為電極測(cè)得的電壓V1可以推算出實(shí)際緩沖層分壓電壓V0為：

對(duì)2根電纜緩沖層電阻進(jìn)行測(cè)試，將原電壓表電極以萬(wàn)用表電極代替，測(cè)得正常生產(chǎn)電纜電阻為272 Ω，繞包銅帶電纜電阻為5.2 Ω?？梢?jiàn)若將絕緣屏蔽作為測(cè)量分壓電壓的一極測(cè)得電阻將顯著大于繞包銅帶以銅帶為電極的電阻，導(dǎo)致引入很大的誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先從高壓交聯(lián)聚乙烯電纜的結(jié)構(gòu)上分析了電纜絕緣屏蔽層、緩沖層及波紋鋁護(hù)套之間的電路模型。從定義及數(shù)據(jù)上分析了以絕緣屏蔽層作為測(cè)量分壓電壓的電極將出現(xiàn)的測(cè)量不精確情況，指出通過(guò)改變電纜結(jié)構(gòu)，繞包銅帶可以提高測(cè)量分壓電壓的精確度。

本文通過(guò)繞包銅帶電纜與正常電纜的分壓電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析過(guò)程中預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。依據(jù)實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：（1）測(cè)量分壓電壓的實(shí)驗(yàn)中，在交聯(lián)線芯外側(cè)繞包銅帶以代替絕緣屏蔽作為電極，測(cè)量得到的分壓電壓較小，分析可知銅帶為電極時(shí)得到的結(jié)果更接近緩沖層實(shí)際分壓電壓；（2）通過(guò)測(cè)量電阻可知，在絕緣屏蔽外側(cè)繞包銅帶顯著減小了緩沖襯層的測(cè)量電阻；（3）通過(guò)比較繞包銅帶與正常生產(chǎn)電纜的分壓電壓，得到二者之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，該關(guān)系可為判斷運(yùn)行電纜緩沖層工作情況提供參考。