高壓電纜阻水緩沖層電化學腐蝕特性及失效研究

鄭建康，蘇小婷，李 庚，梁戰偉，翟志辰，孔佳民，周 凱

（1.國網陜西省電力公司，陜西 西安 710032；2.四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

高壓電力電纜是電力系統的重要組成部分，其可靠性與電力系統的穩定性緊密相關。在正常情況下，一般認為高壓電纜具有30年左右的使用壽命。然而近年來，在國內頻繁出現由阻水緩沖層燒蝕引發的高壓電纜故障，據國家電網公司統計，自2001年至2019年底共發生電纜緩沖層燒蝕故障26起，故障發生時間集中在投運后4～9年[1]，運行壽命遠低于電纜的設計使用壽命。

該類型故障的主要特征是，在事故電纜故障點附近電纜段的阻水緩沖層上，發現了大量的“白斑”和燒蝕痕跡，因此將其稱為阻水緩沖層燒蝕故障。事故的頻繁發生及其造成的嚴重經濟損失和對電力系統穩定性的威脅，使得該類故障吸引了大量電力行業從業人員和相關學者的關注。C Q SU[2]對一根國外230 kV XLPE高壓電力電纜由阻水緩沖層燒蝕引發的擊穿事故的研究表明該類型電纜故障不僅僅發生于國內，而是具有國際普遍性。他認為，導致該起事故的主要原因是銅編織帶存在制造缺陷，編織用銅絲過少，線徑不夠粗。JIANG Lei等[3]通過對一起110 kV的XLPE高壓電纜的阻水緩沖層燒蝕事故的研究，發現在燒蝕點附近有放電痕跡和碳化通道，認為是由于電纜的外護套和緩沖層之間的氣隙，引發局部電場畸變導致電纜發生局部放電并最終失效；王偉等[4]提出是吸潮等因素導致阻水粉膨脹，引起緩沖層的多層無紡布結構之間間距增加，使泄露電流通路電阻增大并引起電位差和局部高溫，導致電纜最終失效。

國內外大量研究人員的工作均推動了人們對于阻水緩沖層燒蝕引發電纜故障機理的認識[5-8]，然而，目前對阻水緩沖層白斑產生及燒蝕引發與高壓電纜最終失效之間的關聯關系尚無定論。本研究分析緩沖層不同部位白斑的組成成分，測試緩沖層的吸潮特性，確定不同水分含量侵入機制對緩沖層電化學腐蝕的影響；并基于緩沖層的電化學阻抗譜，確定緩沖層電化學腐蝕對其電氣特性的影響，建立腐蝕與高壓電纜失效之間的關聯。

1 阻水緩沖層燒蝕特征

高壓交聯聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）電力電纜相較于中壓電纜，其絕緣結構設計基本類似，均是在絞合纜芯外通過3層共擠工藝擠包導體屏蔽、XLPE主絕緣和絕緣屏蔽，區別主要在于絕緣厚度不同。高壓電纜的制造成本遠高于中壓電纜，因此，對高壓電纜的絕緣結構的保護有更高的要求，如采用阻水緩沖層和皺紋鋁護套，以保障高壓電纜達到設計使用壽命。

1.1 阻水緩沖層基本結構

電力電纜敷設在地下，易受到地下水等的侵蝕，水分侵入電纜主絕緣可能產生水樹枝老化等不利影響，因此電纜的防水工作是重中之重。為此，高壓電纜一般通過緊壓導體防止水分通過纜芯擴散和侵入，以及使用連續的金屬護套防止水分從外部徑向侵入。同時，為了防止電纜發生外破導致水分的軸向擴散，在高壓電纜絕緣屏蔽層和金屬護套之間，還有一層阻水緩沖層。阻水緩沖層主要起到軸向阻水、實現絕緣屏蔽和金屬護套之間的電氣連接，和緩釋來自金屬護套的機械應力的作用。

阻水緩沖層通常由3層材料復合而成，如圖1所示。上層為緩沖棉層，主要承擔機械應力緩釋的功能。中間層為非連續層，由阻水粉顆粒組成，非連續分布在上下兩層之間。阻水粉主要成分為聚丙烯酸鈉，它在吸水膨脹后會發生溶脹，解離出鈉離子，并阻斷水分進一步沿電纜軸向滲透的過程。下層為編織型聚酯纖維布，可以與絕緣屏蔽層良好貼合，減小接觸電阻。

圖1 阻水緩沖層3層復合結構示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of water-blocking buffer layer

