李文杰，歐陽(yáng)本紅，宋鵬先，劉松華，張振鵬，王昱力，鄧顯波

（1 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司武漢分院，湖北武漢 430074；2 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)六七十年代，針對(duì)當(dāng)時(shí)高壓電纜主要采用充油絕緣、鉛護(hù)套的情況，其應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)上及技術(shù)上都帶來(lái)了很大好處。由于交聯(lián)絕緣的膨脹系數(shù)比金屬大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此波紋金屬套內(nèi)必須留有足夠的膨脹間隙[1-3]。

1 緩沖層結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)高壓電纜緩沖層燒蝕導(dǎo)致本體擊穿的故障，引起了行業(yè)的高度關(guān)注[4-12]。

高壓電纜分阻水型和非阻水型，依據(jù)電纜的類(lèi)型可以選擇不同的緩沖層材料，目前國(guó)內(nèi)有以下幾種緩沖層材料：

（1）半導(dǎo)電丁基橡膠帶

固體帶型緩沖材料，不具備縱向阻水功能，但可以補(bǔ)償絕緣熱膨脹、緩沖機(jī)械沖擊和側(cè)壓力，由丁基橡膠內(nèi)加入一定量的導(dǎo)電炭黑和各種添加劑制成，相對(duì)于其他緩沖材料其耐溫等級(jí)較高。

（2）半導(dǎo)電聚酯無(wú)紡纖維布

海綿狀的帶型緩沖材料，不具備縱向阻水功能，但可以補(bǔ)償絕緣熱膨脹、緩沖機(jī)械沖擊和側(cè)壓力，由聚酯無(wú)紡纖維布復(fù)合一定量的導(dǎo)電炭黑制成。相對(duì)于半導(dǎo)電丁基橡膠帶，其耐溫等級(jí)稍低。

（3）半導(dǎo)電聚酯無(wú)紡纖維阻水布

海綿狀的帶型緩沖材料，具備縱向阻水、補(bǔ)償絕緣熱膨脹、以及緩沖機(jī)械沖擊和側(cè)壓力的功能，由聚酯無(wú)紡纖維布復(fù)合一定量的導(dǎo)電炭黑和聚丙烯酸酯膨脹粉制成。可分為單面半導(dǎo)電阻水帶和雙面半導(dǎo)電阻水帶兩種結(jié)構(gòu)。膨脹粉遇水后在一定時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，從而起到阻隔水的作用。相對(duì)于半導(dǎo)電丁基橡膠帶，其耐溫等級(jí)較低。

（4）銅絲纖維編織布

銅絲纖維編織布俗稱(chēng)金布，主要采用細(xì)的裸銅絲或鍍錫銅絲與半導(dǎo)電或不導(dǎo)電的尼龍纖維帶混合編織而成。銅絲纖維編織布可起到增強(qiáng)緩沖層與金屬護(hù)層之間電氣接觸的作用。從銅絲纖維編織布的預(yù)期功能可知，銅絲的直徑應(yīng)大于纖維絲的直徑，這樣才能保證緩沖層與金屬護(hù)層通過(guò)銅絲達(dá)到良好的電氣接觸，否則會(huì)導(dǎo)致接觸不良甚至是完全絕緣。

國(guó)內(nèi)采用半導(dǎo)電聚酯纖維阻水帶作為緩沖層的占絕大數(shù)，但也有采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的，例如半導(dǎo)電丁基橡膠帶緩沖層+半導(dǎo)電聚酯纖維阻水帶或者半導(dǎo)電丁基橡膠帶緩沖層+半導(dǎo)電聚酯纖維阻水帶+金布。

