趙 琦，周 凱，孔佳民，李 原，葉 彬，王子康

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

阻水緩沖層是為保持皺紋鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層電氣接觸、弱化電場強(qiáng)度分布、縱向阻水、機(jī)械緩沖所設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)[1]，對于高壓電纜的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。近年來發(fā)生了多起緩沖層燒蝕事故，對輸電系統(tǒng)造成了巨大的損失[2-6]。

以國內(nèi)某公司生產(chǎn)的ZC-YJLW03 64/110 kV-1×300高壓電纜為例，緩沖層在高壓電纜結(jié)構(gòu)中的位置如圖1所示。根據(jù)緩沖層的導(dǎo)電作用，可分為半導(dǎo)電阻水緩沖層以及非導(dǎo)電阻水緩沖層[7]。國內(nèi)電力電纜中普遍采用半導(dǎo)電阻水緩沖層，因此本文中介紹的緩沖層均為半導(dǎo)電阻水緩沖層。

圖1 110 kV高壓電纜縱向剖面圖Fig.1 Longitudinal section of 110 kV high voltage cable

在文獻(xiàn)[2]統(tǒng)計(jì)的緩沖層故障基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來國內(nèi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)[4,8-10]，統(tǒng)計(jì)了2007年到2020年國內(nèi)報(bào)道的緩沖層事故，如表1所示。由表1可以看出，緩沖層事故與電壓等級、地區(qū)、導(dǎo)體截面、金布關(guān)系不明顯。緩沖層在電纜投運(yùn)兩年之后就有可能發(fā)生故障，但緩沖層燒蝕事故主要集中在電纜投運(yùn)5年之后。事故電纜解剖圖如圖2所示。

表1 緩沖層故障統(tǒng)計(jì)Tab.1 Buffer layer fault statistics

圖2 事故電纜解剖圖Fig.2 Anatomical diagram of accident cable

根據(jù)緩沖層事故現(xiàn)場的調(diào)研和分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)事故電纜存在以下共同點(diǎn)：①緩沖層以及絕緣屏蔽層均存在燒蝕的現(xiàn)象；②緩沖層的兩表面均出現(xiàn)了白色物質(zhì)，其以條狀分布為主，點(diǎn)狀分布為輔，條狀分布與皺紋鋁護(hù)套的波谷相對應(yīng)；③與條狀白色物質(zhì)位置相對應(yīng)的鋁護(hù)套上存在著腐蝕凹坑。

電纜緩沖層事故展現(xiàn)出的共性特點(diǎn)表明，緩沖層本身的某些特性及皺紋鋁護(hù)套可能是引發(fā)燒蝕的主要原因。因此，對緩沖層燒蝕事故進(jìn)行分析并研究緩沖層燒蝕成因以及影響因素，一方面可以為已投運(yùn)的高壓電纜緩沖層燒蝕缺陷檢測及處理提供依據(jù)，另一方面也可以為未來高壓電纜的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供思路，對高壓電纜實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義。目前，已有國內(nèi)外學(xué)者對阻水緩沖層燒蝕問題進(jìn)行研究，并取得了一定的成果，但缺乏系統(tǒng)的總結(jié)和分析。

本文首先介紹阻水緩沖層的基本結(jié)構(gòu)與功能，結(jié)合已有的研究成果，對緩沖層失效前后電氣性能變化及影響因素、白斑的成分及其由來進(jìn)行梳理。并根據(jù)現(xiàn)有研究，將緩沖層燒蝕機(jī)理進(jìn)行分類，討論建模中存在的問題。最后對現(xiàn)有緩沖層燒蝕研究進(jìn)行總結(jié)，并提出可能減緩燒蝕的方法及未來需要解決3個(gè)方面的問題。

1 阻水緩沖層結(jié)構(gòu)與性能

1.1 緩沖層基本結(jié)構(gòu)