1.2 白斑成分分析

阻水緩沖層的引入為高壓電纜提供了更好的機械應力緩釋和軸向阻水等功能，但是也帶來了阻水緩沖層燒蝕故障。白斑的產生是該類故障最明顯的特征之一，能為我們提供該故障引發和發展機理最直接的線索。然而目前工業界對于白斑的組成及形成機理亦尚無定論，如C Q SU等[2]通過紅外光譜分析認為白斑主要成分是聚丙烯酸鈉，而CHEN Yun等[9]通過XPS分析認為白斑主要成分為氧化鋁。

收集由于阻水緩沖層燒蝕引發故障的現場事故電纜，發現大部分白斑集中在阻水緩沖層外表面——緩沖層與鋁護套接觸的部位；但在部分“燒蝕”嚴重的位置，在緩沖層的內表面——緩沖層與絕緣屏蔽接觸的部位，也發現了白斑，如圖2所示。

圖2 故障電纜緩沖層內外表面白斑Fig.2 White powders on outer and inner surfaces of the buffer layer of failed cable

兩個部位的白斑用肉眼看幾乎相同，然而，微觀表征和成分分析結果表明，二者的組成成分和結晶形態存在明顯差異。圖3所示為場發射掃描電子顯微鏡下緩沖層內外表面的白斑結構圖。從圖3可以看出，外表面的白斑晶體結構更為致密，而內表面的白斑晶體結構更加疏松。在掃描電鏡白斑區域，使用能譜分析儀分析二者表面的元素組成，結果如表1所示。

圖3 白斑掃描電鏡圖像Fig.3 SEM images of the white powder

表1 白斑能譜分析結果Tab.1 Energy spectrum result of the white powder

從表1可以看出，緩沖層外表面白斑中含有鋁元素，而內表面白斑沒有Al元素。為進一步確定白斑的化學組分，將緩沖層內外表面的白斑用刮刀刮取下來，使用X射線衍射譜對白斑進行分析，分析結果表2所示。表1～2的能譜分析結果表明，緩沖層外表面白斑的表層，Al元素的含量高于Na元素的含量，然而將緩沖層外表面白斑刮取下來進行成分分析的結果卻是碳酸氫鈉多于氫氧化鋁，說明緩沖層外表面的白斑可以分為兩層，表層（與鋁接觸）為氫氧化鋁，內層為碳酸氫鈉，且碳酸氫鈉層的厚度比氫氧化鋁層厚。而能譜分析和X射線衍射譜的結果都證明，緩沖層內表面的白斑主要成分只有碳酸氫鈉。

表2 白斑X射線衍射譜分析結果Tab.2 X-ray diffraction result of the white powder

1.3 白斑產生過程分析

阻水粉吸水時，會發生絡合反應，水分子中的氫更易與羧基絡合，因此將鈉離子從聚丙烯酸鈉中置換出來。此時，水中的氫氧根離子濃度便高于氫離子濃度，溶液呈堿性。為驗證該推測，將阻水粉與蒸餾水混合后，形成凝膠狀物質，向凝膠中加入酚酞，結果如圖4所示，酚酞變紅，說明阻水粉吸水絡合產物呈堿性。

圖4 阻水粉溶膠酚酞測試Fig.4 Alkalinity test of the water swellable powder by phenolphthalein

白斑中的氫氧化鋁是鋁護套與阻水緩沖層在堿性環境中發生交流電化學腐蝕的結果。在交流電的正半周期，金屬鋁失去電子成為鋁離子進入聚丙烯酸鈉吸水溶脹形成的溶膠中。一般情況下，如進入水中的鋁離子不發生其他反應，則在交流電的負半周期，鋁離子又會在同一電極位置得到電子重新變成單質鋁。如此總反應為可逆反應，鋁不會有損耗，也不會產生腐蝕產物。然而，阻水粉吸水溶脹產生的凝膠呈堿性，導致鋁離子與氫氧根離子結合形成氫氧化鋁沉淀，可逆反應往正半周期的方向移動，產生了白色沉淀。為驗證該推測，取一片緩沖層樣本，用滴管在樣本中心滴加蒸餾水，然后以鋁和絕緣屏蔽材料分別作為一個電極，給緩沖層滴水區域加壓，結果如圖5所示。從圖5可以看出，緩沖層上產生了白斑，成分分析結果表明該白斑的主要成分為氫氧化鋁。

圖5 緩沖層電化學腐蝕產生白斑Fig.5 Formation of the white power on the buffer layer due to electrochemical corrosion