國(guó)內(nèi)早期投運(yùn)的高壓電纜線(xiàn)路，緩沖層基本為金布+半導(dǎo)電丁基膠帶結(jié)構(gòu)。1992年，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)高壓電纜，緩沖層為金布+半導(dǎo)電丁基膠帶結(jié)構(gòu)、單一的半導(dǎo)電緩沖帶兩種結(jié)構(gòu)，均沒(méi)有縱向阻水性能，并且沿用至今。2000年，運(yùn)維單位開(kāi)始提出縱向阻水要求，特別是2002版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后，縱向阻水電纜逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，緩沖層為金布+半導(dǎo)電阻水帶、單一的半導(dǎo)電阻水緩沖帶兩種結(jié)構(gòu)。2007～2009年，由于金布質(zhì)量問(wèn)題，某制造企業(yè)生產(chǎn)的高壓電纜發(fā)生多次故障。2009年以后，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)基本采用單一的半導(dǎo)電阻水緩沖帶結(jié)構(gòu)。2014年至今，少數(shù)制造企業(yè)在330kV及500kV高壓電纜工程，采用金布+半導(dǎo)電阻水帶+半導(dǎo)電丁基膠帶結(jié)構(gòu)，或者金布+半導(dǎo)電緩沖帶+半導(dǎo)電丁基膠帶結(jié)構(gòu)。

2 緩沖層燒蝕故障分析

2.1 故障案例

2017年4 月，某公司某220kV電纜電纜B相發(fā)生護(hù)層燒蝕故障。分析發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)電屏蔽層、阻水層、皺紋鋁內(nèi)側(cè)均可見(jiàn)燒蝕痕跡，阻水護(hù)層第三方檢測(cè)不合格，帶電局放檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常。長(zhǎng)期輕載3～4年，負(fù)載率15%左右，發(fā)生問(wèn)題時(shí)負(fù)荷為31A。電纜故障照片如圖1所示。

圖1 阻水緩沖層及皺紋鋁護(hù)套燒蝕情況Fig.1 Ablation of water - blocking buffer layer and wrinkled aluminum sheath

2017年1 月，某公司運(yùn)維人員在制作新的對(duì)接中間接頭時(shí)，發(fā)現(xiàn)某110 kV線(xiàn)路 #3接頭往#2接頭段C相電纜的主絕緣外屏蔽層、阻水帶、金布、鋁護(hù)套內(nèi)壁有多處灼傷。該線(xiàn)路投運(yùn)于2013年12月，電纜全長(zhǎng)2.9公里。電纜故障照片如圖2所示。

圖2 某線(xiàn)路2阻水緩沖層及皺紋鋁護(hù)套燒蝕情況Fig.2 Ablation of water - blocking buffer layer and wrinkled aluminum sheath

2.2 燒蝕特征

通過(guò)對(duì)高壓電纜阻水緩沖層燒蝕故障（缺陷）統(tǒng)計(jì)分析，其主要特征為：

（1）此類(lèi)故障及缺陷在擠包和焊接兩種鋁套形式中，在金屬絲布加阻水緩沖帶和單一阻水緩沖帶兩種結(jié)構(gòu)中都有發(fā)生。

（2）故障電纜導(dǎo)體截面積分布在400～2000 mm2之間，其中630、800 mm2占比較大，故障發(fā)生與高壓電纜負(fù)荷電流無(wú)明顯關(guān)聯(lián)關(guān)系，故障頻次與通道方式（通道環(huán)境、潮濕程度）無(wú)正向關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（3）燒蝕點(diǎn)主要位于電纜阻水緩沖層與波紋鋁套緊密接觸部位，對(duì)于金屬絲布+阻水緩沖帶結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為阻水緩沖層（含絕緣屏蔽）與鋁套之間的放電燒蝕；對(duì)于單一阻水緩沖帶結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為阻水緩沖層（含絕緣屏蔽）與鋁套之間的電化學(xué)腐蝕；兩種結(jié)構(gòu)下鋁套內(nèi)表面、阻水緩沖層及與絕緣屏蔽層表面可見(jiàn)析出白色粉末。

