高壓電纜緩沖層燒蝕過程中電流密度與氣體產物濃度的關聯(lián)性研究

郭衛(wèi)， 門業(yè)堃， 任志剛， 陳平， 高建， 張浩然， 李建英

（1.國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 100075；2.西安交通大學，陜西 西安 710049）

0 引 言

高壓電纜是城市電網安全供電系統(tǒng)的重要組成部分，其運行可靠性至關重要[1-2]。然而，近年來國內外頻繁出現(xiàn)因阻水緩沖層燒蝕而導致的高壓電纜本體擊穿事故，且目前仍有大量潛伏性燒蝕缺陷未被檢出，為城市供電系統(tǒng)埋下了極大的安全隱患，引起了社會的廣泛關注[3-4]。

目前國內外已在高壓電纜阻水緩沖層燒蝕機理方面開展了大量的實驗與仿真研究[5-8]，揭示了燒蝕過程中緩沖層的體積電阻率變化、電氣接觸情況以及白色固體燒蝕產物等對燒蝕過程的影響。門業(yè)堃等[9]通過燒蝕模擬實驗研究發(fā)現(xiàn)，在干燥條件下緩沖層的體積電阻率隨燒蝕時間延長逐漸增大，且緩沖層的電流密度在燒蝕過程中會出現(xiàn)短時激增現(xiàn)象；而潮濕條件下緩沖層的體積電阻率在燒蝕初期會先顯著減小，隨后逐漸增大。劉英等[10]通過電-熱耦合仿真研究，發(fā)現(xiàn)當電纜皺紋鋁護套與緩沖層間軸向連續(xù)接觸不良長度達到2 m以上時，緩沖層與鋁護套接觸的部位會產生嚴重的電流集中并導致急劇升溫，溫升最高可達476℃，從而引發(fā)緩沖層的過熱燒蝕分解。歐陽本紅等[11]通過電纜軸向有限元仿真，發(fā)現(xiàn)當緩沖層的電阻率為5×104Ω·cm，且鋁護套與緩沖層間存在0.3 mm的氣隙時，氣隙內最大電場強度將超過空氣擊穿場強（3 kV/mm），引發(fā)局部放電，導致緩沖層燒蝕故障。WU Z等[12]通過構建高壓電纜電壓分布計算模型，研究了緩沖層燒蝕白斑的位置、數(shù)量、厚度和最大面積對電纜電壓分布的影響，發(fā)現(xiàn)燒蝕白斑缺陷數(shù)量的變化對電纜電壓的影響較大。

還有研究發(fā)現(xiàn)，緩沖層在燒蝕過程中會產生特征性氣體產物。趙西元[13]通過燒蝕模擬實驗發(fā)現(xiàn)，阻水緩沖層在受潮條件下的燒蝕過程中會產生標志性氣體產物——氫氣。周凱等[14]通過緩沖層燒蝕模擬實驗，發(fā)現(xiàn)電纜緩沖層的狀態(tài)可分為腐蝕階段以及燒蝕階段，在腐蝕階段緩沖層會釋放出大量H2，而在燒蝕階段還會額外產生CH4、C2H6、C2H4以及C2H2氣體。劉順滿等[15]基于針-板模型開展了緩沖層放電燒蝕模擬實驗，發(fā)現(xiàn)緩沖層在劇烈的電弧灼燒作用下會產生甲苯、鄰苯二甲酸乙二丁酯等芳香烴氣體。然而，目前的研究僅針對燒蝕過程中氣體產物的變化，缺少結合燒蝕過程中氣體產物與緩沖層導電性能變化的研究，從而難以掌握緩沖層在燒蝕過程中性能的變化與氣體產物之間的關聯(lián)。

本文通過開展緩沖層燒蝕模擬實驗，研究干燥與潮濕條件下緩沖層燒蝕過程中電流密度以及氣體產物濃度的演變規(guī)律，探究燒蝕氣體產物濃度的變化與緩沖層電流密度的關聯(lián)性，并對其機理進行分析。

1 實 驗

1.1 緩沖層燒蝕模擬實驗

采用BHZD200型商用緩沖層材料進行研究，試樣尺寸為3 cm×3 cm×2 mm。實驗前將緩沖層試樣置于50℃烘箱內烘干12 h以充分去除水分。通過向緩沖層試樣中注射1 mL去離子水以模擬緩沖層受潮時的情況。在緩沖層的上下兩側分別放置電工鋁片（尺寸為3 cm×3 cm×2 mm）以及半導電屏蔽層試樣（尺寸為3 cm×3 cm×1 mm），并放入電極腔體中，以模擬實際電纜中緩沖層的結構，如圖1所示。

