1、,高压电缆缓冲层烧蚀机理分析,国网北京市电力公司电力科学研究院 2019年11月,高压电缆缓冲层烧蚀故障情况概述,一,二,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,三,主要开展工作,01,高压电缆缓冲层烧蚀故障情况概述,高压电缆缓冲层烧蚀故障情况概述,2010年至2019年至今，北京地区共发生110kV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%。国网公司自2001年至今经统计发生电缆缓冲层烧蚀故障26起，已引起了国网公司及各网省公

2、司的高度重视。2018年10月、2019年4月、7月以及8月国网公司分别在北京、成都以及浙江多次组织召开了专题分析会，就烧蚀原因及检测方法进行研讨。,高压电缆缓冲层烧蚀故障情况概述,a.半导电屏蔽层多处烧蚀,b.阻水缓冲层及皱纹铝内部烧蚀情况,北京公司220kV八宝二线电缆缓冲层烧蚀故障：2017年4月，电缆B相因缓冲层烧蚀引发故障。解体发现电缆外半导电层、阻水缓冲层、皱纹铝护套内测均可见烧蚀痕迹，阻水缓冲层第三方检测不合格，带电局放检测未发现异常。长期轻载34年，负载率15%左右，发生问题时负荷为31A，线路投运于2008年2月，长1.512km。,北京公司故障典型图,高压电缆缓冲层烧蚀故障

3、情况概述,a.半导电屏蔽层多处白色粉末,b.阻水缓冲层多处白色斑点,某公司220kV电缆缓冲层烧蚀故障：2009年、2011年以及2013年共发生三次电缆缓冲层烧蚀故障，线路投运于2005年1月，长4.8km。故障电缆外半导电层、阻水缓冲层、皱纹铝内测均可见白色粉末，2011年开展过带电局放检测，未发现异常。,c.皱纹铝内部白色斑点,某公司故障典型图,高压电缆缓冲层烧蚀故障情况概述,a.半导电屏蔽层灼伤处,b.阻水缓冲层灼伤白色斑点,某公司110kV电缆缓冲层烧蚀缺陷：2017年6月，运维人员在新旧电缆对接处开展跟班验收时，发现该110kV电缆A相和C相电缆缓冲缓冲层、外半导电层、铝护套上有点

4、状的放电烧伤痕迹。该线路投运2013年9月，电缆全长3.1公里。,c.皱纹铝内部灼伤,某公司故障典型图,高压电缆缓冲层烧蚀故障情况概述,02,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,一是，电缆本体上存在多处烧蚀点。金属铝护套、半导电缓冲层以及主绝缘外半导电层上均出现故障烧蚀点，且多处存在。,绝缘屏蔽层上多处烧蚀,金属护套及缓冲层多处烧蚀,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,二是，半导电缓冲层烧蚀部位有大量白色阻水粉末析出。经解体发现，电缆缓冲层烧蚀部位一般会析出大量白色粉末，呈半环状（也有不均匀分布的点状情况）；电缆外半导电层烧蚀处也可见白色粉末附着。,缓冲层烧蚀部位

5、析出大量白色粉末,屏蔽层烧蚀处可见白色阻水粉末,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,三是，故障烧蚀特征无明显位置相关性。北京公司220kV八宝二线故障发生后均截取了大量的电缆进行解体分析，其中最长的三相各截取了200米，在不同段电缆均发现了电缆外半导电层、半导电缓冲层、皱纹铝护套内壁存在不同程度的烧损现象，并未发现烧损现象与电缆位置存在明显相关性。位置相关性指的是：与电缆击穿点的距离与电缆击穿点电缆的相别烧蚀点是否集中在电缆上部、下部或者其他某一区域,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,四是，烧蚀集中在皱纹铝护套内侧凸起部位（即波谷位置）。将金属护套剖开，可见金属护套表面有多处放电烧蚀痕迹，放电痕

