電力電纜緩沖層燒蝕故障分析及試驗研究*

李文杰，歐陽本紅，宋鵬先，劉松華，張振鵬，王昱力，鄧顯波

（1 中國電力科學研究院有限公司武漢分院，湖北武漢 430074；2 國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384）

皺紋鋁護套結構開發于20世紀六七十年代，針對當時高壓電纜主要采用充油絕緣、鉛護套的情況，其應用在經濟上及技術上都帶來了很大好處。由于交聯絕緣的膨脹系數比金屬大約一個數量級，因此波紋金屬套內必須留有足夠的膨脹間隙[1-3]。

1 緩沖層結構發展歷程

近年來，國內外陸續出現高壓電纜緩沖層燒蝕導致本體擊穿的故障，引起了行業的高度關注[4-12]。

高壓電纜分阻水型和非阻水型，依據電纜的類型可以選擇不同的緩沖層材料，目前國內有以下幾種緩沖層材料：

（1）半導電丁基橡膠帶

固體帶型緩沖材料，不具備縱向阻水功能，但可以補償絕緣熱膨脹、緩沖機械沖擊和側壓力，由丁基橡膠內加入一定量的導電炭黑和各種添加劑制成，相對于其他緩沖材料其耐溫等級較高。

（2）半導電聚酯無紡纖維布

海綿狀的帶型緩沖材料，不具備縱向阻水功能，但可以補償絕緣熱膨脹、緩沖機械沖擊和側壓力，由聚酯無紡纖維布復合一定量的導電炭黑制成。相對于半導電丁基橡膠帶，其耐溫等級稍低。

（3）半導電聚酯無紡纖維阻水布

海綿狀的帶型緩沖材料，具備縱向阻水、補償絕緣熱膨脹、以及緩沖機械沖擊和側壓力的功能，由聚酯無紡纖維布復合一定量的導電炭黑和聚丙烯酸酯膨脹粉制成。可分為單面半導電阻水帶和雙面半導電阻水帶兩種結構。膨脹粉遇水后在一定時間內迅速膨脹，從而起到阻隔水的作用。相對于半導電丁基橡膠帶，其耐溫等級較低。

（4）銅絲纖維編織布

銅絲纖維編織布俗稱金布，主要采用細的裸銅絲或鍍錫銅絲與半導電或不導電的尼龍纖維帶混合編織而成。銅絲纖維編織布可起到增強緩沖層與金屬護層之間電氣接觸的作用。從銅絲纖維編織布的預期功能可知，銅絲的直徑應大于纖維絲的直徑，這樣才能保證緩沖層與金屬護層通過銅絲達到良好的電氣接觸，否則會導致接觸不良甚至是完全絕緣。

國內采用半導電聚酯纖維阻水帶作為緩沖層的占絕大數，但也有采用復合結構的，例如半導電丁基橡膠帶緩沖層+半導電聚酯纖維阻水帶或者半導電丁基橡膠帶緩沖層+半導電聚酯纖維阻水帶+金布。

國內早期投運的高壓電纜線路，緩沖層基本為金布+半導電丁基膠帶結構。1992年，國內制造企業開始生產高壓電纜，緩沖層為金布+半導電丁基膠帶結構、單一的半導電緩沖帶兩種結構，均沒有縱向阻水性能，并且沿用至今。2000年，運維單位開始提出縱向阻水要求，特別是2002版國家標準發布以后，縱向阻水電纜逐漸占據主導地位，緩沖層為金布+半導電阻水帶、單一的半導電阻水緩沖帶兩種結構。2007～2009年，由于金布質量問題，某制造企業生產的高壓電纜發生多次故障。2009年以后，國內制造企業基本采用單一的半導電阻水緩沖帶結構。2014年至今，少數制造企業在330kV及500kV高壓電纜工程，采用金布+半導電阻水帶+半導電丁基膠帶結構，或者金布+半導電緩沖帶+半導電丁基膠帶結構。

