半導電緩沖阻水帶與鋁護套接觸形成白斑的實驗*

卞佳音，單魯平，徐研，劉曉東，劉培鎮，唐文川，何亞忠

（1.廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣州 510620；2.廣州南洋電纜集團有限公司，廣州 511356）

0 引言

近年來，在我國經濟快速發展和城市化進程不斷加快的情況下，城市電網對電能需求量和電能質量提出了越來越高的要求［1］。截止2020年底，南方電網公司轄區的110 kV及以上電壓等級的電力電纜長度已超過5 000 km；國家電網公司轄區的110kV及以上電壓等級的電力電纜總長度已超過27 099 km［2］。

交聯聚乙烯絕緣電力電纜由于具有結構簡單、耐高溫、負載能力強等優點，被廣泛應用于配電網輸電等領域［3］。高壓、超高壓電力電纜一般采用電纜溝地下敷設，一旦電纜出現故障，查找故障點和維護都比較麻煩。因此應確保電纜安全、可靠地運行，減少不必要的維護成本，穩定供電質量。

國內的電力電纜技術起源于國內日本合資技術，因此在早前的高壓電力電纜半導電緩沖阻水層都繞包有金布，由于各種原因此種結構已逐漸成為交聯聚乙烯電纜設計的歷史。目前高壓、超高壓電力電纜緩沖層普遍直接繞包半導電緩沖阻水帶材，交聯聚乙烯絕緣電力電纜設計時的目標使用壽命為30年，但現在有很多起電纜本體擊穿事故都是發生在只運行了幾年、十幾年的電纜。目前，全國各地報道了多起電纜緩沖層燒蝕缺陷事故［4］，導致電纜故障，嚴重時甚至可能引起絕緣擊穿。電纜緩沖層燒蝕缺陷已經是電纜安全可靠運行的一個巨大威脅，影響電纜正常的使用壽命，一旦出現問題易引起供電大面積停電［5－6］。因此，有必要充分研究電纜緩沖層缺陷產生具體原因以及緩沖層缺陷產生的效率和影響因素，為后續優化和改進電纜工藝和結構提供一定的基礎［7－8］。

1 實驗方法與實驗裝置

1.1 實驗設備

此次實驗用到的主要設備有TDGC2－0.5K調壓變壓器，輸出電壓AC 0～250 V，輸出電流AC 0～2 A，工作頻率50 Hz；0.0～66.0 MΩ交直流數字鉗形表。

1.2 實驗設計

本實驗使用的電路回路如圖1所示，緩沖層一端和鋁護套的對端分別接交流電源的兩極，使用調壓變壓器在其兩端施電壓，根據歐姆定律可知緩沖層與鋁護套之間將流過電流。

圖1 實驗電路回路

如圖2所示，由于導電的鋁護套的電阻明顯小于半導電的緩沖層，即鋁護套與緩沖層之間的接觸電阻Ra遠遠小于緩沖層電阻Rb。因此電流主要將從最靠近緩沖層電極的鋁護套波谷處集中流入鋁護套，由此就可以探究集中的電流對緩沖層的燒蝕影響。使用數顯電壓電流表可以直接測得電極兩端的電壓和通過兩極的電流［9］。

圖2 電流主要通過第一個波谷處流入鋁護套

電流不均勻的主要原因來自各接觸點的電勢不同，導致緩沖層與鋁護套之間各接觸處電流不均［10］。因此，為模擬緩沖層與鋁護套之間良好的電氣接觸，需要調整下極板電極。在緩沖層下增加鋁板，以鋁板作為下電極進行實驗，該改進后的等效電路如圖3所示，由于緩沖層上各點為等電勢，因此電流將均勻地從緩沖層流入鋁護套。

圖3 下墊鋁板后電流將均勻流入鋁護套

1.3 半導電緩沖阻水帶材測量

半導電緩沖阻水帶沒有相應的國家標準對檢測方法和檢測要求作出詳細的規定，直至2019年才有相應的團體標準發布和實施。對半導電緩沖阻水帶材進行前期測量，表面電阻236Ω、20℃體積電阻率37Ω·m，符合T／CAS 374－2019中的要求［11］。

為了更好地模擬鋁護套與緩沖層接觸的情況，本實驗事先制取了若干塊長100 mm，寬20 mm的波紋鋁板。實驗過程中，在波紋鋁板上放置20 g的重物，模擬在重力作用下鋁護套部分壓入緩沖層的情況。在實驗前曾嘗試將波紋鋁板直接置于緩沖層之上，但波紋鋁板過輕將使波紋鋁板與緩沖層之間不完全接觸，使實驗數據存在較大的誤差。

本實驗研究的對象主要為集中的電流和潮濕環境對緩沖層燒蝕和結構缺陷生成的影響，因此設置了如表1所示的7組實驗。通過控制變量，對不同組的結果進行對比，可以探究不同環境參數變化對緩沖層燒蝕和缺陷產生的影響。

表格1 實驗分組情況

將波紋鋁板放在干燥的半導電緩沖阻水帶上，施加100 mA交流電流，一個下極加鋁板一個下極不加鋁板，分別記為實驗樣品1和實驗樣品2，實驗樣品3

則為干燥不加電流樣品。將波紋鋁板放在潮濕的半導電緩沖阻水帶上。具體而言，通過向半導電緩沖阻水帶中直接加入少量純凈水（分別為10 mL、5 mL），提高緩沖阻水帶的含水率，以模擬在潮濕環境下半導電緩沖阻水帶已吸水的情況。分別設置施加100 mA交流電流，記為實驗樣品4和實驗樣品5；不通電流的情況下，分別記為實驗樣品6和實驗樣品7。通過對比實驗樣品1、2與實驗樣品3的結果，可以探究集中電流單獨作用對緩沖層燒蝕和白斑生成的影響，通過對比實驗樣品4、5、6和實驗7可以探究潮濕環境單獨作用對緩沖層燒蝕和白斑生成的影響。

