(广东威恒输变电工程有限公司 825000)
摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的电力行业的发展也有了很大的改善。2010年以来，我国的110(66)kV高压电缆年增长率达到29%，尽管增加了很多运检设备和专业人员，但是电缆数量的增加和管理人员的相对减少，造成电缆线路每百公里的故障率达到2%，其中电缆本体的故障率接近0.08%。经过对电缆本体故障性质的分析，发现有大量的本体故障是因为电缆结构中半导电阻水层(以下简称缓冲层)烧蚀引起的，且数量占到本体故障的30%左右。对于正在运行的电缆线路来说，缓冲层上的烧蚀现象将影响高压电力电缆的安全运行，必须引起运行人员注意。
关键词：高压电力电缆；绝缘屏蔽烧蚀机理分析；应对措施
引言
城市配电网系统中的交联聚乙烯(XLPE)电缆终端由于制造、安装过程中的技术、经济条件限制，通常会在其绝缘内引入气隙缺陷，实践表明，这些微小缺陷在投运前的交接试验中难以发现，然而运行一定时间后却常发生绝缘击穿甚至爆炸等事故，成为危及城市配电网供电安全的重要问题之一。电缆终端在城市配电网系统中得到大量使用。电缆线路运行故障统计数据表明，不计外力破坏原因，电缆终端由于安装质量问题导致的绝缘故障频发。现场调研表明，电缆终端安装过程中由于施工时间受到严格控制，用刀具剥离电缆外半导电层时，由于刀具进刀深度不易控制，在实际剥离过程中往往会在主绝缘表面留下气隙缺陷。气隙缺陷处畸变电场将引发终端的局部放电，加速终端XLPE绝缘材料的劣化，最终导致终端绝缘击穿。
1缓冲层的性能分析
图1为缓冲层在电缆结构中的位置。阻水带是两层无纺布带中间加一层膨胀阻水粉组成的，缓冲层是由多层阻水带绕包而成。它位于电缆绝缘屏蔽层和皱纹铝护套(以下简称金属套)之间，起到电气连接的作用;同时，它又起到堵塞沿金属套内通道进水的作用。根据调查，缓冲层电阻率无法降得很低是有原因的，它是和原材料的加工、生产车间的环境等相联系的。特别是潮气在加工和存放过程中进入缓冲层，使得膨胀粉吸潮膨胀，两层半导电无纺布之间出现隔绝，使缓冲层电阻增加，导致连接通道的电阻值接近或超过1000Ω。而电阻增加又会使电缆绝缘屏蔽层和金属套之间形成电位差，这个电位差不足以引起放电。有电位差，电阻上就流过电流，电阻就会发热，最终热量将缓冲层局部破坏。同时，在水分和电流的作用下，金属套(铝)出现氧化反应，电蚀其金属套(铝)内表面。
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图1缓冲层在电缆结构中的位置
2优化措施分析研究
2.1绝缘屏蔽烧蚀损伤
为进一步研究不同烧蚀时间下电缆绝缘屏蔽的烧蚀损伤程度，对不同烧蚀时间下绝缘屏蔽烧蚀损伤情况进行分析，结果如图2所示。从图2可以看出，不同烧蚀时间下电缆绝缘屏蔽的烧蚀程度不同。图2(a)中，绝缘屏蔽层未经放电烧蚀时，表面平整、光滑。图2(b)中，绝缘屏蔽层经放电烧蚀240h时，表面部分区域被烧蚀变色，与未烧蚀区域有明显的分界，且被烧蚀区域表面粗糙、不平整。图2(c)中，绝缘屏蔽层经放电烧蚀480h时，部分区域表面被阻水带中白色阻水粉覆盖，表面粗糙不平整。图2(d)中，绝缘屏蔽层经放电烧蚀720h时，放电烧蚀严重，阻水带白色阻水粉中夹杂黑色阻水带，绝缘屏蔽层被完全碳化，此时表面极为粗糙。对不同烧蚀时间下绝缘屏蔽层的烧蚀面积和烧蚀深度进行了统计。
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(a)0h(b)240h
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(c)480h(d)720h