2 緩沖層燒蝕故障分析

2.1 故障案例

2017年4 月，某公司某220kV電纜電纜B相發生護層燒蝕故障。分析發現半導電屏蔽層、阻水層、皺紋鋁內側均可見燒蝕痕跡，阻水護層第三方檢測不合格，帶電局放檢測未發現異常。長期輕載3～4年，負載率15%左右，發生問題時負荷為31A。電纜故障照片如圖1所示。

圖1 阻水緩沖層及皺紋鋁護套燒蝕情況Fig.1 Ablation of water - blocking buffer layer and wrinkled aluminum sheath

2017年1 月，某公司運維人員在制作新的對接中間接頭時，發現某110 kV線路 #3接頭往#2接頭段C相電纜的主絕緣外屏蔽層、阻水帶、金布、鋁護套內壁有多處灼傷。該線路投運于2013年12月，電纜全長2.9公里。電纜故障照片如圖2所示。

圖2 某線路2阻水緩沖層及皺紋鋁護套燒蝕情況Fig.2 Ablation of water - blocking buffer layer and wrinkled aluminum sheath

2.2 燒蝕特征

通過對高壓電纜阻水緩沖層燒蝕故障（缺陷）統計分析，其主要特征為：

（1）此類故障及缺陷在擠包和焊接兩種鋁套形式中，在金屬絲布加阻水緩沖帶和單一阻水緩沖帶兩種結構中都有發生。

（2）故障電纜導體截面積分布在400～2000 mm2之間，其中630、800 mm2占比較大，故障發生與高壓電纜負荷電流無明顯關聯關系，故障頻次與通道方式（通道環境、潮濕程度）無正向關聯關系。

（3）燒蝕點主要位于電纜阻水緩沖層與波紋鋁套緊密接觸部位，對于金屬絲布+阻水緩沖帶結構主要表現為阻水緩沖層（含絕緣屏蔽）與鋁套之間的放電燒蝕；對于單一阻水緩沖帶結構主要表現為阻水緩沖層（含絕緣屏蔽）與鋁套之間的電化學腐蝕；兩種結構下鋁套內表面、阻水緩沖層及與絕緣屏蔽層表面可見析出白色粉末。

（4）故障電纜運行年限雖有一定分散性，但在1至10年之間發生此類故障占比超過60%。

2.3 燒蝕白色粉末分析

緩沖層通常由一層半導電無紡布與一層半導電蓬松棉、中間粘涂一層阻水粉而構成。緩沖層中阻水粉主要含有丙烯酸鈉、單體CM、交聯劑、引發劑等成分，利用場發射掃描電子顯微鏡能譜（EDS）針對緩沖層中的阻水粉進行了元素組成測試，實驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 阻水粉電子圖像Fig.3 Electronic image of gouache

圖4 掃描電鏡能譜圖Fig.4 Scanning electron microscope energy spectrum

根據圖4可以發現，緩沖層中阻水粉主要由C、O、Na、Si元素組成，其中C元素含量最多，原子百分比為59.46%，Si元素含量最少，原子百分比為0.55%。

圖5為阻水粉紅外吸收光譜，3307cm-1處為液態H2O伸縮振動峰，2000cm-1左右處一系列尖銳的吸收峰為氣態H2O變角振-轉光譜，1553cm-1處為羧酸根COO反對稱伸縮振動峰，1452cm-1處為CH2變角振動峰，1402cm-1處為羧酸根COO對稱伸縮振動峰，基本反映出阻水粉的主要成分為聚丙烯酸鈉。

圖5 阻水粉紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrogram of gouache

緩沖層中阻水粉主要由C、O、Na、Si元素組成；緩沖層及絕緣屏蔽表面燒蝕處白色物質主要由C、O、Na、Al元素組成，且C、O的含量比接近，只是絕緣屏蔽表面白色物質中Na元素含量更高，而緩沖層表面白色物質中Al元素含量更高，說明鋁元素來源于波紋鋁護套，通過鋁護套與緩沖層的化學反應出現在緩沖層表面，并部分穿透緩沖層逐漸遷移至絕緣屏蔽表面。

