高压XLPE 绝缘电力电缆放电因素及仿真分析

2024-01-09章先杰刘培镇刘晓东

机电工程技术 2023年12期

章先杰，刘培镇，刘晓东

（广州南洋电缆集团有限公司，广州 511356）

0 引言

我国高压交联聚乙烯绝缘电力电缆使用年限一般为近30 年，但从近年来电缆出现故障的概率和频次，很多都发生在运行了几年、十几年的电缆上，不符合电缆的设计使用年限。通过对故障电缆的解剖发现，绝缘屏蔽表面烧伤或放电痕迹大量出现，甚至由此引发击穿现象，通常这种缺陷不是短时间内能够显现出来的［1－6］。通过分析，其中高压电缆用半导电缓冲（阻水）带材料没有相应的国家标准对其各性能做出严格要求，材料厂家和制造商在设计中也没有考虑到高压电缆产品结构中各个元件（材料）之间的相容性问题，导致在结构设计和材料选择等方面考虑的不够仔细。交联电缆频繁出现缓冲层缺陷，是否与之息息相关，需引起重视。

目前国内外关于XLPE 电缆缓冲层放电烧蚀缺陷的研究，主要集中在缓冲层性能特性的分析、缺陷的实验模拟、缺陷的机理研究［7－12］。交联线芯运行过程中受热膨胀，缓冲层主要起缓冲、良好的电气接触等作用，大部分还具有纵向阻水，防止电缆进水后水份进一步往电缆里面蔓延。半导电缓冲层材料在制造、包装、运输、使用的过程等环节没有充分认识半导电缓冲阻水带吸潮强的特性，使半导电缓冲层与金属护套接触部位形成白色粉末［13－16］。不合理的高压电缆半导电缓冲层设计容易导致电缆泄漏电流、电容电流等电流的径向集中，特别是形成白斑后的阻水带，其电阻可达兆欧级别。本文主要对电缆进行仿真分析，得到各影响因素的权重，对电缆提出优化改进，减少或者减缓缓冲层缺陷的发生。

1 案例

某工程输电线路运行过程中，出现了高压电缆击穿故障。为尽快分析电缆故障原因，截取了短段故障电缆进行局部放电试验，在1.5 U0有明显的放电，如图1所示。通过对故障电缆进行解剖，发现半导电缓冲阻水带表面和铝护套波谷对应位置已出现烧伤痕迹，拆开半导电缓冲阻水带，绝缘屏蔽表面也出现有烧伤现象［1］，如图2所示。

图1 1.5 U0 局部放电

图2 故障电缆解剖情况

2 金属护层与缓冲层放电影响因素分析

当金属护层与缓冲层之间发生放电时，会导致高压XLPE电缆发生缓冲层烧蚀故障，严重时甚至会伤及主绝缘层。通过对国内外研究现状调研分析，影响金属护层与缓冲层之间放电的影响因素主要有以下几点。

（1）层间结构（空气间隙）

电缆内部的层间结构反应于金属护套与缓冲层之间的空气间隙，当金属护层与缓冲层之间存在较大的空气间隙时，两者之间接触不良，可能导致金属护层与缓冲层之间的局部电场过大而形成放电。

（2）缓冲层电阻率

为控制交联线芯绝缘屏蔽外缓冲层与铝护套之间电位，缓冲层多采用半导电材料制作，而当缓冲层的电阻率过大时，将会导致交联线芯绝缘外缓冲层电位悬浮，造成对铝护套放电。

（3）电缆潮湿

由于电缆进水或者吸潮，半导电缓冲阻水带遇水吸潮膨胀特性，阻水粉析出，铝护套与半导电阻水带之间形成高阻值，导致内部电场异常，会造成铝护套与绝缘屏蔽之间产生电位差而放电。

（4）集中的径向电流

高压XLPE电缆的阻水缓冲层与波纹铝护套紧密接触处存在容性电流集中；过盈配合状态下，容性电流不会造成明显温升；然而若存在轴向接触不良，容性电流集中于紧密接触位置流通，将导致该处缓冲层局部发热；在受潮情况下温升加剧。

（5）金布设计缺陷

个别电缆设计结构中带有金布，金布多由铜丝与纤维混合编织而成，编织布多采用半导电尼龙纤维或不导电的纤维带。目前由于金布尚无国家标准、行业标准进行产品规范，电缆厂家多采用企业技术规范标定产品质量。多数厂家仅规定铜丝直径、铜丝编织密度，由于成本控制，铜丝直径过小，忽略编织纤维导电性、厚度等参数，继而出现绝缘编织纤维阻断铜丝与半导电层、铝护套接触途径，造成金属悬浮电位，甚至缓冲层放电。当铜丝纤维编织布厚度较铜丝直径大，铜丝难以良好接触缓冲层及铝护套，运行时可能存在悬浮电位造成放电。

3 含白斑缺陷缓冲层样本试验

相对于正常情况，白斑的产生导致缓冲层与铝护套之间的接触状态发生变化，而由于缓冲层位于铝护套内部，在不破坏铝护套结构的前提下，无法得到白色粉末形成的具体情况。因此，根据白色粉末组成成分以及缺陷情况下缓冲层和铝护套之间的接触状态变化，使用铝护套和缓冲层样本设计并进行了放电模拟实验。