JB/T 10259—2014規(guī)定半導(dǎo)電阻水緩沖層應(yīng)該由非織造布、半導(dǎo)電材料和高吸水材料復(fù)合而成[7]。因此，目前高壓電纜中的緩沖層為3層結(jié)構(gòu)[11]：蓬松棉層、阻水粉層、無紡布層，如圖3所示。

圖3 阻水緩沖層結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of water-blocking buffer layer

緩沖層具有的半導(dǎo)電特性是通過在蓬松棉層以及無紡布層摻雜導(dǎo)電炭黑來實(shí)現(xiàn)的，部分廠家在蓬松棉層外會額外繞包金布或半導(dǎo)電橡膠帶[12]，炭黑的摻雜在改變緩沖層電氣性能的同時(shí)也會改變緩沖層的力學(xué)性能。因此，在對阻水緩沖層進(jìn)行炭黑摻雜時(shí)往往需要考慮電氣性能與力學(xué)性能之間的平衡，這一特性使緩沖層的體積電阻率不會降到很低的水平[13]。

緩沖層的阻水功能則是由阻水粉實(shí)現(xiàn)。阻水粉的主要成分為聚丙烯酸鈉(C3H3NaO2)n。常溫下的聚丙烯酸鈉為白色固體，當(dāng)緩沖層受潮時(shí)，阻水粉會迅速離解為帶正電的Na+和帶負(fù)電的聚合物離子。在溶膠環(huán)境下，大量的聚合物負(fù)離子之間相互排斥使得高分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)迅速膨脹伸展，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。為維持整體分子呈電中性，負(fù)極性的聚合物離子將會阻止Na+逃逸，使Na+在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外形成壓差，促使水分子通過滲透作用向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部運(yùn)動，阻止水分的進(jìn)一步擴(kuò)散[14]。研究表明，聚丙烯酸鈉的吸水倍率在1 000 g/g以上，且吸水飽和后的水凝膠在加熱或加壓條件下仍具有較高的保水率[15]。

1.2 緩沖層失效前后電氣性能的變化及影響因素

現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)緩沖層燒蝕主要是與緩沖層的電氣性能有關(guān)，因此本文主要對緩沖層的電氣性能進(jìn)行綜述。

JB/T 10259—2014規(guī)定在（23±2）℃的情況下阻水緩沖層表面電阻≤1 500 Ω，體積電阻率≤1×105Ω·cm，但電纜中阻水緩沖層的具體參數(shù)可以由買賣雙方協(xié)商制定[7]。針對JB/T 10259—2014附錄中緩沖層的電氣性能測試方式，文獻(xiàn)[16]指出其不能在鋁護(hù)套與緩沖層的接觸面和緩沖層所承受的負(fù)荷兩方面反映高壓電纜實(shí)際運(yùn)行的情況，并且阻水緩沖層體積電阻率與測試電極面積以及緩沖層所承受壓力相關(guān)。GB/T 11017.2—2014和GB/T 18890—2015中只要求緩沖層的電氣性能與絕緣屏蔽層的電阻率（老化前后體積電阻率≤500 Ω·m）相適應(yīng)，并未對具體參數(shù)進(jìn)行規(guī)定[17-18]。

實(shí)際上，JB/T 10259—2014僅適用于通信電纜、光纜用阻水帶的制造、驗(yàn)收和使用，電力電纜用阻水帶僅參照使用。由此可見現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對電力電纜緩沖層的電氣性能沒有一個(gè)明確的要求，且電力電纜緩沖層的電氣性能測試方式與實(shí)際運(yùn)行狀況存在著差異。

根據(jù)國內(nèi)外研究者對電纜事故前后緩沖層電氣性能的測試，可以總結(jié)得到緩沖層具有以下特性：①事故電纜中緩沖層的體積電阻率、表面電阻、介電常數(shù)都遠(yuǎn)大于失效前的數(shù)值[19]；②表面含有白斑的緩沖層體積電阻率較不含白斑的緩沖層高一個(gè)數(shù)量級[20-22]；③緩沖層受潮會使得緩沖層的體積電阻率上升2～3個(gè)數(shù)量級[22]，并且受潮的緩沖層相對介電常數(shù)會隨著溫度的升高而增大[1]；④緩沖層體積電阻率會隨著溫度的升高而減小、隨著壓力的增大而減小。此外，緩沖層表面電阻率僅受吸濕程度影響[23-24]。

