邱 瑋，章宇聰，，謝 億，曹先慧，劉維可，胡 俊，李湘珺

（1. 長沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；3. 湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南 長沙 410208）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，電力需求猛增。交聯(lián)聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）絕緣電纜憑借自身電氣性能和力學(xué)性能優(yōu)良、制造工藝簡單、安裝與維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)成為城市輸電工程的主流選擇[1-2]。

近年來，在國內(nèi)長沙[3]、廣州[4]、上海[5]等地出現(xiàn)了多起因緩沖層放電燒蝕導(dǎo)致的電纜故障，在澳大利亞[6]等國也有類似的報(bào)道。此類故障的起始位置不在主絕緣處，也不在端子和接頭等附件中，而是在絕緣屏蔽層和鋁護(hù)套之間的緩沖層。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)解體后發(fā)現(xiàn)，其絕緣屏蔽層外表面、緩沖層、鋁護(hù)套內(nèi)表面均出現(xiàn)了燒蝕痕跡和白色粉末。

目前，針對(duì)該類電纜缺陷的問題，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)取得了一些成果，但大多數(shù)成果集中在對(duì)緩沖層缺陷形成機(jī)理的研究[7]，對(duì)于緩沖層缺陷的有效檢測(cè)方式以及預(yù)防措施則有待進(jìn)一步探索。本文主要對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行綜述，首先介紹高壓XLPE 電纜緩沖層的結(jié)構(gòu)與功能，從緩沖層的材料特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等角度結(jié)合電場(chǎng)仿真來分析缺陷發(fā)生的主要原因，并討論白色粉末的主要成分以及形成機(jī)理，再對(duì)緩沖層缺陷的檢測(cè)手段進(jìn)行匯總并提出合理的缺陷預(yù)防措施，最后對(duì)高壓XLPE 電纜緩沖層缺陷的現(xiàn)有研究進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 交聯(lián)聚乙烯高壓電纜結(jié)構(gòu)

交聯(lián)聚乙烯高壓電纜主要由外護(hù)套、金屬護(hù)套、空氣間隙、緩沖層、絕緣屏蔽層、XLPE 絕緣層、導(dǎo)體屏蔽層和銅導(dǎo)體等組成，如圖1 所示。其中金屬護(hù)套和緩沖層是高壓電纜的重要組成部分，它們是否有效連接將直接影響電纜的電氣性能、散熱性能以及阻水性能。

圖1 交聯(lián)聚乙烯高壓電纜徑向結(jié)構(gòu)Fig.1 Radial structure of cross-linked polyethylene high-voltage cables

1.1 金屬護(hù)套

金屬護(hù)套位于高壓電纜的緩沖層和外護(hù)套之間，其作用是：①防外力破壞，為XLPE 絕緣層提供良好的機(jī)械保護(hù)，避免其受外力的作用而損壞；②徑向阻水，采用金屬封閉阻隔從而保護(hù)電纜線芯受潮；③過流保護(hù)，為短路電流提供安全通路等[8-9]。金屬護(hù)套的材料包括鉛、鋁、銅、不銹鋼等，而鋁護(hù)套因機(jī)械強(qiáng)度高、密度低、導(dǎo)電性好等特點(diǎn)使其成為高壓交聯(lián)聚乙烯地面電纜中最常用的金屬護(hù)套。

在我國，皺紋鋁護(hù)套憑借其優(yōu)秀的彎曲性能被廣泛應(yīng)用于110 kV 或更高壓等級(jí)的電纜中。但在皺紋鋁護(hù)套的實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在著一些問題：由于XLPE 絕緣材料的膨脹系數(shù)大于鋁的膨脹系數(shù)，若鋁護(hù)套的軋紋深度太大，則可能因過度膨脹擠壓絕緣屏蔽層使其表面出現(xiàn)凹痕，從而影響電纜的電氣性能。若軋紋深度較小產(chǎn)生空氣間隙，一方面會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣屏蔽層接地不良，另一方面無法實(shí)現(xiàn)縱向阻水，從而導(dǎo)致電纜線芯受潮。

1.2 緩沖層

緩沖層位于高壓電纜的金屬護(hù)套和絕緣屏蔽層之間，主要分為半導(dǎo)電緩沖層和半導(dǎo)電緩沖阻水帶，若需要加強(qiáng)緩沖層和鋁護(hù)套之間的電氣接觸，則在緩沖層外表面再繞包一層銅絲纖維編織布[10-11]。其主要結(jié)構(gòu)根據(jù)《電線電纜手冊(cè)》[12]整理如下：

