高压电缆缓冲层交、直流电阻测试与绝缘屏蔽烧伤研究

刘晓东，刘培镇

（广州南洋电缆有限公司，广州 511356）

0 引言

高压电缆凭借其良好的电气性能，广泛应用于电力系统之中[1-2]。电缆的缓冲层位于绝缘屏蔽层与金属护套之间，对电缆电气与绝缘性能的稳定发挥着重要作用[3-4]。

由于电力电缆普遍敷设于地下，因此电缆内部容易受到水分的侵袭，水分的进入可能会导致电缆的主绝缘内部出现水树，这将加速绝缘的老化[5]。针对这种情况，电缆内部应当设计相应的阻水结构。在电缆的阻水结构中，半导电缓冲阻水带（简称“缓冲层”）发挥了重要的阻水作用。但是，调研发现，有大量的电缆本体故障是因为缓冲层烧蚀引起的[6-7]。针对这种情况，许多学者从缓冲层的间隙特征[8]、缓冲层的结构与性能[9]以及相关理化分析[10]等方面，对缓冲层的烧蚀现象进行了分析与研究，但目前暂无完善的理论对此现象的机理进行系统解释，所以对电缆线路的正常运行留下了隐患。

基于上述问题，本文从缓冲层电阻特性的角度出发，对故障和正常情况下的缓冲层交、直流电阻变化规律进行了研究。通过对故障电缆进行解剖，对故障现象进行了观察与分析。此外，本文设计了相关试验，测量了电缆缓冲层的交、直流电阻，并对正常与故障电缆的电阻数据进行了对比与分析。试验数据和相关分析能为评估电缆绝缘屏蔽烧伤的原因提供参考。

1 电缆结构和故障现象

1.1 电缆结构

电缆结构如表1 所示；示意图如表2所示。

表1 电缆结构

图1 电缆结构示意图

1.2 故障现象

在对故障电缆进行解剖的过程中，发现了以下现象：

（1）将电缆的缆芯从铝护套中抽出，观察发现，半导电缓冲层阻水带表面有阻水粉析出，且半导电缓冲阻水带表面存在烧蚀痕迹，如图2（a）所示；

（2）铝护套内表面存在烧蚀痕迹，烧蚀位置均位于铝护套波谷处，如图2（b）所示，此外，铝护套内表面的烧蚀位置与缓冲层的烧蚀位置相对应；

（3）拆下半导电缓冲阻水带，在与缓冲层烧蚀痕迹对应的位置处，绝缘屏蔽层的表面也存在烧蚀痕迹，如图2（c）所示。

图2 电缆缓冲层间烧伤

2 试验装置与方法

为了掌握在不同情况下电缆缓冲层交、直流电阻的变化情况，设计并实施了如图3所示的电阻测量试验。试验设备主要包含：TDGC2-0.5K 调压变压器、电力测量分析仪HIOKI 3196、单相交流数显智能电流电压组合表和UT208 数字钳式万用表。各设备的参数如下所述：TDGC2-0.5K调压变压器的输出电压为AC 0～250 V，输出电流为AC 0～2 A，工作频率为50 Hz；单相交流数显智能电流电压组合表的电压测量范围为AC 0～500.0 V，电流测量范围为AC 0～5.000 A，精度等级为0.5级。

在测量交流电阻的试验中，由调压变压器的输出端引出2个电极，并将2个电极分别与铝护套和绝缘屏蔽层相连接，单相交流数显智能电流电压组合表和电力测量分析仪的电压端子并联在铝护套与绝缘屏蔽层上，电流端子串联在试验回路中。在试验中，记录的数据包括电极两端的电压U，回路的电流I 以及功率W。则交流电阻可由计算公式R=P/ I2计算，回路的功率因数可由计算公式cosφ=P/(U·I)计算。

在测量直流电阻的试验中，将电压表调至电阻测量档，万用表的两极分别接在铝护套和绝缘屏蔽层上，万用表的读数则为缓冲层的直流电阻。

图3 试验装置回路

图4 日本HIOKI 公司3196电力测量分析仪

3 试验数据测试依据说明

本文的试验数据由日本HIOKI公司的3196 电力测量分析仪测得，通过交流电阻（阻抗）的计算公式计算得出。如图4所示，3196 电力测量分析仪广泛应用于电气试验室的测试项目，可测量交流电压、交流电流、有功/无功/视在功率、功率因数、有效功率量、无效功率量、频率、谐波等电气数据，依据的电力测量质量标准为IEEE 1159。