圖1 緩沖層燒蝕模擬實驗示意圖Fig.1 Simulated ablation experiment diagram of buffer layer

在電極兩端施加30 V的交流電壓[16]，對緩沖層試樣進行模擬燒蝕。燒蝕過程中實時記錄緩沖層試樣的電流密度，計算電流密度的面積約為9 cm2，采樣時間間隔為5 s。每組燒蝕實驗時長為6 h，實驗過程中，每隔1 h在實驗腔體中采集一次氣體。

1.2 氣相色譜實驗

采用河南中分儀器公司的ZF-301B型氣相色譜儀研究燒蝕過程中的氣體產物成分，儀器配備有熱導檢測器和火焰離子化檢測器，用于檢測H2和低分子量烴。氣體進樣量為1 mL，每組測試8 min。根據色譜峰的面積，結合奧氏系數(shù)折算出氣體濃度。

1.3 微觀形貌與元素組成分析

采用天美科學儀器有限公司的SU3500型鎢燈絲掃描電鏡對燒蝕后緩沖層試樣表面的微觀形貌以及元素組成進行分析。

2 結果與討論

2.1 緩沖層燒蝕過程中電流密度的演變規(guī)律

干燥條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時間的變化如圖2所示。從圖2可以看出，干燥緩沖層在加壓燒蝕過程中的電流密度隨燒蝕時間呈類似于指數(shù)型的衰減規(guī)律，起始時刻的電流密度約為33.5 A/m2，燒蝕1 h時的電流密度下降至約20.3 A/m2，相比于起始時刻下降了約39.4%，而當燒蝕時間為2 h時，緩沖層的電流密度下降至約17.7 A/m2，相比于起始時刻下降了約47.2%。此外可以看出，緩沖層電流密度的衰減速率也隨燒蝕過程逐漸降低。

圖2 干燥條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時間的變化Fig.2 The change of current density of buffer layer with ablation time under dry condition

為了定量描述緩沖層電流密度隨燒蝕時間的衰減過程，采用式（1）所示雙指數(shù)函數(shù)對電流密度隨燒蝕時間的變化規(guī)律進行擬合，擬合結果如圖2所示。

式（1）中：J為緩沖層電流密度；t為燒蝕時間；A1、A2、A3、τ1、τ1均為擬合參數(shù)。

從圖2可以看出，擬合的相關系數(shù)R2=0.992，擬合效果良好，表明雙指數(shù)函數(shù)能夠用于描述干燥狀態(tài)下緩沖層電流密度隨燒蝕時間的衰減過程。

潮濕條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時間的變化如圖3所示。

圖3 潮濕條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時間的變化Fig.3 The change of current density of buffer layer with ablation time under wet condition

從圖3可以看出，受潮后緩沖層電流密度隨燒蝕時間的變化規(guī)律與干燥條件下有顯著的區(qū)別。在燒蝕過程中，受潮緩沖層的電流密度會先迅速升高，在到達峰值后呈指數(shù)型衰減趨勢，到達峰值的時間約為0.23 h，峰值電流密度約為406.7 A/m2。燒蝕初期緩沖層電流密度的激增過程可能與受潮后緩沖層中的載流子濃度短時增大有關[9]。當緩沖層受潮后，其中的阻水粉會吸水電離出大量可自由遷移的Na+，Na+會作為載流子參與緩沖層的導電過程，從而導致緩沖層電流密度在燒蝕初期劇烈攀升。

同樣采用式（1）對潮濕條件下緩沖層電流密度隨燒蝕時間的衰減過程進行擬合，擬合結果如圖3所示。從圖3可以看出，擬合的相關系數(shù)R2=0.999，擬合效果良好，表明緩沖層在潮濕條件下燒蝕過程中的電流密度衰減過程同樣可以通過雙指數(shù)函數(shù)進行定量描述。

從式（1）可知，參數(shù)τ1、τ2反映了電流密度從初始時刻的衰減速率衰減到0 A/m2時所需的時間，能夠反映電流密度的衰減速率。干燥與潮濕條件下緩沖層電流密度的擬合參數(shù)分別如表1所示。從表1可以看出，τ1、τ2在干燥條件下的值是潮濕條件下的2～3倍，表明在干燥條件下緩沖層電流密度在燒蝕過程中的衰減速度相對于潮濕條件下更緩慢。

表1 燒蝕過程中緩沖層電流密度隨燒蝕時間變化的擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of current density change with ablation time of buffer layer during ablation process

另外，擬合參數(shù)A1和A2反映了緩沖層電流密度在衰減過程中的幅值，而A3則反映了緩沖層電流密度衰減至穩(wěn)定后的穩(wěn)定值。從表1可以看出，潮濕條件下緩沖層電流密度在衰減過程中的幅值要遠高于干燥條件下，而干燥與潮濕條件下緩沖層電流密度的穩(wěn)定值相差不大。