（1）半導(dǎo)電緩沖層，由半導(dǎo)電聚酯無紡布繞包而成，由此實(shí)現(xiàn)緩沖襯墊功能。

（2）半導(dǎo)電阻水緩沖層，由半導(dǎo)電聚酯無紡布、阻水粉和半導(dǎo)電蓬松棉構(gòu)成。阻水粉位于無紡布和蓬松棉之間，其主要成分是聚丙烯酸鈉（C3H3NaO2）n。聚丙烯酸鈉遇水會(huì)快速膨脹，從而實(shí)現(xiàn)縱向阻水的功能。

（3）銅絲纖維編織布，又稱金布，由裸銅絲（或鍍錫銅絲）和尼龍纖維帶混合編織而成。大量的細(xì)銅絲不僅能加強(qiáng)緩沖層和鋁護(hù)套之間的電氣接觸，還起到靜電屏蔽的作用。

行業(yè)內(nèi)對(duì)電纜緩沖層性能提出了一定的要求。根據(jù)GB/T 11017—2014、JB/T 10259—2014，其應(yīng)滿足以下條件：

（1）緩沖層應(yīng)是半導(dǎo)電的，以使絕緣屏蔽層與金屬護(hù)套保持良好的電氣連接。

（2）緩沖層厚度應(yīng)能補(bǔ)償電纜運(yùn)行中的熱膨脹，同時(shí)能有效緩沖電纜彎曲時(shí)的機(jī)械應(yīng)力。

（3）緩沖層中的阻水帶應(yīng)具有吸水膨脹功能，從而在金屬護(hù)套損壞時(shí)實(shí)現(xiàn)徑向阻水。

（4）緩沖層需要盡可能降低繞包帶熱阻系數(shù)和強(qiáng)化電纜的散熱性能。

綜上所述，電纜的性能要求決定了緩沖層和鋁護(hù)套的使用材料以及結(jié)構(gòu)。然而，行業(yè)內(nèi)對(duì)緩沖層各層材料的具體指標(biāo)要求并不明確，對(duì)緩沖層各結(jié)構(gòu)厚度的要求也不夠具體，且尚未規(guī)定鋁護(hù)套與緩沖層之間空氣間隙的安全距離。

2 緩沖層缺陷的主要影響因素

研究顯示，緩沖層產(chǎn)生缺陷的原因主要是鋁護(hù)套和絕緣屏蔽層之間的接觸較差，導(dǎo)致絕緣屏蔽層沒有有效接地而處于懸浮電位，進(jìn)而發(fā)生局部放電[7]。鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層接觸不良的原因主要有：①緩沖層材料性能惡化，尤其是體積電阻率過大（包括阻水帶受潮以及出現(xiàn)白色粉末）；②鋁護(hù)套與緩沖層之間存在空氣間隙；③銅絲纖維編織布中的銅絲數(shù)量不足或者銅絲直徑小于尼龍纖維帶厚度[13]。下面圍繞以上三個(gè)原因展開討論。

2.1 材料體積電阻率

現(xiàn)有的研究表明，緩沖層燒蝕現(xiàn)象與緩沖層材料性能惡化，尤其是體積電阻率過大有關(guān)[9]。當(dāng)電纜緩沖層體積電阻率過大時(shí)，絕緣屏蔽層與金屬護(hù)套便會(huì)失去穩(wěn)定的電氣連接，使絕緣屏蔽層處于懸浮電位狀態(tài)。隨著電纜承受的電壓上升，此懸浮電位也越高，進(jìn)而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。為了更清楚地了解這種放電過程，文獻(xiàn)[14]繪制了如圖2所示的放電點(diǎn)等效電路圖。圖2中的C1是電纜線芯和絕緣屏蔽層的等效電容，R1是緩沖層和金屬護(hù)套的等效電阻，R2是金屬護(hù)套的對(duì)地電阻，Ic是等效電容電流。從圖2 可以看出，R1增大將導(dǎo)致間隙兩端的電位差增大，當(dāng)間隙兩端電位差達(dá)到間隙擊穿電壓時(shí)，便發(fā)生擊穿現(xiàn)象。擊穿后R1兩端電壓迅速回落到電弧熄滅電壓，電弧熄滅后，R1兩端電壓開始回升。如此往復(fù)地放電最終將導(dǎo)致緩沖層燒傷。因此，開展緩沖層體積電阻率的研究對(duì)緩沖層缺陷的分析具有重要的意義。

圖2 放電點(diǎn)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of discharge point

