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摘要：近年来，我国现代化建设的发展迅速，在高压与超高压单芯电缆的金属护套与电缆缆芯之间均有缓冲层。缓冲层具有半导电特性，能有效缓冲、弱化电场强度，并有效缓冲电缆绝缘与金属层，防止损伤绝缘。电缆如有纵向阻水要求，缓冲层绕包带还应具有吸水膨胀性能，一般是采用聚酯纤维编织布与遇水可迅速膨胀的聚丙烯酸脂吸水膨胀粉复合而成。其阻水机理是，当水分从电缆端头或是从护套缺陷中进入后，这种膨胀粉就会遇水迅速膨胀，阻止水分沿电缆纵向进一步扩散，这样就实现了电缆纵向阻水的目的。
关键词：高压电缆；缓冲层材料；结构特性研究
引言
高压交联聚乙烯绝缘电力电缆在我国已经使用了三十多年，最初全部使用进口产品，到目前为止66～220kV电力电缆已基本实现国产化，每年有超过一万公里的高压电缆埋设于地下。进口产品和国产产品在护层结构和原材料特性方面各有其特点。经分析，影响国产高压电缆产品质量的主要因素是原材料性能、护层结构及其加工工艺。从最近十几年高压电缆本体故障案例解剖发现，大量出现绝缘屏蔽表面烧伤或放电痕迹，甚至引发击穿现象，影响电缆的使用寿命，危及供电安全，引起了电力行业的高度重视，这种缺陷不是短时间内能够显现出来的。产生这种现象的原因目前不清楚，产品标准中对护层原材料的要求也不够明确，原材料的特性是否符合电缆运行的要求还有待进一步研究，标准中对护层结构的要求都需要进一步明确，生产工艺如何保证电缆的产品质量也需要研究。
1高压电缆阻水缓冲层现状
目前国内大部分高压电缆采用氩弧焊焊接方式制作皱纹铝护套，在金属套与绝缘线芯之间绕包半导电吸水膨胀带，这种吸水膨胀阻水带是在半导电的聚脂无纺纤维中加入聚丙烯酸脂膨胀粉制成的，膨胀粉遇水后能在一定时间内迅速膨胀到一定高度，从而起到阻隔水的作用。由于各厂家使用的半导电阻水带材料来源不同，生产工艺不同，导致阻水带成型后的膨胀率明显不同，电缆缆芯与电缆金属护套之间的配合也存在较大的问题，甚至某些厂家生产的电缆，短段试样的缆芯能够直接由铝套内取出。有学者对110kVXLPE绝缘电缆的径向模型电场分布进行了仿真计算，也得到了要尽可能避免铝套内存在空气的结论。调研发现，近年来电网出现了很多具有相似特征的故障电缆，其绝缘屏蔽、缓冲层和皱纹铝套均有烧蚀痕迹，这些电缆均存在缓冲层间隙过大的问题。引起这些问题的原因有很多，其中最主要的原因就是标准对缓冲层要求不明确，试验方法不适用于缓冲层的实际情况。下面就JB/T10259—2014标准的适用性进行分析。
2故障机理讨论
由于A、B点相对于C点是两个对称点，因此C点两侧的等效电阻是相等的，由于缓冲层在A、B点之间受到铝护套轧纹“挤压”的程度不一样，交直流电阻受压力的影响在前面已经说明，因此Ｒ31＜Ｒ32＜Ｒ33＜Ｒ34＜Ｒ35＜Ｒ36。A、B点是铝护套的波谷点，零电位，由于缓冲层的外层与铝护套接触程度不一致，处于A、B点附近接触良好，远离A、B点接触就差一些，到C点时可能就会出现气隙。如果半导电阻水带表面电阻Ｒ1不是足够的小，由于Ｒ1、Ｒ2和Ｒ3n的存在，在电场作用下就会有体积电流流过，在A、B之间缓冲层外表面上任一点就存在电位，与铝护套之间就出现电场，当电场强度达到空气放电场强时就会出现局部放电情形。Ｒ31是受“挤压”的地方，接触电阻最小，此点的体积电流大于其他地方，这就解释了绝缘屏蔽在波谷处“烧伤”的原因。导致电缆故障的另一个重要原因是阻水缓冲带与皱纹铝套之间有大量的空气，半导电阻水带材料的热阻系数实际上是聚酯纤维、空气的混合热阻系数，阻水带中含有大量静止空气，静止空气的热阻系数比聚酯纤维高一个数量级，因此，阻水带的热阻系数很大程度上取决于纤维层中所含空气的状态和数量。为了尽量减小阻水缓冲带的热阻系数，需要空气尽可能少，所以电缆皱纹铝套和缆芯之间的空隙一定要尽量减小。