（4）故障電纜運(yùn)行年限雖有一定分散性，但在1至10年之間發(fā)生此類(lèi)故障占比超過(guò)60%。

2.3 燒蝕白色粉末分析

緩沖層通常由一層半導(dǎo)電無(wú)紡布與一層半導(dǎo)電蓬松棉、中間粘涂一層阻水粉而構(gòu)成。緩沖層中阻水粉主要含有丙烯酸鈉、單體CM、交聯(lián)劑、引發(fā)劑等成分，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡能譜（EDS）針對(duì)緩沖層中的阻水粉進(jìn)行了元素組成測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 阻水粉電子圖像Fig.3 Electronic image of gouache

圖4 掃描電鏡能譜圖Fig.4 Scanning electron microscope energy spectrum

根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，緩沖層中阻水粉主要由C、O、Na、Si元素組成，其中C元素含量最多，原子百分比為59.46%，Si元素含量最少，原子百分比為0.55%。

圖5為阻水粉紅外吸收光譜，3307cm-1處為液態(tài)H2O伸縮振動(dòng)峰，2000cm-1左右處一系列尖銳的吸收峰為氣態(tài)H2O變角振-轉(zhuǎn)光譜，1553cm-1處為羧酸根COO反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，1452cm-1處為CH2變角振動(dòng)峰，1402cm-1處為羧酸根COO對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，基本反映出阻水粉的主要成分為聚丙烯酸鈉。

圖5 阻水粉紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrogram of gouache

緩沖層中阻水粉主要由C、O、Na、Si元素組成；緩沖層及絕緣屏蔽表面燒蝕處白色物質(zhì)主要由C、O、Na、Al元素組成，且C、O的含量比接近，只是絕緣屏蔽表面白色物質(zhì)中Na元素含量更高，而緩沖層表面白色物質(zhì)中Al元素含量更高，說(shuō)明鋁元素來(lái)源于波紋鋁護(hù)套，通過(guò)鋁護(hù)套與緩沖層的化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)在緩沖層表面，并部分穿透緩沖層逐漸遷移至絕緣屏蔽表面。

緩沖層燒蝕故障處白色物質(zhì)中可能含有HCO3-離子，絕緣屏蔽燒蝕故障處白色物質(zhì)中可能含有HCO3-離子，也可能有少量阻水粉析出。說(shuō)明在燒蝕處可能發(fā)生了局部受潮，導(dǎo)致HCO3-離子的出現(xiàn)，它既可能是反應(yīng)物也可能是反應(yīng)產(chǎn)物，而存在HCO3-離子的堿性環(huán)境可能是導(dǎo)致鋁護(hù)套被腐蝕的原因。

3 緩沖層故障模擬試驗(yàn)

3.1 模擬燒蝕試驗(yàn)裝置

為了探索高壓電纜中阻水緩沖層燒蝕現(xiàn)象發(fā)生的根本原因，再現(xiàn)其發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程，確定相關(guān)影響因素及破壞機(jī)理，需要建立與電纜實(shí)際結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)、易于加工、便于實(shí)驗(yàn)、并能實(shí)現(xiàn)條件控制和全程觀測(cè)的阻水緩沖層結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖6為模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。高壓電極采用球電極，以便模擬高壓電纜中波紋鋁護(hù)套與緩沖層的實(shí)際接觸形式，電極材料選用電工鋁1060，與波紋鋁護(hù)套為同種材質(zhì)；地電極為平板電極，材料選用黃銅；電極桿上刻有螺紋，以便以旋擰的方式放置重物塊，通過(guò)調(diào)節(jié)重物塊的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)電極與試樣之間接觸壓力的調(diào)節(jié)。試樣由緩沖層及絕緣屏蔽層疊加放置，緩沖層粗糙表面朝向高壓電極，光滑表面與絕緣屏蔽接觸，絕緣屏蔽另一表面與地電極接觸。

圖6 模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of simulated ablation experiment device

圖7 為模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)電路圖。高壓電極接高壓電源輸出端，地電極接地，電路中串聯(lián)電流表，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路中的電流，電壓表并聯(lián)在高壓電極與地電極兩端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置兩端電壓。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置電路圖Fig.7 Circuit diagram of experimental equipment

