半导电缓冲阻水带与铝护套接触形成白斑的实验*

卞佳音，单鲁平，徐研，刘晓东，刘培镇，唐文川，何亚忠

（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510620；2.广州南洋电缆集团有限公司，广州 511356）

0 引言

近年来，在我国经济快速发展和城市化进程不断加快的情况下，城市电网对电能需求量和电能质量提出了越来越高的要求［1］。截止2020年底，南方电网公司辖区的110 kV及以上电压等级的电力电缆长度已超过5 000 km；国家电网公司辖区的110kV及以上电压等级的电力电缆总长度已超过27 099 km［2］。

交联聚乙烯绝缘电力电缆由于具有结构简单、耐高温、负载能力强等优点，被广泛应用于配电网输电等领域［3］。高压、超高压电力电缆一般采用电缆沟地下敷设，一旦电缆出现故障，查找故障点和维护都比较麻烦。因此应确保电缆安全、可靠地运行，减少不必要的维护成本，稳定供电质量。

国内的电力电缆技术起源于国内日本合资技术，因此在早前的高压电力电缆半导电缓冲阻水层都绕包有金布，由于各种原因此种结构已逐渐成为交联聚乙烯电缆设计的历史。目前高压、超高压电力电缆缓冲层普遍直接绕包半导电缓冲阻水带材，交联聚乙烯绝缘电力电缆设计时的目标使用寿命为30年，但现在有很多起电缆本体击穿事故都是发生在只运行了几年、十几年的电缆。目前，全国各地报道了多起电缆缓冲层烧蚀缺陷事故［4］，导致电缆故障，严重时甚至可能引起绝缘击穿。电缆缓冲层烧蚀缺陷已经是电缆安全可靠运行的一个巨大威胁，影响电缆正常的使用寿命，一旦出现问题易引起供电大面积停电［5－6］。因此，有必要充分研究电缆缓冲层缺陷产生具体原因以及缓冲层缺陷产生的效率和影响因素，为后续优化和改进电缆工艺和结构提供一定的基础［7－8］。

1 实验方法与实验装置

1.1 实验设备

此次实验用到的主要设备有TDGC2－0.5K调压变压器，输出电压AC 0～250 V，输出电流AC 0～2 A，工作频率50 Hz；0.0～66.0 MΩ交直流数字钳形表。

1.2 实验设计

本实验使用的电路回路如图1所示，缓冲层一端和铝护套的对端分别接交流电源的两极，使用调压变压器在其两端施电压，根据欧姆定律可知缓冲层与铝护套之间将流过电流。

图1 实验电路回路

如图2所示，由于导电的铝护套的电阻明显小于半导电的缓冲层，即铝护套与缓冲层之间的接触电阻Ra远远小于缓冲层电阻Rb。因此电流主要将从最靠近缓冲层电极的铝护套波谷处集中流入铝护套，由此就可以探究集中的电流对缓冲层的烧蚀影响。使用数显电压电流表可以直接测得电极两端的电压和通过两极的电流［9］。

图2 电流主要通过第一个波谷处流入铝护套

电流不均匀的主要原因来自各接触点的电势不同，导致缓冲层与铝护套之间各接触处电流不均［10］。因此，为模拟缓冲层与铝护套之间良好的电气接触，需要调整下极板电极。在缓冲层下增加铝板，以铝板作为下电极进行实验，该改进后的等效电路如图3所示，由于缓冲层上各点为等电势，因此电流将均匀地从缓冲层流入铝护套。

图3 下垫铝板后电流将均匀流入铝护套

1.3 半导电缓冲阻水带材测量

半导电缓冲阻水带没有相应的国家标准对检测方法和检测要求作出详细的规定，直至2019年才有相应的团体标准发布和实施。对半导电缓冲阻水带材进行前期测量，表面电阻236Ω、20℃体积电阻率37Ω·m，符合T／CAS 374－2019中的要求［11］。

为了更好地模拟铝护套与缓冲层接触的情况，本实验事先制取了若干块长100 mm，宽20 mm的波纹铝板。实验过程中，在波纹铝板上放置20 g的重物，模拟在重力作用下铝护套部分压入缓冲层的情况。在实验前曾尝试将波纹铝板直接置于缓冲层之上，但波纹铝板过轻将使波纹铝板与缓冲层之间不完全接触，使实验数据存在较大的误差。

本实验研究的对象主要为集中的电流和潮湿环境对缓冲层烧蚀和结构缺陷生成的影响，因此设置了如表1所示的7组实验。通过控制变量，对不同组的结果进行对比，可以探究不同环境参数变化对缓冲层烧蚀和缺陷产生的影响。

表格1 实验分组情况

将波纹铝板放在干燥的半导电缓冲阻水带上，施加100 mA交流电流，一个下极加铝板一个下极不加铝板，分别记为实验样品1和实验样品2，实验样品3

则为干燥不加电流样品。将波纹铝板放在潮湿的半导电缓冲阻水带上。具体而言，通过向半导电缓冲阻水带中直接加入少量纯净水（分别为10 mL、5 mL），提高缓冲阻水带的含水率，以模拟在潮湿环境下半导电缓冲阻水带已吸水的情况。分别设置施加100 mA交流电流，记为实验样品4和实验样品5；不通电流的情况下，分别记为实验样品6和实验样品7。通过对比实验样品1、2与实验样品3的结果，可以探究集中电流单独作用对缓冲层烧蚀和白斑生成的影响，通过对比实验样品4、5、6和实验7可以探究潮湿环境单独作用对缓冲层烧蚀和白斑生成的影响。

