高压电缆缓冲层材料及结构特性研究 赵永华

高压电缆缓冲层材料及结构特性研究赵永华
发表时间：2019-07-24T13:57:31.063Z 来源：《电力设备》2019年第5期作者：赵永华
[导读] 摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。

（宝胜科技创新股份有限公司江苏扬州 225800）
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。

运行多年的高压电缆，缓冲层及绝缘屏蔽表面与金属护套波谷接触部位存在“烧蚀”和“白斑”的现象，对高压电缆用缓冲层材料及几种典型高压电缆缓冲层结构的特性进行了研究，通过模拟试验再现“烧蚀”和“白斑”的形成，并提出了改进建议。

关键词：高压电缆；缓冲层；结构；白斑；烧蚀
引言
高压XLPE电缆在我国已经使用了三十多年，目前已基本实现国产化，每年有超过一万公里的高压电缆埋设于地下。

最近十几年高压电缆在迁移、改接和本体故障解剖时，发现缓冲层和绝缘屏蔽表面大量出现“烧蚀”和“白斑”现象，甚至引发击穿。

运行时，这种现象不能在短时间内显现出来，且产生的原因错综复杂，这引起了行业的高度重视。

各厂家、研究机构及用户投入大量的研究，希望能从缓冲层材料特性、结构、生产工艺及产品标准等方面提出改进措施和要求，以解决高压电缆缓冲层对电缆使用寿命的影响，提高供电安全。

1高压电缆用缓冲层材料特性
高压电缆用缓冲层材料主要有半导电缓冲阻水带和半导电缓冲带，由聚酯纤维非织造布、导电碳粉，以及阻水粉(半导电缓冲带无阻水粉)组成，其作用有纵向阻水、绝缘屏蔽与金属护套之间的电气导通、吸收电缆运行过程中的热膨胀等。

半导电缓冲阻水带用于有纵向阻水要求的电缆，而半导电缓冲带用于无纵向阻水要求的电缆。

1.1影响缓冲层材料电阻率的因素
高压电缆缓冲层承担了绝缘屏蔽与金属护套之间电气导通的功能，因此要求具有半导电特性，其体积电阻率要求23℃时≤100000Ω•cm。

缓冲层材料的体积电阻率是影响高压电缆性能的重要指标，当其值过大时，缓冲层变成了绝缘介质，绝缘屏蔽与金属护套未能达到等电位，从而形成一个电容，并产生分压。

1.2缓冲层材料“烧蚀”的模拟试验
1.2.1模拟试验
试验方法:用平铝板制作直径为80mm的电极，缓冲层材料试样为直径80mm的圆形，把试样放置在两块平铝板电极之间，并在上层平铝板电极加不同重量的负荷。

接上交流电源，逐级施加电压，每级升压5V(起始电压视试验情况而定)，并保持5min，直至烧蚀发生，记录烧蚀发生时的起始电压和电流。

试验设备:调压器、万用表、钳式电流表。

试验结果:高压电缆用缓冲层材料，在不同压力下不注水时烧蚀的起始电压和电流，在不同压力下注3mL水时烧蚀的起始电压和电流。

1.2.2试验结果分析
1)给高压电缆用缓冲层材料施加交流电压，当达到一定电压后均出现了烧蚀现象。

不注水时，施加压力越大，烧蚀起始电流变大。

注水后，烧蚀起始电流明显变大(缓冲层材料含水分，燃点提高)，但施加压力加大时，电流反而变小(压力越大，水分被挤出越多，缓冲层材料的含水率降低，因此烧蚀电流变小)。

2)半导电缓冲阻水带试验现象1)加2kg负荷时，当电压升至25V立即出现火星(后面断断续续出现)，加压到30V、1min时出现明显白烟，50V、1min时出现明火，烧蚀后两铝板黏连在一起.
2缓冲层结构对电缆载流量的影响
2.1缓冲层气隙层厚度对载流量的影响
由于阻水带中有蓬松棉，在重力的作用下，阻水带绕包结构的下部分与铝护套紧密接触，铝护套轧纹深度为2mm，。

