高壓電纜緩沖層交、直流電阻測試與絕緣屏蔽燒傷研究

劉曉東，劉培鎮

（廣州南洋電纜有限公司，廣州 511356）

0 引言

高壓電纜憑借其良好的電氣性能，廣泛應用于電力系統之中[1-2]。電纜的緩沖層位于絕緣屏蔽層與金屬護套之間，對電纜電氣與絕緣性能的穩定發揮著重要作用[3-4]。

由于電力電纜普遍敷設于地下，因此電纜內部容易受到水分的侵襲，水分的進入可能會導致電纜的主絕緣內部出現水樹，這將加速絕緣的老化[5]。針對這種情況，電纜內部應當設計相應的阻水結構。在電纜的阻水結構中，半導電緩沖阻水帶（簡稱“緩沖層”）發揮了重要的阻水作用。但是，調研發現，有大量的電纜本體故障是因為緩沖層燒蝕引起的[6-7]。針對這種情況，許多學者從緩沖層的間隙特征[8]、緩沖層的結構與性能[9]以及相關理化分析[10]等方面，對緩沖層的燒蝕現象進行了分析與研究，但目前暫無完善的理論對此現象的機理進行系統解釋，所以對電纜線路的正常運行留下了隱患。

基于上述問題，本文從緩沖層電阻特性的角度出發，對故障和正常情況下的緩沖層交、直流電阻變化規律進行了研究。通過對故障電纜進行解剖，對故障現象進行了觀察與分析。此外，本文設計了相關試驗，測量了電纜緩沖層的交、直流電阻，并對正常與故障電纜的電阻數據進行了對比與分析。試驗數據和相關分析能為評估電纜絕緣屏蔽燒傷的原因提供參考。

1 電纜結構和故障現象

1.1 電纜結構

電纜結構如表1 所示；示意圖如表2所示。

表1 電纜結構

圖1 電纜結構示意圖

1.2 故障現象

在對故障電纜進行解剖的過程中，發現了以下現象：

（1）將電纜的纜芯從鋁護套中抽出，觀察發現，半導電緩沖層阻水帶表面有阻水粉析出，且半導電緩沖阻水帶表面存在燒蝕痕跡，如圖2（a）所示；

（2）鋁護套內表面存在燒蝕痕跡，燒蝕位置均位于鋁護套波谷處，如圖2（b）所示，此外，鋁護套內表面的燒蝕位置與緩沖層的燒蝕位置相對應；

（3）拆下半導電緩沖阻水帶，在與緩沖層燒蝕痕跡對應的位置處，絕緣屏蔽層的表面也存在燒蝕痕跡，如圖2（c）所示。

圖2 電纜緩沖層間燒傷

2 試驗裝置與方法

為了掌握在不同情況下電纜緩沖層交、直流電阻的變化情況，設計并實施了如圖3所示的電阻測量試驗。試驗設備主要包含：TDGC2-0.5K 調壓變壓器、電力測量分析儀HIOKI 3196、單相交流數顯智能電流電壓組合表和UT208 數字鉗式萬用表。各設備的參數如下所述：TDGC2-0.5K調壓變壓器的輸出電壓為AC 0～250 V，輸出電流為AC 0～2 A，工作頻率為50 Hz；單相交流數顯智能電流電壓組合表的電壓測量范圍為AC 0～500.0 V，電流測量范圍為AC 0～5.000 A，精度等級為0.5級。

在測量交流電阻的試驗中，由調壓變壓器的輸出端引出2個電極，并將2個電極分別與鋁護套和絕緣屏蔽層相連接，單相交流數顯智能電流電壓組合表和電力測量分析儀的電壓端子并聯在鋁護套與絕緣屏蔽層上，電流端子串聯在試驗回路中。在試驗中，記錄的數據包括電極兩端的電壓U，回路的電流I 以及功率W。則交流電阻可由計算公式R=P/ I2計算，回路的功率因數可由計算公式cosφ=P/(U·I)計算。

在測量直流電阻的試驗中，將電壓表調至電阻測量檔，萬用表的兩極分別接在鋁護套和絕緣屏蔽層上，萬用表的讀數則為緩沖層的直流電阻。

圖3 試驗裝置回路

圖4 日本HIOKI 公司3196電力測量分析儀

3 試驗數據測試依據說明

本文的試驗數據由日本HIOKI公司的3196 電力測量分析儀測得，通過交流電阻（阻抗）的計算公式計算得出。如圖4所示，3196 電力測量分析儀廣泛應用于電氣試驗室的測試項目，可測量交流電壓、交流電流、有功/無功/視在功率、功率因數、有效功率量、無效功率量、頻率、諧波等電氣數據，依據的電力測量質量標準為IEEE 1159。