將緩沖層電流密度的擬合結果對燒蝕時間進行微分，即可進一步得到緩沖層的電流密度衰減速率隨燒蝕時間的變化規(guī)律，結果如圖4所示。從圖4可以看出，在干燥與潮濕條件下，緩沖層電流密度的衰減速率隨燒蝕時間呈相同的變化趨勢，即隨著燒蝕過程的進行，電流密度的衰減速率先快速降低，在燒蝕持續(xù)約1 h后逐漸趨于穩(wěn)定，并且干燥與潮濕條件下緩沖層電流密度衰減速率的穩(wěn)定值相差不大，干燥條件下約為-0.34 A/(m2·h)，潮濕條件下約為-0.57 A/(m2·h)。

圖4 燒蝕過程中緩沖層電流密度衰減速率隨燒蝕時間的變化Fig.4 The change of current density decay rate with ablation time of buffer layers during ablation process

2.2 緩沖層燒蝕過程中氣體產物的演變規(guī)律

干燥條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產物濃度隨燒蝕時間的變化如圖5所示。從圖5可以看出，在干燥條件下，緩沖層在燒蝕過程中會產生CO2、CO、C2H4、CH4、C2H6、C2H2等6種氣體產物。這些氣體的濃度隨著燒蝕時間的延長均呈現(xiàn)出先快速增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，而氣體濃度增長時間與干燥條件下電流密度衰減時間相一致，二者隨燒蝕時間的變化趨勢存在明顯關聯(lián)性。

圖5 干燥條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產物濃度隨燒蝕時間的變化Fig.5 The change of gas product concentrations with ablation time of buffer layer during ablation process under dry condition

受潮條件下，緩沖層燒蝕過程中氣體產物濃度隨燒蝕時間的變化如圖6所示。從圖6可以看出，緩沖層受潮后在燒蝕過程中會產生CO2、H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等7種氣體產物，相比于干燥條件下額外產生了H2，氣體產物的濃度均呈現(xiàn)出隨燒蝕時間先迅速增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，與潮濕條件下緩沖層電流密度先大幅衰減后趨于穩(wěn)定的變化趨勢存在對應關系。

圖6 潮濕條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產物濃度隨燒蝕時間的變化Fig.6 The change of gas product concentrations with ablation time of buffer layer during ablation process under wet condition

干燥與潮濕條件下緩沖層燒蝕過程中氣體產物濃度的穩(wěn)定值如圖7所示。從圖7可以看出，在干燥與潮濕條件下燒蝕后，CO2的濃度相差不大，相比于燒蝕前均增大了約36%。H2僅在潮濕條件下燒蝕后產生，其濃度穩(wěn)定值約為915.19×10-6。對于CO，在干燥條件下燒蝕后的濃度穩(wěn)定值（約230.57×10-6）明顯低于潮濕燒蝕后的穩(wěn)定值（約303.15×10-6）。而對于C2H4、CH4、C2H6、C2H2，在干燥條件下燒蝕后的濃度穩(wěn)定值均明顯高于潮濕條件下燒蝕后的穩(wěn)定值。表明緩沖層在干燥與潮濕條件下燒蝕后氣體產物濃度的穩(wěn)定值具有明顯的差別。

2.3 緩沖層燒蝕過程中電流密度與氣體產物濃度演變規(guī)律的關聯(lián)性分析

根據緩沖層材料的組成結構可知，緩沖層的導電過程主要取決于蓬松棉與無紡布中的半導電纖維網絡以及蓬松棉和無紡布之間夾雜的阻水粉[16-17]。已有研究表明，緩沖層燒蝕過程中的氣體產物可能源自于緩沖層半導電纖維的熱分解[18-20]以及阻水粉與鋁護套之間的電化學反應[21-23]，說明緩沖層的半導電纖維以及阻水粉是燒蝕過程中生成氣體產物的反應物。

干燥與潮濕條件下緩沖層燒蝕后的表面微觀形貌如圖8所示。

圖8 燒蝕后緩沖層表面的微觀形貌Fig.8 Surface morphology of buffer layer after ablation

從圖8可以看出，干燥條件下緩沖層燒蝕后出現(xiàn)了纖維絲斷裂的現(xiàn)象，表明干燥燒蝕過程中可能由于熱分解破壞了緩沖層的半導電纖維網絡，從而造成緩沖層的電流密度隨時間延長逐漸減小。而潮濕條件下緩沖層燒蝕后表面出現(xiàn)了明顯的白色物質。通過能譜分析得到圖8(b)中不同區(qū)域內白色物質的元素組成及質量分數(shù)如表2所示。從表2可以看出，該白色物質中存在大量Al元素，對應于潮濕條件下燒蝕過程中電化學反應過程生成的高阻性Al2O3[21-23]。從圖8(b)還可以看出，白色物質填充于緩沖層的半導電網絡中，可能會阻斷其導電路徑，導致潮濕條件下緩沖層的電流密度逐漸減小。除了電化學反應，潮濕條件下緩沖層在燒蝕過程中也可能伴隨有導電纖維絲的分解過程，導致其電流密度隨時間延長逐漸減小。

