图1 XLPE电缆三维结构示意图
Fig.1 XLPE cable three-dimensional structure
摘要 阻水缓冲层作为我国高压交联聚乙烯（XLPE）电缆的重要组成部分，起到电气连接、吸潮阻水、机械缓冲等作用。然而近年来波纹铝护套电缆缓冲层烧蚀问题多发，影响设备和系统的安全。该文综述了高压XLPE电缆的电缆结构、缓冲层故障机理、缓冲层故障检测方法等方面的研究成果。首先，梳理了电缆缓冲层三维结构、发展历程、等效电路原理及关键电气参量；其次，对化学/电化学腐蚀、悬浮电位放电、径向电流集中三类缓冲层烧蚀机理进行系统分析，建立电路模型或多物理场仿真模型，总结了故障形式、反应或作用机理和关键影响因素；最后，讨论了X射线检测、局部放电检测、特征气体检测三类方法在缓冲层故障检测中的应用可行性及存在的问题。该文可为高压电缆缓冲层烧蚀问题研究、检测技术研发、高效运维策略制定等提供参考。
关键词：高压电缆 XLPE电缆 阻水缓冲层 波纹铝护套 烧蚀机理 故障检测
随着电力需求的迅速增长，以及城市电网对输送容量和供电质量要求的不断提高，城市电网输配电的电缆化程度持续提升，投运数量和市场规模不断扩大。截至2021年，国家电网公司66 kV及以上电压等级在运高压电缆长度超过3.5万km[1]。2017—2021年间，湖南电网35～220 kV投运高压电缆长度由600 km增长至1 080 km，年均增长速度超过15%。高压交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）电缆凭借机械性能优良、安装维护方便、绝缘性能优异等诸多优点被广泛应用[2]。目前欧洲电网中电缆大多采用平滑铝护套[3]，与平滑铝护套相比，波纹铝护套具有一定的电缆敷设弯曲裕度，在我国国内广泛使用，且占比超过90%。然而，近年来电缆缓冲层烧蚀现象频发，2001—2020年间国家电网公司统计发现高压电缆缓冲层烧蚀故障或缺陷案例超过40起[4]，湖南电网2013—2020年间发生电缆缓冲层烧蚀故障8起，严重威胁电网的安全稳定运行。多起电缆缓冲层烧蚀故障案例是在问题充分暴露，甚至造成击穿事故后才被发现，实际上可能还存在更多的问题电缆在带病运行，因此，有必要对该问题开展机理溯源及检测方法研究。
现场案例解体结果显示，缓冲层烧蚀后存在不同类型的状态，差异性显著。对不同类型故障进行原理剖析是有针对性地改进高压电缆结构/工艺、制定运维策略、提出有效检测方法、研制新型电缆等工作的基础，需要得到全面、深入的研究。
近年来，国内西安交通大学、湖南大学、四川大学、华南理工大学等高校，以及国网北京电科院、国网湖南电科院、南方电网公司等企业都针对电缆缓冲层烧蚀问题原理开展了仿真或实验研究，取得了较多成果，总结来看故障原因主要包括化学/电化学腐蚀、悬浮放电、径向电流集中三大类。然而，目前的研究存在以下几个问题：①部分文献对引起故障的主要机理存在分歧，且未有文献进行充分对比论证；②对不同类型故障的电路模型、故障机理等分析总结不够全面；③大部分文献针对单一故障类型开展研究，缺乏文献对故障机理进行系统性的梳理。因此，为解决上述问题，有必要开展缓冲层烧蚀故障机理综述研究。
高压电缆存在缓冲层烧蚀缺陷或故障时，如不能及时检测并发现问题，故障可能持续劣化并造成主绝缘被击穿，进而引起城市电网停电事故，造成巨大的经济和社会影响。X射线检测、局部放电检测、特征气体检测等方法在缓冲层烧蚀缺陷识别中都具有一定的应用场景，近年来多个科研院所通过模拟或实体实验方法验证了检测方法的可行性。几种方法具备不同的优缺点，有必要对其检测原理、方法、存在的问题等进行综述分析，以指导后续检测方法的改进以及现场电缆故障检测时的方法选择。
