从电流集中角度探究高压电缆缓冲层烧蚀问题

刘英，陈佳美

（西安交通大学）

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.212028

近年来，高压交联聚乙烯电缆因具有机械性能优良、安装维护方便、绝缘性能优异等诸多优点而获得了广泛应用。国内乃至东南亚地区使用的高压 XLPE 电缆大都采用波纹铝护套结构，并在金属护套与绝缘线芯之间增设缓冲层。缓冲层常用半导电聚酯无纺纤维布构成的海绵状带材；阻水型缓冲层则由半导电无纺布和半导电蓬松棉、中间填涂一层阻水粉构成；若需增强缓冲层与铝护套间的电气接触，则在缓冲层外再绕包铜丝编织布（俗称金布）。缓冲层可吸收绝缘径向热膨胀，提供纵向阻水、隔热等保护功能，同时为绝缘屏蔽和金属护套提供良好的电气接触界面。

最近一段时间，浙江、江苏、上海、北京等地电网频繁发现高压电缆中阻水缓冲层烧蚀现象，日本、新加坡、澳大利亚等国也有类似事件报道。该类缺陷潜伏性高，目前尚无有效检测手段，且作用范围大，一旦出现无法局部修复，只能整段更换电缆，给电网运行安全带来了严重影响。因此，迫切需要查明故障原因，确定烧蚀机理，采取针对性预防措施。

为充分了解烧蚀故障的成因机理，对故障检测与预防提供理论与数据支撑，该文首先利用有限元软件对典型结构 110 kV XLPE 电缆建模进行电 - 热耦合仿真，讨论不同结构参数、运行条件及接触状态下，波纹铝护套结构中阻水缓冲层的电流集中分布以及所导致的局部温度升高。之后，搭建阻水缓冲层模拟烧蚀试验装置，在外加电流作用下，复现烧蚀现象的发生及发展过程，测量烧蚀点实际温度，并结合微观成像与理化分析等测试手段，探究烧蚀机理，分析关键因素。最终，通过缓冲带材耐热性能测试及与前述结果的对应性分析，有效验证了实际电缆线路中发生缓冲层局部热烧蚀的可能性，对于优化电缆结构、提高故障预防与检测能力，保障电网安全稳定运行具有重要意义。

以 YJLW03 64/110kV XLPE 电缆为对象，建立二维轴对称模型。电缆各结构层参数和尺寸、铝护套与缓冲层的过盈配合度均可调节，沿轴向的长度及波谷数量也可调节。考虑到实际波纹铝护套为具有规则节距和轧纹深度的螺旋状结构，模型中使用正弦函数进行拟合。

1）缓冲层与铝护套紧密接触

在铝护套与缓冲层过盈配合情况下，在绝缘屏蔽层及缓冲层中均出现了电流分布不均的现象，电流密度呈现周期性双驼峰分布，特别是在铝护套波谷与缓冲层交界位置，即图1(b)中箭头标示的 A 、 B 两点，电流密度急剧增大，峰值达到约448mA/m ² 。

图1  铝护套与缓冲层紧密接触时电缆的电流密度分布

对上述电缆模型进行电-热场仿真，发现 无论是受潮导致阻水缓冲层材料整体性能变化，还是铝护套波谷处生成白色物质，容性电流所产生的局部温升均未超过0.1℃。

2）缓冲层与铝护套接触不良时

当阻水缓冲层与铝护套接触不良时，电流分布如图2所示，图2中共包含9个波谷，但仅有中间1个良好接触，两侧其他波谷与缓冲层间存在0.1mm间隙。由于容性电流仅能通过接触点处的铝护套波谷流入大地， A 、 B 两点电流密度大大增加，达到2.26×10 ³ mA/m ² 。

图2  铝护套与缓冲层接触不良时电缆的电流密度分布

针对仅中间一个铝护套波谷与缓冲层接触的模型，增加铝护套与缓冲层的接触不良长度 L ，计算了缓冲层上的最大电流密度与局部温升，并调整缓冲层材料的电阻率及介电常数，对比了干燥与受潮2种情况下的结果，如图3所示。

图3  电流密度及温升随接触不良长度的变化曲线

在阻水缓冲层干燥时，即使存在一定轴向长度的铝护套与缓冲层接触不良，产生的局部温升仍然是较低的。但在缓冲层受潮后，相同条件下的温升明显增大，当铝护套与缓冲层接触不良长度达到1m时，仅局部集中容性电流产生的温升就超过了47℃；当接触不良长度达到3m时，该温升超过了324℃。此温度已经达到甚至超过了缓冲层蓬松面纤维材料的熔点，完全有可能引起缓冲层的热烧蚀。