关于高压XLPE绝缘电力电缆半导电缓冲阻水层的探讨
江苏上上电缆集团有限公司 李浩浩 李斌
1 引 言
自上世纪七十年代以来，塑料类绝缘材料发展迅猛，其中以XLPE绝缘最为突出。中高压交联聚乙烯绝缘电缆具有结构简单、重量轻、耐热好、负载能力强、机械强度高、运行维护简单方便等特点，得到广泛应用。
为了确保高压XLPE绝缘电力电缆长期运行的稳定性，使产品在运行寿命内保持优异的绝缘性能，目前国内高压电缆普遍设计采用包覆金属铝护套。金属铝护套的作用主要有三个：一是作为电缆的径向防水层，防止电缆绝缘层被外界水分或潮气侵入形成水树；二是能承载电缆线路发生故障时的短路电流；三是对电缆本体起保护作用，避免机械外力的损伤。
由于历史原因，目前我国110kV及以上电压等级的XlPE绝缘电力电缆的金属护套普遍采用皱纹铝护套。皱纹铝护套具有成本低、导电性好、弯曲性能好、易于加工的优点，但是，皱纹铝管与绝缘缆芯之间是不能直接接触的，否则皱纹铝管波谷会压伤绝缘屏蔽层。所以，需要在绝缘线芯与皱纹铝管之间需有半导电缓冲层作为两者之间的缓冲保护，该缓冲层既要确保绝缘屏蔽与铝管的良好电气接触，又要在电缆运行XLPE绝缘受热膨胀时，能起缓冲作用，避免铝护套损伤绝缘。另外，国内很多使用场合设计选用具有纵向阻水性能的高压电缆，绝大部分高压电缆要求半导电缓冲保护层应为阻水型材料。因此，我国高压XlPE绝缘电力电缆绝缘本体
以外的护层通常采用半导电缓冲阻水 图1.1 国内高压电力电缆典型结构示意图
层与皱纹铝护套的结构，如图1.1所示。
理论上，半导电缓冲阻水层与皱纹铝护套结构，能使高压电缆的设计性能几乎都得到了满足，比如良好的机械防护、对绝缘缆芯的缓冲保护、径向密封防水防潮、故障时短路电流导通、意外情况下的纵向阻水等，堪称完美。
但是在实际应用中，由于高压电缆复杂的加工工艺和电缆线路工况条件，半导电缓冲层和皱纹铝护套之间存在非常复杂和微妙的关系，比如半导电缓冲带材的导电性能及长期稳定性、半导电缓冲层与皱纹铝管之间的配合尺寸、长期运行条件下负载变化造成的两者之间配合尺寸变化、半导电带材与皱纹铝之间相容性等等，都将直接影响到绝缘屏蔽与金属铝护套之间的电气联接性能，这些都是一直困扰许多电缆企业的实际问题。
2 半导电缓冲阻水层存在的问题
近年来国内多个地区发生了多起因高压电缆半导电缓冲阻水层与皱纹铝护套之间放电烧蚀引发的电缆本体故障，据不完全统计，该类电缆故障已超过外力破坏、多点接地、交叉互联接地线盗割等，成为引发电缆本体故障的罪魁祸首，受到国家电网总公司及各省网公司的高度重视。总观这类电缆故障案例的样品解剖情况，如图2.1和图2.2所示，这些故障存在以下几个特点：
放电烧蚀发生在皱纹铝管的波谷与半导电缓冲阻水层之间，烧蚀点对应的铝护套上均有放电腐蚀痕迹；
放电烧蚀点不仅仅限于某一处，有时遍布整段电缆，但没有明显的分布规律；
故障前运行负荷通常比较小（空载线路也包括其中）；
架混线路或频繁操作的电缆线路发生此类故障情况居多。
图2.1 半导电缓冲层上的放电烧蚀 图2.2 皱纹铝护套上的放电烧蚀
其实不仅我国高压电缆线路出现此类问题，早些时候国外电力公司也有过相应报道，比如2003年新加坡电力公司裕廊岛使用的国外某品牌厂家的230kV1X2000mm2(半导电缓冲阻层与皱纹铝护套结构)电缆故障、澳大利亚230kV 1X2000mm2（玻璃丝和镀锡铜丝纺织布与皱纹铝护套结构）电缆故障，日本在这方面也有过深刻惨痛的教训。
3 放电烧蚀的机理分析
高压电力电缆的电气参数有：有效电阻、电感、电容、绝缘电阻和漏电导。
一根高压电力电缆的等效电路，如图3.1所示，电阻和电感在电流电路中，电容和漏电导在电压电路中，这些值都是按电缆长度（一般按1km）给出的，对于确定规格和电压等级的电缆，这些值也基本上就确定了。