3缓冲层的现状与改进方向
尽管电缆采用纵向阻水工艺的目的，是在电缆进水后阻断水分蔓延，而实际情况却是很多声称具有阻水功能的电缆，其电缆纵向阻水层并不能够满足阻水要求，相反却增加了电缆热阻，降低了载流量，同时还增加了进水后电缆处理的难度。根据我所多年来对高压电缆质量检测与现场使用情况的跟踪统计与分析结果发现:(1)相当多的具有阻水结构的电缆不能顺利通过阻水试验，阻水结构并不理想;(2)各厂家使用的半导电阻水带材料来源不同、生产工艺不同，导致阻水带成型后的膨胀率明显不同;(3)电缆缆芯与电缆金属护套之间的配合也存在较大的问题，甚至某些厂家生产的电缆，短段试样的缆芯能够直接由铝套内取出;(4)国外以及国内部分厂家，缓冲层多采用两层结构，一层金布绕包，一层半导电阻水带绕包，有的还采用半导电橡胶带绕包，同时对金属护套与缓冲层之间的间隙大小严格进行控制，有效地提升了产品性能。结合以上分析，针对电缆缓冲层的性能特点与要求，对国产电缆缓冲层结构、材料、设计以及工艺要求，提出以下几点建议:(1)对于纵向阻水要求不高的电缆，可以采用挤塑工艺，或者采用半导电橡胶缓冲带作为电缆的缓冲层，可以有效提高载流量。(2)对于要求具有纵向阻水结构的电缆，必须加强阻水带的选型与绕包工艺，密实绕包带，降低厚度，让阻水带在压缩状态下绕包，并控制好绕包带的膨胀率。可采用一层金布加一层阻水带绕包的形式。(3)加强生产工艺的研究，降低铝套与缆芯之间的间隙，保证电缆结构的紧凑。(4)在电缆缓冲层结构设计上，对电缆结构与选型设计的各参数进行详细的理论分析、试验论证，进行科学合理的选择。
结语
通过对高压电缆用缓冲层材料及结构特性的研究，以及模拟缓冲层材料和几种典型缓冲层结构“烧蚀”和“白斑”现象的形成情况，发现:(1)高压电缆用缓冲层材料在自然环境下存放均出现不同程度的吸潮现象，受潮后其体积电阻率均有所升高。缓冲层材料注水后体积电阻率大幅增大，测试过程中数据不断波动，无法稳定读数，经完全干燥后体积电阻率具有可逆性。同时其体积电阻率随着压力增加而下降。(2)在平板电极下给高压电缆用缓冲层材料施加一定的电压，当达到一定电压后均会出现烧蚀现象，压力越大烧蚀的起始电流越大。当电压升高时，起始电流呈下降趋势。在恒定电压下，随时间推移，电流逐渐下降，电阻逐渐上升，呈现出非线性特性。(3)在平板电极下给高压电缆用缓冲层材料施加一定的电压，保持一定时间均出现了不同程度的白斑现象，缓冲层材料注水后再施加电压，白斑现象严重。经能谱分析，白斑的成分含铝元素和氧元素较高，分析应是缓冲层材料与铝护套接触产生化学腐蚀或电化学腐蚀，形成了氧化铝之类物质。(4)在电缆样品的金属护套与绝缘屏蔽之间施加一定的电压，当达到一定值时均会发生烧蚀现象。不注水烧蚀严重，并出现明火。注3ml水，出现了烧蚀、冒烟，并形成较严重的白斑。
参考文献
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