綜上所述，可推知不同運(yùn)行狀況下電纜緩沖層的體積電阻率及介電常數(shù)截然不同。緩沖層電氣性能的變化可以從緩沖層本身結(jié)構(gòu)來理解：一方面蓬松棉層在承受壓力時(shí)出現(xiàn)的壓縮會使導(dǎo)電纖維之間的接觸變得更加緊密，從而增加導(dǎo)電通道使體積電阻率明顯減小。緩沖層受潮時(shí)，大部分水分會被阻水粉吸收，阻水粉吸水膨脹后形成凝膠層，阻礙了蓬松棉層與無紡布層的接觸，使緩沖層的體積電阻率增大[22]。另一方面，少量未被阻水粉吸收的水分，黏附在蓬松棉層中，改變炭黑的分布從而影響緩沖層電氣參數(shù)。因此，緩沖層的體積電阻率以及介電常數(shù)將會隨所受壓力以及溫濕度等外界因素發(fā)生較為明顯的變化。

2 阻水緩沖層燒蝕中的白斑現(xiàn)象

緩沖層燒蝕會在其內(nèi)外表面出現(xiàn)白斑[6,25-26]，這是在事故電纜中能夠直接觀察到的緩沖層共同特點(diǎn)。白斑的典型分布和特點(diǎn)如圖2所示。

針對緩沖層上出現(xiàn)的白斑，有學(xué)者指出緩沖層表面存在的白色物質(zhì)為析出的阻水粉[6,20]。隨著研究的深入，研究者們使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）等手段對白斑進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)白色物質(zhì)為阻水粉與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的混合物。

文獻(xiàn)[21]以及文獻(xiàn)[27]對事故前后的緩沖層進(jìn)行了SEM分析。結(jié)果表明，正常緩沖層的表面較為光滑，沒有顆粒物質(zhì)的聚集，內(nèi)表面上密集排列著白色顆粒，而事故失效緩沖層的SEM呈現(xiàn)相反的狀態(tài)，外表面因白色顆粒團(tuán)聚變得更加粗糙，而內(nèi)部的白色顆粒數(shù)量大幅減少。據(jù)此，文獻(xiàn)[21]等認(rèn)為緩沖層外表面白色物質(zhì)為阻水粉。

王偉等[13]對失效緩沖層內(nèi)外表面的白斑進(jìn)行EDS測試，探究白色殘余物的元素組成，EDS測試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，緩沖層上的白斑與緩沖層的阻水粉元素組成相似，因此，可認(rèn)為白斑中有一部分為原阻水帶中的阻水粉。在絕緣屏蔽的外表面出現(xiàn)的白斑中含有鋁元素，表明在白斑的析出過程中鋁護(hù)套上發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，且化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物在重力等作用下穿過緩沖層，到達(dá)了絕緣屏蔽層表面。

表2 EDS測試結(jié)果Tab.2 EDS test results

為了進(jìn)一步確定白色粉末中的晶體成分及其化學(xué)式，對白色粉末進(jìn)行XRD測試，結(jié)果如表3所示。

表3 XRD測試結(jié)果Tab.3 XRD test results

由表3可知，緩沖層中的白色粉末含有Al(OH)3等成分，但完好鋁護(hù)套上僅含有Al單質(zhì)和Al2O3，結(jié)合表2測試結(jié)果，推測緩沖層與鋁護(hù)套發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋁護(hù)套出現(xiàn)腐蝕凹坑現(xiàn)象。緩沖層的阻擋作用使得含鋁產(chǎn)物大多位于鋁護(hù)套處，少數(shù)產(chǎn)物可能通過緩沖層附著在絕緣屏蔽層表面。