文獻(xiàn)[15]對(duì)比研究了正常阻水帶的電場(chǎng)分布和某一含有白色粉末的故障電纜阻水帶的電場(chǎng)分布。結(jié)果表明，在阻水帶與鋁護(hù)套之間的接觸點(diǎn)上，故障電纜阻水帶的最大電場(chǎng)強(qiáng)度比正常阻水帶的電場(chǎng)強(qiáng)度大4個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)緩沖層的體積電阻率大于105Ω·m 時(shí)，緩沖層的最大電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)超過空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，從而發(fā)生局部放電[16]。為此，緩沖層的體積電阻率不能發(fā)生突變，絕緣屏蔽層和鋁護(hù)套之間的接觸電阻要限制在一定值內(nèi)，才能保證電纜的長期運(yùn)行。

文獻(xiàn)[17]對(duì)緩沖層有缺陷的電纜樣品進(jìn)行了體積電阻率測(cè)試，結(jié)果表明，所有缺陷樣品的體積電阻率都超過了JB/T 10259—2014 所規(guī)定的值，值得注意的是，其含水量也嚴(yán)重超標(biāo)。文獻(xiàn)[18-20]指出，電纜緩沖層受潮或者進(jìn)水會(huì)使其體積電阻率大幅增加。此外，溫度和壓力也會(huì)影響緩沖層的體積電阻率。隨著溫度升高、壓力增大，緩沖層帶材的體積電阻率會(huì)逐漸減小[16]。當(dāng)緩沖層表面存在白色粉末時(shí)，此區(qū)域的體積電阻率主要取決于白色粉末電阻的大小。經(jīng)測(cè)試，含有白色粉末的缺陷區(qū)域體積電阻率比不含有白色粉末的缺陷區(qū)域大一個(gè)數(shù)量級(jí)[21-22]，這表明緩沖層表面的白色粉末具有絕緣特性，會(huì)導(dǎo)致絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間出現(xiàn)不良的電氣連接。

除此之外，測(cè)試方法也會(huì)對(duì)體積電阻率的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)一般選用JB/T 10259—2014的測(cè)試方法，但是此方法采用大直徑電極測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)掩蓋緩沖層小范圍內(nèi)體積電阻率不均勻的事實(shí)。文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了新型的電極系統(tǒng)，如圖3 所示，此系統(tǒng)通過小直徑電極來模擬緩沖層和鋁護(hù)套之間較小范圍的圓弧接觸以及采取小負(fù)荷（若小負(fù)荷滿足設(shè)計(jì)要求，則大負(fù)荷一定滿足）來模擬緩沖層和鋁護(hù)套之間非緊密的電氣連接。測(cè)量結(jié)果顯示，不同緩沖層區(qū)域的體積電阻率相差較大，表明材料內(nèi)部導(dǎo)電能力不均勻。用新型電極系統(tǒng)測(cè)量避免了因緩沖層高電阻材料和低電阻材料并聯(lián)而無法檢測(cè)出高電阻材料的情況，有利于降低電纜局部放電發(fā)生的概率。

圖3 體積電阻率測(cè)試電極示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrode for volume resistivity testing

2.2 空氣間隙大小

鋁護(hù)套與緩沖層之間的空氣間隙難以徹底避免，原因是：①電纜在生產(chǎn)的過程中，緩沖層帶材繞包在絕緣屏蔽層上時(shí)，會(huì)在搭蓋處出現(xiàn)空氣間隙；②在敷設(shè)時(shí)，因安裝路線反復(fù)彎折而導(dǎo)致緩沖層與絕緣屏蔽層間出現(xiàn)空氣間隙；③在運(yùn)行時(shí)，可能因緩沖層的熱膨脹系數(shù)與絕緣屏蔽層和XLPE 絕緣層的不同而產(chǎn)生空氣間隙。

研究表明空氣間隙的出現(xiàn)會(huì)使得緩沖層的電氣性能受損。文獻(xiàn)[24]構(gòu)建了簡易平臺(tái)來模擬鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層在不同空氣間隙下的電氣連接，如圖4 所示。研究發(fā)現(xiàn)，鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層連接越緊密，其兩端電阻越小，初始放電電壓越高。文獻(xiàn)[25]對(duì)緩沖層的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真與分析，結(jié)果表明，鋁護(hù)套與緩沖層接觸不良將在兩者之間形成電勢(shì)差，導(dǎo)致氣隙中產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)，且氣隙越薄，場(chǎng)強(qiáng)越大。此外，緩沖層受潮將大幅增加局部放電的可能性。

圖4 材料樣品測(cè)試平臺(tái)Fig.4 Material sample testing platform

空氣間隙對(duì)電纜電氣性能的影響已經(jīng)引發(fā)了行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。其中，空氣間隙對(duì)電纜導(dǎo)熱性能的影響不可忽視。電纜導(dǎo)體與金屬鋁護(hù)套間熱阻的理論值和實(shí)際值存在著較大的差異，原因之一就是沒有單獨(dú)計(jì)算繞包帶與鋁護(hù)套之間空氣間隙的熱阻系數(shù)[26-27]。該處的熱量傳遞過程為純熱傳導(dǎo)，其熱阻系數(shù)遠(yuǎn)超繞包帶的熱阻系數(shù)，導(dǎo)致電纜導(dǎo)熱性能受到影響，從而進(jìn)一步阻礙了電纜的載流量。