6、迹位于波谷位置，缓冲层及主绝缘外半导电屏蔽层放电烧蚀痕迹与之对应,铝护套与半导电防水缓冲层发生腐蚀放电位置,波纹铝护套,半导电防水缓冲层,绝缘外半导电层,放电烧蚀位置示意图,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,五是，烧蚀程度与皱纹铝护套接触程度有一定关联。缓冲层烧蚀为非圆周性均匀烧损，皱纹铝护套与半导电缓冲带接触越紧密，烧损越严重，与金属护套未紧贴的圆周面鲜有明显烧蚀点。,电缆内部紧密接触位置情况,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,六是，烧损从半导电缓冲层至外半导电层烧损情况减轻。通过切片染色分析，电缆主绝缘外半导电层多处存在放电灼烧痕迹，放电痕迹均位于外半导电层外表面，外半导电层内表面及主绝缘

7、处未发现电树枝及放电痕迹，说明烧蚀由外部发起，且从半导电缓冲层至外半导电层烧蚀情况减轻。,外半导电层放电灼烧形态,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,七是，耐压与各种局放检测手段难以发现缺陷。故障发生后，均在实验室对含有缺陷的电缆按照出厂标准进行2.5U0耐压试验，采用高频、特高频、超声波、传统脉冲电流等局放监测手段，均未发现异常。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,八是，故障区域缓冲层电阻率等参数性能经第三方检测不达标。北京公司八宝二线电缆半导电阻水带经第三方检测分析，电阻率及膨胀率检测结果不符合国标GB/T 11017-2002 额定电压110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件要求。,高压电

8、缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,缓冲层烧蚀机理分析,空气间隙击穿,电化学腐蚀,缓冲层环流烧蚀,电场仿真,模拟放电烧蚀试验,电化学腐蚀试验,腐蚀形貌观察,温度场仿真,模拟热量烧蚀试验,电容电流集中,TG曲线分析,模拟烧蚀试验,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因一：电容电流集中引发烧蚀故障,电容电流通过电缆半导电缓冲层导入金属护套进而接入大地，电容电流的大小主要取决于电缆结构，但电缆半导电缓冲层与金属护套之间的电容电流分布，以及两者之间发热情况，均与半导电缓冲层的电阻值和接触电阻有关。,缓冲层（含缓冲层）等效电路示意图,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,正常情况下不会有问题，但是当半导电缓冲层电阻

9、值RH较大、R接较大时，将导致两者接触部位发热异常，长期发热情况下将引发缓冲层烧蚀。尤其是在半导电缓冲层与金属护套不均匀接触时，将电容电流IC将集中在某一个接触区域，从而加剧与加快缓冲层烧蚀。因此，半导电缓冲层电阻值、与金属护套的接触电阻、以及接触面积均应是控制关键点。,原因一：电容电流集中引发烧蚀故障,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,对引发烧蚀所求功率条件（P=UCHIC）做模拟试验试验初始条件：室温2025；平均温度60%15；样品电缆两端（铝护套与绝缘屏蔽之间）加可调节电压，使电流稳定于200mA左右，电流大于200mA时，可观测到火花放电，烧蚀。起始电压可在45V至70V之间变化。,

10、模拟试验示意图,原因一：电容电流集中引发烧蚀故障,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因二：电化学腐蚀引发烧蚀故障,阻水带结构示意图,阻水带结构成分分析图中，1为无纺布（其上涂有半导电胶）、2为蓬松棉（含炭黑）、3为阻水粉是一种高吸水膨胀材料。阻水粉主要成分为聚丙烯酸钠、为弱碱性。此外，还含有单体CM（氯化聚乙烯）、交联剂、引发剂和去离子水等成分。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因二：电化学腐蚀引发烧蚀故障,一方面，护套和阻水带接触紧密部分，弱碱性阻水粉受应力析出阻水带表面，在潮湿有水的环境下，皱纹铝在碱性环境中发生化学反应引发烧蚀。另一方面，缓冲层与铝护套间存在容性电流，在潮湿有水环境

11、下，电流的存在加速了护套与缓冲层发生化学反应，即电化学腐蚀。上述电化学腐蚀的发生，均将导致半导电缓冲层电阻值，以及与金属护套的接触电阻变大，从而引发烧蚀情况。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因二：电化学腐蚀引发烧蚀故障,阻水粉水溶液显碱性,阻水粉吸水后在电场的作用下会使OH-聚集到铝与阻水带的交界处，发生如下反应:,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因二：电化学腐蚀引发烧蚀故障,模拟试验验证一交流电压源模拟电缆径向电流聚丙烯酸钠溶液模拟阻水缓冲层潮湿环境；因为缓冲层中掺入大量炭黑，因此选取石墨碳棒作为一极；纯铝板作为另外一极，模拟铝护套。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因二：电化

