高压电缆缓冲层烧蚀的成因分析_严有祥.pdf

高压电缆缓冲层烧蚀的成因分析严有祥1，徐子峻1，尤天鹏2，周文俊2，林智雄1，刘彦琴3（1.国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建 厦门361000；2.武汉大学电气与自动化学院，武汉430072；3.国网四川省电力公司成都供电公司，成都610041）摘要：在近10年全国的电缆事故中已发现大量的缓冲层烧蚀问题，为探索烧蚀产生因素，文中基于压力的影响建立了数学模型，考虑水汽的渗入对模型的影响，并对多组产生缓冲层现象的电缆进行了分析。计算和仿真结果表明，电缆阻水带因电缆绝缘本体重力和电缆敷设过程中的外力影响，会在1 mm2接触点上产生3.75 A的集中电流，使得在阻水带和铝套接触处温度升高到176，而铝和聚丙烯酸钠在80 时会发生反应生成氧化铝粉末，产生阻水带上的“白斑”；而绝缘屏蔽层上相同的电流长时间作用，则会引起绝缘屏蔽的老化。关键词：电力电缆；缓冲层；烧蚀；水解反应Cause Analysis of Buffer Layer Ablation in High Voltage CableYAN Youxiang1，XU Zijun1，YOU Tianpeng2，ZHOU Wenjun2，LIN Zhixiong1，LIU Yanqin3（1.Xiamen Power Supply Company State Grid Fujian Electric Power Company，Fujian Xiamen 361000，China；2.School of ElectricalEngineering and Automation，Wuhan University，Wuhan 430072，China；3.Chengdu Power Supply CompanyState Grid Sichan Electric Power Company，Chengdu 610041，China）Abstract:A large number of buffer layer ablation problems have been found in the accidents of cable in China in recent 10 years.In order to explore the factors that cause ablation,a mathematical model is set up based on the influence of pressure.The influence of of water vapor infiltration on the model is considered and the multiple sets of cables causing buffer layer phenomenon is analyzed.The calculation and simulation results show that the water blockingtape of the cable can,due to the influence of the gravity of cable insulation proper and the external force during thelaying process，generate a concentrated current of 3.75 A at 1 mm2contact point，causing the temperature at the contact point between the water blocking tape and the aluminum sheath to rise up to 176.While,the aluminum and sodium polyacrylate will react at 80 to generate alumina powder,resulting in“white spots”on the water blocking tape.The long term operation of the same current on the insulation shield layer can lead to the insulation shield aging.Key words:power cable；buffer layer；ablation；hydrolysis reaction0引言在高压电缆本体上发生故障案例解析中发现，电缆本体缓冲层表面出现大量烧伤和放电痕迹，这种现象严重影响运行，甚至引起电缆击穿现象1-2，见图1。但是在高压电缆缓冲层发生烧蚀和出现放电痕迹时，很多时候用局放仪是监测不到该现象发生的，各种其他的如耐压手段也都难以监测到该缺陷3-4。图1电缆缓冲层烧蚀现象Fig.1Ablation of cable buffer layer第59卷第2期：018401892023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01840189Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.025_收稿日期：20220513；修回日期：20220717基金项目：国家电网厦门供电公司科技项目(高压电缆缓冲层烧蚀机理研究)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Xiamen Power Supply Company(Study on Ablation Mechanismof Highvoltage Cable Buffer Layer).