3.2 模擬燒蝕試驗(yàn)

選取電工鋁1060材質(zhì)的高壓電極，高壓電極上不施加壓力，將緩沖層試樣噴水濕潤(rùn)，試驗(yàn)回路中施加頻率為50Hz有效值為20mA的交流電流，2h后，發(fā)現(xiàn)緩沖層表面有白色物質(zhì)。圖8（a）展示了緩沖層粗糙面上的白色物質(zhì)，圖8（b）展示了緩沖層光滑面及絕緣屏蔽表面的白色物質(zhì)。

圖8 緩沖層及絕緣屏蔽表面的白色痕跡Fig.8 White marks on buffer layer and insulating shield surface

圖9 展示了高壓電極表面在實(shí)驗(yàn)前后的情況。電極表面在實(shí)驗(yàn)前呈銀白色，如圖9（a）所示；實(shí)驗(yàn)后表面有黃白色物質(zhì)附著，如圖9（b）所示。

圖9 高壓鋁電極實(shí)驗(yàn)前后的表面狀況Fig.9 Surface condition of high pressure aluminum electrode before and after experiment

為探究緩沖層表面白色物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)理，在分別以鋁或不銹鋼作為高壓電極、緩沖帶干燥或濕潤(rùn)、不加或施加20mA電流的不同條件下，進(jìn)行了緩沖層燒蝕模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為2h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同條件下緩沖層模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Simulation ablation experiment results of buffer layer under different conditions

由表1可獲得以下結(jié)論：

（1）對(duì)比試驗(yàn)1、2、5、6可以發(fā)現(xiàn)，在緩沖帶干燥的條件下，無(wú)論采用鋁或不銹鋼作高壓電極，無(wú)論是否施加電流，均未在緩沖帶及絕緣屏蔽表面觀察到白色物質(zhì)，說(shuō)明白色物質(zhì)的出現(xiàn)需要水的參與，即緩沖帶受潮。

（2）對(duì)比試驗(yàn)1、3、5、7可以發(fā)現(xiàn)，如果試驗(yàn)過(guò)程中未施加電流，而只是將試樣靜置于兩電極之間，2h試驗(yàn)結(jié)束時(shí)也未觀察到白色物質(zhì)出現(xiàn)，說(shuō)明在試驗(yàn)條件下，外加電流也是白色產(chǎn)物生成的必要條件。本試驗(yàn)的時(shí)間較短，尚無(wú)法排除無(wú)電流情況下阻水粉由于重力作用析出至絕緣屏蔽表面以及在無(wú)電流情況下發(fā)生鋁腐蝕的可能性，因此，后續(xù)仍需開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)電流的作用。

（3）對(duì)比試驗(yàn)4、8可以發(fā)現(xiàn)，在緩沖帶被人為濕潤(rùn)并在試樣上施加20mA電流的條件下，如果使用不銹鋼電極作為高壓電極，只觀察到絕緣屏蔽表面有淺白色物質(zhì)；而如果使用鋁電極作為高壓電極，在緩沖帶及絕緣屏蔽表面均觀察到白色物質(zhì)的出現(xiàn)。這說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了鋁參與的化學(xué)反應(yīng)，可能與鋁的化學(xué)性能較為活潑有關(guān)。

通過(guò)模擬試驗(yàn)，獲得如下結(jié)論：阻水緩沖帶及絕緣屏蔽表面白色物質(zhì)的出現(xiàn)需要水的參與，即緩沖帶受潮。推測(cè)白色物質(zhì)的生成與阻水緩沖帶中的阻水粉有關(guān)，即可能是其析出產(chǎn)物，也可能是其與鋁反應(yīng)的產(chǎn)物。

