高壓XLPE 絕緣電力電纜放電因素及仿真分析

章先杰，劉培鎮，劉曉東

（廣州南洋電纜集團有限公司，廣州 511356）

0 引言

我國高壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜使用年限一般為近30 年，但從近年來電纜出現故障的概率和頻次，很多都發生在運行了幾年、十幾年的電纜上，不符合電纜的設計使用年限。通過對故障電纜的解剖發現，絕緣屏蔽表面燒傷或放電痕跡大量出現，甚至由此引發擊穿現象，通常這種缺陷不是短時間內能夠顯現出來的［1－6］。通過分析，其中高壓電纜用半導電緩沖（阻水）帶材料沒有相應的國家標準對其各性能做出嚴格要求，材料廠家和制造商在設計中也沒有考慮到高壓電纜產品結構中各個元件（材料）之間的相容性問題，導致在結構設計和材料選擇等方面考慮的不夠仔細。交聯電纜頻繁出現緩沖層缺陷，是否與之息息相關，需引起重視。

目前國內外關于XLPE 電纜緩沖層放電燒蝕缺陷的研究，主要集中在緩沖層性能特性的分析、缺陷的實驗模擬、缺陷的機理研究［7－12］。交聯線芯運行過程中受熱膨脹，緩沖層主要起緩沖、良好的電氣接觸等作用，大部分還具有縱向阻水，防止電纜進水后水份進一步往電纜里面蔓延。半導電緩沖層材料在制造、包裝、運輸、使用的過程等環節沒有充分認識半導電緩沖阻水帶吸潮強的特性，使半導電緩沖層與金屬護套接觸部位形成白色粉末［13－16］。不合理的高壓電纜半導電緩沖層設計容易導致電纜泄漏電流、電容電流等電流的徑向集中，特別是形成白斑后的阻水帶，其電阻可達兆歐級別。本文主要對電纜進行仿真分析，得到各影響因素的權重，對電纜提出優化改進，減少或者減緩緩沖層缺陷的發生。

1 案例

某工程輸電線路運行過程中，出現了高壓電纜擊穿故障。為盡快分析電纜故障原因，截取了短段故障電纜進行局部放電試驗，在1.5 U0有明顯的放電，如圖1所示。通過對故障電纜進行解剖，發現半導電緩沖阻水帶表面和鋁護套波谷對應位置已出現燒傷痕跡，拆開半導電緩沖阻水帶，絕緣屏蔽表面也出現有燒傷現象［1］，如圖2所示。

圖1 1.5 U0 局部放電

圖2 故障電纜解剖情況

2 金屬護層與緩沖層放電影響因素分析

當金屬護層與緩沖層之間發生放電時，會導致高壓XLPE電纜發生緩沖層燒蝕故障，嚴重時甚至會傷及主絕緣層。通過對國內外研究現狀調研分析，影響金屬護層與緩沖層之間放電的影響因素主要有以下幾點。

（1）層間結構（空氣間隙）

電纜內部的層間結構反應于金屬護套與緩沖層之間的空氣間隙，當金屬護層與緩沖層之間存在較大的空氣間隙時，兩者之間接觸不良，可能導致金屬護層與緩沖層之間的局部電場過大而形成放電。

（2）緩沖層電阻率

為控制交聯線芯絕緣屏蔽外緩沖層與鋁護套之間電位，緩沖層多采用半導電材料制作，而當緩沖層的電阻率過大時，將會導致交聯線芯絕緣外緩沖層電位懸浮，造成對鋁護套放電。

（3）電纜潮濕

由于電纜進水或者吸潮，半導電緩沖阻水帶遇水吸潮膨脹特性，阻水粉析出，鋁護套與半導電阻水帶之間形成高阻值，導致內部電場異常，會造成鋁護套與絕緣屏蔽之間產生電位差而放電。

（4）集中的徑向電流

高壓XLPE電纜的阻水緩沖層與波紋鋁護套緊密接觸處存在容性電流集中；過盈配合狀態下，容性電流不會造成明顯溫升；然而若存在軸向接觸不良，容性電流集中于緊密接觸位置流通，將導致該處緩沖層局部發熱；在受潮情況下溫升加劇。