結(jié)合XRD的測試結(jié)果以及現(xiàn)有研究可推測出如下白斑析出過程[2,22]：

當(dāng)緩沖層受潮時(shí)，聚丙烯酸鈉使得水分呈現(xiàn)弱堿性，并與空氣中微溶于水的CO2發(fā)生反應(yīng)如式（1）～（2）所示。

由于Al為兩性金屬，Al2O3為兩性氧化物，兩者都可以與酸或堿發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生AlO2-等產(chǎn)物。若AlO2-等產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)將生成Al(OH)3等產(chǎn)物。值得注意的是，這一系列的反應(yīng)均需要水分的參與才能夠?qū)崿F(xiàn)，如式（3）～（4）所示。

在CO2充足的情況下，存在式（5）所示反應(yīng)。

在CO2不充足的情況下，存在式（6）所示反應(yīng)。

此外，W H FRENCH[28]的研究表明，當(dāng)鋁金屬表面有水，且穿過鋁金屬表面的電流密度超過0.077 5 mA/cm2時(shí)會發(fā)生鋁的交流電腐蝕，產(chǎn)生H2以及大量的AlO2-。顯然，這一過程的產(chǎn)物也將通過式（3）～（5）進(jìn)一步反應(yīng)，成為白斑的一部分。

LIU Y等[29]在實(shí)驗(yàn)室模擬白斑生成的過程中發(fā)現(xiàn)水分是白斑出現(xiàn)的必要條件，水分越多白斑析出越快，白斑面積也越大，而電流將會加速白斑的析出。歐陽本紅等[22]通過實(shí)驗(yàn)證明樣本承受的壓力也是影響白斑析出的條件之一。

綜上，緩沖層受潮是白斑析出的必要條件，這與上述推測的反應(yīng)式相對應(yīng)。同時(shí)，增大壓力以及電流將會加速白斑的析出。因此，在電纜應(yīng)力集中處受潮的緩沖層表面更容易出現(xiàn)白斑，劣化緩沖層的電氣性能，影響緩沖層與鋁護(hù)套的接觸。在式（3）～（6）的反應(yīng)過程中，聚丙烯酸鈉吸水呈現(xiàn)的堿性是反應(yīng)得以發(fā)生的關(guān)鍵，因此若使用遇水呈中性的阻水粉可能有效地減緩化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，若對阻水粉進(jìn)行調(diào)控，則緩沖層整體的電氣性能發(fā)生的變化仍需要進(jìn)一步的研究。

3 阻水緩沖層燒蝕原因分析

在研究緩沖層中發(fā)生的物理化學(xué)變化之后，眾多學(xué)者進(jìn)一步探索了阻水緩沖層的燒蝕成因?，F(xiàn)有研究提出的兩個(gè)主要燒蝕原因分別為局部放電導(dǎo)致燒蝕[2,5,8,20-22,30-33]以及電流的熱效應(yīng)導(dǎo)致燒蝕[4,6,34]。對緩沖層燒蝕研究的主要研究手段為有限元仿真與模擬實(shí)驗(yàn)。

3.1 局部放電致燒蝕

在局部放電致燒蝕模型中，局部放電的來源分為兩方面：①緩沖層與鋁護(hù)套之間的氣隙引發(fā)的局部放電；②白斑析出使得絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間形成懸浮電位，引發(fā)局部放電。

大部分研究者通過有限元軟件對不同條件下的緩沖層及氣隙進(jìn)行仿真，驗(yàn)證緩沖層或氣隙中的電場強(qiáng)度是否高于空氣的電氣強(qiáng)度（3 kV/mm）。研究者搭建的高壓電纜本體仿真模型主要分為二維軸對稱模型以及三維模型。二維軸對稱模型中的連續(xù)氣隙在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)之后，將會形成一個(gè)完整的封閉面。在三維模型中，緩沖層與鋁護(hù)套之間將會形成連續(xù)的空氣域。

