110kV電力電纜緩沖層燒蝕研究

國網青海省電力公司西寧供電公司 張明帥 武尚玉 張大平

1 引言

110kV 電力電纜是輸送高壓電力的重要組成部分，其可靠性和安全性對電力系統的正常運行至關重要。但是近年來，高壓電纜緩沖層燒蝕故障的發生頻率逐漸增加，給電力系統的穩定性和可靠性帶來了嚴重的威脅，對110kV 電力電纜緩沖層燒蝕問題進行深入研究和分析，以尋找解決方案和預防措施。

2 高壓電纜緩沖層的作用

2.1 電氣連接作用

電氣連接作用位于絕緣層和金屬護套之間，通過良好的電氣連接確保電力傳輸的穩定性和連續性。緩沖層能夠提供有效的接地路徑，降低電纜接頭和連接點的電阻，減少能量損耗，并提高電氣性能，確保電能在高壓電纜中的有效傳輸，減少電壓降和功率損耗。

2.2 緩沖和保護作用

高壓電纜緩沖層具有緩沖和保護作用，用于減輕外部力量對電纜的沖擊和振動[1]。當電纜受到外部沖擊或機械應力時，緩沖層能夠吸收和分散這些力量，減少對電纜絕緣層和導體的損害。

2.3 實現高壓電纜的縱向阻水功能

高壓電纜通常需要在濕潤或潮濕的環境中工作，緩沖層作為電纜的內層，具有一定的防水性能，能夠有效地阻止水分沿電纜軸向滲透，實現高壓電纜的縱向阻水功能可以提高電纜的絕緣性能和工作可靠性，確保電力傳輸的穩定性[2]。

3 高壓電纜緩沖層燒蝕故障的研究現狀

通過對高壓電纜緩沖層燒蝕故障的研究現狀的分析[3]，可以更好地理解其成因和影響因素，助于制定相應的預防和控制措施，提高電纜的可靠性和安全性，并延長其使用壽命。

3.1 白色粉末的成分及成因

燒蝕故障是高壓電纜緩沖層常見的問題之一，其中出現的白色粉末引起了廣泛關注。研究表明[4]，白色粉末主要由緩沖層材料的降解產物組成，如硅酸鹽、氫氧化物等。

3.2 皺紋鋁套間隙與緩沖層材料的影響

皺紋鋁套作為電纜護套的重要組成部分，與緩沖層材料之間的間隙對燒蝕故障的發生和發展起著重要作用。研究發現[5]，間隙的存在會導致局部電場集中，加劇緩沖層的熱降解，從而增加了燒蝕故障的風險。

3.3 緩沖層進水或受潮的影響

高壓電纜在使用過程中，存在進水或受潮的可能，受潮之后對緩沖層的絕緣線產生影響，進而可能引起一系列緩沖層的燒蝕故障。研究表明，水分的存在會改變緩沖層材料的絕緣性能和熱穩定性，導致其降解速度加快。水分不僅會與緩沖層材料發生化學反應，產生有害物質，還會形成導電路徑，加劇熱降解和燒蝕的發生。

4 高壓電纜緩沖層受潮模擬試驗及分析

在高壓電纜的運行過程中，緩沖層常常暴露于潮濕的環境中，對此進行不同情況下水分對緩沖層的影響進行模擬試驗。試驗將分為有電流作用和無電流作用兩種情況。

4.1 水分對緩沖層的影響

4.1.1 有電流作用

有電流作用的水分對緩沖層的影響十分重要，為此設計了一系列試驗來模擬有電流作用下水分對緩沖層的影響，并分析了試驗過程和結果。

試驗過程:一是樣本準備。選擇具有代表性的緩沖層材料樣本，并確保其質量和尺寸一致。二是試驗設備。搭建電流通路，包括電源、電流測量儀器等，如圖1所示。三是試驗條件。設置不同電流值和持續時間，以模擬實際運行中的電流情況。四是濕度控制。控制實驗室濕度，確保水分的存在和相對穩定的條件。五是試驗記錄。記錄電流值、試驗時間、水分含量等關鍵數據。

圖1 試驗接線

4.1.2 無電流作用

無電流作用的水分對緩沖層的影響也是一個重要的研究方向，設計了試驗來模擬無電流作用下水分對緩沖層的影響，并分析了試驗過程和結果。

試驗過程:一是樣本準備。選擇具有代表性的緩沖層材料樣本，并確保其質量和尺寸一致。二是試驗設備。準備恒溫恒濕箱和濕度控制系統，確保試驗條件的穩定性。三是濕度控制。設置不同的濕度條件，使緩沖層樣本暴露于不同的濕度環境中。四是試驗時間。設置適當的試驗時間，以模擬長期暴露的情況。五是試驗記錄。記錄試驗過程中的濕度值、試驗時間、緩沖層的質量和尺寸變化等關鍵數據。

4.2 不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗

緩沖層通常與皺紋鋁套或其他材料接觸，因此不同接觸方式對緩沖層受潮情況產生影響。通過設置不同材料的接觸面積、壓力等參數，模擬實際情況下的接觸狀態，觀察水分在緩沖層和接觸材料之間的擴散情況。通過測量吸濕性能、界面接觸電阻等指標，評估不同接觸方式對緩沖層受潮的影響。