2 結果與分析

2.1 干燥狀態

施加電流中下極加鋁板與不加鋁板實驗樣品如圖4所示。實驗結果顯示，實驗樣品1在施加100 mA電流72 h后波紋鋁板波峰與半導電緩沖阻水帶接觸位置無明顯肉眼可見的異常現象；而樣品2同樣是施加100 mA電流48 h后波紋鋁板波峰與半導電緩沖阻水帶接觸位置就有如圖5所示的電流燒蝕痕跡，該位置符合先前所預測的電流集中通過處，半導電緩沖阻水帶對應位置出現灼傷后留下的洞眼。而半導電緩沖阻水帶底下加鋁板電極可以使得電流較均勻地通過緩沖層流向鋁護套。

圖4 施加電流中下極加鋁板與不加鋁板實驗樣品

圖5 樣品1燒蝕痕跡

另一方面，對實驗樣品3而言，波紋鋁板放在干燥的半導電緩沖阻水帶上不通電流，經歷96 h的實驗后結果如圖6所示，在波紋鋁板與緩沖層接觸處未出現任何燒傷、腐蝕的痕跡。分析可知，集中的電流可導致波紋鋁護套與緩沖阻水層之間發生局部過熱，進而引起燒蝕。

圖6 樣品2未見異常

對比3個干燥環境下的實驗結果可知，集中的電流會導致半導電緩沖阻水帶與鋁護套接觸點發生電流燒蝕。此外，實驗樣品1、實驗樣品2和實驗樣品3中均未出現過往緩沖層燒蝕電纜中出現的白斑。分析認為原因可能是在干燥環境下波紋鋁護套與緩沖阻水層間化學反應的速度十分緩慢，在有限的實驗時間內反應產物的生成不明顯。

2.2 潮濕狀態

半導電緩沖阻水帶極易吸收空氣中的水分變得潮濕，為探究不同含水率對緩沖層燒蝕和白斑生成的影響，本次實驗也模擬了半導電緩沖阻水帶在不同含水率條件下與鋁護套的白斑生成實驗。首先對實驗樣品4注入10 mL純凈水，樣品5注入5 mL純凈水，待阻水帶全部吸收水分后施加100 mA的交流電流。5 min

后斷電打開半導電緩沖阻水帶與波紋鋁板接觸位置均已出現白斑，將半導電緩沖阻水帶揭開下級鋁板接觸位置也同樣有白斑現象生成，如圖7所示。

圖7 10 mL、5 mL均出現白斑現象

同樣的，將樣品6注入10 mL純凈水、樣品7注入5 mL純凈水后放上波紋鋁套，上面再壓上200 g重物，自然放置。在靜置15 h后波紋鋁板與半導電緩沖阻水帶接觸位置也開始都出現如圖8所示的發白現象，樣品6和樣品7生成白斑速率基本相同。由此可見，無論半導電緩沖阻水帶含水率的大小，只要受潮了與鋁護套接觸都會出現白斑現象。白斑的生成不需要電流的參與，鋁護套與受潮的半導電緩沖阻水帶將緩慢生成白斑。

圖8 不同含水率白斑形成

對比實驗樣品4和5與實驗樣品6和7可知，波紋鋁護套與受潮的緩沖阻水層之間直接接觸時在接觸面上將產生電阻很大的白斑，波紋鋁護套與半導電緩沖阻水帶之間施加電流將顯著提高白斑的生成速度。

用萬用表電阻檔位測量正常無白斑的波紋鋁板的電阻，如圖9所示，結果正常波紋鋁板兩相鄰波谷的電阻為18.6Ω。而將萬用表表筆一支放于實驗波紋鋁板無白斑位置，另一支放于實驗中生成的白斑上，此時電阻值很大，已超出萬用表電阻擋位最大量程。將萬用表兩只表筆同時放置于生成的白斑上，無論表筆放置距離的遠近，測量電阻值均超儀表最大量程。

圖9 白斑電阻測量

在電纜的實際運行中，金屬護層與其下的半導電層需要有良好、均勻的電氣接觸。白斑的出現顯然破壞了鋁護套與半導電緩沖阻水層之間的電氣接觸，此外，部分區域高阻白斑的生成也會使電流于其他電氣接觸良好處集中，造成如實驗樣品2所示結果的燒蝕。

3 結束語

通過上述的白斑生成和緩沖層燒蝕影響因素探究實驗可以得出以下結論。

（1）集中的電流將導致緩沖層與鋁護套接觸面發生局部過熱，最終引起緩沖層燒蝕。

（2）在潮濕的半導電緩沖阻水帶且有電流流過的情況下，電纜鋁護套與半導電緩沖阻水帶接觸極易形成白斑，生成速度快。該白斑呈現高電阻狀態，嚴重破壞了鋁護套與半導電緩沖阻水層之間的良好電氣接觸。必將造成電流在其他部位的集中，同樣將引起燒蝕。

（3）在潮濕但沒有施加電流時，隨著時間的推移，電纜護套與半導電緩沖阻水帶接觸位置也會形成白斑，含水率的大小對白斑形成速度影響不大。

基于本文研究的白斑生成與緩沖層燒蝕實驗，針對后續相關研究做出如下展望：確定當波紋鋁護套與緩沖阻水層之間某處白斑生成后，對同一電纜其他未生成白斑處流過電流大小的影響。