3.1.1 徑向局部放電致燒蝕

徑向局部放電是指由緩沖層與鋁護(hù)套之間形成徑向氣隙或白斑引發(fā)的徑向局部放電。

文獻(xiàn)[30]建立了高壓電纜本體的二維軸對稱模型，仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)緩沖層距離鋁護(hù)套的波峰0.5 mm時(shí)，氣隙電場強(qiáng)度的最大值9.04 kV/mm位于鋁護(hù)套的波峰處。當(dāng)鋁護(hù)套上面存在20 kV的感應(yīng)電壓時(shí)，氣隙中的最大電場強(qiáng)度增至40.20 kV/mm。

文獻(xiàn)[20]建立了高壓電纜本體的三維模型，仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)阻水帶電阻率為5×104Ω·cm，并且鋁護(hù)套與緩沖層之間存在0.3 mm氣隙時(shí)，氣隙中最大電場強(qiáng)度將超過3 kV/mm，如圖4所示。緩沖層體積電阻率增大將會使引起放電的臨界氣隙長度減小。由此可說明，在電纜上端鋁護(hù)套與緩沖層之間的氣隙較小的情況下，緩沖層的體積電阻率是影響氣隙中電場強(qiáng)度的決定性因素，體積電阻率越小，氣隙中的電場強(qiáng)度越小，這也與文獻(xiàn)[23]建立的二維模型仿真結(jié)果相符合。

圖4 氣隙長度及緩沖層體積電阻率對氣隙電場強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of air gap length and buffer layer volume resistivity on the electric field intensity of air gap

此外，文獻(xiàn)[35]的研究結(jié)果表明，緩沖層的介電常數(shù)也是影響氣隙電場強(qiáng)度的因素之一。如圖5所示，緩沖層介電常數(shù)越大，氣隙中的場強(qiáng)越大[35]。

圖5 緩沖層介電常數(shù)對氣隙場強(qiáng)的影響Fig.5 Influence of dielectric constant of buffer layer on the electric field strength of air gap

部分研究者認(rèn)為緩沖層析出的白斑將會增加絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的懸浮電位，進(jìn)而引發(fā)局部放電，但并未進(jìn)行驗(yàn)證[21,31]。

李陳瑩等[5]通過建立高壓電纜本體二維軸對稱模型發(fā)現(xiàn)，如果不考慮氣隙，銅絲的直徑又不足以連通阻水帶與鋁護(hù)套時(shí)，金布結(jié)構(gòu)中最大電場強(qiáng)度為9.8 kV/mm。而考慮金布與鋁護(hù)套之間的氣隙時(shí)，氣隙內(nèi)部最大電場強(qiáng)度為12.2 kV/mm。當(dāng)銅絲的直徑足以聯(lián)通鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層時(shí)，氣隙中的最大場強(qiáng)為5.12×10-4kV/mm，此時(shí)不足引起局部放電。因此他們認(rèn)為在具有金布結(jié)構(gòu)的緩沖層中，銅絲的直徑與數(shù)量是影響絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間電場強(qiáng)度的主要因素。

徑向局部放電引發(fā)緩沖層燒蝕，主要是由于氣隙以及白斑的析出，使緩沖層與鋁護(hù)套之間的電氣性能下降而產(chǎn)生懸浮電位，其等效電路如圖6所示。圖6中U為纜芯施加電壓，CXLPE為主絕緣等效電容，Cgap為氣隙的等效電容，R為絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的等效電阻，f為電壓頻率。根據(jù)串聯(lián)分壓公式可計(jì)算緩沖層兩端電壓，如式（7）所示。