表2 潮濕燒蝕后緩沖層表面白色物質元素組成Tab.2 Element composition of white materials on the surface of buffer layer after the wet ablation

從圖4可以看出，無論是干燥還是潮濕條件下，緩沖層燒蝕過程中電流密度的衰減速率均呈現(xiàn)出先快速降低后基本不變的趨勢。而對比緩沖層燒蝕過程中氣體產物濃度的變化可以發(fā)現(xiàn)，在干燥與潮濕條件下的燒蝕過程中，氣體產物的濃度也均呈現(xiàn)出先快速增大之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，與緩沖層電流密度衰減速率的變化趨勢相對應。因此，緩沖層在燒蝕過程中電流密度與氣體產物濃度的演變規(guī)律之間具有一定的關聯(lián)性。

當緩沖層產生強烈的半導電纖維熱分解或電化學反應時，燒蝕氣體產物迅速生成。此時，緩沖層的導電通路被破壞，或高阻性物質含量迅速增加，導致其電流密度迅速降低，同時燒蝕氣體產物的濃度迅速增加。而當緩沖層中的半導電纖維網絡熱分解速率或電化學反應速率較低時，緩沖層材料的導電通路處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，對應于燒蝕氣體產物的濃度穩(wěn)定不變。因此，緩沖層燒蝕氣體產物濃度的增長速率反映了緩沖層材料的燒蝕破壞的速度。

進而，根據燒蝕氣體產物的生成速率可推斷出緩沖層的燒蝕破壞速率。當檢測發(fā)現(xiàn)緩沖層燒蝕的氣體產物濃度在短時間內迅速增加時，緩沖層很可能正在發(fā)生劇烈的半導電纖維熱分解或電化學反應，表明緩沖層正處于劇烈的燒蝕破壞過程，電流密度迅速降低，導致緩沖層電阻率顯著增加；當檢測到燒蝕氣體產物的濃度在一段時間內均趨近于一個穩(wěn)定值時，表明此時緩沖層中的半導電纖維網絡的熱分解速率或電化學反應速率較低，緩沖層材料處于相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，電流密度保持穩(wěn)定，電阻率無明顯的變化。

另外，根據前述分析可知，干燥與潮濕條件下緩沖層的電流密度和氣體濃度的變化速率以及氣體濃度的穩(wěn)定值均具有顯著的區(qū)別，表明干燥與潮濕條件下緩沖層的燒蝕破壞速率有所差異。通過分析緩沖層燒蝕氣體濃度的變化速率范圍以及燒蝕氣體濃度的穩(wěn)定值范圍有助于判斷緩沖層的燒蝕故障類型。

3 結 論

本文開展了高壓電纜緩沖層燒蝕模擬實驗，研究了干燥與潮濕條件下，緩沖層的電流密度以及氣體產物濃度隨燒蝕時間的演變規(guī)律，并分析了其機理，主要得到以下結論：

（1）干燥條件下，緩沖層的電流密度隨燒蝕時間延長逐漸衰減；而潮濕條件下，緩沖層的電流密度在燒蝕初期會出現(xiàn)電流密度峰值，隨后逐漸衰減。在干燥與潮濕條件下，電流密度的衰減過程均可以通過雙指數(shù)函數(shù)進行定量描述，且衰減速率隨燒蝕時間均呈先快速降低后基本不變的趨勢。

（2）在干燥與潮濕條件下，緩沖層燒蝕的氣體產物濃度隨燒蝕時間延長均呈先快速增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。緩沖層燒蝕氣體產物的生成速率以及濃度穩(wěn)定值在干燥與潮濕條件下均有差異。

（3）緩沖層燒蝕過程中電流密度的衰減過程與氣體的產生過程可能具有一定的關聯(lián)性。當緩沖層發(fā)生劇烈的半導電纖維網絡熱分解或電化學反應時，燒蝕氣體的產物濃度將迅速增大；而當緩沖層半導電纖維網絡的熱分解速率或電化學反應的速率較低時，燒蝕氣體產物的濃度則趨于穩(wěn)定。通過分析燒蝕氣體產物的濃度變化速率一定程度上能夠推斷出緩沖層當前的燒蝕速率。