從上述分析可知，空氣間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度過大會(huì)導(dǎo)致局部放電。文獻(xiàn)[28]通過對(duì)電纜進(jìn)行建模來研究緩沖層內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度與空氣間隙大小之間的關(guān)系。結(jié)果表明，緩沖層空氣間隙的最大電場(chǎng)強(qiáng)度整體與空氣間隙大小成負(fù)相關(guān)，且電纜中最大場(chǎng)強(qiáng)位于鋁護(hù)套內(nèi)表面的突出部分。文獻(xiàn)[21]模擬了阻水帶在不同體積電阻率（ρ）下的空氣間隙最大電場(chǎng)強(qiáng)度（Εmax），其分別從半導(dǎo)電材料定義的電阻率范圍（10-3～109Ω·cm）內(nèi)截取1～107Ω·cm 的區(qū)間數(shù)據(jù)以及阻水帶電阻率實(shí)際變化范圍（2×104～12×104Ω·cm）的數(shù)據(jù)來分析電阻率對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出：①空氣間隙為1 mm 時(shí)，空氣層的電場(chǎng)強(qiáng)度在體積電阻率小于104時(shí)基本維持不變，在大于104時(shí)呈現(xiàn)出迅猛增長的趨勢(shì)；②空氣間隙為-1 mm（鋁護(hù)套和緩沖層緊密接觸）時(shí)，Εmax始終接近于零。因此，在電纜運(yùn)行的條件下，即使阻水帶電阻率有所上升，但若能保證緩沖層和鋁護(hù)套連接的緊密性，可有效避免空氣放電現(xiàn)象。文獻(xiàn)[29-30]在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了鋁護(hù)套的節(jié)距大小和皺紋的壓紋深度對(duì)電場(chǎng)分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在電纜緩沖層和鋁護(hù)套接觸區(qū)域附近，節(jié)距較小和壓紋深度較大的鋁護(hù)套，其空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度更大并且場(chǎng)強(qiáng)衰減速度更快。此外，緩沖層的介電常數(shù)也是影響氣隙電場(chǎng)強(qiáng)度的因素之一[31]。

圖5 電阻率對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of resistivity on the maximum electric field intensity

2.3 銅絲纖維編織布結(jié)構(gòu)

銅絲纖維編織布大多由鍍鋅銅絲和尼龍纖維帶混合編織而成，主要起靜電屏蔽和故障引流的作用，且其高導(dǎo)熱系數(shù)能夠幫助電纜提高載流量。但如果銅絲纖維編織布的結(jié)構(gòu)不合理，則會(huì)造成局部放電以及燒蝕等故障，影響緩沖層的電氣性能和散熱性能。

現(xiàn)有研究表明，銅絲纖維編織布中銅絲直徑小于編織布厚度會(huì)造成場(chǎng)強(qiáng)分布不均。文獻(xiàn)[32]對(duì)某故障管母段進(jìn)行了解剖，觀察發(fā)現(xiàn)，燒蝕主要集中在銅絲編織布，且銅絲纖維編織布存在褶痕多、與其他結(jié)構(gòu)接觸不緊密等問題，使得銅絲纖維編織布表面電場(chǎng)分布極不均勻。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)增大到一定程度時(shí)，便會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。文獻(xiàn)[33]模擬了電纜在不同銅絲直徑下的電場(chǎng)分布，結(jié)果表明，當(dāng)銅絲直徑大于編織布厚度時(shí)，銅絲纖維編織布和鋁護(hù)套接觸點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)較小。而當(dāng)銅絲直徑小于編織布厚度時(shí)，銅絲纖維編織布與鋁護(hù)套之間可能存在氣隙，氣隙的電場(chǎng)強(qiáng)度大于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，極易發(fā)生局部放電，從而燒蝕緩沖層。

銅絲纖維編織布上的銅絲數(shù)量較少會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中電纜溫度過高而無法及時(shí)散熱。文獻(xiàn)[6]解剖了3 根230 kV 的XLPE 缺陷電纜，經(jīng)過故障機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)銅絲纖維編織布內(nèi)銅絲數(shù)量過少，不足以承受電纜正常運(yùn)行條件下的電容電流，引起鍍錫銅絲溫度升高從而析出阻水粉。析出的阻水粉會(huì)腐蝕銅線和鋁護(hù)套，并增加接觸電阻。較大的接觸電阻導(dǎo)致局部溫度過高，而較少數(shù)量的銅絲則無法及時(shí)散熱，從而造成燒蝕。此外，在交流電壓下，當(dāng)銅絲纖維編織布采用間隔纏繞方式時(shí)，也會(huì)因產(chǎn)熱太多而散熱太少引起熱燒蝕故障[34-36]。