圖6 徑向局部放電等效電路Fig.6 Equivalent circuit of radial partial discharge

當(dāng)電纜中出現(xiàn)高頻分量或過電壓時(shí)，緩沖層中將極易發(fā)生局部放電。

3.1.2 軸向局部放電致燒蝕

軸向局部放電是鋁護(hù)套與緩沖層接觸不良的軸向長度的增加使氣隙兩端的電壓增大而引發(fā)的局部放電[22,36]。

文獻(xiàn)[22]通過COMSOL建立如圖7所示的高壓電纜緩沖層的二維軸對稱模型，通過改變編號處緩沖層與鋁護(hù)套的接觸狀態(tài)或者緩沖層的體積電阻率以及相對介電常數(shù)，獲取不同狀態(tài)的緩沖層電場分布。仿真結(jié)果表明，當(dāng)緩沖層電阻率滿足機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要連續(xù)在1 650個(gè)緩沖層與鋁護(hù)套之間存在0.1 mm的空氣隙才能使緩沖層達(dá)到3 kV/mm的電場強(qiáng)度，這也意味著需要33 m長的電纜中緩沖層與鋁護(hù)套波峰存在0.1 mm的氣隙。當(dāng)緩沖層受潮之后，這一長度將縮短至0.34 m。這意味著緩沖層一旦受潮，由局部放電引發(fā)燒蝕的可能性將極大地提高。

圖7 緩沖層與鋁護(hù)套接觸對Fig.7 Impact of contact between buffer layer and aluminum sheath

在文獻(xiàn)[36]建立的模型中，電纜中緩沖層與鋁護(hù)套的過盈配合是間斷存在的，并假設(shè)兩個(gè)相鄰鋁護(hù)套與緩沖層過盈配合點(diǎn)A、B之間的距離為2L。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)緩沖層與鋁護(hù)套之間的氣隙脫離長度夠長時(shí)，電纜的電容電流流過絕緣屏蔽層與緩沖層形成的復(fù)合層電阻將在A、B間形成高電位，引起放電。其等值電路與推導(dǎo)過程如圖8和式（6）～（9）所示。

圖8 軸向局部放電等效電路Fig.8 Equivalent circuit of axial partial discharge

圖8中，Re為單位長度的絕緣屏蔽層與緩沖層的等效電阻，電纜中電容電流I流過長度為L的緩沖層的等效電阻形成的電勢差為Ue，推導(dǎo)過程如式（8）～（11）所示。

式（8）～（11）中：d1為導(dǎo)體屏蔽層外徑；d2為絕緣層外徑；D為復(fù)合層的平均直徑；ρ為復(fù)合層電阻率；δ為復(fù)合層厚度；ε為絕緣層介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；f為電壓頻率，ω為角頻率。

若軸向允許電壓為US時(shí)，L滿足如式（12）所示條件。文獻(xiàn)[36]確定了US范圍為40～100 V。

針對電纜緩沖層中可能發(fā)生的局部放電，文獻(xiàn)[38]搭建如圖9所示實(shí)驗(yàn)電路，對緩沖層樣本長期施加200 V工頻電壓，并使用脈沖電流法[37]對緩沖層中的局部放電進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，緩沖層中局部放電的發(fā)展可分為起始階段、發(fā)展階段、停滯階段和預(yù)擊穿階段。在文獻(xiàn)[38]的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[39]分別用圓鋁板、鋁圓柱以及針尖代替原實(shí)驗(yàn)中的高壓極鋁板，以模擬鋁護(hù)套與緩沖層之間不同的接觸狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同接觸狀態(tài)下發(fā)生的局部放電具有明顯的差別，但同一接觸狀態(tài)下局放的發(fā)展仍然具有4個(gè)階段。其中，針尖高壓極下發(fā)生的局部放電最為劇烈。

圖9 緩沖層局部放電實(shí)驗(yàn)電路Fig.9 Experimental circuit of partial discharge in buffer layer

