高壓XLPE電力電纜緩沖層放電問題分析

李陳瑩， 李鴻澤， 陳　杰，胡麗斌， 譚　笑， 曹京滎

(1. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024)

0　前言

高壓與超高壓交聯電纜金屬護套與電纜線芯之間的緩沖層是電纜的重要組成部分，對電纜的機械、熱性能具有重要的影響。國內大多電纜廠家沿用國外電纜設計模式，對緩沖層設計要求并不清晰，甚至外購緩沖帶材，對緩沖帶材管控要求較低。目前電纜緩沖帶材無標準規范其性能要求，電纜相關國標僅規定成型電力電纜緩沖層幾何尺寸，電纜廠家主要采用企標對帶材性能做出約束，不同廠家之間產品差異較大，市場帶材性能管控力較低。

近年，國內交聯聚乙烯(XLPE)高壓電纜線路故障中多次出現緩沖層放電現象。國網公司僅2017年第二季度已發生三起高壓交聯聚乙烯絕緣皺紋鋁套電力電纜本體擊穿故障。因此，準確分析緩沖層故障原因對保障電網安全穩定運行具有重要指導意義。目前電力電纜緩沖層故障實際案例分析的文獻較少，故障原因的研究中大多只給出定性的研究結論，較少進行定量的仿真計算。電力電纜緩沖層設計的多定性分析，未具備實際工程案例支持分析結果。文獻[1]證實無緩沖層的電纜結構受雷電沖擊時存在較大的感應電壓，說明緩沖層及具備靜電屏蔽的重要性。文獻[2—4]說明緩沖層間隙可能產生電纜內部局放。文獻[5—6]分析了電纜緩沖層對電纜運行溫升及載流量的影響。文獻[7—8]闡述了電纜緩沖層設計結構及緩沖層部分性能要求檢測值。

文中在分析緩沖層結構及作用的同時，通過分析兩起電纜緩沖層放電典型案例，研究緩沖層設計的缺陷隱患及緩沖層放電問題原因，對電纜設計及電纜故障分析提供有效參考。

1　電纜緩沖層設計要求

目前國內高壓電力電纜主要采用壓鋁機擠包皺紋鋁護套及氬弧焊焊皺紋鋁護套，鋁護套及電纜外半導電層之間的緩沖層設計主要考慮電氣、機械、載流量等方面的要求。

(1) 緩沖性能要求。在高壓與超高壓電纜絕緣和鋁護套間留有間隙，半導電緩沖墊層介于其間，需滿足吸收電纜絕緣層熱膨脹，可有效緩沖電纜彎曲、熱膨脹時的機械應力，并防止金屬護套損傷絕緣。

(2) 電位控制要求。電纜絕緣外屏蔽層為半導電材料制作，若與鋁護套之間無電氣連接，會由于靜電感應、電磁感應出現外屏蔽層懸浮電位，嚴重時造成電纜外半導層及鋁護套間存在較高電位差，出現局部放電現象。因此緩沖層需滿足控制外半導電層電位的功能需求。

(3) 散熱性能要求。緩沖層影響高壓交聯電纜金屬護套與導體之間部分的熱阻特性，既而影響電纜運行散熱，表現為對電纜載流量的制約。因此電纜緩沖層設計時需考慮繞包帶結構、繞包帶的厚度、氣隙總含量，盡可能降低繞包帶熱阻系數，強化電纜的散熱性能。

(4) 縱向阻水要求。高壓XLPE電力電纜主要采用電纜金屬護套及外護套實現徑向阻水功能，在結構防止水分滲入絕緣層，形成水樹枝，危害電纜運行。在實際運行中，當護層及金屬套損壞時要求緩沖工程能有效地防止電纜進水，一定時間內可維持電力電纜穩定運行。

2　電纜緩沖層帶材分類

目前國內高壓與超高壓XLPE電纜緩沖層主要采用阻水帶、緩沖帶、銅絲纖維編織布等帶材繞包制作而成。

(1) 半導電阻水帶。半導電阻水帶具備吸水膨脹的特性，可以實現電力電纜縱向阻水功能。阻水帶是在半導電的聚脂無紡纖維中加入聚丙烯酸脂膨脹粉制成，膨脹粉遇水后能在一定時間內迅速膨脹到一定高度，起到阻隔水的作用。帶有阻水功能的阻水帶可以分為單面半導電阻水帶和雙面半導電阻水帶。因緩沖層性能要求，阻水帶選材設計時因考慮其制造成品具有緩沖襯墊功能。

