高压电缆缓冲层烧蚀的成因探析

高压电缆缓冲层烧蚀的成因探析

刘志宏

广州南方电力技术工程有限公司，510260，广东省广州市

摘要：本文将围绕高压电缆缓冲层的主要特性开展分析，并提出高压电缆缓冲层烧蚀成因，基于数学模型，探究水汽渗入以及压力作用，对缓冲层产生影响。在模型仿真后发现，在电缆敷设时，若受到外力影响，则会在接触点产生集中电流，提高电缆温度，使铝质材料与聚丙烯酸产生化学反应，导致电缆电阻增大，电流难以有效通过，出现绝缘屏蔽老化，导致缓冲层烧蚀。

关键词：电容电流；高压电缆；聚丙烯酸钠；缓冲层

引言：高压电缆本质上属于电力电缆的一种，其特点在于能够传输1~1000kV的电流，主要用于电力传输与分配。由于高压电缆安装区域，容易受到外部环境的影响，比如恶劣天气、人为损坏，不利于高压电缆的正常使用，甚至对电缆本体缓冲层产生严重烧伤。为避免此类问题发生，笔者将探究高压电缆缓冲层烧蚀的成因，为后续防治措施提高参考依据。

一、高压电缆缓冲层分析

    高压电缆缓冲层的结构组成以外保护套、气隙、交联聚乙烯、铜芯为主，其主要作用在于缓冲因绝缘热胀冷缩形成的应力，也能在一定程度上阻止水汽进入，保证电缆具有良好的电气接触，最大程度延长设备使用寿命。缓冲层间填充的聚丙烯酸钠，本质上属于一种化学试剂，其特点在于吸水性较强，不易腐败，磁性条件下，黏度较高，在吸水后可生成凝胶状物体。当体积膨胀后，无法有效进行二次干燥。但该材质也同样存在一定缺陷，表现为聚丙烯酸钠能够与金属离子产生化学反应，引发分子交联，最终产生凝胶沉淀，若与水汽共存，在温度超过80°C的条件下，便会生成三氧化二铝，从而提高电缆电阻，影响电流传输[1]。

二、高压电缆缓冲层烧蚀的成因研究

（一）缓冲分层模型

1.电容电流

在充分结合上述电缆缓冲层材料特性的基础上，还要充分考虑电缆截面结构特点，认识到，在绝热条件下，电流通过阻性元件，会导致电阻发热，此时气隙对应的柔性元件会出现小幅度位移，进而引发电流改变。对于缓冲层的电流计算方法，如下述公式所示：

其中表示电容吸收能量，而C1则代表等效电容，至于则表示经过缓冲层的电荷。至于气隙电压的计算方法则表现为：

其中α代表介电系数，t表示电流经过的时间。之后结合麦克斯韦原理，将无法从实验测量的物理量以热容、物态方程进行表达，依托缓冲层电压，便可推解出外保护套波峰电荷，从单一接触点经过的电流大小，应进一步完成电缆电荷量的计算，具体方法为：

    其中q0代表电荷量，若假设缓冲层分布的电场为E，电缆中心点至屏蔽层的长度大约在3cm，至缓冲层长度在3.2cm左右，则可通过计算得到电量实际大小，并结合外保护套与缓冲层接触面积的大小，实现从保护套流出的电流计算。

2.电阻

在缓冲层的电阻Pv计算方面，需要严格遵循电线电缆电性能试验方法中提出的各项规定，具体计算方法为：

    其中U、W、D分别代表电压大小、样品宽度与厚度，至于I、L则分别表示电流大小，与电极间的距离。

（二）电缆曲率的影响

对于高压电缆来说，在正常运行时，经常出现对重心位置考虑不够充分的问题，没有进一步明确绝缘线芯的适合区域。因此，电缆难以避免会受到自重影响，在两端支架支撑力作用下，造成电缆中间区域出现一定的弯曲现象。其中，下弯电缆，会造成缓冲层横截面逐渐形成椭圆结构，使圆心偏移至两个焦点，也会进一步引发磁场偏移，最终增加缓冲层磁通量。同时，电缆弯曲还会产生外保护套挤压位置，电阻持续降低，压迫周围电荷，流入挤压点，从而引发温度迅速上升，造成缓冲层烧蚀。为进一步确定电缆弯曲程度对缓冲层的影响幅度，笔者将以曲率公式作为依托，设电缆长度在为L，之后对两端实施固定处理，此时电缆中间部分会在重力影响下，产生弯曲，将弯曲高度记作N，具体计算方法为：