但在實(shí)際電纜運(yùn)行環(huán)境中，緩沖層與鋁護(hù)套的接觸狀態(tài)可能存在兩種及兩種以上的接觸狀態(tài)組合。復(fù)雜條件下緩沖層中出現(xiàn)的局部放電特性以及檢測方式有待進(jìn)一步研究。并且文獻(xiàn)[4]指出當(dāng)電纜中緩沖層中發(fā)生的燒蝕不足以影響絕緣屏蔽層和主絕緣時(shí)，對燒蝕缺陷的局部放電進(jìn)行檢測較為困難。

實(shí)際上緩沖層與鋁護(hù)套無接觸對的二維軸對稱模型與實(shí)際電纜中緩沖層與鋁護(hù)套的接觸狀態(tài)存在較大的差異。緩沖層與鋁護(hù)套存在接觸與不接觸的情況下將會使緩沖層中的電場強(qiáng)度出現(xiàn)極大的差別。相比二維軸對稱模型，三維模型中緩沖層與鋁護(hù)套接觸的狀態(tài)更符合實(shí)際運(yùn)行工況，仿真得到的結(jié)果更加接近實(shí)際。此外，結(jié)合1.2節(jié)分析結(jié)果可知，在對電纜本體局部進(jìn)行建模時(shí)，緩沖層的電氣參數(shù)應(yīng)根據(jù)緩沖層所處狀態(tài)進(jìn)行更加細(xì)化的設(shè)置。

3.2 電流熱效應(yīng)致燒蝕

現(xiàn)有研究表明，電纜電容電流或電纜皺紋鋁護(hù)套中環(huán)流的熱效應(yīng)也會引發(fā)緩沖層的燒蝕。文獻(xiàn)[4]通過建立YJLW 03-64/110 kV-1×500高壓電纜的三維模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)緩沖層與鋁護(hù)套波峰之間存在1 mm的氣隙時(shí)，緩沖層中最大的電流密度區(qū)位于過盈配合處與空氣域交界點(diǎn)，此時(shí)的最大電流密度為Jmax1。當(dāng)鋁護(hù)套的軋紋與緩沖層均存在過盈配合時(shí)，緩沖層中的最大電流密度為Jmax2，位于緩沖層與鋁護(hù)套軋紋的交界處，且Jmax1為Jmax2的3倍。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為這是由緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸面積決定的，緩沖層與鋁護(hù)套的交界處接觸面積小，此處電流密度大，當(dāng)電纜發(fā)生振動時(shí)，交界處的緩沖層與鋁護(hù)套存在反復(fù)接觸斷開的虛接狀態(tài)，使得接觸電阻偏大，并在電流的作用下產(chǎn)熱，長時(shí)間的熱效應(yīng)使緩沖層發(fā)生燒蝕。在后續(xù)的仿真中還發(fā)現(xiàn)緩沖層的體積電阻率對電纜緩沖層中的最大電流密度影響較小，而電纜中出現(xiàn)的過電壓將會使得最大電流密度明顯增大。文獻(xiàn)[40]也表明正常運(yùn)行下的漏電流、電容電流和故障情況下的故障電流、相間不平衡電流、中性點(diǎn)不平衡電流和浪涌電流共6種徑向電流的集中是引起燒蝕的原因之一。

文獻(xiàn)[13]計(jì)算得到操作過電壓頻率為103Hz，幅值為3Uom時(shí)，緩沖層溫度為441℃。當(dāng)電流集中到一點(diǎn)時(shí)，溫度理論上將會達(dá)到4 718.8℃，足以破壞緩沖層材料。

文獻(xiàn)[34]從高壓電纜護(hù)套環(huán)流角度出發(fā)，分析了高壓電纜的熱阻模型，對高壓電纜緩沖層的溫度進(jìn)行了理論計(jì)算與電熱耦合仿真。在環(huán)境溫度為25℃且無環(huán)流的情況下，給纜芯施加150 A電流，此時(shí)電纜緩沖層與鋁護(hù)套接觸點(diǎn)溫度為40℃。在鋁護(hù)套中有環(huán)流的情況下的理論計(jì)算值與仿真結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，鋁護(hù)套中存在較大環(huán)流會使緩沖層溫度升高，且當(dāng)緩沖層與鋁護(hù)套存在氣隙時(shí)，較低導(dǎo)熱系數(shù)的空氣將影響電纜本體散熱[12]，引起燒蝕，并影響電纜整體的載流量[41]。結(jié)合1.2節(jié)，可以推測護(hù)套中的環(huán)流也會對緩沖層的體積電阻率和介電常數(shù)產(chǎn)生影響。