(2) 緩沖帶。緩沖帶主要由半導電橡膠自粘帶，或者半導電緩沖帶構成。半導電緩沖帶一般由半導電無紡布、聚丙烯酸醋膨脹粉、半導電蓬松棉三層組成。緩沖帶通過無紡布及蓬松棉中間粘涂的聚丙烯酸醋膨脹粉，實現縱向阻水功能，由無紡布及蓬松棉結構實現緩沖作用，組成材料半導電特性實現對絕緣外屏蔽層運行電位的控制。雖然蓬松棉具有半導電性質，但是疏松多孔的結構使其易變形，與電纜絕緣本體產生偏心現象。

(3) 銅絲纖維編織布。銅絲纖維編織布俗稱金布，主要使用細的祼銅絲(或鍍錫)與半導電尼龍纖維(也有許多采用不導電的纖維帶)混合編織而成。銅絲纖維編織布可起到靜電屏蔽作用，可控制絕緣外半導電層與鋁護套之間的電位。當沖擊電壓襲來時，銅絲纖維編織布可降低半導電層產生的感應電壓，防止緩沖層內部局部放電。

3　電力電纜緩沖層放電原因分析

3.1　緩沖層未采用半導電材料

為控制絕緣外半導電層與鋁護套之間電位，緩沖層多采用半導電材料制作。若緩沖層帶材采用非絕緣材料會造成絕緣外半導電層電位懸浮，造成對鋁護套放電。

某110 kV電纜線路2號、3號接頭之間電纜本體主絕緣發生擊穿，故障現場檢測發現該段本體緩沖層帶層電阻過高，并非半導電材料，檢測現場如圖1所示。

圖1　故障電纜外半導電層放電痕跡Fig.1　Discharge traces of fault cable outside semiconducting layer

3.2　緩沖帶材長期進水

電纜護套出現破損或電纜接頭封鉛處密封存在缺陷時均會造成電纜緩沖層進水。緩沖層長期進水運行時，緩沖層電氣性能下降，無法有效牽制電纜外半導電層與鋁護套之間電位，導致局部放電產生。

某110 kV電纜本體主絕緣擊穿，故障定位后立即切除故障段電纜并對故障點取樣密封處理。后期對取樣段解體時發現阻水帶存在大量浸水現象。對電纜主絕緣切片觀察，取樣存在多處電纜主絕緣外半導電層放電灼燒痕跡，灼燒深度最深處如圖2所示。

圖2　外半導電層顯微鏡下放電痕跡Fig.2　Discharge traces of fault cable outside semiconducting layer in microscope

放電灼燒最深處外半導電層剩余0.69 mm。該片試樣未發生放電處外半導電層厚0.98 mm，放電灼燒量為29.6%，說明長期外部放電已削弱主絕緣外半導電層厚度。

根據GB/T 11017—2014，對電纜絕緣進行性能檢測，檢測結果如表1所示。

表1絕緣性能檢測結果
Tab.1The tests results of insulation performance

檢測項目標準要求檢測結果檢測結論絕緣厚度/mm≥21．624．55合格絕緣偏心度/%≤80．99合格絕緣抗張強度/MPa≥12．521．5合格絕緣斷裂伸長率/%≥200555合格絕緣熱延伸負荷下最大伸長率/%17555合格冷卻后最大永久伸長率/%15-0．5合格

電纜絕緣檢測性能合格，排除電纜絕緣本體缺陷導致的故障原因。由于電纜本體存在大量進水，故障原因主要為電纜本體浸水，電纜阻水帶電氣性能下降，無法有效牽制電纜外半導電層與鋁護套之間電位，導致局部放電，長期放電引起電纜絕緣特性受損，造成電纜本體擊穿。

3.3　銅絲纖維編織布設計缺陷

銅絲纖維編織布多由銅絲與纖維混合編織而成，編織布多采用半導電尼龍纖維或不導電的纖維帶。目前由于銅絲纖維編織布尚無國家標準、行業標準進行產品規范，電纜廠家多采用企業技術規范標定產品質量。多數廠家僅規定銅絲直徑、銅絲編織密度，忽略編織纖維導電性、厚度等參數，繼而出現絕緣編織纖維阻斷銅絲與半導電層、鋁護套接觸途徑，造成金屬懸浮電位，甚至緩沖層放電。

某220 kV電纜線路，全長5.699 km，投運近10 a，出現本體擊穿事故，解體后發現全線電纜緩沖層內存在放電痕跡，如圖3所示。

圖3　某220 kV電纜緩沖層放電痕跡Fig.3　Discharge traces of a 220 kV fault cable outside semiconducting layer