本文针对高压XLPE电缆缓冲层烧蚀机理及检测方法进行了综述，首先，分析了电缆缓冲层三维结构、发展历史、等效电路原理及关键电气参数；其次，从现场案例展示、三维结构剖析、等效电路、故障机理及影响等方面对化学/电化学腐蚀、悬浮电位放电、径向电流集中三类烧蚀机理进行了系统分析；最后，介绍了X射线检测、局部放电检测、特征气体检测三类故障检测方法的研究现状。此外，还对相关领域技术发展进行了展望，可为后续高压电缆缓冲层问题的研究提供有效参考。
基于XLPE电缆的基本结构，本文建立了XLPE电缆三维结构示意图如图1所示。径向解剖后，电缆由内到外分别为导体、导体屏蔽层、主绝缘层、绝缘屏蔽层、缓冲层、铝护套和外护套[5]。
图1 XLPE电缆三维结构示意图
Fig.1 XLPE cable three-dimensional structure
其中，导体负责传输电能，为了减小损耗，一般选用高纯度铜材料。导体屏蔽层为半导电材料，与导体及主绝缘层紧密接触，可消除导体表面的尖端效应以及导体与主绝缘层间的空隙，改善导体周围电场[6]；同时导体屏蔽层还起到热屏蔽功能，避免因温度过高造成主绝缘热损害[7]和树枝生成[8]。由于导体屏蔽层具有一定的导电性并且与导体紧密接触，在构建电缆等效电路时，通常认为其与导体等电位。主绝缘层通常采用交联聚乙烯材料，具有优异的绝缘性能、机械性能和耐腐蚀性能，主要起到高压与地之间的电气隔离以及电缆敷设中的耐弯曲作用[9]。主绝缘层外包括绝缘屏蔽层、缓冲层和铝护套，图2a给出了这几层结构的放大图，最内层的绝缘屏蔽层与导体屏蔽层类似，一般选用半导电材料，起到改善主绝缘层电场分布的作用。当前国内高压XLPE电缆铝护套大多采用波纹结构，具有优异的弯曲性能[10]，安装敷设较为容易；同时在外护套与缓冲层之间留有一定裕度，降低安装时外护套对绝缘屏蔽层的机械应力[11]。由于铜和铝的电阻率很小，因此在构建电缆等效电路时，通常认为导体和铝护套二者各处电压相等。
图2 XLPE电缆缓冲层结构
Fig.2 XLPE cable buffer layer structure
缓冲层位于波纹铝护套与绝缘屏蔽层之间，根据标准JB/T 10259—2014《电缆和光缆用阻水带》，高压电缆缓冲层应具有半导电特性，并且缓冲层的电气性能应与绝缘屏蔽层的电阻率相适应[12]。我国电力建设早期阶段电压等级不高，电缆缓冲层大多采用铜丝纤维编织布（也称金布）加半导电丁基橡胶带结构，随着电缆电压等级的提高，缓冲层增加了单一的半导电缓冲层[13]，但上述两种结构都不具备阻水功能。电力电缆大多在地下敷设，正常条件下高压电缆外护套可以起到很好的隔离效果，将电缆与外界环境相隔离。但当电缆安装敷设过程中由于技术工艺不规范导致外护套出现破损或者由于电缆长时间运行导致外护套的隔离性能下降时，安装环境中的水分会侵入电缆内部，导致电缆内部部分材料性能参数发生变化，增加电缆发生故障的概率，进而降低电缆运行的稳定性，影响输电安全。随着技术发展，2002年国家标准GB/T 11017—2002《额定电压110 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》[14]发布之后，半导电丁基橡胶带被半导电阻水带取代，缓冲层结构改变为金布加半导电阻水带结构。然而，由于金布质量不达标造成的电缆故障越来越多，例如2009年上海某110 kV双回电缆线路外半导电屏蔽层表面发生放电，后续事故分析报告表明，由于金布中的铜丝径实际值为0.16 mm/40根，低于标准铜丝径(0.2±0.01)mm/40根，导致铝护套与外半导电屏蔽层之间接触不良从而引发局部放电烧蚀[15]。因此，2009年后国内电缆缓冲层基本采用如图2b所示的单一的半导电缓冲阻水带结构，其主要由无纺布、阻水粉、缓冲棉三层组成。