12、学腐蚀引发烧蚀故障,模拟试验结果：铝会与阻水粉溶液发生电化学反应,光镜下铝腐蚀形貌图,SEM下腐蚀铝形貌图,腐蚀铝表面元素分布,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因二：电化学腐蚀引发烧蚀故障,模拟试验验证二计算实际电缆中阻水带所承受的压力，在护套上施加相应的载荷；通过仿真计算铝护套上的电流值，在护套上施加相应的电流；构建潮湿环境，记录实验开始时间，经过一段时间后，观察是否存在烧蚀现象；,模拟试验示意图,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因二：电化学腐蚀引发烧蚀故障,模拟试验结果,不同电流下腐蚀所需时间及腐蚀形貌,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因三：缓冲层与金属护套因放电引发烧蚀,电缆

13、沿着径向存在着电场分布，电缆外半导电层以及半导电缓冲层均存在电场，正常情况下因与金属护套（接地、地电位）可靠接触，电缆缓冲层的电场接近为零。但如果半导电缓冲层与金属护套之间间隙控制不当，或者两者之间接触严重不良，则可能导致半导电缓冲层存在悬浮电位，半导电缓冲层与金属护套之间存在电位差，因放电引发烧蚀。对于上述放电机理分别通过电场仿真实验以及放电烧蚀模拟试验进行验证。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因三：缓冲层与金属护套因放电引发烧蚀,仿真实验验证,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因三：缓冲层与金属护套因放电引发烧蚀,电缆内部电势径向分布,金属缓冲层与缓冲层间隙电场分布,电缆内部空气间

14、隙电场分布(考虑感应电压）,仿真实验结果：当铝护套波谷与缓冲层间距为0.5mm时，最大电场强度为6.39kV/mm；存在较大感应电压时，最大电场强度为28.4kV/mm，远远高于空气击穿场强,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因三：缓冲层与金属护套因放电引发烧蚀,模拟试验验证：在仿真计算基础上通过试验进一步验证放电烧蚀。,电缆内部结构轴向剖面图,实验装置示意图,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因三：缓冲层与金属护套因放电引发烧蚀,模拟试验结果 起始放电场强随间隙的增大而变化，呈先增大后缓慢减少趋势，在d=0.3mm处有最大击穿场强，数值为2.46kV/mm。,不同间隙下起始放电电压,0.

15、3mm间隙下模型试样仿真结果图,模型试样不同间隙下的放电场强,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因三：缓冲层与金属护套因放电引发烧蚀,模拟试验结果,不同间隙下，仿真所计算出的空气间隙内的场强均大于从实物模型实验中所获取的起始放电场强。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因四：金属护套环流引发烧蚀,当皱纹铝护套存在环流时，金属护套电流产生的热效应有可能使得与金属护套接触的缓冲层局部产生过高温度，易引发缓冲层烧蚀。对于上述烧蚀机理利用电场仿真软件，建立了110kV电缆内部温度场仿真模型，分别对缓冲层上不存在环流以及缓冲层上存在40A电流的情况进行了仿真计算，探究不同缓冲层环流下缓冲层温度分布情

16、况。并且通过烧蚀模拟试验进行进一步验证。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因四：金属护套环流引发烧蚀,电场仿真结果表明：随着护层环流的增加，缓冲层的温度逐渐升高。环流值达到40A时，缓冲层的温度升高到200摄氏度以上。,接触点的温度仿真值,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因四：金属护套环流引发烧蚀,利用热重分析仪分析出缓冲层TG曲线，根据缓冲层TG曲线，当温度在200摄氏度时，缓冲层已开始进行变化分解，结合电场仿真时铝护套40A时缓冲层温度，印证缓冲层处于烧蚀状态。,缓冲层TG曲线,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,原因四：金属护套环流引发烧蚀,模拟试验验证,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应