（5）金布設計缺陷

個別電纜設計結構中帶有金布，金布多由銅絲與纖維混合編織而成，編織布多采用半導電尼龍纖維或不導電的纖維帶。目前由于金布尚無國家標準、行業標準進行產品規范，電纜廠家多采用企業技術規范標定產品質量。多數廠家僅規定銅絲直徑、銅絲編織密度，由于成本控制，銅絲直徑過小，忽略編織纖維導電性、厚度等參數，繼而出現絕緣編織纖維阻斷銅絲與半導電層、鋁護套接觸途徑，造成金屬懸浮電位，甚至緩沖層放電。當銅絲纖維編織布厚度較銅絲直徑大，銅絲難以良好接觸緩沖層及鋁護套，運行時可能存在懸浮電位造成放電。

3 含白斑缺陷緩沖層樣本試驗

相對于正常情況，白斑的產生導致緩沖層與鋁護套之間的接觸狀態發生變化，而由于緩沖層位于鋁護套內部，在不破壞鋁護套結構的前提下，無法得到白色粉末形成的具體情況。因此，根據白色粉末組成成分以及缺陷情況下緩沖層和鋁護套之間的接觸狀態變化，使用鋁護套和緩沖層樣本設計并進行了放電模擬實驗。

放電模擬實驗的接線示意圖如圖3 所示，該實驗裝置由鋁護套、緩沖層樣本、鋁板以及白色粉末組成。其中鋁護套和緩沖層的長度均為4 個鋁護套螺紋節距。首先將緩沖層放置在鋁板上，然后在緩沖層表面設置4 個白色粉末（主要成分為Na2CO3）區域，白色粉末區域如圖4 所示，該區域中白色粉末的厚度約為1 mm，再然后將鋁護套放置在白色粉末區域的上方，并將交流電壓源的高壓側與鋁護套相連接，最后將底部的鋁板與交流電壓源的接地側相連接。

圖3 第一組放電模擬實驗接

圖4 白色粉末區域

在這種布置方式下，能夠對緩沖層和鋁護套之間的接觸面進行直接觀察，能更好地掌握緩沖層和鋁護套之間的放電情況。在實驗中，以0.1 kV／s的升壓速度使實驗電壓在0～2 kV范圍內變化。當實驗電壓達到2 kV時，保持此電壓3 min。在升壓過程中觀察緩沖層和鋁護套之間的放電情況，放電模擬實驗結束后，鋁護套和緩沖層的表面形貌如圖5 所示。

圖5 鋁護套和緩沖層表面形貌

4 電纜分壓模型

基于上述分析，為了研究緩沖層缺陷對高壓XLPE電纜的影響，本文以單個鋁護套螺距長度的電纜作為最小單元，將電纜劃分為若干個長度相等的單元，進而建立了電纜分壓模型，如圖6 所示。圖中，C 區域為單個最小單元的等效模型，A 區域表示正常區域的緩沖層等效支路，B區域表示缺陷區域的緩沖層等效支路。

圖6 電纜分壓模型示意圖

在模型中，R1為導體屏蔽層的徑向電阻，R2為導體屏蔽層的軸向電阻，C1為絕緣層的等效電容，R3為絕緣外屏蔽層的軸向電阻，R4為絕緣外屏蔽層的徑向電阻，R5為緩沖層的軸向電阻，R6為緩沖層的徑向電阻，Cx為緩沖層表面白色物質的等效電容，Ca為缺陷處空氣間隙的等效電容。

根據模型，當緩沖層與鋁護套之間的接觸面完全被白色物質占據后，絕緣外屏蔽層與鋁護套之間的電氣連接會被破壞，緩沖層與鋁護套之間的電場強度會增大，由于緩沖層是蓬松型結構，其內部間隙存在空氣，所以在底部區域極有可能會發生空氣放電現象。當空氣放電現象發生時，電纜底部區域的緩沖層和絕緣外屏蔽層均可能被空氣放電損傷。

5 金屬護層與緩沖層放電引起的燒蝕研究

當出現白斑缺陷時，緩沖層的導電性能將下降，而未出現白斑的緩沖層由于自身材料疏松多孔的特性，會在護套與外屏蔽層之間形成微小氣隙，其微觀結構如圖7（a）所示。將該結構理想化為：以白斑及微小氣隙為介質的兩平行板電極，如圖7（b）所示，該理想結構在交流電場下的放電現象可利用圖7（c）所示的等效電路進行分析。