含半导电胶水的无纺布与绝缘屏蔽层直接接触，无纺布由主要成分为聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）的聚酯纤维构成[16]，通过随机或定向排列纺织短纤维或者长丝形成纤网结构，具有蓬松型和非蓬松型两种编织方式。阻水粉主要成分是聚丙烯酸钠（(C3H3NaO2)n），固态时为白色或浅黄色粉末，其表面粗糙且内部多孔，材料结构表面含有较多亲水基团，具有强大的吸水能力，且一旦吸湿便很难脱水[17]。吸水后阻水粉会快速离解出钠离子和聚合物离子，在溶胶环境中[18]，大量聚合物离子相互排斥导致聚丙烯酸钠迅速膨胀扩大并向四周扩展，形成网状结构。聚合物离子带负电荷，通过使钠离子在网状结构内外形成压差促使水分子通过渗透作用向网状结构内部运动，防止水分进一步侵入。缓冲层吸潮率随吸潮时间的变化如图3a所示，阻水粉能有效地增大半导电缓冲阻水带的吸潮率，24 h时半导电缓冲阻水带的吸潮率约为半导电缓冲带的3倍[19]。图2b中最上层的缓冲棉中通常会加入炭黑以确保其半导电性，微观上缓冲层可看作由炭黑和聚合物组合而成，其中炭黑颗粒形成导电炭黑网，炭黑间填充聚合物。聚合物可当作电介质，两侧的炭黑则可看作电容器的两极，因此缓冲层等效电路中应引入一个电容[20]；同时炭黑颗粒间距离很小，部分电子会在炭黑颗粒之间隧穿，可用一个与电容器并联的电阻来表示隧穿效应，因此缓冲层等效电路应为电阻与电容并联。综上可知，缓冲层主要起到了电气连接、阻水以及机械防护等作用。
图3 XLPE电缆缓冲层吸潮特性
Fig.3 XLPE cable buffer layer moisture absorption characteristics
根据标准JB/T 10259—2014《电缆和光缆用阻水带》，一般来讲，缓冲层在室温状态下的体积电阻率应小于10 000 W×cm，表面电阻不大于1.5 kW[12]。缓冲层体积电阻率随吸潮时间的变化如图3b所示。自然吸潮条件下，缓冲层体积电阻率会随着吸潮时间的增加而不断增大，当吸潮时间足够长时，缓冲带的体积电阻率会超过10 000 W×cm，但没有发生数量级的变化。广州岭南电缆股份有限公司邓声华等对缓冲层样品进行了不同程度的注水，发现当向缓冲层样品注水5 mL时，其体积电阻率将从103W×cm数量级增长到107W×cm数量级，缓冲层半导电性能显著劣化[19]。
根据以往的研究及现场案例剖析结果，XLPE电缆缓冲层存在化学/电化学腐蚀、悬浮电位放电、径向电流集中三类故障机理，本节将从故障原理、等效电路、故障特征及故障案例等方面对此三类故障进行详细分析。
现场多起案例显示，电缆受潮后即使在正常运行电压电流下也可能会在电缆缓冲层、铝护套以及绝缘屏蔽层等处生成白色粉末。当电缆内部没有因暴力施工、重力作用等产生的结构形变时，白色粉末往往在铝护套波谷位置呈现带状平行分布，如图4所示。其中缓冲层表面白色粉末分布具有一定的规律，均出现在铝护套波谷与缓冲层接触处，如图5a所示。
图4 XLPE电缆腐蚀后缓冲层现场解剖结果
Fig.4 Field autopsy results of buffer layer after corrosion of XLPE cable
图5 XLPE电缆缓冲层腐蚀结构及等效电路
Fig.5 XLPE cable buffer layer corrosion structure and equivalent circuit
本文建立了电缆分布电路模型，由于绝缘屏蔽层与缓冲层均由半导电材料构成且紧密相邻，因此在电路中可将它们看成一个整体，称作组合层[21]。腐蚀后电缆等效电路如图5b所示，图中U0为电缆运行电压，C1为电缆主绝缘电容，R1为组合层轴向电阻，R2和C2分别为组合层径向电阻和电容。由于白色粉末电阻率很大，并且在缓冲层与铝护套波谷接触处呈连续带状分布，因此用R3代表电缆腐蚀后铝护套与缓冲层之间白色粉末的等值电阻。