空氣中的二氧化碳與溶膠中的氫氧根離子和鈉離子反應生成碳酸氫鈉是一種化學反應，其反應速率僅與溫度、反應物濃度等有關，在室溫下碳酸氫鈉的產生速度很慢。而鋁的腐蝕屬于電化學反應，與回路中的電流密度有關，在高電流密度下，反應速率很快。因此，本實驗得到的白斑中僅含有氫氧化鋁，而沒有碳酸氫鈉。

2 水分侵入機理

故障電纜阻水緩沖層上析出的白斑主要成分不屬于電纜自身材料，因此必定發生了化學反應。工業界雖然對白斑的具體成因存在爭議，但普遍認為其析出與水分有關。接下來分析水分侵入電纜的路徑。

2.1 電纜外破進水

事故統計結果表明，部分事故電纜發生故障前，附近電纜接頭長期浸泡在水中，有明顯進水痕跡，結合1.1節所述，阻水緩沖層主要承擔軸向阻水功能，當電纜中間接頭發生進水后，水分向其兩側電纜本體擴散，被阻水緩沖層中的阻水粉吸附，阻水粉吸水膨脹后阻止水分進一步向兩側更遠距離擴散。因此，長期浸泡在水中的中間接頭，或發生機械外破進水的電纜，進水點附近電纜段阻水緩沖層中的水分可以來自水分沿緩沖層的軸向擴散。

然而，更大比例的事故電纜，在事故發生前并未發生電纜機械外破，也不存在電纜浸水的情況。對于這種情況，猜測可能是阻水緩沖層在制造、運輸或繞包過程中，在空氣中受潮吸水導致水分侵入。為此，有必要研究阻水緩沖層在空氣中的吸潮特性。

2.2 緩沖層吸潮特性

首先將厚度為2 mm的阻水緩沖層剪成尺寸為50 mm×50 mm的矩形薄片備用，緩沖層由寶勝高壓電纜有限公司提供。隨后，將樣本置于真空干燥箱中烘干，溫度設置為100℃，烘干過程中使用精密天平記錄緩沖層質量的變化。當烘干至緩沖層質量不再變化時，認為緩沖層已被完全烘干，此時緩沖層的質量為干重，記為G0。

為了研究濕度對緩沖層吸潮特性的影響，將烘干后的樣本取出并分成2組，每組10個樣本，放入溫濕度控制箱中，控制箱內溫度為25℃，相對濕度分別為65%和75%。吸潮過程中記錄緩沖層質量變化，記開始吸潮后t時刻緩沖層質量為G(t)，則緩沖層歸一化吸水率可表示為式（1）。

圖6是阻水緩沖層在不同濕度環境中的受潮時間特性曲線。從圖6可以看出，阻水緩沖層的吸水速率先快后慢，直至最終吸水率達到穩態不再從空氣中吸水。整個吸水時間僅需幾分鐘，而在實際電纜制造過程中，僅緩沖層繞包階段，其在空氣中的暴露時間就超過該吸水過程所需時間，最終穩態含水率可達到10%以上。且最終含水率與環境濕度有關，可通過控制生產、運輸、繞包等環境的環境濕度改變緩沖層含水率。

圖6 緩沖層在不同濕度下的吸潮特性曲線Fig.6 Moisture absorption characteristics of buffer layer at different humidity

3 阻水緩沖層腐蝕特性

為進一步研究阻水緩沖層吸水后（包括由于機械外破進水和受潮吸水），緩沖層電化學腐蝕特性和緩沖層腐蝕引發“燒蝕”的機理，研究電流密度和含水率對緩沖層電化學腐蝕速率的影響，并通過電化學阻抗譜測試定量表征電化學腐蝕對緩沖層電氣特性的影響。

3.1 緩沖層電化學腐蝕特性

電力電纜在不同工況下運行時，流過緩沖層的泄漏電流不同。且對于電纜的不同部位，由于高壓電纜具有螺旋波紋結構，在波谷位置接觸緊密，接觸電阻較小；而在波峰位置接觸較松甚至存在氣隙。因此，有必要研究電流密度對緩沖層電化學腐蝕特性的影響。此外，緩沖層中的含水率也是影響電化學腐蝕速率的重要因素。

圖7是緩沖層在不同含水率、電流密度下發生電化學腐蝕的白斑產生實驗結果，其中，(a)、(c)、(e)樣本流過電流密度為 20 A/m2，(b)、(d)、(f)樣本流過電流密度為200 A/m2。(a)、(b)樣本實驗前經過烘干處理，(c)、(d)樣本先烘干后放置在65%相對濕度環境中自然受潮（含水率為10%），(e)、(f)樣本烘干后使用膠頭滴管在電極區域滴加0.5 mL水。在2.2節中10個面積為S1=2 500 mm2的樣本烘干后平均干重為G1=850 mg；電極區域為直徑為25 mm的圓形區域，其面積S2=490.625 mm2，則電極區域緩沖層干重如式（2）所示。