緩沖層燒蝕故障處白色物質中可能含有HCO3-離子，絕緣屏蔽燒蝕故障處白色物質中可能含有HCO3-離子，也可能有少量阻水粉析出。說明在燒蝕處可能發生了局部受潮，導致HCO3-離子的出現，它既可能是反應物也可能是反應產物，而存在HCO3-離子的堿性環境可能是導致鋁護套被腐蝕的原因。

3 緩沖層故障模擬試驗

3.1 模擬燒蝕試驗裝置

為了探索高壓電纜中阻水緩沖層燒蝕現象發生的根本原因，再現其發生、發展的全過程，確定相關影響因素及破壞機理，需要建立與電纜實際結構相對應、易于加工、便于實驗、并能實現條件控制和全程觀測的阻水緩沖層結構模擬實驗平臺。

圖6為模擬燒蝕實驗裝置結構圖。高壓電極采用球電極，以便模擬高壓電纜中波紋鋁護套與緩沖層的實際接觸形式，電極材料選用電工鋁1060，與波紋鋁護套為同種材質；地電極為平板電極，材料選用黃銅；電極桿上刻有螺紋，以便以旋擰的方式放置重物塊，通過調節重物塊的數目，實現電極與試樣之間接觸壓力的調節。試樣由緩沖層及絕緣屏蔽層疊加放置，緩沖層粗糙表面朝向高壓電極，光滑表面與絕緣屏蔽接觸，絕緣屏蔽另一表面與地電極接觸。

圖6 模擬燒蝕實驗裝置結構圖Fig.6 Structure diagram of simulated ablation experiment device

圖7 為模擬燒蝕實驗電路圖。高壓電極接高壓電源輸出端，地電極接地，電路中串聯電流表，以便實時監測電路中的電流，電壓表并聯在高壓電極與地電極兩端，實時監測實驗裝置兩端電壓。

圖7 實驗裝置電路圖Fig.7 Circuit diagram of experimental equipment

3.2 模擬燒蝕試驗

選取電工鋁1060材質的高壓電極，高壓電極上不施加壓力，將緩沖層試樣噴水濕潤，試驗回路中施加頻率為50Hz有效值為20mA的交流電流，2h后，發現緩沖層表面有白色物質。圖8（a）展示了緩沖層粗糙面上的白色物質，圖8（b）展示了緩沖層光滑面及絕緣屏蔽表面的白色物質。

圖8 緩沖層及絕緣屏蔽表面的白色痕跡Fig.8 White marks on buffer layer and insulating shield surface

圖9 展示了高壓電極表面在實驗前后的情況。電極表面在實驗前呈銀白色，如圖9（a）所示；實驗后表面有黃白色物質附著，如圖9（b）所示。

圖9 高壓鋁電極實驗前后的表面狀況Fig.9 Surface condition of high pressure aluminum electrode before and after experiment

為探究緩沖層表面白色物質的產生機理，在分別以鋁或不銹鋼作為高壓電極、緩沖帶干燥或濕潤、不加或施加20mA電流的不同條件下，進行了緩沖層燒蝕模擬實驗，實驗時長為2h，實驗結果見表1。

表1 不同條件下緩沖層模擬燒蝕實驗結果Table 1 Simulation ablation experiment results of buffer layer under different conditions

由表1可獲得以下結論：

（1）對比試驗1、2、5、6可以發現，在緩沖帶干燥的條件下，無論采用鋁或不銹鋼作高壓電極，無論是否施加電流，均未在緩沖帶及絕緣屏蔽表面觀察到白色物質，說明白色物質的出現需要水的參與，即緩沖帶受潮。

（2）對比試驗1、3、5、7可以發現，如果試驗過程中未施加電流，而只是將試樣靜置于兩電極之間，2h試驗結束時也未觀察到白色物質出現，說明在試驗條件下，外加電流也是白色產物生成的必要條件。本試驗的時間較短，尚無法排除無電流情況下阻水粉由于重力作用析出至絕緣屏蔽表面以及在無電流情況下發生鋁腐蝕的可能性，因此，后續仍需開展長時間試驗來確認電流的作用。