    其中K代表曲率，而x、y分别代表电缆端与中点的间隔距离，电缆半径与N的差值。若假设电缆重量平均分布在电缆上，则可通过计算确定电缆形变位置的实际压力大小。若该数值维持在3000N/m以内，则证明电缆仍保持在安全范围内。之后为进一步确定电缆曲率对外保护套产生的影响，笔者将选取多个厂家不同类型的缓冲层阻水带进行测试，试验条件为不同压力下，线路电阻测试，试验目的在于获取缓冲层电阻值。根据研究发现，随着缓冲层所受压力的持续增长，缓冲层电阻值持续降低，证明一旦电缆外保护套的弯曲程度较大，则势必会增加缓冲层承受的压力，最终引发缓冲层烧蚀[2]。

（三）温度变化的影响

根据研究发现，当高压电缆产生烧蚀问题，缓冲层纺织布会产生较大幅度的温度变化，结合热力学定律，可根据以下公式完成电流产生的热量I2R（w）t计算：

其中，T1、T2分别表示室外温度，以及外保护套在受到压力作用后的温度大小，而A则表示缓冲层横截面积，至于k1、k2、k3分别代表炭黑、纤维布以及空气的热导率，若忽略散热问题，则缓冲层在出现弯曲的情况下，与外保护套接触区域的温度变化，可超过175°C，此时缓冲层会出现烧蚀现象，并进一步促进水汽溶液离子反应。通常来说，聚丙烯酸钠在出现离子反应后会出现物质分离，一旦水汽温度达到一定标准，会进一步加剧离子运动，进而增强对外保护套的腐蚀效果。

在完成上述计算后，还要进一步实现不同类型的电压电缆缓冲层物质材料压力测试，以无纺布为例，在不同压力基础上，该材料的电阻大小存在一定的减少趋势。在电阻变化过程中，波峰电荷主要汇聚在电阻相对较小的区域，此时会导致局部电流大幅度改变，进一步增高接触点温度，从而加速铝与C3H3NAO2间的化学反应。具体的缓冲层应力与温度关系表现为：缓冲层压力为100N，接触点温度为22°C；缓冲层压力为200N，接触点温度为80°C；缓冲层压力为300N，接触点温度为120°C；缓冲层压力为400N，接触点温度为160°C；缓冲层压力为500N，接触点温度为180°C。

由此可见，随着压力的持续增加，接触点的温度也会不断提升，且聚丙烯酸钠也会因挤压作用，发生离子反应，产生凝胶，导致更多的电流经过接触点，一旦温度超过80°C，便会产生烧蚀问题。

三、缓冲层烧蚀的预防对策

第一，要做好缓冲材料的科学选取，通过适当优化材料电阻率，改善结构的电气特性，并严格遵循电缆和光缆用阻水带规定中的各项标准，结合额定电压26/35kv以上挤包绝缘电力电缆用半导电缓冲层材料规定中的参数设计要求，确保阻水带体积电阻率不超过1×105Ω·cm。第二，要控制外保护套与屏蔽层的间隙，改进结构接触电阻，优化结构的电场分布，通过压纹结构，避免水分过度扩散，缩小故障范围。第三，要做好防潮处理，比如使用真空包装，并控制缆芯转序时长。第四，使用平滑铝套电缆，该电缆特点在于能够进一步增加缓冲层的接触面积，从而起到降低接触电阻的作用，最大程度增强电气性能。

结论：综上所述，通过对高压电缆缓冲层的主要特性开展分析讨论，阐述高压电缆缓冲层产生烧蚀的重要原因，经研究后发现，电缆容易受到施工环境影响出现弯曲变化，弯曲程度越大，则产生缓冲层烧蚀的概率越高。若缓冲层出现水汽渗透，则会引发电阻分布不均，当大量电流通过单一点位时，同样会产生烧蚀问题。

参考文献：

[1]任志刚,郭卫.受力不均匀性对高压电缆缓冲层烧蚀故障发展过程的影响[J].绝缘材料,2023,56(08):80-86.

[2]冯尧,赵鹏.高压XLPE电缆缓冲层烧蚀故障机理分析与结构优化[J].电力工程技术,2023,42(03):242-249.