忽略外滲的水，即假設滴加在電極區域內的水完全被電極區域的阻水粉吸收，則等效含水率如式（3）所示。

因此，在電極區域滴水0.5 mL的等效含水率為300%。

從圖7可以看出，緩沖層含水率越高，電流密度越大，緩沖層電化學腐蝕速率越快。其中，電流密度對緩沖層腐蝕速率的影響更大，緩沖層在20 A/m2電流密度下腐蝕非常慢。而水分是發生腐蝕的必要條件，沒有水分，緩沖層電化學腐蝕就不會發生。

圖7 濕度和電流密度對白斑產生速率影響實驗Fig.7 Influences of humidity and current density on white powder formation rate

3.2 電化學阻抗譜測試

電化學阻抗譜是研究電化學腐蝕特性的重要手段。本研究測試了阻水緩沖層的電化學阻抗譜，并通過改變樣本的含水率，研究水分對其阻抗譜特性的影響。實驗樣本含水率分別為30%和300%，前者通過將樣本烘干后，在相對濕度為100%的環境中受潮得到，后者通過使用膠頭滴管直接在電極面積區域滴加0.5 mL水獲得。使用電化學工作站測試其電化學阻抗譜，結果如圖8所示。

從圖8可以看出，在初始時刻，含水率高的樣本其體積電阻率更低，分析應該是阻水粉吸水膨脹會發生電解，吸收的水分越多，解離程度越高，緩沖層的單位體積導電粒子濃度增加，體積電阻率減小。隨著時間的增加，緩沖層的體積電阻率逐步增大，這是由于電化學腐蝕產生的氫氧化鋁以及氫氧化鋁受熱分解生成的二次絕緣物質氧化鋁屬于絕緣物質，覆蓋在緩沖層和電極之間，增大了接觸電阻。其中，含水率為30%的樣本在經過200 s左右就達到了穩態，體積電阻率不再增加；而含水率為300%的樣本體積電阻率持續增加。說明最終腐蝕程度由含水率決定，含水率越高，最終腐蝕程度越深。

圖8 不同含水率樣本的電化學阻抗譜Fig.8 Electrochemical impedance spectroscopy measurement of samples with different water content

3.3 緩沖層燒蝕機理

在3.2節中，對于含水率為300%樣本的電化學阻抗譜測試尚未達到終點，樣本的體積電阻率還在持續上升。為此，對含水率為300%的樣本延長電化學阻抗譜測試時間，結果如圖9所示。從圖9可以看出，在腐蝕初期，緩沖層體積電阻率隨時間持續增大；達到峰值后，其體積電阻率開始減小，直至到達突變點，體積電阻率突然增大。測試結束后，將樣本取下，發現緩沖層上已出現了燒蝕痕跡。為研究后期體積電阻率異常變化原因，將樣本放置在光學顯微鏡下觀察，結果如圖10所示。從圖10可以看到，燒蝕發生在白斑聚集位置，該位置的聚酯纖維有明顯熱熔斷痕跡。

圖9 長期電化學阻抗譜測試Fig.9 Long-term electrochemical impedance measurement

圖10 燒蝕區域顯微觀測圖Fig.10 Microscope image of the burnt area

根據以上實驗結果分析，當緩沖層吸水后，在電流作用下會發生電化學腐蝕；電化學腐蝕導致接觸電阻變大，同時也使得發生腐蝕的聚酯纖維產熱嚴重，產生局部高溫。當緩沖層吸水量超過一定值，緩沖層腐蝕導致的接觸電阻升高效應明顯，最終產生的局部高溫可導致緩沖層燒蝕，產生缺陷，最終引發電纜故障。

4 結論

（1）緩沖層不同區域的白斑組成成分不同。緩沖層靠近絕緣屏蔽側白斑全部為碳酸氫鈉及其水合物，靠近鋁護套側白斑為碳酸氫鈉與氫氧化鋁的混合物。

（2）水分可通過機械外破進水和制造過程受潮侵入緩沖層，二者均可引起緩沖層電化學腐蝕；緩沖層從開始受潮到飽和僅需幾分鐘，但飽和吸水率由環境濕度決定，因此可通過控制制造環節環境濕度來控制緩沖層含水率。

（3）緩沖層電化學腐蝕速率主要受電流密度影響，最終腐蝕程度主要由緩沖層含水率決定。緩沖層最終腐蝕程度超過一定閾值，可引起緩沖層燒蝕，并可能導致高壓電纜失效。