綜上，研究緩沖層材料性能特征為下一步分析緩沖層缺陷提供了前提條件。緩沖層的體積電阻率是決定其電氣性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)緩沖層的體積電阻率升高至一定程度時(shí)，會(huì)使絕緣屏蔽層失去金屬接地而處于懸浮電位，不利于電纜運(yùn)行[37]。當(dāng)鋁護(hù)套和緩沖層之間存在空氣間隙時(shí)，將在氣隙處產(chǎn)生較大的場(chǎng)強(qiáng)。而氣隙處場(chǎng)強(qiáng)大小又受氣隙的大小、緩沖層體積電阻率大小、鋁護(hù)套的節(jié)距大小、軋紋深度以及緩沖層介電常數(shù)的影響。此外，銅絲纖維編織布中銅絲直徑小于編織布厚度或銅絲數(shù)量不足時(shí)，也會(huì)對(duì)電纜的電氣性能產(chǎn)生不良影響。

3 緩沖層白色粉末形成機(jī)理

電纜緩沖層缺陷的典型特征是絕緣屏蔽層外表面、阻水層、銅絲纖維編織布、鋁護(hù)套內(nèi)表面出現(xiàn)燒蝕痕跡以及白色粉末，如圖6 所示[38]。下面重點(diǎn)對(duì)探討白色粉末形成機(jī)理的研究成果進(jìn)行綜述。

圖6 故障電纜燒蝕形貌Fig.6 Erosion morphology of faulty cables

3.1 白色粉末絕緣性能和理化特性

白色粉末的絕緣性能將直接影響緩沖層的體積電阻率。文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[39]測(cè)量了故障電纜樣品不同位置的體積電阻率，發(fā)現(xiàn)在白色粉末缺陷處鋁護(hù)套和絕緣屏蔽層之間的電阻遠(yuǎn)超阻水帶體積電阻率標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的500 Ω·m，較不含白色粉末的區(qū)域高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說明白色粉末具有絕緣特征，會(huì)導(dǎo)致鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層的電氣連接中斷。

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）等設(shè)備分析白色粉末的理化特性。文獻(xiàn)[39]使用SEM 對(duì)正常及缺陷阻水帶內(nèi)外表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出，外表面上，正常阻水帶比較光滑，而缺陷阻水帶分布著大量大小不一的顆粒物；內(nèi)表面上，正常阻水帶出現(xiàn)大量結(jié)晶聚集，而缺陷阻水帶則僅產(chǎn)生少量結(jié)晶顆粒。使用EDS 對(duì)白色粉末的元素含量進(jìn)行測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)無論是緩沖層表面上的白色粉末還是絕緣屏蔽層表面上的白色粉末都含有C、O、Na、Al 元素。其中絕緣屏蔽層表面的Na 含量高于緩沖層表面，Al 含量則較少[17]。此外，研究者們還在鋁護(hù)套內(nèi)表面的白色粉末中發(fā)現(xiàn)了Al2O3[25]以及Al(OH)3[38]。根據(jù)以上研究推測(cè)：白色粉末中的Na 元素來自于析出的聚丙烯酸鈉阻水粉及其參與反應(yīng)生成的鈉鹽，而Al元素來自于鋁護(hù)套及其參與反應(yīng)生成的氧化物。

圖7 正常及缺陷阻水帶內(nèi)外表面對(duì)比圖Fig.7 Comparison on the inner and outer surface of normal and defective water barriers

3.2 白色粉末的形成機(jī)理

結(jié)合電纜的生產(chǎn)和運(yùn)行環(huán)境，初步推斷白色粉末的析出可能與受潮、外力以及施加的電流相關(guān)。文獻(xiàn)[24-25]以緩沖帶濕度、鋁護(hù)套與緩沖帶接觸狀態(tài)等作為變量條件來搭建簡易試驗(yàn)裝置，對(duì)白色粉末進(jìn)行了析出模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，緩沖帶受潮是生成白色粉末的必要條件，鋁護(hù)套與緩沖帶緊密接觸會(huì)加速白色粉末的生成。文獻(xiàn)[40]采用實(shí)際的高壓XLPE 電纜來模擬白色粉末的形成。因?yàn)樵谖唇馄输X護(hù)套的情況下，無法直接觀察到白色粉末的形成狀況，而解剖會(huì)改變鋁護(hù)套與緩沖層的接觸條件，所以通過測(cè)量絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的電阻變化情況來模擬白色粉末的形成情況，交流電阻測(cè)量示意圖如圖8 所示。結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，在潮濕的情況下，鋁護(hù)套與緩沖層的緊密接觸處會(huì)產(chǎn)生白色粉末。此外，在水分和電流同時(shí)作用的情況下，緩沖層表面也會(huì)出現(xiàn)白色粉末以及燒蝕痕跡[41]。