綜上所述，單一阻水緩沖帶電阻率不合格或因受潮后電阻率超標(biāo)，阻水緩沖帶中阻水粉與鋁套之間發(fā)生電化學(xué)腐蝕等導(dǎo)致絕緣屏蔽與鋁套在電氣上接觸不良，形成局部高阻，并在絕緣屏蔽層與鋁套之間引起局部過(guò)熱或局部放電，對(duì)半導(dǎo)電絕緣屏蔽產(chǎn)生燒蝕直至破壞絕緣屏蔽層，從而造成電纜主絕緣擊穿故障。

4 后續(xù)技術(shù)管控措施

（1）合理選擇緩沖層結(jié)構(gòu)

隧道環(huán)境良好無(wú)積水，本體或接頭擊穿后本體大面積進(jìn)水的可能性極小，建議部分單位考慮隧道敷設(shè)方式下不考慮用阻水緩沖帶結(jié)構(gòu)高壓電纜，緩沖層采用半導(dǎo)電丁基橡膠緩沖帶（或半導(dǎo)電聚酯非織造布），或半導(dǎo)電丁基橡膠緩沖帶（或半導(dǎo)電聚酯非織造布）+銅絲纖維編織布。

（2）制造質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)

制造企業(yè)應(yīng)強(qiáng)化半導(dǎo)電緩沖層的材料質(zhì)量檢測(cè)，應(yīng)嚴(yán)格控制緩沖層和鋁護(hù)套間隙，既要確保緩沖層和皺紋鋁護(hù)套間應(yīng)有頻繁的電氣接觸，又要吸收XLPE絕緣熱膨脹。電纜制造過(guò)程中應(yīng)做好防潮保護(hù)措施，嚴(yán)格控制半導(dǎo)電阻水緩沖帶進(jìn)貨檢驗(yàn)和儲(chǔ)存環(huán)境條件的管控，避免使用不合格的阻水緩沖帶，避免儲(chǔ)存和生產(chǎn)轉(zhuǎn)序中受潮。

敷設(shè)施工時(shí)應(yīng)采取措施，避免電纜敷設(shè)時(shí)阻水緩沖層現(xiàn)場(chǎng)受潮。

（3）到貨抽檢項(xiàng)目要求

規(guī)范到貨檢測(cè)、施工、驗(yàn)收的要求及指標(biāo)，控制“增量”缺陷出現(xiàn)。目前JB/T 10259-2014只考慮了緩沖帶體積電阻率、膨脹速率、膨脹高度等指標(biāo)要求。建議強(qiáng)化阻水緩沖層到貨抽檢，提高含水率、體積電阻率和表面電阻等指標(biāo)要求，增加阻水粉均勻度等檢測(cè)項(xiàng)目。

5 總結(jié)

（1）總結(jié)高壓電纜緩沖層結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程，介紹了主流的緩沖層材料。

（2）對(duì)高壓電纜緩沖層燒蝕故障進(jìn)行了梳理分析，總結(jié)了故障典型特征，對(duì)燒蝕粉末進(jìn)行理化分析揭示了阻水粉析出的原因。在燒蝕處可能發(fā)生了局部受潮，導(dǎo)致離子的出現(xiàn)，它既可能是反應(yīng)物也可能是反應(yīng)產(chǎn)物，而存在離子的堿性環(huán)境可能是導(dǎo)致鋁護(hù)套被腐蝕的原因。

（3）通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻水緩沖帶及絕緣屏蔽表面白色物質(zhì)的出現(xiàn)需要水的參與，即緩沖帶受潮。推測(cè)白色物質(zhì)的生成與阻水緩沖帶中的阻水粉有關(guān)，即可能是其析出產(chǎn)物，也可能是其與鋁反應(yīng)的產(chǎn)物。

（4）總結(jié)了單一阻水緩沖帶故障原因，提出了后續(xù)處理措施，包括新建工程合理選擇緩沖層結(jié)構(gòu)，制造質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)注意要點(diǎn)，到貨抽檢項(xiàng)目要求等，為避免此類(lèi)故障提出了建議。