高壓XLPE電纜緩沖層故障分析

張君成 趙迪碩 趙 明 孫東方 李佩哲

（1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，北京 100022；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司平谷供電公司，北京 101200）

0 引言

隨著架空線入地工程逐步推進(jìn)，城市主網(wǎng)輸電線路中交聯(lián)聚乙烯（Cross-linked Polyethylene，XLPE）電纜應(yīng)用更加廣泛[1-3]，電纜線路穩(wěn)定可靠運(yùn)行與電網(wǎng)安全關(guān)系更加密切。僅以北京地區(qū)為例，截至2021年，國(guó)網(wǎng)北京市電力公司所轄主網(wǎng)電纜線路近3 000 km。

緩沖層是高壓XLPE電纜的重要組成部分，其質(zhì)量會(huì)影響到電纜整體的電、熱、阻水和力學(xué)性能[4-6]。然而，近些年，多地110 kV及以上波紋鋁護(hù)套高壓電纜出現(xiàn)了一種位于金屬護(hù)套及絕緣屏蔽層之間的故障類(lèi)型。經(jīng)過(guò)對(duì)電纜本體故障性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)有大量的本體故障是由電纜結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)電阻水層燒蝕引起，且數(shù)量占到本體故障的30%左右[7-8]。對(duì)故障電纜進(jìn)行解體，在電纜金屬護(hù)套內(nèi)側(cè)、緩沖層以及電纜主絕緣屏蔽層均存在白色粉末和燒蝕（或腐蝕）痕跡。這一現(xiàn)象的存在，會(huì)造成電纜主絕緣受損，導(dǎo)致電纜擊穿[9-10]。針對(duì)高壓XLPE電纜緩沖層劣化及故障原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量研究。對(duì)于正在運(yùn)行的電纜線路來(lái)說(shuō)，緩沖層上的燒蝕現(xiàn)象將影響高壓電力電纜的安全運(yùn)行，必須引起運(yùn)行人員注意。

1 緩沖層結(jié)構(gòu)分析

緩沖層位于內(nèi)護(hù)套和絕緣屏蔽層間，如圖1（a）所示。國(guó)內(nèi)電纜內(nèi)護(hù)套多為皺紋鋁護(hù)套，有徑向阻水、機(jī)械保護(hù)、良好導(dǎo)電等作用。

緩沖層通常包括阻水帶、金布和氣隙。阻水帶緊密繞包在絕緣屏蔽層表面，金布繞包在阻水帶表面，阻水帶與皺紋鋁護(hù)套波谷緊密接觸，與鋁護(hù)套波峰間有氣隙，如圖1（b）所示。阻水帶通常由蓬松棉、阻水粉和無(wú)紡布組成，如圖1（c）所示，用于緩沖絕緣屏蔽層與內(nèi)護(hù)套間相互作用，減小電纜內(nèi)部受熱膨脹引起的絕緣屏蔽層—內(nèi)護(hù)套間的擠壓應(yīng)力。阻水帶中的阻水粉吸水膨脹可徑向阻水。阻水粉主要成分為聚丙烯酸鈉，呈弱堿性，此外還含有單體CM（氯化聚乙烯）、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和去離子水等成分[3]。

2 試驗(yàn)

2.1 故障情況

由于緩沖層缺陷，某110 kV高壓交聯(lián)聚乙烯電纜線路A相發(fā)生本體故障。該條電纜由國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)制造，型號(hào)為ZR-YJLW02-64/110 kV-1×800 mm2。截至故障發(fā)生時(shí)，該線路已運(yùn)行18年。

擊穿點(diǎn)位置電纜外護(hù)套脫落，鄰近位置外護(hù)套呈爆炸式開(kāi)裂。鋁護(hù)套、外半導(dǎo)電層、主絕緣層燒蝕現(xiàn)象明顯，故障點(diǎn)擊穿通道清晰，擊穿通道為外大內(nèi)小的倒梯形結(jié)構(gòu)（圖2）。