17、对措施,原因四：金属护套环流引发烧蚀,模拟试验验证,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,电缆缓冲层烧蚀原因总结,主要原因是阻水层结构存在风险，容易出现烧蚀问题。导致故障的诱因有：半导电缓冲层与铝护套之间配合太松、接触电阻大；半导电缓冲带材本身体积电阻率、表面电阻偏大；半导电缓冲阻水层受潮后电性能变差，易形成化学腐蚀；架混线路架空线接地故障多，频繁操作的电缆线路；长期重载电缆线路突然轻载或空载运行。,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,1、改善半导电缓冲层电性能,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,2、做好生产过程控制,高压电缆缓冲层烧蚀机理及应对措施,3、使用金丝布做外层绕包,03,主要开展工作,主

18、要开展工作,2018年2月，北京公司运检部组织开展待投产工程高压电缆入网强制检测工作，发布国网北京市电力公司新安装高压电缆设备强制检测工作要求（京电运检20185号）文件，依据文件要求，电缆阻水层体积电阻率作为抽检内容之一，由各建设单位委托北京电科院负责检测并出具检测报告。新投运工程必须提供合格的检测报告，方可批复投产。检测过程中发现高压电缆质量问题的或性能指标不满足要求的，电科院及时通知物资部、运检部、建设部、物资公司，由物资公司通知建设单位，物资部根据国网公司供应商相关管理规定进行退货处理。,主要开展工作,强制检测情况：北京公司依据JB/T 10259-2014 电缆和光缆用阻水带标准进行

19、检测，共检测出7盘电缆阻水带体积电阻率超标（两个批次），最大测量值达到1.69106cm，远超出标准中规定纵向阻水层体积电阻率不应超过1.0105cm的要求。对于不满足要求的电缆，北京公司予以全部退货，并要求其重新供货合格电缆。,主要开展工作,高压电缆招标技术条件书阻水层技术参数修订条款。修改内容主要包括两个方面：一是，进一步提高阻水带表面电阻率及体积电阻率参数指标。由原来的“阻水带表面电阻率应不大于1500m以及体积电阻率不大于1105m”（行标内容，国网技术条件没有规定）修改为“阻水带表面电阻率应不大于1000m以及体积电阻率不大于6104m”。二是，金属丝布为镀锡铜丝与半导电织物编织，镀

20、锡铜丝纵向排列，直径0.20mm0.01mm，数量不少于20根，镀锡铜丝应均匀一致裸露于表面，以确保良好的电气联接，金属丝布表面电阻率及体积电阻率测量数据应为零值，测量方法同阻水带。,主要开展工作,针对北京公司电缆缓冲层烧蚀隐患，2019年开展同批次电缆本体隐患消隐检测工作：一是，开展110千伏椿宣二线、110千伏窑永一前支线、110kV运北一线、110千伏崇前线、110千伏新隆线以及110kV椿复一线等6条同厂家同批次隐患消隐工作。二是，针对消隐电缆工程，开展现场宽频阻抗谱检测工作，并将电缆工程截取试样送检电科院及高校开展材质分析及缓冲层电阻率检测工作。,主要开展工作,目前国网及相关网省公司

21、针对缓冲层烧蚀检测情况开展大量工作，主要为宽频阻抗谱检测以及X射线检测，总结如下：宽频阻抗谱法主要通过缺陷引起的首端阻抗变化，尤其是电容变化而导致的电缆阻抗变化来检测缺陷并定位。对于高压电缆来说，缓冲层烧蚀引起的R、L、C、G变化是否敏感，是否能可靠定位局部缺陷点，有待进一步验证。X射线对电缆缓冲层内较大的烧蚀点成像效果较好，对中等大小及小块的烧蚀点成像效果不佳，铝护套对X射线检测结果影响较大。此外，X射线检测的成像区域较小，成像效果受拍摄角度、背板性能、电源容量、测试空间、软件分析等条件影响较大，高能射线对电缆绝缘的不可逆损伤程度也未知。X射线检测仅适用于已知大概缺陷区段的进一步排查。,主要开展工作,针对缓冲层烧蚀机理及检测技术存在的难题，北京公司联合中国电科院、上海公司、西安交通大学以及国内电缆制造厂商，进一步开展高压交联聚乙烯电缆缓冲层故障机理与检测关键技术研究，包括：高压XLPE绝缘电缆缓冲层故障特征与机理研究；高压XLPE绝缘电缆缓冲层性能检测与优化技术研究；在运高压XLPE绝缘电缆缓冲层烧蚀缺陷检测与状态评估技术研究。,报告结束 谢 谢,