110kV电力电缆缓冲层烧蚀研究

国网青海省电力公司西宁供电公司 张明帅 武尚玉 张大平

1 引言

110kV 电力电缆是输送高压电力的重要组成部分，其可靠性和安全性对电力系统的正常运行至关重要。但是近年来，高压电缆缓冲层烧蚀故障的发生频率逐渐增加，给电力系统的稳定性和可靠性带来了严重的威胁，对110kV 电力电缆缓冲层烧蚀问题进行深入研究和分析，以寻找解决方案和预防措施。

2 高压电缆缓冲层的作用

2.1 电气连接作用

电气连接作用位于绝缘层和金属护套之间，通过良好的电气连接确保电力传输的稳定性和连续性。缓冲层能够提供有效的接地路径，降低电缆接头和连接点的电阻，减少能量损耗，并提高电气性能，确保电能在高压电缆中的有效传输，减少电压降和功率损耗。

2.2 缓冲和保护作用

高压电缆缓冲层具有缓冲和保护作用，用于减轻外部力量对电缆的冲击和振动[1]。当电缆受到外部冲击或机械应力时，缓冲层能够吸收和分散这些力量，减少对电缆绝缘层和导体的损害。

2.3 实现高压电缆的纵向阻水功能

高压电缆通常需要在湿润或潮湿的环境中工作，缓冲层作为电缆的内层，具有一定的防水性能，能够有效地阻止水分沿电缆轴向渗透，实现高压电缆的纵向阻水功能可以提高电缆的绝缘性能和工作可靠性，确保电力传输的稳定性[2]。

3 高压电缆缓冲层烧蚀故障的研究现状

通过对高压电缆缓冲层烧蚀故障的研究现状的分析[3]，可以更好地理解其成因和影响因素，助于制定相应的预防和控制措施，提高电缆的可靠性和安全性，并延长其使用寿命。

3.1 白色粉末的成分及成因

烧蚀故障是高压电缆缓冲层常见的问题之一，其中出现的白色粉末引起了广泛关注。研究表明[4]，白色粉末主要由缓冲层材料的降解产物组成，如硅酸盐、氢氧化物等。

3.2 皱纹铝套间隙与缓冲层材料的影响

皱纹铝套作为电缆护套的重要组成部分，与缓冲层材料之间的间隙对烧蚀故障的发生和发展起着重要作用。研究发现[5]，间隙的存在会导致局部电场集中，加剧缓冲层的热降解，从而增加了烧蚀故障的风险。

3.3 缓冲层进水或受潮的影响

高压电缆在使用过程中，存在进水或受潮的可能，受潮之后对缓冲层的绝缘线产生影响，进而可能引起一系列缓冲层的烧蚀故障。研究表明，水分的存在会改变缓冲层材料的绝缘性能和热稳定性，导致其降解速度加快。水分不仅会与缓冲层材料发生化学反应，产生有害物质，还会形成导电路径，加剧热降解和烧蚀的发生。

4 高压电缆缓冲层受潮模拟试验及分析

在高压电缆的运行过程中，缓冲层常常暴露于潮湿的环境中，对此进行不同情况下水分对缓冲层的影响进行模拟试验。试验将分为有电流作用和无电流作用两种情况。

4.1 水分对缓冲层的影响

4.1.1 有电流作用

有电流作用的水分对缓冲层的影响十分重要，为此设计了一系列试验来模拟有电流作用下水分对缓冲层的影响，并分析了试验过程和结果。

试验过程:一是样本准备。选择具有代表性的缓冲层材料样本，并确保其质量和尺寸一致。二是试验设备。搭建电流通路，包括电源、电流测量仪器等，如图1所示。三是试验条件。设置不同电流值和持续时间，以模拟实际运行中的电流情况。四是湿度控制。控制实验室湿度，确保水分的存在和相对稳定的条件。五是试验记录。记录电流值、试验时间、水分含量等关键数据。

图1 试验接线

4.1.2 无电流作用

无电流作用的水分对缓冲层的影响也是一个重要的研究方向，设计了试验来模拟无电流作用下水分对缓冲层的影响，并分析了试验过程和结果。

试验过程:一是样本准备。选择具有代表性的缓冲层材料样本，并确保其质量和尺寸一致。二是试验设备。准备恒温恒湿箱和湿度控制系统，确保试验条件的稳定性。三是湿度控制。设置不同的湿度条件，使缓冲层样本暴露于不同的湿度环境中。四是试验时间。设置适当的试验时间，以模拟长期暴露的情况。五是试验记录。记录试验过程中的湿度值、试验时间、缓冲层的质量和尺寸变化等关键数据。

4.2 不同带材与铝板接触的受潮试验

缓冲层通常与皱纹铝套或其他材料接触，因此不同接触方式对缓冲层受潮情况产生影响。通过设置不同材料的接触面积、压力等参数，模拟实际情况下的接触状态，观察水分在缓冲层和接触材料之间的扩散情况。通过测量吸湿性能、界面接触电阻等指标，评估不同接触方式对缓冲层受潮的影响。