2.2 解體檢查

2.2.1 故障點(diǎn)解體情況

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障點(diǎn)自外向內(nèi)逐層拆解，可見(jiàn)金屬護(hù)套除故障點(diǎn)位置完全燒穿外，鄰近位置金屬護(hù)套內(nèi)側(cè)也普遍存在放電燒蝕痕跡，且燒蝕點(diǎn)普遍位于波紋鋁護(hù)套的波谷位置（圖3），即鋁護(hù)套與半導(dǎo)電阻水帶相接觸的位置。在與之相對(duì)應(yīng)的位置的半導(dǎo)電阻水帶上，廣泛存在白色粉末狀物質(zhì)（圖4）。內(nèi)側(cè)的外半導(dǎo)電層表面燒蝕現(xiàn)象普遍（圖5），與故障點(diǎn)擊穿通道相似，外半導(dǎo)電層上的損傷點(diǎn)普遍呈現(xiàn)出外側(cè)面積大、內(nèi)側(cè)面積小的倒梯形結(jié)構(gòu)。

2.2.2 同一段電纜上其他位置解體情況

在該線A相臨近接頭的電纜段上均勻地選擇了除故障點(diǎn)外其他4個(gè)位置進(jìn)行了電纜的開(kāi)斷和解體。解體情況顯示，在該條電纜的其他位置上均出現(xiàn)了與故障點(diǎn)鄰近位置相似的情況，半導(dǎo)電阻水帶上出現(xiàn)白色粉末（圖6），電纜外半導(dǎo)電表面多見(jiàn)燒蝕、損傷情況（圖7）。

2.3 X射線檢測(cè)

2.3.1 檢測(cè)原理

X射線檢測(cè)基本原理為：X射線在穿透不同的物體時(shí)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而產(chǎn)業(yè)強(qiáng)度變化，感光材料（膠片、IP板、DR板）接收到該強(qiáng)度變化的信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)處理形成常見(jiàn)的影像。

2.3.2 檢測(cè)情況

在解剖前后，對(duì)選取電纜段進(jìn)行X射線檢測(cè)，其典型結(jié)果示例如圖8、圖9、圖10所示。

從檢測(cè)效果看，X射線對(duì)較大的燒蝕點(diǎn)效果尚可，對(duì)中等大小及小塊的燒蝕點(diǎn)成像效果不明顯。鋁護(hù)套對(duì)X射線檢測(cè)結(jié)果影響較大，剝除鋁護(hù)套后缺陷點(diǎn)成像清晰，而加上鋁護(hù)套后，X射線檢測(cè)到的疑似燒蝕點(diǎn)不能完全與電纜內(nèi)部的緩沖層燒蝕點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，且缺陷點(diǎn)不容易識(shí)別。

X射線檢測(cè)表明，截取電纜段燒蝕均能檢測(cè)出，但檢測(cè)效果受鋁護(hù)套影響。

2.4 帶材檢測(cè)情況

結(jié)合故障相電纜拆解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的阻水帶異常情況，對(duì)該線三相電纜進(jìn)行了絕緣厚度、偏心度、機(jī)械性能、熱延伸、半導(dǎo)電阻水帶電阻率等多項(xiàng)檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果如表1所示，包括非故障相在內(nèi)的三相半導(dǎo)電阻水帶帶材電阻率均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。按《電纜和光纜用阻水帶》（JB/T 10259—2014）要求，表面電阻不應(yīng)大于1 500 Ω，體積電阻率不應(yīng)大于1×105Ω·cm。

3 故障分析

3.1 解體、試驗(yàn)、檢測(cè)情況總結(jié)

（1）燒蝕程度無(wú)明顯位置相關(guān)性。故障發(fā)生后截取了大量的電纜進(jìn)行解體分析，在不同段電纜均發(fā)現(xiàn)了電纜外半導(dǎo)電層、半導(dǎo)電阻水層、波紋鋁護(hù)套內(nèi)壁存在不同程度的燒損現(xiàn)象，燒損現(xiàn)象無(wú)明顯遞增或遞減變化，未發(fā)現(xiàn)燒損現(xiàn)象與電纜位置存在明顯相關(guān)性。