圖10 環(huán)流對緩沖層與鋁護(hù)套接觸點(diǎn)處溫度的影響Fig.10 Influence of circulating current on the temperature at the contact point between buffer layer and aluminum sheath

在局部放電致燒蝕以及電流熱效應(yīng)致燒蝕理論中，緩沖層與鋁護(hù)套之間電氣接觸能力下降是引發(fā)緩沖層燒蝕的主要原因。因此如何減少緩沖層與鋁護(hù)套之間存在的氣隙，維持良好的電氣接觸是目前面臨的主要問題。緩沖層本身電氣性能對氣隙中電場分布有著直接影響，這也意味著緩沖層的受潮將會提升放電概率。電力系統(tǒng)中的過電壓、護(hù)套中的環(huán)流超標(biāo)則會使緩沖層發(fā)生電流熱效應(yīng)導(dǎo)致燒蝕。實(shí)際運(yùn)行中的緩沖層燒蝕也可能是在局放以及電流熱效應(yīng)的共同作用下產(chǎn)生的。

針對緩沖層燒蝕，現(xiàn)有主要的檢測方式為局部放電檢測[42]以及X射線檢測[10,43]。文獻(xiàn)[11]證明通過局部放電信號難以實(shí)現(xiàn)對緩沖層燒蝕的檢測。X射線檢測則需要對圖像進(jìn)行處理后，再進(jìn)行判斷[44]?，F(xiàn)有方式均存在著一定的局限性，如何開發(fā)出有效的檢測方式也是目前亟需解決的問題之一。從緩沖層燒蝕現(xiàn)象來看，緩沖層燒蝕過程中發(fā)生的化學(xué)物理變化以及電纜特征參數(shù)的改變可能會對新的檢測方式提供思路[45]。

4 結(jié)束語

本文通過對失效前后的緩沖層特性進(jìn)行歸納，并對緩沖層引起燒蝕的原因進(jìn)行綜合的梳理與分析，總結(jié)如下：

（1）緩沖層故障中的白斑為緩沖層受潮之后形成的，其主要成分為阻水粉以及鋁護(hù)套與緩沖層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。大電流、大壓力、高溫度將會加速白斑的析出。白斑會使緩沖層的體積電阻率增大，而改進(jìn)阻水緩沖層中的阻水粉能夠有效減少緩沖層因白斑析出而產(chǎn)生的燒蝕。

（2）現(xiàn)有的研究表明緩沖層燒蝕主要由局部放電以及電流熱效應(yīng)所致。緩沖層與鋁護(hù)套之間電氣接觸能力下降是引發(fā)緩沖層燒蝕的主要原因。緩沖層本體的電性能劣化會使得氣隙中更容易產(chǎn)生局放，電力系統(tǒng)中的過電壓以及護(hù)套環(huán)流超標(biāo)將會誘發(fā)電流的熱效應(yīng)致燒蝕。防止電纜緩沖層的受潮和減小緩沖層與皺紋鋁護(hù)套間的氣隙可有效減緩燒蝕，但實(shí)現(xiàn)的方式需要進(jìn)一步研究。

（3）根據(jù)高壓電纜運(yùn)行現(xiàn)狀，未來緩沖層需解決的問題主要為3個(gè)方面：緩沖層燒蝕機(jī)理的進(jìn)一步研究、在運(yùn)電纜緩沖層燒蝕缺陷的檢測與處理以及未來緩沖層改進(jìn)及高壓電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化。