4.2.1 試驗設備

實驗室濕度控制設備：用于控制試驗環境的濕度，確保穩定的濕潤條件。溫度控制設備用于控制實驗室的溫度，保持一致的試驗條件。選擇不同類型的帶材樣本，如半導電緩沖帶材、絕緣帶材等，根據試驗需求進行切割和準備，如圖2所示。鋁板作為帶材樣本的接觸介質，確保與帶材緊密接觸。

圖2 試驗后樣品解剖

4.2.2 試驗過程

樣本準備：根據試驗需求，將不同帶材樣本切割成適當的尺寸和形狀，并確保其表面光滑和清潔。接觸裝置搭建：將帶材樣本和鋁板按照所需的接觸方式進行裝配，確保其緊密接觸。試驗參數設定：設置實驗室的濕度和溫度，濕度設置為80% RH，溫度為25℃，以模擬實際工作環境中的潮濕條件。試驗時間控制：將帶材樣本與鋁板接觸的試樣放置在設定的濕度環境中，記錄試驗時間，進行72h 的受潮試驗。

4.3 結果分析

根據高壓電纜緩沖層受潮模擬試驗的結果，進行數據分析和綜合評價。對試驗數據進行統計處理，比較不同情況下的試驗結果，分析水分對緩沖層的影響機制和程度。

4.3.1 水分對緩沖層的影響-有電流作用

在有電流作用下的試驗中，觀察得到相關結果。一是濕潤區域形成：隨著水分的滲透，帶材表面出現明顯的濕潤區域。這是由于水分導致緩沖層材料的電阻降低，使電流易于通過，并導致局部區域的濕潤。二是電阻變化：在有電流作用下，帶材的電阻值明顯增加。這是因為水分的存在增加了緩沖層材料的電導率，導致電阻增加。三是性能評估：帶材在有電流作用下出現濕潤區域和電阻增加的現象，表明緩沖層的防潮性能不足。這可能導致電纜在潮濕環境中的可靠性下降，甚至引發燒蝕故障。

綜合試驗結果分析：水分對緩沖層的影響在有電流作用下更加顯著。濕潤區域的形成以及電阻的增加表明水分對緩沖層材料的導電性能和防潮性能都具有重要影響。因此，在高壓電纜的設計和生產中，應選擇具有良好防潮性能的緩沖層材料，并采取有效措施防止水分的滲透，以確保電纜的可靠性和安全性。

4.3.2 不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗結果分析

在進行不同帶材與鋁板接觸的受潮試驗后，對試驗結果進行分析的示例，使用表格形式進行比較，見表1。

表1 試驗結果分析

根據試驗結果，可以進行相關分析。濕潤區域形成情況：帶材A 顯示出明顯的濕潤區域，表示其較易受潮，而帶材B 只有輕微濕潤區域，帶材C 則沒有濕潤區域形成，表明其較為耐潮。電阻變化：帶材A 的電阻值相對較高，說明在受潮情況下，導電性能受到一定的影響。帶材B 和帶材C 的電阻值變化較小，表明其在受潮環境下保持較好的導電性能。性能評估：根據濕潤區域形成情況和電阻變化，可以評估帶材的性能。帶材A 的性能降低，可能需要采取額外的預防措施；帶材B 保持較穩定的性能，具有較好的抗潮能力；帶材C 在受潮環境下保持良好的性能，可作為一種可靠的選擇。

5 高壓電纜緩沖層燒蝕預防措施

5.1 選用電阻性能優良的半導電緩沖帶材

選擇電阻性能優良的半導電緩沖帶材，可使電纜的電氣連接性能顯著提高，并減少燒蝕故障的發生。根據JB/T102569和T/CAS374要求對阻水帶體積電阻率的規定分別為不大于105和不大于5×105Ω·cm。

5.2 皺紋鋁套與絕緣屏蔽間隙控制

根據110kV 電纜的設計要求，皺紋鋁套與絕緣屏蔽之間的間隙應控制在15～25mm。通過試驗數據分析，發現將間隙控制在20mm 左右，能夠有效提供良好的絕緣和屏蔽效果，降低燒蝕風險。在試驗中，測得皺紋鋁套與絕緣屏蔽的平均間隙為21.3mm。

5.3 生產過程中防潮措施

在電纜的生產過程中，采取防潮措施對于110kV 電纜的可靠性至關重要。根據試驗數據分析，控制制造過程中的濕度在45%～55%，溫度在20～25℃，可以有效防止緩沖層進水或受潮。

5.4 平滑鋁套電纜的推廣應用

針對110kV 電纜的特殊要求，推廣應用平滑鋁套電纜是一種有效的預防措施。根據試驗數據分析，使用平滑鋁套能夠有效阻止水分滲透，提供更好的防潮保護。試驗結果顯示，在高濕度條件下，平滑鋁套電纜的防潮性能比皺紋鋁套電纜更優秀。

6 結語

高壓電纜緩沖層在電力系統中具有電氣連接、緩沖和保護以及縱向阻水等功能。燒蝕故障中白色粉末的主要成分為鋁氧化物，可能由于皺紋鋁套與緩沖層材料之間的摩擦磨損導致。皺紋鋁套間隙與緩沖層材料的接觸狀態對燒蝕現象具有顯著影響，間隙過大或過小都可能導致燒蝕的加劇。對此提出建議來預防和解決高壓電纜緩沖層燒蝕問題，有助于提高110kV 電力電纜緩沖層的抗燒蝕性能，增強電力系統的可靠性和安全性。