2 结果与分析

2.1 干燥状态

施加电流中下极加铝板与不加铝板实验样品如图4所示。实验结果显示，实验样品1在施加100 mA电流72 h后波纹铝板波峰与半导电缓冲阻水带接触位置无明显肉眼可见的异常现象；而样品2同样是施加100 mA电流48 h后波纹铝板波峰与半导电缓冲阻水带接触位置就有如图5所示的电流烧蚀痕迹，该位置符合先前所预测的电流集中通过处，半导电缓冲阻水带对应位置出现灼伤后留下的洞眼。而半导电缓冲阻水带底下加铝板电极可以使得电流较均匀地通过缓冲层流向铝护套。

图4 施加电流中下极加铝板与不加铝板实验样品

图5 样品1烧蚀痕迹

另一方面，对实验样品3而言，波纹铝板放在干燥的半导电缓冲阻水带上不通电流，经历96 h的实验后结果如图6所示，在波纹铝板与缓冲层接触处未出现任何烧伤、腐蚀的痕迹。分析可知，集中的电流可导致波纹铝护套与缓冲阻水层之间发生局部过热，进而引起烧蚀。

图6 样品2未见异常

对比3个干燥环境下的实验结果可知，集中的电流会导致半导电缓冲阻水带与铝护套接触点发生电流烧蚀。此外，实验样品1、实验样品2和实验样品3中均未出现过往缓冲层烧蚀电缆中出现的白斑。分析认为原因可能是在干燥环境下波纹铝护套与缓冲阻水层间化学反应的速度十分缓慢，在有限的实验时间内反应产物的生成不明显。

2.2 潮湿状态

半导电缓冲阻水带极易吸收空气中的水分变得潮湿，为探究不同含水率对缓冲层烧蚀和白斑生成的影响，本次实验也模拟了半导电缓冲阻水带在不同含水率条件下与铝护套的白斑生成实验。首先对实验样品4注入10 mL纯净水，样品5注入5 mL纯净水，待阻水带全部吸收水分后施加100 mA的交流电流。5 min

后断电打开半导电缓冲阻水带与波纹铝板接触位置均已出现白斑，将半导电缓冲阻水带揭开下级铝板接触位置也同样有白斑现象生成，如图7所示。

图7 10 mL、5 mL均出现白斑现象

同样的，将样品6注入10 mL纯净水、样品7注入5 mL纯净水后放上波纹铝套，上面再压上200 g重物，自然放置。在静置15 h后波纹铝板与半导电缓冲阻水带接触位置也开始都出现如图8所示的发白现象，样品6和样品7生成白斑速率基本相同。由此可见，无论半导电缓冲阻水带含水率的大小，只要受潮了与铝护套接触都会出现白斑现象。白斑的生成不需要电流的参与，铝护套与受潮的半导电缓冲阻水带将缓慢生成白斑。

图8 不同含水率白斑形成

对比实验样品4和5与实验样品6和7可知，波纹铝护套与受潮的缓冲阻水层之间直接接触时在接触面上将产生电阻很大的白斑，波纹铝护套与半导电缓冲阻水带之间施加电流将显著提高白斑的生成速度。

用万用表电阻档位测量正常无白斑的波纹铝板的电阻，如图9所示，结果正常波纹铝板两相邻波谷的电阻为18.6Ω。而将万用表表笔一支放于实验波纹铝板无白斑位置，另一支放于实验中生成的白斑上，此时电阻值很大，已超出万用表电阻挡位最大量程。将万用表两只表笔同时放置于生成的白斑上，无论表笔放置距离的远近，测量电阻值均超仪表最大量程。

图9 白斑电阻测量

在电缆的实际运行中，金属护层与其下的半导电层需要有良好、均匀的电气接触。白斑的出现显然破坏了铝护套与半导电缓冲阻水层之间的电气接触，此外，部分区域高阻白斑的生成也会使电流于其他电气接触良好处集中，造成如实验样品2所示结果的烧蚀。

3 结束语

通过上述的白斑生成和缓冲层烧蚀影响因素探究实验可以得出以下结论。

（1）集中的电流将导致缓冲层与铝护套接触面发生局部过热，最终引起缓冲层烧蚀。

（2）在潮湿的半导电缓冲阻水带且有电流流过的情况下，电缆铝护套与半导电缓冲阻水带接触极易形成白斑，生成速度快。该白斑呈现高电阻状态，严重破坏了铝护套与半导电缓冲阻水层之间的良好电气接触。必将造成电流在其他部位的集中，同样将引起烧蚀。

（3）在潮湿但没有施加电流时，随着时间的推移，电缆护套与半导电缓冲阻水带接触位置也会形成白斑，含水率的大小对白斑形成速度影响不大。

基于本文研究的白斑生成与缓冲层烧蚀实验，针对后续相关研究做出如下展望：确定当波纹铝护套与缓冲阻水层之间某处白斑生成后，对同一电缆其他未生成白斑处流过电流大小的影响。