高压电缆缓冲层烧蚀及白斑模拟试验研究.docxVIP

? ? 高压电缆缓冲层烧蚀及白斑模拟试验研究 ? ? 刘宏亮，刘若溪，陈平，任志刚，李华春，侯宇程，车瑶，王帅， 冯涛，李浩浩，李斌 (1.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100062；2.江苏上上电缆集团有限公司，江苏 溧阳 213300) 我国66 kV及以上电压等级的高压电缆大多采用半导电缓冲阻水层和皱纹铝护套结构[1]。据统计，2010年至今，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、白斑引发故障6起，电缆缓冲层烧蚀引发的故障占比超过一半。国家电网有限公司(以下简称“国网”)自2001年至今，发生电缆缓冲层烧蚀故障26起。此外广东省、新加坡、澳大利亚等地也出现电缆半导电缓冲阻水层烧蚀、白斑引起的故障案例[3]。早期阶段，许多电缆生产企业对半导电缓冲阻水层的作用及性能认识不足，造成结构设计不合理，同时关于高压电缆的国家标准对缓冲层的要求规定不够准确详细，体积电阻率制订数据偏大[11]，且没有相应标准对半导电缓冲阻水层性能指标和检测方法作出明确要求，导致该问题频频发生[12]。 相关文献中，宫瑞磊等[17]针对缓冲层与波纹铝护套之间的间隙，通过理论计算的方式研究电缆电场分布，发现电场强度随缓冲层与波纹铝护套之间间隙的增大而增大，存在气隙放电的可能。张瀚[18]、周松霖等[19]通过理论计算和建模仿真的方式得到高压电缆的电场分布，认为波纹铝护套与缓冲层之间存在的空气间隙会导致电场畸变，而间隙宽度减小会加剧金属护套与缓冲层之间的放电，间隙的起始放电电压随间隙的增大而增大。孙进等[20]提出缓冲层中的阻水粉可能从半导电聚酯纤维布中溢出，游离在缓冲层与金属护套之间的空隙内，在均热状态下吸附在金属护套与缓冲层表面并聚集，使得在金属护套与缓冲层之间形成一层绝缘膜，导致该处电场发生畸变，缓冲层与金属护套之间产生电位差，最终导致空气放电。邓声华等[21]通过实验证实缓冲层在注水后，其体积电阻率大幅上升，水分影响白斑形成，进一步通过能谱分析发现其中钠元素和铝元素增多，说明可能是化学腐蚀导致缓冲层烧蚀。 目前半导电缓冲阻水层的故障分析多侧重理论计算和有限元仿真，由于实际建模未必能够完全对应电缆的真实运行情况，结果可能存在较大的偏差甚至相悖。目前未见通过在成品电缆中开展相关试验对电缆缓冲层故障模拟验证的报道。针对这一问题，本文通过制备相应结构的成品电缆长期带电运行，在成品电缆上模拟接触不良放电、电容电流烧蚀、白斑形成等多项试验并开展分析。 1 皱纹铝护套与半导电缓冲层接触不良放电试验模拟 试制1段64/110 kV 1×240 mm2的电缆样品，样品的皱纹铝护套波谷内径比半导电缓冲阻水层外径大1.5 mm，模拟皱纹铝护套与半导电缓冲层的接触不良放电。试验测量原理如图1所示。图1中：Cal为校准电容器，Ck为耦合电容器，Cx为试验电缆，D为检测仪器，V为高压电压表，W为交流电源，Z为滤波器，ZA为输入单元。 图1 测量原理 在导体和金属套间施加96 kV的电压(1.5U0，U0为电缆相电压)，未检测到局部放电(以下简称“局放”)信号。 重新制备样品，将半导电缓冲阻水层和皱纹铝护套之间的间隙减小到0.3 mm，电压升至30 kV左右时开始检测到局放信号。图2是美国希波局放仪检测到的电缆分别在96 kV、150 kV电压下的接触不良放电图谱。不同于电缆本体放电，图2有明显的间隙放电特征，即：放电脉冲对称分布于电压零值两侧，在峰值处为0，电压升高时其放电范围和放电幅值变化不大，与DL/T 417—2019《电力设备局部放电现场测量导则》接触不良的放电图谱一致。 图2 接触不良放电图谱 上述2个对比试验与某些文献的电场仿真结论有一定出入，这是由于半导电缓冲阻水层和铝护套之间间隙增加，二者间电场强度(以下简称“场强”)减小。通过对环形皱纹铝护套结构进行场强仿真(如图3所示)，间隙1.5 mm时的最大场强出现在波谷处，场强不足0.3 kV/mm，小于空气的击穿强度(3 kV/mm)，试验时无局放产生。重新制作的电缆样品缓冲层和铝护套之间间隙减小(间隙0.3 mm)，场强增加，超过空气的击穿场强，当施加电压时，可检测到局放信号。 图3 半导电缓冲层与金属套之间的场强仿真 2 充电电流对缓冲层烧蚀试验 高压电缆相当于圆柱形电容器，其阻抗等效电路图4所示。图4中，XXLPE为绝缘层的电抗，RXLPE为绝缘层电阻，XH为半导电缓冲阻水层电抗，RH为半导电缓冲阻水层自身电阻，Rcon为半导电缓冲阻水层和金属套的接触电阻，Ic为充电电流(也称电容电流)。 图4 高压电缆等效阻抗电路 由于RXLPE?XXLPE，RXLPE、XXLPE并联时可忽略RXLPE；XH?RH，RH、XH并联时可忽略XH。因此等效电路简化如图5