由于白色粉末层较薄且紧贴缓冲层，后续电热场仿真均将其与缓冲层看成一个整体，并改变缓冲层原有的电气特性，如电阻率、相对介电常数等参数[22]。近期研究结果显示，白色粉末主要由受潮析出的阻水粉以及腐蚀产生的Al(OH)3、Al2O3、Na2CO3和NaHCO3等组成。Chen Yun等通过现场切割电缆对缓冲层中的大量白色粉末进行了电阻分析，最终得到水是形成白色粉末的必要条件这一重要结论[23]。图6～图8详细地展示了电缆受潮后的缓冲层腐蚀机理。
图6 缓冲层生成Na2CO3/NaHCO3的化学腐蚀机理及过程
Fig.6 Mechanism and process of chemical corrosion of Na2CO3/NaHCO3 generated in the buffer layer
图7 缓冲层生成Al(OH)3化学腐蚀机理及过程
Fig.7 Mechanism and process of chemical corrosion of Al(OH)3 generated in the buffer layer
图6展示了缓冲层生成Na2CO3/NaHCO3的化学腐蚀机理及过程。电缆通常工作在地下土壤或管道中，环境往往比较潮湿，外护套/铝护套等出现缺陷后会导致水分（H2O）、氧气（O2）、二氧化碳（CO2）等侵入缓冲层。水分会溶解缓冲层内的阻水粉（以聚丙烯酸钠为主），生成正极性钠离子（Na+）和负极性氢氧根离子（OH-），这两种离子可进一步与空气中的CO2发生聚合反应。当CO2含量较少时，反应过程如图6a所示，CO2与OH-反应被还原形成碳酸根离子（
）并生成H2O，进而与Na+合成碳酸钠（Na2CO3），反应式为
（1）
当CO2含量较多时，Na+、OH-、CO2间会相互作用发生聚合反应生成碳酸氢钠（NaHCO3），其形成机理如图6b所示。同时Liu Ying等结合断裂电缆和白色物质模拟生成实验结果发现NaHCO3是白色物质的主要成分[24]；Kong Jiamin等通过缓冲层模拟腐蚀试验发现缓冲层内外表面都存在NaHCO3[11]，具体反应式为
图8 缓冲层电化学腐蚀机理及过程
Fig.8 Mechanism and process of electrochemical corrosion of buffer layer
（2）
由于铝具有较高的亲水性，水分进入电缆内部后，容易被铝护套内表面吸附形成一层薄水膜，内部水呈现弱碱性，其中的OH-与金属铝材料在水膜中可发生析氢反应生成
和H2[25]，其反应式如式（3）所示。H2也是判断高压电缆缓冲层腐蚀缺陷或故障的重要特征量。
（3）
缓冲层生成Al(OH)3的化学腐蚀机理及过程如图7所示。由图7a可知，在CO2含量较低的情况下，上述反应生成的与CO2在水氛围中反应会生成和Al(OH)3，反应式为
（4）
当CO2含量较高时，与CO2在水氛围中则会生成
和Al(OH)3沉淀，过程如图7b所示，反应式为
（5）
图7a和图7b所示两种机理下生成的和可进一步与缓冲层中的Na+反应生成Na2CO3和NaHCO3，随后在层中沉淀，成为所观察到的白色粉末的一部分，并且主要集中在波纹铝护套波谷与缓冲阻水层交界面周围。所生成的Al(OH)3沉淀受热易分解形成电阻率很高的Al2O3，一定时间后，接触位置的铝护套表面可形成一层氧化膜阻止腐蚀进程，具体反应式为
（6）
此外，中国电力科学研究院的李文杰等对模拟烧蚀试验中绝缘屏蔽层表面的白色粉末进行能量色散谱（Energy Dispersive Spectrum, EDS）测试，发现其白色物质元素组成与阻水粉相近，并推断认为绝缘屏蔽层表面白色物质可能部分来源于缓冲层析出的阻水粉[13]。缓冲层白色粉末组分中阻水粉、Al(OH)3和Al2O3粉末的电阻率较高，Na2CO3和NaHCO3粉末的电阻率较低，所以白色粉末中阻水粉、Al(OH)3和Al2O3的占比越大，R3就越大，因此图7、图8反应过程中R3较大。