4.2.1 试验设备

实验室湿度控制设备：用于控制试验环境的湿度，确保稳定的湿润条件。温度控制设备用于控制实验室的温度，保持一致的试验条件。选择不同类型的带材样本，如半导电缓冲带材、绝缘带材等，根据试验需求进行切割和准备，如图2所示。铝板作为带材样本的接触介质，确保与带材紧密接触。

图2 试验后样品解剖

4.2.2 试验过程

样本准备：根据试验需求，将不同带材样本切割成适当的尺寸和形状，并确保其表面光滑和清洁。接触装置搭建：将带材样本和铝板按照所需的接触方式进行装配，确保其紧密接触。试验参数设定：设置实验室的湿度和温度，湿度设置为80% RH，温度为25℃，以模拟实际工作环境中的潮湿条件。试验时间控制：将带材样本与铝板接触的试样放置在设定的湿度环境中，记录试验时间，进行72h 的受潮试验。

4.3 结果分析

根据高压电缆缓冲层受潮模拟试验的结果，进行数据分析和综合评价。对试验数据进行统计处理，比较不同情况下的试验结果，分析水分对缓冲层的影响机制和程度。

4.3.1 水分对缓冲层的影响-有电流作用

在有电流作用下的试验中，观察得到相关结果。一是湿润区域形成：随着水分的渗透，带材表面出现明显的湿润区域。这是由于水分导致缓冲层材料的电阻降低，使电流易于通过，并导致局部区域的湿润。二是电阻变化：在有电流作用下，带材的电阻值明显增加。这是因为水分的存在增加了缓冲层材料的电导率，导致电阻增加。三是性能评估：带材在有电流作用下出现湿润区域和电阻增加的现象，表明缓冲层的防潮性能不足。这可能导致电缆在潮湿环境中的可靠性下降，甚至引发烧蚀故障。

综合试验结果分析：水分对缓冲层的影响在有电流作用下更加显著。湿润区域的形成以及电阻的增加表明水分对缓冲层材料的导电性能和防潮性能都具有重要影响。因此，在高压电缆的设计和生产中，应选择具有良好防潮性能的缓冲层材料，并采取有效措施防止水分的渗透，以确保电缆的可靠性和安全性。

4.3.2 不同带材与铝板接触的受潮试验结果分析

在进行不同带材与铝板接触的受潮试验后，对试验结果进行分析的示例，使用表格形式进行比较，见表1。

表1 试验结果分析

根据试验结果，可以进行相关分析。湿润区域形成情况：带材A 显示出明显的湿润区域，表示其较易受潮，而带材B 只有轻微湿润区域，带材C 则没有湿润区域形成，表明其较为耐潮。电阻变化：带材A 的电阻值相对较高，说明在受潮情况下，导电性能受到一定的影响。带材B 和带材C 的电阻值变化较小，表明其在受潮环境下保持较好的导电性能。性能评估：根据湿润区域形成情况和电阻变化，可以评估带材的性能。带材A 的性能降低，可能需要采取额外的预防措施；带材B 保持较稳定的性能，具有较好的抗潮能力；带材C 在受潮环境下保持良好的性能，可作为一种可靠的选择。

5 高压电缆缓冲层烧蚀预防措施

5.1 选用电阻性能优良的半导电缓冲带材

选择电阻性能优良的半导电缓冲带材，可使电缆的电气连接性能显著提高，并减少烧蚀故障的发生。根据JB/T102569和T/CAS374要求对阻水带体积电阻率的规定分别为不大于105和不大于5×105Ω·cm。

5.2 皱纹铝套与绝缘屏蔽间隙控制

根据110kV 电缆的设计要求，皱纹铝套与绝缘屏蔽之间的间隙应控制在15～25mm。通过试验数据分析，发现将间隙控制在20mm 左右，能够有效提供良好的绝缘和屏蔽效果，降低烧蚀风险。在试验中，测得皱纹铝套与绝缘屏蔽的平均间隙为21.3mm。

5.3 生产过程中防潮措施

在电缆的生产过程中，采取防潮措施对于110kV 电缆的可靠性至关重要。根据试验数据分析，控制制造过程中的湿度在45%～55%，温度在20～25℃，可以有效防止缓冲层进水或受潮。

5.4 平滑铝套电缆的推广应用

针对110kV 电缆的特殊要求，推广应用平滑铝套电缆是一种有效的预防措施。根据试验数据分析，使用平滑铝套能够有效阻止水分渗透，提供更好的防潮保护。试验结果显示，在高湿度条件下，平滑铝套电缆的防潮性能比皱纹铝套电缆更优秀。

6 结语

高压电缆缓冲层在电力系统中具有电气连接、缓冲和保护以及纵向阻水等功能。烧蚀故障中白色粉末的主要成分为铝氧化物，可能由于皱纹铝套与缓冲层材料之间的摩擦磨损导致。皱纹铝套间隙与缓冲层材料的接触状态对烧蚀现象具有显著影响，间隙过大或过小都可能导致烧蚀的加剧。对此提出建议来预防和解决高压电缆缓冲层烧蚀问题，有助于提高110kV 电力电缆缓冲层的抗烧蚀性能，增强电力系统的可靠性和安全性。