解體發現主銅絲編織布、緩沖層、絕緣外半導電層上均出現放電條狀灼燒痕跡，相鄰痕跡間隔均勻，且灼燒痕跡最小間距為2.8 cm，與鋁護套波紋間距相吻合，說明鋁護套內側凸起處與主絕緣外半導電層之間存在多處放電痕跡，銅絲編織布、緩沖層存在長期放電。

對送檢故障相電纜距擊穿點40 cm處進行取樣，在實驗室對電纜短樣進行結構檢查、絕緣機械性能(老化前)、絕緣熱延伸、絕緣熱收縮試驗。檢測結果表明電纜短樣符合GB/T 18890—2015標準要求。

對送檢故障點附近本體取樣切片，染色后進行觀察。取樣存在多處電纜主絕緣外半導電層放電灼燒痕跡，灼燒深度最深處如圖4(a)所示，最深處外半導電層僅剩0.43 mm。該片試樣未發生放電處外半導電層厚1.08 mm，放電灼燒量為60.2%。說明長期外部放電已削弱主絕緣外半導電層厚度。部分取樣中發現外半導電層放電通道，如圖4(b)所示，通道均由外半導電層外表面發起，證實外半導電層外部存在過放電現象。

圖4　外半導電層觀察Fig.4　theoutside semiconducting layer observed

解體發現故障相除擊穿點附近電纜段外，全線存在緩沖層放電痕跡，考慮到放電點痕跡及放電通道痕跡，銅絲纖維編織布厚度較銅絲直徑大，銅絲難以良好接觸緩沖層及鋁護套，運行時可能存在懸浮電位造成放電，因此電纜銅絲纖維編織布存在設計缺陷。

4　電力電纜緩沖層放電仿真分析

為證實銅絲纖維編織布是否符合設計要求，針對3.3所述故障案例，依據該段故障電纜實際結構尺寸對其進行電場仿真計算分析。仿真模擬現有電纜銅絲纖維編織布銅絲直徑與編織布厚度配合，再模擬銅絲直徑增大情況下電場分布，仿真建模如圖5所示。

圖5　仿真結構Fig.5　Simulation structure diagram

以鋁護套內部凸起處建立仿真模型，考慮電纜額定電壓為220 kV，單相電壓為127 kV，對線芯施加電壓127 kV。金屬護套與金布緊密貼合，電勢、電場仿真結果如圖6所示。

圖6　鋁護套內部凸起截面仿真Fig.6　Simulation of aluminium sheath

根據仿真結果可知，阻水帶與銅絲編織布界面處最大場強為9.8×106V/m，銅絲編織布與鋁護套界面處最大場強為9.8×106V/m，大于空氣中擊穿場強3×106V/m。

考慮到鋁護套自身結構、銅絲編織布銅絲直徑小于編織布厚度，鋁護套與銅絲編織布交界面處可能存在氣隙，以此條件建立仿真模型，電場分布如圖7所示。

圖7　氣隙附近電場分布Fig.7　Distribution of electric field near air gap

氣隙處最大場強為1.22×107V/m，大于空氣中擊穿場強3×106V/m，極易發生局部放電現象。同理，銅絲編織布與緩沖層之間也易發生局部放電現象。

為證實氣隙電場受緩沖層銅絲直徑影響，模擬銅絲直徑大于紡織纖維厚度下氣隙電場分布，結果如圖8所示。氣隙處最大場強為5.12×102V/m，小于空氣中擊穿場強3×106V/m，不會發生局部放電現象。

圖8　銅絲直徑較大時電場分布Fig.8　Distribution of electric field with larger diameter

理論分析可知銅絲編織布銅絲直徑小于編織布厚度，部分銅絲未良好接觸到鋁護套及緩沖層，引起鋁護套與外半導電層之間長期存在放電現象，削弱半導電層厚度，造成主絕緣擊穿隱患。實際故障現象存在多處半導電層放電灼燒、外半導電層存在放電痕跡，均可驗證外半導電層經歷長期放電。仿真結果表明原有銅絲編織布設計下的局部電場較大，氣隙處電場已大于空氣擊穿場強，易發生局部放電現象。變更銅絲編織布直徑，可避免該現象發生，證實銅絲編織布存在設計缺陷。

5　結語

電纜緩沖層內部放電是電纜絕緣擊穿的主要原因之一。通過三起電纜緩沖層放電典型案例分析，表明緩沖層放電。實際工作中，應強化電纜緩沖層帶材性能管控，規范電纜帶材技術指標，加強電纜設計審核、到貨驗收、后期運維，確保電纜線路安全運行。

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