此外，在試驗中，通過添加單相交流數顯智能電流電壓組合表，實現對試驗數據的雙路測量，確保試驗數據的準確性，并通過對2種設備測量結果取平均值的方式，減小試驗數據的誤差。

4 試驗結果與分析

在測量故障電纜的交、直流電阻的試驗中，制作了4 段故障電纜試樣，其長度均為1 m。其中，試樣1、2、3中只有半導電緩沖阻水帶纏繞在絕緣屏蔽表面，而試樣4中的半導電緩沖阻水帶表面還纏繞有金布。試驗數據如表2～3所示。

表2 故障電纜絕緣屏蔽與鋁套之間交直流電阻測試數據

表3 故障電纜施加電壓前后的實測直流電阻

在調節調壓變壓器的輸出電壓過程中有如下現象發生：

（1）試樣1 電流升到400 mA時開始出現泄漏電流，并伴有白煙和焦燒味；

（2）試樣2電流升到300 mA時開始出現泄漏電流；

（3）試樣3 電流升到290 mA時開始出現泄漏電流，并伴有白煙和焦燒味。

故障電纜試樣緩沖層交流電阻的變化趨勢如圖5所示。

圖5 故障電纜交流電阻變化曲線圖

從故障電纜交、直流電阻測量試驗的現象和數據可得出以下結論。

（1） 對于電纜試樣1、2 和3（只含有半導電緩沖阻水帶） 而言，絕緣屏蔽層與鋁護套之間的交流電阻均大于200 Ω，而對于故障電纜試樣4（含有半導電緩沖阻水帶和金布）而言，其交流電阻要小于前3個電纜試樣，說明金布的存在能使絕緣屏蔽層與鋁護套之間的接觸狀態更加良好。

（2）絕緣屏蔽層與鋁護套之間的交流電阻會隨著承受電壓的增大而減小，結合試驗中出現白煙和燒焦氣味的現象，推測該現象出現的可能是因為絕緣屏蔽層與鋁護套之間的電壓過大，導致了二者之間電場強度超過空氣的擊穿場強，進而引發了空氣放電現象，空氣放電現象會導致緩沖層局部溫度升高。此外，電壓的增大引起電流的增大，這導致緩沖層與鋁護套接觸位置發熱量的增大，進而引起緩沖層局部溫度升高。局部溫度升高使緩沖層受熱膨脹，此時緩沖層與鋁護套之間的接觸會更加緊密，所以，交流電阻會出現減小現象。

（3）施加電壓后，直流電阻的測量結果出現了明顯變小的現象，原因是在施加交流電壓時，局部溫度升高，使得緩沖層與鋁護套之間的接觸狀態變得更加良好，所以，再次對直流電阻測量時，直流電阻會出現減小現象。

在測量正常電纜的交直流電阻時，制作了3根長度為1 m的正常電纜試樣，規格均為630 mm2、額定電壓為64/110 kV。試樣1 繞包半導電緩沖阻水帶后外徑與鋁套內徑之間存在2 mm 的間隙，接觸不良；試樣2 繞包半導電緩沖阻水帶后外徑與鋁套接觸較緊密，無間隙；試樣3繞包半導電緩沖阻水帶后外徑大于鋁套內徑2 mm。試驗數據及曲線圖如表4～5和圖6所示。

表4 正常電纜絕緣屏蔽與鋁套之間交直流電阻測試數據

由正常電纜試樣的試驗數據可知，正常電纜試樣的交、直流電阻測量結果的變化規律與故障電流試樣的變化規律相似。但是，正常電纜試樣的交、直流電阻遠小于故障電纜；緩沖層與鋁護套之間的間隙越大，交、直流電阻的測量結果均越大。

圖6 正常無問題電纜交流電阻變化曲線圖

表5 正常電纜施加電壓前后的實測直流電阻

5 結束語

通過本文的研究，得到以下參考結論：

（1）當電纜發生緩沖層缺陷時，緩沖層的交、直流電阻均會增大；

（2）在絕緣屏蔽層與鋁護套之間施加過大的電壓，可能會導致緩沖層局部過熱和放電現象的發生，此過程會使緩沖層的交、直流電阻變小，但可能會損傷絕緣屏蔽層、緩沖層和鋁護套；

（3）對于相同規格的電纜而言，電纜緩沖層與鋁護套之間的間隙越大，絕緣屏蔽層與鋁護套之間的交、直流電阻均越大；在設計電纜時，應適當增加緩沖層的厚度，以減小因交、直流電阻過大對電纜正常運行造成的影響。