此外，在试验中，通过添加单相交流数显智能电流电压组合表，实现对试验数据的双路测量，确保试验数据的准确性，并通过对2种设备测量结果取平均值的方式，减小试验数据的误差。

4 试验结果与分析

在测量故障电缆的交、直流电阻的试验中，制作了4 段故障电缆试样，其长度均为1 m。其中，试样1、2、3中只有半导电缓冲阻水带缠绕在绝缘屏蔽表面，而试样4中的半导电缓冲阻水带表面还缠绕有金布。试验数据如表2～3所示。

表2 故障电缆绝缘屏蔽与铝套之间交直流电阻测试数据

表3 故障电缆施加电压前后的实测直流电阻

在调节调压变压器的输出电压过程中有如下现象发生：

（1）试样1 电流升到400 mA时开始出现泄漏电流，并伴有白烟和焦烧味；

（2）试样2电流升到300 mA时开始出现泄漏电流；

（3）试样3 电流升到290 mA时开始出现泄漏电流，并伴有白烟和焦烧味。

故障电缆试样缓冲层交流电阻的变化趋势如图5所示。

图5 故障电缆交流电阻变化曲线图

从故障电缆交、直流电阻测量试验的现象和数据可得出以下结论。

（1） 对于电缆试样1、2 和3（只含有半导电缓冲阻水带） 而言，绝缘屏蔽层与铝护套之间的交流电阻均大于200 Ω，而对于故障电缆试样4（含有半导电缓冲阻水带和金布）而言，其交流电阻要小于前3个电缆试样，说明金布的存在能使绝缘屏蔽层与铝护套之间的接触状态更加良好。

（2）绝缘屏蔽层与铝护套之间的交流电阻会随着承受电压的增大而减小，结合试验中出现白烟和烧焦气味的现象，推测该现象出现的可能是因为绝缘屏蔽层与铝护套之间的电压过大，导致了二者之间电场强度超过空气的击穿场强，进而引发了空气放电现象，空气放电现象会导致缓冲层局部温度升高。此外，电压的增大引起电流的增大，这导致缓冲层与铝护套接触位置发热量的增大，进而引起缓冲层局部温度升高。局部温度升高使缓冲层受热膨胀，此时缓冲层与铝护套之间的接触会更加紧密，所以，交流电阻会出现减小现象。

（3）施加电压后，直流电阻的测量结果出现了明显变小的现象，原因是在施加交流电压时，局部温度升高，使得缓冲层与铝护套之间的接触状态变得更加良好，所以，再次对直流电阻测量时，直流电阻会出现减小现象。

在测量正常电缆的交直流电阻时，制作了3根长度为1 m的正常电缆试样，规格均为630 mm2、额定电压为64/110 kV。试样1 绕包半导电缓冲阻水带后外径与铝套内径之间存在2 mm 的间隙，接触不良；试样2 绕包半导电缓冲阻水带后外径与铝套接触较紧密，无间隙；试样3绕包半导电缓冲阻水带后外径大于铝套内径2 mm。试验数据及曲线图如表4～5和图6所示。

表4 正常电缆绝缘屏蔽与铝套之间交直流电阻测试数据

由正常电缆试样的试验数据可知，正常电缆试样的交、直流电阻测量结果的变化规律与故障电流试样的变化规律相似。但是，正常电缆试样的交、直流电阻远小于故障电缆；缓冲层与铝护套之间的间隙越大，交、直流电阻的测量结果均越大。

图6 正常无问题电缆交流电阻变化曲线图

表5 正常电缆施加电压前后的实测直流电阻

5 结束语

通过本文的研究，得到以下参考结论：

（1）当电缆发生缓冲层缺陷时，缓冲层的交、直流电阻均会增大；

（2）在绝缘屏蔽层与铝护套之间施加过大的电压，可能会导致缓冲层局部过热和放电现象的发生，此过程会使缓冲层的交、直流电阻变小，但可能会损伤绝缘屏蔽层、缓冲层和铝护套；

（3）对于相同规格的电缆而言，电缆缓冲层与铝护套之间的间隙越大，绝缘屏蔽层与铝护套之间的交、直流电阻均越大；在设计电缆时，应适当增加缓冲层的厚度，以减小因交、直流电阻过大对电缆正常运行造成的影响。