本文定义气隙层的厚度为阻水带上表面与皱纹铝护套波谷之间的距离。

皱纹铝护套的轧纹深度在整个圆周上均为2mm。

阻水带与铝护套之间气隙层厚度对电缆载流量的影响，是载流量随气隙层厚度的减小而增大。

在0-2mm时，两者呈线性的关系，阻水带与铝护套紧密接触时，载流量有较大的增长。

气隙层厚度减小，电缆的载流量增大。

主要原因是在电缆工作温度下，空气的热阻系数约为32-36K•m/W，阻水带的热阻系数约为5-10K•m/W，空气的热阻系数远大于阻水带的热阻系数，也比电缆其他结构的热阻系数要高，故气隙层的导热能力远小于电缆其他结构的导热能力。

阻水带和铝护套紧密接触时，阻水带和皱纹铝护套有接触，使得导体线芯产生的热量经过阻水带传递到皱纹铝护套外面，热量传递的方式不仅依靠气隙层和铝护套之间的热传导，还通过阻水带和铝护套之间的热传导。

而阻水带的导热性能比空气较为优良。

上述原因，造成阻水带和皱纹铝护套紧密接触时，载流量有较大的增长。

2.2铝护套的影响
目前我国66kV及以上交联聚乙烯电缆金属护套基本上采用皱纹铝护套结构（又称波纹铝护套），国外同等级电压的电缆主要采用皱纹铝护套和平直铝护套。

金属护套形状会改变缓冲层的气隙形状，进而对电缆载流量产生影响。

3电缆载流量的计算
3.1有限元仿真模型的建立
在仿真计算过程中，需要说明导热物体与周围环境相互作用的情况，以及导热物体边界上的热状态。

传热学上常用的边界条件有三类：第一类边界条件，规定边界上的温度值；第二类边界条件，规定边界上的法向热流密度；第三类边界，固体和液体的交界面，规定流体的对流换热系数和温度。

仿真模型设置电缆敷设在空气中，故电缆外表面符合传热学的第三类边界条件，设置空气的对流传热系数为5W/（m2•K），环境温度设置为20℃。

COMSOL可以选择物理场控制网格自动生成网格，也可在用户控制网络选项下人工划分。

由于电缆模型较为简单，为了提高有限元仿真计算的效率，选择仿真程序自动剖分网格。

采用COMSOL自动剖分功能网格剖分。

在缓冲层处网格剖分较为精细，电缆其他地方剖分较为粗糙，使计算精算性和计算速度两者得到平衡。

3.2电缆长期允许载流量的计算
电缆损耗的计算及体积生热率的添加，运用仿真软件计算高压电缆长期允许载流量具体步骤：1）给定电流参数I0一个初值，运行COMSOL软件计算电缆及其周围环境的温度场分布；2）判断计算出的电缆线芯温度是否满足等于90℃的条件：若满足，则I0为该电缆的最高允许载流量；若不满足，运用数值分析中的二分法来改变I0值，直至导体温度达到90℃。

3.3温升试验
试验法是验证载流量计算结果最直接和最有效的方法。

本文搭建了敷设于空气中的型号为YJLW03-64/110-1×630的高压XLPE电缆的试验平台，对试验电缆加载恒定电流，通过温升试验验证所建立的电缆温度场仿真模型的正确性及仿真结果的准确性，为后续仿真研究做准备。

电缆采用空气中敷设方式、无风条件。

试验电缆长度约18m，离地高度约为300mm，电缆整体成U型布置，皱纹铝护套不接地。

电缆两端用同型号的电缆连接。

为了测量电缆周围环境温度，将水银温度计放置于试验电缆的附近，测量室温。

给试验电缆加载不同数值的恒定电流，分别是600A、800A和1000A。

按照标准试验结束前30min为稳定阶段，在稳定期间保证环境温度的波动不超过±2℃，并保证电缆导体的温度变化不超过±1℃，则其值为该恒定电流下的电缆导体温度值。

结语
1）缓冲层内气隙尺寸从2mm减小为0mm时，载流量随之线性增大；当缓冲层与铝护套紧密接触时，载流量有较大的增加。

2）阻水带外绕包一层金布，电缆载流量得到了提高。

3）同等气隙层厚度条件下平直铝护套的载流量大于皱纹铝护套的载流量。

通过对不同缓冲层结构的高压XLPE电缆载流量的仿真计算，缓冲层采用阻水带外绕包一层金布，再与平直铝护套紧密接触的结构，对提升电缆的载流量具有明显效果。

参考文献
[1]周远翔，赵健康，刘睿，等.高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望[J].高电压技术，2014，40（9）：2593-2612.。