圖8 交流電阻測(cè)量示意圖Fig.8 Schematic diagram of AC resistance measurement

基于對(duì)白色粉末理化特征的分析和析出模擬試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)有研究[13,38,40]可以推測(cè)，白色粉末的析出過程是：緩沖層受潮后，阻水粉吸水膨脹成凝膠狀，一端向絕緣屏蔽層傳遞，另一端透過銅絲編織帶與鋁護(hù)套發(fā)生反應(yīng)，兩端皆反應(yīng)生成了白色粉末，過程涉及的具體反應(yīng)如下：

當(dāng)緩沖層受潮時(shí)，阻水粉會(huì)產(chǎn)生游離態(tài)的OH-從而使水分呈弱堿性，并與水分中的CO2發(fā)生反應(yīng)，生成Na2CO3和NaHCO3。當(dāng)CO2濃度較低時(shí)，反應(yīng)方程式如式（1）所示，當(dāng)CO2濃度較高時(shí)，反應(yīng)方程式如式（2）所示。

對(duì)于白色粉末中的Al(OH)3和Al2O3，則被認(rèn)為是壓力與水分共同作用下的化學(xué)腐蝕以及電流與水分共同作用下的電化學(xué)腐蝕所致，下面對(duì)兩種腐蝕方式進(jìn)行分析。

3.2.1 化學(xué)腐蝕

隨著吸水膨脹的進(jìn)行，阻水粉漸漸析出白色粉末，并透過銅絲編織帶與鋁護(hù)套發(fā)生反應(yīng)生成等產(chǎn)物，如式（3）所示。而又會(huì)吸收空氣中的CO2形成Al(OH)3，當(dāng)CO2濃度較低時(shí)，反應(yīng)方程式如式（4）所示，當(dāng)CO2濃度較高時(shí)，反應(yīng)方程式如（5）所示。

Al(OH)3受熱會(huì)進(jìn)一步分解生成Al2O3和H2O，如式（6）所示。

3.2.2 電化學(xué)腐蝕

電纜進(jìn)水受潮后，鋁護(hù)套內(nèi)表面依附了一層薄薄的水膜，這為電化學(xué)腐蝕提供了電解質(zhì)。而鍍鋅銅絲中的Zn、Cu元素活潑性弱于Al元素，于是鋁護(hù)套與鍍鋅銅絲中間就形成了無數(shù)個(gè)微小的原電池。鋁護(hù)套和水之間的反應(yīng)如式（7）～（9）所示。

同理，Al(OH)3將進(jìn)一步分解成Al2O3。而Al(OH)3和Al2O3的出現(xiàn)，將使絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套的接觸電阻大幅增加[42]。

具有絕緣特征的白色粉未使得絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套間介質(zhì)的電阻率升高，高電阻率導(dǎo)致絕緣屏蔽層失去金屬接地而處于懸浮電位，此時(shí)將在鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層之間產(chǎn)生電位差，而過大的電位差將導(dǎo)致空氣間隙被擊穿，造成鋁護(hù)套與緩沖層之間的局部放電，長時(shí)間的局部放電將燒蝕緩沖層和鋁護(hù)套甚至波及絕緣屏蔽層。

綜上所述，故障電纜上的白色粉末沒有導(dǎo)電性，類似于絕緣體，主要由析出的聚丙烯酸鈉阻水粉、Na2CO3、NaHCO3、Al2O3和Al(OH)3等反應(yīng)產(chǎn)物組成。白色粉末的形成機(jī)理為阻水帶內(nèi)部的聚丙烯酸鈉阻水粉在受潮后膨脹成凝膠狀，一端向絕緣屏蔽層傳遞，另一端透過銅絲纖維編織布與鋁護(hù)套反應(yīng)。而反應(yīng)生成的白色粉末再從鋁護(hù)套的內(nèi)表面向電纜內(nèi)部擴(kuò)散。白色粉末的高電阻特性使得絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的電位差增大，極有可能發(fā)生局部放電進(jìn)而燒蝕緩沖層。

4 緩沖層缺陷檢測(cè)手段與預(yù)防措施

4.1 緩沖層缺陷檢測(cè)手段

電纜緩沖層缺陷是引發(fā)電纜故障的原因之一，近年來相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)其檢測(cè)手段進(jìn)行了研究。