图3.1等效电路在交流状态下，U为交变电压，因此存在一个电容电流IC。正常条件下绝缘屏蔽与金属护套应该有良好的电气联接，此时电容电流IC可以有效导通。但是，如果绝缘屏蔽与金属护套不是直接有效接触或者说两者之间不能形成良好的电气联接，那情况就不一样了。
高压电缆绝缘屏蔽与皱纹铝护套之间采用半导电缓冲层作为两者的电气联接媒介，如图3.2所示。
图3.2半导电缓冲层与铝护套结构示意图
电缆结构在设计上要求半导电缓冲阻水层具备以下三个功能：1.作为电气联接媒介应具有良好的导电功能；2.吸收绝缘热膨胀及机械保护应具有的缓冲功能；3.纵向阻水功能。如果非得将这三个功能的重要性进行排序，那么笔者认为最重要的应该是导电功能，其次是缓冲功能，再次才是阻水功能，当然实际使用中需要将这三个功能之间的平衡处理好，不能顾此失彼，否则会造成严重隐患。
众所周知，半导电缓冲阻水带材与绝缘屏蔽的电性能存在相当大的差异，就体积电阻率而言，绝缘屏蔽的体积电阻率通常不大于100Ω·cm，而半导电缓冲阻水层的体积电阻率通常在104~106Ω·cm。由于半导电缓冲阻水层的体积电阻率比较大，因此其构成的半导电缓冲层并非理想导体。
高压交流电路中，由于绝缘的电容效应，不断地充放电，始终有电容电流的存在，绝缘屏蔽上始终有感应电压存在，且大小与电气联接状况有关。电缆护层感应电压与阻抗的等效电路如图3.3所示。RH为半导电缓冲层本身的有效电阻，R接为半导电缓冲层与皱纹铝护套之间接触电阻，CH为绝缘屏蔽与皱纹铝护套之间电容，RJ为绝缘本体有效电阻，CJ为绝缘内外屏蔽层之间电容。
图3.3高压电缆护层感应电压与阻抗的等效电路
当绝缘屏蔽与皱纹铝护套电气意义上接地良好时，绝缘屏蔽上的感应电压UCH近似等于零，但是如果绝缘屏蔽在接地不好的情况下，绝缘屏蔽上的感应电压UCH不等于零，感应电压UCH的大小与（RH+R接）有关，（RH+R接）值越大则感应电压UCH越大，产生火花放电的风险和程度也即越大。
由图3.1等效电路知道电容电流IC是确定的，则通过（RH+R接）的有效发热功率为：
W = ·（RH+R接）
可见，有效发热功率主要取决于（RH+R接）。
现在越来越多的研究和试验表明，半导电缓冲阻水层有效电阻及其与皱纹铝护套之间接触电阻（RH+R接）偏大（即接地不良）是导致绝缘屏蔽与皱纹铝护套之间引发火花放电导致烧蚀的原因，由于幅度所限，本文在此不作赘述。
下面就半导电缓冲阻水层有效电阻及其与皱纹铝护套之间接触电阻（RH+R接）进行讨论。
半导电缓冲阻水层有效电阻RH一方面与半导电缓冲阻水带材的体积电阻率有关，另一方面与结构组成（比如带材规格、绕包层数）有关，从保证良好的电气接触角度来考虑，带材绕包层数少为好，但前提条件是要满足吸收绝缘热膨胀及机械保护应具有的缓冲功能。
实际使用中半导电缓冲阻水带材暴露在空气中非常容易受潮，且受潮后电性能损失比较严重。曾经以某材料厂家半导电缓冲阻水带在不同温度、湿度，暴露不同时间做模拟试验，发现在前48小时以内电性能损失严重，如表3.1所示，供大家参考。
表3.1 某半导电缓冲阻水带材在不同温度、湿度、时间条件下电性能变化情况
不同条件 项目参数 | 条件1:环境温度40℃、空气相对 湿度90% | 条件2：环境温度30℃、空气相对湿度75% | ||
放置时间 | 体积电阻率 Ω•cm | 表面电阻 Ω | 体积电阻率 Ω•cm | 表面电阻Ω |
0小时（刚开箱） | 7.68×103 | 270 | 7.57×103 | 290 |
4小时 | 3.12×104 | 320 | 1.97×104 | 310 |
8小时 | 5.35×104 | 370 | 2.76×104 | 350 |
16小时 | 8.67×104 | 410 | 5.33×104 | 360 |
24小时 | 1.15×105 | 430 | 7.84×104 | 390 |