圖7 含白斑緩沖層微觀結構等效示意圖

圖7（b）中，U 為兩極板間電壓，δ為微小氣隙的厚度，d為極板間介質總厚度，圖7（c）中，CX為白斑缺陷的等效電容，Cg、Rg為微小氣隙的電阻和電容，CL和RL為與氣隙串聯部分的電阻和電容。

由于氣隙放電是一個瞬間過程，約為10－8～10－7s，放電電流相當于一個頻率很高的脈沖信號，因此等效電路中的Rg和RL均可以忽略，只需考慮電容對電路的影響，故放電過程中的白斑缺陷等效電路可簡化為一個由3 個電容組成的電路模型，該電路模型在放電瞬間的等值回路如圖8 所示。

圖8 放電過程中的等效電

放電瞬間等值回路如圖9 所示，圖中，r為放電通道電阻，ir為放電通道電阻上流過的電流，ig為氣隙放電電流。假設Ucr是臨界放電電壓，當兩端Cg電壓上升至Ucr時，緩沖層間的氣隙被擊穿而發生電火花放電，Cg兩端的電壓低于熄滅電壓Ue時，氣隙不再放電，氣隙兩端的電壓在放電過程中降低了ΔU ＝Ucr－Ue。因此白斑等效電容Cg需為CL、CX補充電荷，在此過程中，可得到如下方程：

圖9 放電瞬間等值回路

上式中ug為氣隙等效電容兩端的電壓，聯立式（1）～（4），可以推出氣隙實際放電電荷的表達式為：

由于實際的放電量難以通過實驗測量得到，因此可以通過研究視在放電量來對放電情況進行表征：

據式（6）可知，放電過程中的實際放電電量與視在放電電量呈正相關，則三電容模型中，微小氣隙的視在放電電量可由下式表示：

式中：Ucr為氣隙的臨界擊穿電壓；εg和εL分別為氣隙和與氣隙串聯部分介質的介電常數；φ取0.1～0.8，這是由于當氣隙面積較大時，放電僅在氣隙的一部分中進行；A為氣隙面積；d 為完整介質的厚度；δ為氣隙厚度。

通過以上研究對影響放電的因素進行分析可得：（1）隨著金屬護套與緩沖層間的氣隙面積增大，實際放電量將增大；（2）若氣隙周圍能夠形成導電層或半導電層，實際放電量將減小，若電氣連接狀況良好，氣隙間將不會放電；（3）當氣隙周圍的電場較大時，將導致φ升高，增大放電面積，使得總放電量上升；（4）當氣隙的臨界擊穿電壓Ucr較大時，放電量也將增大。

6 結束語

當緩沖層與鋁護套之間的接觸狀態變差時，絕緣屏蔽層與鋁護套之間的電氣連接會被破壞，在兩者之間會存在電位差。在電纜部分區域的電場強度超過了空氣的擊穿場強，其內部間隙存在空氣，所以在該區域就有可能會發生空氣放電現象。

根據本文分析，結合對電纜緩沖層的結構的研究，可以將影響緩沖層放電的因素分為以下幾點：

（1）白斑發展情況，若電纜白斑缺陷嚴重，緩沖層將無法提供電流通路，半導電的性能也會被消除；

（2）緩沖層電阻率，緩沖層電阻率的升高會阻礙絕緣屏蔽層與金屬鋁護套之間的電氣連接，是影響緩沖層放電情況的重要因素；

（3）金布結構，金布除在緩沖層中起到屏蔽作用外，還能增強與金屬護套間的電氣連接，控制外半導電層的懸浮電位，前提是金布有良好的電氣性能；

（4）空氣間隙，間隙過大會使得緩沖層形成懸浮電位，氣隙面積增大，放電量也將增大；

（5）半導電緩沖層與金屬護套有良好的電氣接觸，氣隙將不會放電。

因此，半導電緩沖層與金屬護層保持良好的電氣接觸，可以避免電纜出現放電，提高電纜穩定運行。