据调查3，5，2010年至2019年之间，北京地区共发生110 kV及以上电压等级电缆故障共计11起，其中电缆缓冲层烧蚀引发故障6起，施工、外力破坏等机械性损伤引发故障3起；交叉互联线被盗割引发故障1起；外护套破损、金属护套多点接地引发故障1起，电缆缓冲层烧蚀引发故障占比54.5%。对北京、成都、厦门、广州等地的故障电缆进行实地检测和解剖研究，发现在役电缆发生轻微烧蚀现象和退役电缆发生严重烧蚀现象的地方都存在不同程度的铝护套形变6-8。形变分为两种：一种是电缆两端支架过长产生的电缆中间部分向下弯曲；另一种为在电缆敷设中，因人员操作问题产生电缆本体某处向内凹陷的缺陷。为了研究这种变化对电缆的影响，文中通过几组仿真试验和在役电缆检测，对烧蚀点进行了分析，并寻找其中的规律。查找相关资料显示4，9，在不考虑电缆缓冲层散热情况下，且电缆运行在最大过电压下时，文5分析了缓冲层阻水粉(聚丙烯酸钠)的物理与化学特性，但是并未阐述出阻水粉与缓冲层烧蚀的关系。文中针对电缆缓冲层进行了分析，提出了电缆弯曲对缓冲层产生的压力模型，通过计算与试验的方法，验证了电缆弯曲是产生缓冲层烧蚀的可能因素之一。1高压电缆缓冲层材料特性高压交联聚乙烯电缆皱纹铝套与电缆屏蔽层之间的缓冲层是电缆的重要组成部分，对电缆的机械、热性能具有重要的影响10，电缆缓冲层一般结构见图2。图2高压电缆缓冲层的一般结构Fig.2General structure of high voltage cable缓冲层是起缓冲绝缘热胀冷缩引起的应力和防止水沿电缆轴向进入的作用。同时也保证绝缘屏蔽层与金属层之间有良好的电气接触，从而延长电缆的使用寿命。电缆缓冲层是由两层填充着导电炭黑的聚丙烯纤维的无纺布且之间均匀分布一层阻水粉(聚丙烯酸钠)6，11而形成。其中，聚丙烯酸钠是一种化学试剂，因其本身的性质，能吸收比自身体积成百上千倍的水分子，吸水后形成一种凝胶状物体，并且它具有不可逆性5，当其膨胀以后，不能用常规的方法将其再次干燥。聚丙烯酸钠有其自身的缺陷，它会和二价的金属离子发生反应，形成不溶性盐，引起分子交联而凝胶沉淀。当聚丙烯酸钠、少量水汽和纯铝、CO2共同存在时，若温度达到80 4，就会发生水解反应，生成一种白色粉末(Al2O3)。2缓冲层模型计算2.1气隙上的电容电流根据电缆横截面的结构特性，在绝热的条件下，能够将电缆的机械结构转化成电路结构，见图3。图3电缆电路结构Fig.3Cable circuit structure其中缓冲层对应的阻性原件R1元件，气隙对应的为柔性元件电容C1。在运行中，电流会使电阻发热。依据C1的移动距离等效成电容量的变化，从而引起电流的变化，缓冲层上的电流为：WC1=qC1(t)22C1(1)UC1(t)=12qC1(t)2C1qC1(t)=WC1qC1(t)(2)IC1(t)=WC13tUC1(3)式(1)-(3)中：WC1为缓冲层等效电容所吸收的能量；qC1(t)为流过缓冲层的电荷；C1为气隙的等效电容；IC1是气隙上的电流，由于是串联关系，所以它也是缓冲层上的电流，但相位有所不同；UC1(t)为气隙上的电压；t为缓冲层流过电流的时间。根据麦克斯韦原理和缓冲层分布的电压，可以分析出一个金属铝护套波峰内部的电荷全部从一个接触点流出的电技术讨论严有祥，徐子峻，尤天鹏，等.高压电缆缓冲层烧蚀的成因分析 1852023年2月第59卷第2期流数值12-13。计算出平均分布在单位电缆的电荷量为：SDds=q0(4)s=2(r12-r22)1(5)D=E(6)式(4)-(6)中：假设在缓冲层中均匀分布的电场E；电场内部的电位移密度D；r1为电缆中心到绝缘屏蔽层的距离3 cm；r2为电缆中心到缓冲层的距离3.2 cm；s为单位缓冲层体积；q0为电荷量；为介电常数7，其数值等于3.74。根据计算结果得出：q0=4.8 C。从缓冲层周围的铝护套流出的电流(A)为I1=q0r12s1=3.75(7)式(7)中，s1为铝护套与缓冲层的接触面积。2.2缓冲层的电阻缓冲层的体积电阻率根据GB/T 3048.32007标准中规定其计算式为Pv=UWdIL(8)式(8)中：Pv为体积电阻率，cm3；U为电压的平均读数，V；W为样品宽度，cm；d为样品的厚度，cm；I(当运行时，=|IC1(t)=WC1tUC1)是电流的平均值，A；L是两个电极之间的距离，cm。查表可得9：电压为63.5 kV，样品宽度为10 cm，样品厚度0.2 cm，平均电流为500 A，两个电极间的距离16 cm，代入式(8)可得，体积电阻率为15.875 cm3。单位长度(用于110kV)缓冲层体积电阻为14-15Rt=PvV/S(9)式(9)中：V为单位长度(一个波峰)电缆内部缓冲层体积；S为单位长度电缆内部缓冲层面积。根据上述计算结果可得，1 mm3电缆内部缓冲层体积电阻为3.175。3电缆曲率对金属套的影响在电缆正常运行的过程中，因为未曾考虑重心和绝缘线心的位置，所以电缆由于自身重力和两端支撑架的关系导致电缆两个支架中间的部分向下弯曲。向下弯曲的电缆使得缓冲层横截面由一个个同心圆变成一个个椭圆，将圆心的位置偏移至椭圆的两个焦点上，电缆本体的磁场发生偏移，使得电缆缓冲层上的磁通量大大增加。电缆本体进行弯曲，导致缓冲层受到铝套挤压处接触电阻大大减小，会使周围空间存在的电荷全部向该点流入，也会使得该点温度升高。根据曲率公式，假设一根L米长的电缆，两端固定，中间部分受到重力作用向下弯曲高度为N(m)见图4。图4电缆弯曲分析示意图Fig.4Schematic diagram of cable bending analysis电缆的曲率为：2r180Lcos=r-Nr(10)x2+y2=r2K=1x2+y2=1r(11)=2LK(12)式(10)-(12)中：r为曲率圆半径；为曲率圆半径与垂直方向的夹角；L为电缆长度；N为电缆凹陷深度；x为电缆端点至中点的长度；y为电缆半径与电缆形变后垂直高度的差；K为曲率。假设电缆本体的重量均匀分布单位长度重量为W(kg)，电缆形变点的压力为G=LW2rsin(13)一般电缆厂和DL/T 52212016规定皱纹铝套电缆的侧