（3）對比試驗4、8可以發現，在緩沖帶被人為濕潤并在試樣上施加20mA電流的條件下，如果使用不銹鋼電極作為高壓電極，只觀察到絕緣屏蔽表面有淺白色物質；而如果使用鋁電極作為高壓電極，在緩沖帶及絕緣屏蔽表面均觀察到白色物質的出現。這說明在試驗過程中發生了鋁參與的化學反應，可能與鋁的化學性能較為活潑有關。

通過模擬試驗，獲得如下結論：阻水緩沖帶及絕緣屏蔽表面白色物質的出現需要水的參與，即緩沖帶受潮。推測白色物質的生成與阻水緩沖帶中的阻水粉有關，即可能是其析出產物，也可能是其與鋁反應的產物。

綜上所述，單一阻水緩沖帶電阻率不合格或因受潮后電阻率超標，阻水緩沖帶中阻水粉與鋁套之間發生電化學腐蝕等導致絕緣屏蔽與鋁套在電氣上接觸不良，形成局部高阻，并在絕緣屏蔽層與鋁套之間引起局部過熱或局部放電，對半導電絕緣屏蔽產生燒蝕直至破壞絕緣屏蔽層，從而造成電纜主絕緣擊穿故障。

4 后續技術管控措施

（1）合理選擇緩沖層結構

隧道環境良好無積水，本體或接頭擊穿后本體大面積進水的可能性極小，建議部分單位考慮隧道敷設方式下不考慮用阻水緩沖帶結構高壓電纜，緩沖層采用半導電丁基橡膠緩沖帶（或半導電聚酯非織造布），或半導電丁基橡膠緩沖帶（或半導電聚酯非織造布）+銅絲纖維編織布。

（2）制造質量和現場施工環節

制造企業應強化半導電緩沖層的材料質量檢測，應嚴格控制緩沖層和鋁護套間隙，既要確保緩沖層和皺紋鋁護套間應有頻繁的電氣接觸，又要吸收XLPE絕緣熱膨脹。電纜制造過程中應做好防潮保護措施，嚴格控制半導電阻水緩沖帶進貨檢驗和儲存環境條件的管控，避免使用不合格的阻水緩沖帶，避免儲存和生產轉序中受潮。

敷設施工時應采取措施，避免電纜敷設時阻水緩沖層現場受潮。

（3）到貨抽檢項目要求

規范到貨檢測、施工、驗收的要求及指標，控制“增量”缺陷出現。目前JB/T 10259-2014只考慮了緩沖帶體積電阻率、膨脹速率、膨脹高度等指標要求。建議強化阻水緩沖層到貨抽檢，提高含水率、體積電阻率和表面電阻等指標要求，增加阻水粉均勻度等檢測項目。

5 總結

（1）總結高壓電纜緩沖層結構發展歷程，介紹了主流的緩沖層材料。

（2）對高壓電纜緩沖層燒蝕故障進行了梳理分析，總結了故障典型特征，對燒蝕粉末進行理化分析揭示了阻水粉析出的原因。在燒蝕處可能發生了局部受潮，導致離子的出現，它既可能是反應物也可能是反應產物，而存在離子的堿性環境可能是導致鋁護套被腐蝕的原因。

（3）通過模擬試驗發現，阻水緩沖帶及絕緣屏蔽表面白色物質的出現需要水的參與，即緩沖帶受潮。推測白色物質的生成與阻水緩沖帶中的阻水粉有關，即可能是其析出產物，也可能是其與鋁反應的產物。

（4）總結了單一阻水緩沖帶故障原因，提出了后續處理措施，包括新建工程合理選擇緩沖層結構，制造質量和現場施工環節注意要點，到貨抽檢項目要求等，為避免此類故障提出了建議。