局部放電檢測(cè)是電氣設(shè)備故障診斷的重要檢測(cè)方式[43]。文獻(xiàn)[6]對(duì)出現(xiàn)緩沖層缺陷的230 kV 故障電纜進(jìn)行針對(duì)性的局部放電測(cè)試，在1.1U0的條件下成功檢測(cè)到大于100 pC 的局部放電，并準(zhǔn)確找到了缺陷。文獻(xiàn)[5]對(duì)存在緩沖層缺陷的110 kV 故障電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在10 個(gè)月的監(jiān)測(cè)期內(nèi)，故障電纜的局部放電量從21 pC 上升到1 000 pC，解剖后發(fā)現(xiàn)，緩沖層放電痕跡明顯，但此方式受限于其監(jiān)測(cè)時(shí)長?？偟膩碚f，采用局部放電法成功檢測(cè)出電纜緩沖層缺陷的案例很少。

X 射線數(shù)字成像技術(shù)（digital radiography，DR）作為一種X 射線檢測(cè)手段，近些年被應(yīng)用在電纜緩沖層缺陷的檢測(cè)中[44-45]。該方法不僅能夠精確定位缺陷的具體位置，還能進(jìn)行可視化診斷，檢測(cè)結(jié)果如圖9 所示[46]。X 射線數(shù)字成像的質(zhì)量受射線工藝參數(shù)及兩次射線檢測(cè)夾角的影響，合適的工藝參數(shù)以及兩次射線夾角將提高缺陷的檢出率[47]。然而，外護(hù)套與皺紋鋁護(hù)套的間隙陰影將不可避免地對(duì)緩沖層缺陷的判定產(chǎn)生干擾[48]。

圖9 缺陷電纜的DR檢測(cè)圖像Fig.9 DR detection images of defective cables

在超聲檢測(cè)領(lǐng)域，文獻(xiàn)[10]通過發(fā)射超聲波對(duì)回收到的聲信號(hào)傳播特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大量聲波能量被緩沖層吸收，導(dǎo)致傳感器難以在電纜表面捕捉到聲波信號(hào)。文獻(xiàn)[49]對(duì)高壓電纜緩沖層燒蝕缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)技術(shù)仿真，發(fā)現(xiàn)超聲檢測(cè)手段會(huì)受到緩沖層燒蝕缺陷的位置以及受損程度的限制，只有在皺紋鋁護(hù)套波谷處產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的放電信號(hào)時(shí)，才能檢測(cè)出緩沖層燒蝕缺陷。

文獻(xiàn)[50]提出針對(duì)電纜緩沖層放電燒蝕特征氣體的檢測(cè)方法。通過對(duì)比分析緩沖層放電燒蝕氣體與電纜正常運(yùn)行時(shí)的氣體，總結(jié)出了緩沖層燒蝕缺陷的特征氣體，為高壓電纜緩沖層缺陷的特征氣體檢測(cè)提供了參考。不足之處是特征氣體含量較弱且分散，難以對(duì)緩沖層缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

計(jì)算機(jī)斷層成像（computed tomography，CT）技術(shù)作為另一種X 射線檢測(cè)手段，能夠?qū)z測(cè)樣品進(jìn)行三維重建并提取任意切面，從而更好地觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前，研究者們開始利用CT 技術(shù)檢測(cè)電力設(shè)備內(nèi)部的缺陷[51-52]，但在高壓電纜緩沖層缺陷檢測(cè)領(lǐng)域，CT技術(shù)應(yīng)用尚少。相較于X射線數(shù)字成像系統(tǒng)，CT系統(tǒng)避免了外護(hù)套與皺紋鋁護(hù)套之間的間隙影像以及X 射線透射角度的影響，大幅減少了誤檢、漏檢的概率，這或許能夠?yàn)槿蘸蟮母邏弘娎|緩沖層缺陷檢測(cè)提供不同的思路。

4.2 緩沖層缺陷預(yù)防措施

緩沖層和金屬護(hù)套是高壓電纜的重要組成部分，對(duì)其材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化能夠有效預(yù)防緩沖層缺陷的產(chǎn)生。

緩沖層材料受潮會(huì)導(dǎo)致其體積電阻率過大，因此，在電纜制造、敷設(shè)以及安裝時(shí)，要嚴(yán)格做好防潮措施[53-54]，還應(yīng)嚴(yán)格控制阻水粉的析出，具體措施包括：①研究新型緩沖層材料，使阻水粉不易析出；②在地下水位較低或者干燥的區(qū)域使用無阻水粉的緩沖層。合理優(yōu)化緩沖層結(jié)構(gòu)能夠預(yù)防電纜缺陷的產(chǎn)生，主要措施有：①在保證電纜彎曲和絕緣熱膨脹不會(huì)壓迫到絕緣屏蔽層的前提下，盡可能減薄緩沖層的厚度[55]，從而降低熱阻，提高導(dǎo)熱效果；②為了電纜能夠及時(shí)散熱以及優(yōu)化空氣間隙的電場(chǎng)分布，銅絲纖維編織布的銅絲直徑應(yīng)大于編織帶厚度，銅絲數(shù)量也應(yīng)適當(dāng)增加。