放电模拟实验的接线示意图如图3 所示，该实验装置由铝护套、缓冲层样本、铝板以及白色粉末组成。其中铝护套和缓冲层的长度均为4 个铝护套螺纹节距。首先将缓冲层放置在铝板上，然后在缓冲层表面设置4 个白色粉末（主要成分为Na2CO3）区域，白色粉末区域如图4 所示，该区域中白色粉末的厚度约为1 mm，再然后将铝护套放置在白色粉末区域的上方，并将交流电压源的高压侧与铝护套相连接，最后将底部的铝板与交流电压源的接地侧相连接。

图3 第一组放电模拟实验接

图4 白色粉末区域

在这种布置方式下，能够对缓冲层和铝护套之间的接触面进行直接观察，能更好地掌握缓冲层和铝护套之间的放电情况。在实验中，以0.1 kV／s的升压速度使实验电压在0～2 kV范围内变化。当实验电压达到2 kV时，保持此电压3 min。在升压过程中观察缓冲层和铝护套之间的放电情况，放电模拟实验结束后，铝护套和缓冲层的表面形貌如图5 所示。

图5 铝护套和缓冲层表面形貌

4 电缆分压模型

基于上述分析，为了研究缓冲层缺陷对高压XLPE电缆的影响，本文以单个铝护套螺距长度的电缆作为最小单元，将电缆划分为若干个长度相等的单元，进而建立了电缆分压模型，如图6 所示。图中，C 区域为单个最小单元的等效模型，A 区域表示正常区域的缓冲层等效支路，B区域表示缺陷区域的缓冲层等效支路。

图6 电缆分压模型示意图

在模型中，R1为导体屏蔽层的径向电阻，R2为导体屏蔽层的轴向电阻，C1为绝缘层的等效电容，R3为绝缘外屏蔽层的轴向电阻，R4为绝缘外屏蔽层的径向电阻，R5为缓冲层的轴向电阻，R6为缓冲层的径向电阻，Cx为缓冲层表面白色物质的等效电容，Ca为缺陷处空气间隙的等效电容。

根据模型，当缓冲层与铝护套之间的接触面完全被白色物质占据后，绝缘外屏蔽层与铝护套之间的电气连接会被破坏，缓冲层与铝护套之间的电场强度会增大，由于缓冲层是蓬松型结构，其内部间隙存在空气，所以在底部区域极有可能会发生空气放电现象。当空气放电现象发生时，电缆底部区域的缓冲层和绝缘外屏蔽层均可能被空气放电损伤。

5 金属护层与缓冲层放电引起的烧蚀研究

当出现白斑缺陷时，缓冲层的导电性能将下降，而未出现白斑的缓冲层由于自身材料疏松多孔的特性，会在护套与外屏蔽层之间形成微小气隙，其微观结构如图7（a）所示。将该结构理想化为：以白斑及微小气隙为介质的两平行板电极，如图7（b）所示，该理想结构在交流电场下的放电现象可利用图7（c）所示的等效电路进行分析。

图7 含白斑缓冲层微观结构等效示意图

图7（b）中，U 为两极板间电压，δ为微小气隙的厚度，d为极板间介质总厚度，图7（c）中，CX为白斑缺陷的等效电容，Cg、Rg为微小气隙的电阻和电容，CL和RL为与气隙串联部分的电阻和电容。

由于气隙放电是一个瞬间过程，约为10－8～10－7s，放电电流相当于一个频率很高的脉冲信号，因此等效电路中的Rg和RL均可以忽略，只需考虑电容对电路的影响，故放电过程中的白斑缺陷等效电路可简化为一个由3 个电容组成的电路模型，该电路模型在放电瞬间的等值回路如图8 所示。

图8 放电过程中的等效电

放电瞬间等值回路如图9 所示，图中，r为放电通道电阻，ir为放电通道电阻上流过的电流，ig为气隙放电电流。假设Ucr是临界放电电压，当两端Cg电压上升至Ucr时，缓冲层间的气隙被击穿而发生电火花放电，Cg两端的电压低于熄灭电压Ue时，气隙不再放电，气隙两端的电压在放电过程中降低了ΔU ＝Ucr－Ue。因此白斑等效电容Cg需为CL、CX补充电荷，在此过程中，可得到如下方程：

图9 放电瞬间等值回路

上式中ug为气隙等效电容两端的电压，联立式（1）～（4），可以推出气隙实际放电电荷的表达式为：

由于实际的放电量难以通过实验测量得到，因此可以通过研究视在放电量来对放电情况进行表征：

据式（6）可知，放电过程中的实际放电电量与视在放电电量呈正相关，则三电容模型中，微小气隙的视在放电电量可由下式表示：

式中：Ucr为气隙的临界击穿电压；εg和εL分别为气隙和与气隙串联部分介质的介电常数；φ取0.1～0.8，这是由于当气隙面积较大时，放电仅在气隙的一部分中进行；A为气隙面积；d 为完整介质的厚度；δ为气隙厚度。

通过以上研究对影响放电的因素进行分析可得：（1）随着金属护套与缓冲层间的气隙面积增大，实际放电量将增大；（2）若气隙周围能够形成导电层或半导电层，实际放电量将减小，若电气连接状况良好，气隙间将不会放电；（3）当气隙周围的电场较大时，将导致φ升高，增大放电面积，使得总放电量上升；（4）当气隙的临界击穿电压Ucr较大时，放电量也将增大。