（2）燒損程度與波紋鋁護(hù)套接觸程度有關(guān)。燒損均集中在波紋鋁護(hù)套波谷位置；現(xiàn)象為非圓周性均勻燒損，皺紋鋁護(hù)套與半導(dǎo)電阻水帶接觸越緊密，燒損越嚴(yán)重，與金屬護(hù)套未緊貼的圓周面鮮有明顯燒蝕點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，電纜不存在偏心或由于運(yùn)輸、敷設(shè)造成的明顯變形。造成不同角度接觸程度存在差異的主要原因可能在于電纜自身重力，使得電纜上下側(cè)鋁護(hù)套與半導(dǎo)電阻水帶的接觸相比左右側(cè)更為緊密。故障點(diǎn)位置也是典型的接觸緊密點(diǎn)，擊穿通道垂直向下的方向與全線多數(shù)缺陷點(diǎn)的方向一致。

（3）根據(jù)故障點(diǎn)情況以及解體發(fā)現(xiàn)的帶材、外半導(dǎo)電燒蝕情況，可以判斷燒蝕過(guò)程是由外部向內(nèi)部發(fā)生的。

3.2 原因分析

通過(guò)對(duì)電纜解體分析，發(fā)現(xiàn)電纜外半導(dǎo)電層存在大量分布不均且大小不一的放電燒蝕痕跡，經(jīng)過(guò)檢測(cè)確認(rèn)電纜緩沖層體積電阻率和表面電阻不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，加之電纜金屬護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖層不均勻接觸，導(dǎo)致感應(yīng)電流在金屬護(hù)套與緩沖層緊密接觸部位（波谷位置）密度較大，局部過(guò)熱導(dǎo)致電纜半導(dǎo)電緩沖層燒損，逐漸向內(nèi)燒蝕電纜外半導(dǎo)電層與電纜絕緣，造成電纜主絕緣擊穿，導(dǎo)致電纜故障。

電纜金屬護(hù)套與半導(dǎo)電緩沖層不均勻接觸，導(dǎo)致感應(yīng)電流在金屬護(hù)套與緩沖層緊密接觸部位（波谷位置）密度較大，局部過(guò)熱導(dǎo)致電纜半導(dǎo)電緩沖層燒損，逐漸向內(nèi)燒蝕電纜外半導(dǎo)電層與電纜絕緣，造成電纜主絕緣擊穿，這是本次故障的主要原因；電纜緩沖層體積電阻率和表面電阻不符合標(biāo)準(zhǔn)要求是本次故障的次要原因。

基于以上情況分析，可判斷造成本次故障的根本原因在于電纜中應(yīng)用的阻水帶產(chǎn)品質(zhì)量存在缺陷，在多年的運(yùn)行過(guò)程中，缺陷逐步擴(kuò)大，最終形成了放電通路，造成電纜本體擊穿。

4 建議

鑒于本文分析，并結(jié)合高壓電纜運(yùn)行管理工作，特提出如下建議：

（1）選擇存在缺陷的電纜先期開(kāi)展局放、X射線無(wú)損檢（監(jiān)）測(cè)工作，積累檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，建立典型缺陷庫(kù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與后續(xù)實(shí)物取樣解剖結(jié)果，積極制訂留用、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)或更換的故障反措。當(dāng)絕緣外屏蔽受損、燒蝕已影響到主絕緣時(shí)，應(yīng)盡早更換，避免進(jìn)一步引發(fā)擊穿事故。

（2）進(jìn)一步加強(qiáng)局放在線監(jiān)測(cè)在電纜缺陷預(yù)警中的輔助作用，形成局放量與電纜絕緣健康狀況、緩沖層故障的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，當(dāng)存在因緩沖層放電而導(dǎo)致的電纜故障時(shí)，會(huì)伴隨出現(xiàn)局部的異常發(fā)熱、異味等現(xiàn)象。

（3）將電纜緩沖阻水帶材的體積電阻率列入抽檢程序。對(duì)于新建電纜線路，應(yīng)開(kāi)展電纜緩沖阻水帶材的體積電阻率抽樣檢查，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性能指標(biāo)不符合運(yùn)行要求的，應(yīng)進(jìn)行退貨處理。