皺紋鋁護(hù)套的節(jié)距大小以及壓紋深度與空氣間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度存在著聯(lián)系[56]。為了改善空氣間隙中的電場(chǎng)分布，有以下3點(diǎn)建議：①在保證電纜能夠有效阻水的前提下，盡量增加節(jié)距長度；②在保證可抵擋外部機(jī)械作用力的前提下，盡量減小壓紋深度；③嚴(yán)格控制鋁護(hù)套與緩沖層之間的空氣間隙大小，可改善電場(chǎng)分布，有效避免局部放電現(xiàn)象的發(fā)生[57]。

相對(duì)于皺紋鋁護(hù)套，平滑鋁護(hù)套作為一種可以改善空氣間隙局部放電問題的結(jié)構(gòu)，近些年來得到越來越多的重視[55]。在電纜正常運(yùn)行時(shí)，平滑鋁護(hù)套與緩沖層之間是緊密的面接觸，這將有以下好處：①提高電纜的載流能力、阻水性能和散熱性能。雖然由于載流能力的提升和金屬鋁護(hù)套外徑減小，平滑鋁護(hù)套的感應(yīng)電壓相比皺紋鋁護(hù)套的將有所升高，但不影響現(xiàn)有規(guī)程下電纜的選型和實(shí)際運(yùn)行[58]；②為絕緣屏蔽層提供一個(gè)穩(wěn)定的地電位。即便平滑鋁護(hù)套與緩沖層之間存在空氣間隙，其電場(chǎng)強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于同等空氣間隙下皺紋鋁護(hù)套與緩沖層之間的電場(chǎng)強(qiáng)度[13]。雖然學(xué)界普遍不看好平滑鋁護(hù)套的彎曲性能，但若用熱熔膠代替瀝青將平滑鋁護(hù)套和外護(hù)套粘接牢固，可使平滑鋁護(hù)套電纜獲得不亞于皺紋鋁護(hù)套電纜的彎曲性能[59]。我國目前尚未完全掌握平滑鋁護(hù)套的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口。

綜上所述，在進(jìn)行高壓電纜緩沖層缺陷檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)有的檢測(cè)方法均存在著一定的局限性，使用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)不失為一種新的思路。為了預(yù)防緩沖層缺陷的生成，應(yīng)嚴(yán)格做好電纜防潮措施，并且對(duì)緩沖層和鋁護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在改善緩沖層局部放電問題上，平滑鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)具備特有的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)對(duì)緩沖層的結(jié)構(gòu)與功能、缺陷的影響因素與形成機(jī)理、缺陷檢測(cè)手段與防范措施等方面做了梳理與分析，并提出了合理建議，總結(jié)如下：

（1）緩沖層產(chǎn)生缺陷的原因主要是鋁護(hù)套和絕緣屏蔽層之間的接觸較差，導(dǎo)致絕緣屏蔽層沒有有效接地而處于懸浮電位，進(jìn)而發(fā)生局部放電。鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層接觸不良的原因主要有：①緩沖層材料性能惡化，尤其是體積電阻率過大；②鋁護(hù)套與緩沖層之間存在空氣間隙；③銅絲纖維編織布中的銅絲數(shù)量不足或者銅絲直徑小于編織布厚度。

（2）白色粉末的主要成分是析出的阻水粉以及緩沖層與鋁護(hù)套反應(yīng)的產(chǎn)物，其不具備導(dǎo)電性。受潮是白色粉末析出的關(guān)鍵因素，而電流和壓力會(huì)促進(jìn)白色粉末的生成。白色粉末一旦生成，將導(dǎo)致鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層之間的體積電阻率大幅增加，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣屏蔽層與金屬護(hù)套不能維持穩(wěn)定的電氣連接，影響材料的電氣性能。

（3）根據(jù)高壓XLPE 電纜運(yùn)行現(xiàn)狀，未來的研究重點(diǎn)有以下3 個(gè)方面：①改進(jìn)阻水帶材料結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部阻水粉不易析出；②研究計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)在緩沖層缺陷檢測(cè)領(lǐng)域的檢測(cè)工藝；③對(duì)鋁護(hù)套的節(jié)距以及軋紋深度進(jìn)行改進(jìn)，并研究平滑鋁護(hù)套代替皺紋鋁護(hù)套以避免空氣間隙的方案可能性。