48小时 | 1.3×106 | 460 | 1.1×106 | 420 |
半导电缓冲阻水层与皱纹铝护套之间的接触电阻R接主要取决于两者之间配合的松紧程度。配合紧的情况下，R接值较小；配合松的情况下，R接值较大。事实上，半导电缓冲阻水层与皱纹铝护套之间配合松的情况下，通常在出厂例行试验中就能够检测到明显的因接触不良引起的局部放电。在实际生产过程中，由于半导电缓冲带材厚度不均导致绕包后的缆芯外径存在比较大的偏差，这样的外径偏差有时候能达到2mm以上，超出配合公差控制所允许的范围。这也是引起接触不良类局部放电的主要原因之一，已有多篇论文专门研究过此类问题。
由此可见处理好半导电缓冲阻水层有效电阻及其与皱纹铝护套之间接触电阻（RH+R接），使绝缘屏蔽与皱纹铝护套之间的电气联接尽可能好，是非常有必要的。
4 应对措施和主要开展工作
针对半导电缓冲阻水层引发放电烧蚀的问题，有以下工作可以开展：
第一，合理的半导电缓冲层和皱纹铝护套结构设计。设计合理的半导电缓冲层厚度、半导电缓冲层与皱纹铝护套之间的间隙，既要确保绝缘屏蔽与铝管的电气联接，又要解决电缆运行时，XLPE绝缘受热膨胀的缓冲吸收问题。同时，在电缆制造过程中应关注线芯绕包带材后外径均匀性，对此，应关注选用半导电缓冲带的厚度均匀性与弹性、绕包紧密性等。
第二，提高半导电缓冲阻水带材的导电性能。提高半导电缓冲阻水带材的导电性能就是降低带材的体积电阻率和表面电阻，目前，行业内所使用的半导电缓冲阻水带体积电阻率普遍在105Ω·cm，也有的甚至高达106Ω·cm，而绝缘屏蔽的体积电阻率只不过102Ω·cm，降低半导电缓冲阻水带的体积电阻率显然是有助于改善电气有效接地。同时应加强电缆制造过程控制，防止半导电缓冲阻水带材因吸湿而导致导电性能大幅度降低，采取措施有：严格控制半导电阻水带材开箱后的使用时间，绕包后快速转序生产，完成绕包的线芯若有需要中途停放的，尽可能做好防潮吸湿保护措施。
第三，可以考虑半导电缓冲阻水层结构改进。比如最外层采用镀锡铜丝布绕包或者采用薄铝带与半导电缓冲阻水层混绕的方式，这样可以有效加强半导电缓冲阻水层与皱纹铝护套之间的电气联接。这些结构电缆在国外已得到了应用，我们应加强这方面的研究与探讨。
第四，需要考虑处理好电化学腐蚀问题。皱纹铝护套化学性能活泼，易于遭受腐蚀，半导电缓冲层中若含有强酸性或强碱性的成分，显然都是不合适的。尤其有一定受潮程度的半导电缓冲阻水带材，皱纹铝护套与之接触以后易遭受腐蚀，而由此产生的氧化铝或者氢氧化铝都是绝缘物质，会大大增加接触电阻，直接引发接触不良的火花放电。
5 结束语
近年来，有关于半导电缓冲阻水层问题的专题讨论越来越多，研究也越来越深入，对于半导电缓冲阻水层与皱纹铝护套结构高压电缆，除了对原材料质量改进和加强电缆制造控制措施之外，很多用户和厂家开始寻找避免半导电缓冲阻水层放电烧蚀的解决方案，比如采用平板铝护套替代皱纹铝护套，诚然该结构需要较大的弯曲半径，给施工安装带来难度，但是可以改善半导电缓冲阻水层与铝护套之间的电气联接，同时还可以减小电缆提外径尺寸，合理降低成本。
此外，建议用户可以根据实际需要选择更合适的电缆结构，有很多使用场合对电缆径向防水的要求其实并不高，采用铝塑复合护套就足以满足，对此，需加强与用户、设计院沟通交流，大胆使用半导电阻水层+铜丝疏绕+铝塑复合护套的结构。其实，半导电阻水层+铜丝疏绕+铝塑复合护套结构在国外被大量高压电缆所采用，是非常成熟和安全可靠的结构，值得广大设计单位和用户加以关注。
总之，国内半导电缓冲阻水层与皱纹铝护套之间容易出现放电烧蚀的问题越来越受到关注，认识也越来越清晰，相信不久的将来肯定能彻底解决这个问题，使我国高压电缆系统运行更加安全可靠。
由于本文所述问题涉及面广而我们水平有限，难免存在不少错误和不妥之处，敬请广大读者予以批评指正。