图2不同烧蚀时间下绝缘屏蔽烧蚀情况
2.2电缆本体局放模型
高压电缆为同轴结构，主要由线芯导体、主绝缘层以及外护层等构成。结合实际运行经验，电缆在生产、敷设以及运行过程中受到牵引力、自身重力以及线路过负荷时热应力的共同作用，电缆绝缘屏蔽与阻水带和金属铝护套存在气隙，导致绝缘屏蔽不能有效接地，电缆绝缘屏蔽层与阻水带之间的气隙构成电容C1，阻水带与铝护套之间的间隙构成电容C2，C1与C2构成两个串联电容，电容填充介质为空气。通常情况下，绝缘屏蔽与阻水带和金属外护套接触紧密，各层介质间无气隙，绝缘屏蔽可靠接地，电势差为零，不会引发局部放电。电缆在实际运行状态下绝缘屏蔽与阻水带和金属外护套均存在气隙。当阻水带与绝缘屏蔽存在气隙而与铝护套接触紧密时，只存在电容C1，由于气隙尺寸较小，加之空气相对介电常数（ε0=1）较周围介质小（εr=5），介质内部电场分布与其相对介电常数成反比，因此气隙内部更易发生局部放电。当阻水带与铝护套存在气隙而与绝缘屏蔽接触紧密时，只存在电容C2，由于气隙尺寸较小，加之空气相对介电常数较周围介质小，介质击穿场强与其相对介电常数成反比，因此气隙内部同样会发生局部放电。当阻水带与绝缘屏蔽以及铝护套均未接触紧密时，电容C1和电容C2均存在，C1与C2构成两个串联电容，可等效为电容C，在电场达到足够强度时发生局部放电，进而导致电缆绝缘屏蔽烧蚀击穿。由此说明，电缆绝缘屏蔽、阻水带以及铝护套之间存在气隙时，可引发局部放电，导致绝缘屏蔽以及阻水带的烧蚀损伤，最终导致电缆绝缘故障。
2.3局部放电统计规律
PD检测以实验工频信号作为示波器数据采集的触发信号，由于PD受气隙参数、环境变化、前次放电等因素的影响，在放电波形的数值、形态上表现出随机性与不确定性，因此，统计100个工频周期内采集到的放电数据并绘制局部放电的相位-幅值-次数谱图，通过统计谱图描述PD发生的工频相位、放电幅值及放电次数之间的关系，分析终端气隙缺陷的局部放电特征，进而评估终端绝缘状态。由于老化实验中T2终端的绝缘性能表现相对稳定，而T1终端在老化过程中其PDIV迅速降低，局部放电统计特征明显，因此着重讨论T1终端的PD特征。根据电力电缆局部放电测试标准，PD实验电压不宜使PD脉冲超过规定值，一般采用1.5U0标准进行PD实验，由于老化后期放电幅值较大，且为了从时间上对比，PD实验均在U0下进行。
2.4实际过电压波形
电缆线路在实际运行中，会受到各种过电压的作用，操作波是其中典型的过电压过程。操作过电压由于波头时间和雷电波差别不大，但波尾较长，可以看做一个频率较高且持续时间较长的波过程。正常的线路需要进行检修操作、电源调整操作、新增线路操作等，这些工作在合闸和分闸期间都会产生操作过电压。这些高频过电压造成电缆及附件内部绝缘的损伤更甚于正常电压作用。例如，过电压波形就会造成电缆中间接头中电场强度的改变。
结语
电缆绝缘屏蔽层与阻水带和铝护套间存在气隙，进而引发局部放电是导致电缆绝缘击穿、故障频发的重要原因。目前，由于电缆阻水带表面电阻和体积电阻没有统一标准，各电缆制造企业生产的阻水带体积电阻、表面电阻以及填充性能存在差异，导致阻水带与绝缘屏蔽和铝护套接触不良，接触电阻过大，存在电势差，进而引发局部放电，造成电缆绝缘击穿，其改进措施如下：（1）提高阻水带的电导率，保证绝缘屏蔽与阻水缓冲带和金属铝护套可靠接触，消除电势差。（2）电缆在敷设完成后自然放置一段时间，释放电缆内部残余机械应力，保证电缆结构完整性。（3）提高电缆生产质量，选用填充性能更为优异的阻水带，消除电缆内部气隙。
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