当水膜中微弱电离的OH-和H+含量较高时，铝护套表面可形成电解质溶液薄膜，进而与缓冲层中的炭黑构成原电池：炭黑作为正极，铝作为负极，电子由负极流向正极，OH-向负极移动，H+向正极移动。当电解质溶液呈弱酸性或中性时，即发生图8a所示的吸氧腐蚀，铝与氧气和水反应生成Al(OH)3沉淀，具体为
（7）
当空气中的一些污染性气体，如二氧化硫、三氧化硫和硫化氢等，溶入电解质溶液中时，会使电解质溶液酸性提高，直到发生析氢腐蚀[26]。四川大学周凯等基于白斑分析和析氢检测等研究手段探究了高压电缆中铝护套的析氢腐蚀原理，得到缓冲层在直流和交流下均可发生析氢腐蚀这一结论[26]。铝与水反应生成Al(OH)3沉淀和氢气，反应式见式（8），过程如图8b所示。吸氧腐蚀和析氢腐蚀生成的Al(OH)3沉淀受热会分解生成Al2O3。
（8）
综上机理分析可知，缓冲层故障后产生的白色粉末主要由聚丙烯酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化铝、氧化铝等组成。其中绝缘屏蔽层表面的白色粉末主要为受潮析出的聚丙烯酸钠以及缓冲层内部化学反应析出的碳酸钠和碳酸氢钠。缓冲层与波纹铝护套表面的白色粉末包括缓冲层内部化学反应析出的碳酸钠和碳酸氢钠，铝护套化学腐蚀生成的碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化铝和氧化铝，电化学腐蚀生成的氢氧化铝、氧化铝等。
采用波纹铝护套结构的高压XLPE电缆在生产、加工及安装等环节时，波纹铝护套与缓冲层之间有可能接触不良并产生气隙，引起悬浮电位放电。图9为某故障高压电缆的解体截面示意图，电缆运行过程中受力挤压变形，铝护套部分区域与缓冲层接触不良甚至完全脱离。接触不良造成的电位悬浮会引起局部放电，其放电量较大时会造成绝缘屏蔽层或缓冲层等位置发生烧蚀，严重情况下可引起主绝缘击穿。
图9 挤压变形高压电缆
Fig.9 Extruded deformed high voltage cables
缓冲层与铝护套之间存在气隙时的三维结构示意图如图10a所示。为了探究缓冲层烧蚀故障与局部放电的关系，X. Y. Du等开展了缓冲层局部放电实验，并在实验过程中发现了缓冲层放电烧蚀痕迹[27]。某110 kV电缆经现场解剖后发现，在悬浮电位放电作用下，电缆绝缘屏蔽层表面出现了大量形状各异、深度不同、大小不一的白色灼伤点，使电场发生畸变从而影响屏蔽作用。图10b给出了缓冲层悬浮放电条件下的等效电路。由于缺陷支路缓冲层与铝护套波谷之间存在气隙，气隙相对介电常数为1远小于缓冲层材料，容抗较大，因此用C3代表缓冲层与铝护套波谷之间气隙的等效电容。C3两端的电压U1为组合层与波纹铝护套之间的电位差，由于气体相对介电常数小，电容小，分压会比较大，当气隙电场足够大时就会引起悬浮放电，而该类放电能量较大且会伴随材料烧蚀。
图10 XLPE电缆缓冲层悬浮电位放电结构及等效电路
Fig.10 XLPE cable buffer layer suspended potential discharge structure and equivalent circuit
本文建立了缓冲层与铝护套间接触不良条件下的悬浮电位缺陷模型，设置电缆导体电压为96 kV，铝护套与缓冲层之间的间隙为0.3 mm，进行二维电场仿真，得到结果如图11所示。缺陷处气隙表面最大电场强度为3.08×107 V/m，远超过空气的击穿场强（3×106 V/m），会引发悬浮放电且造成缓冲层烧蚀。
图11 电缆悬浮电位电场仿真结果
Fig.11 Cable suspended potential electric field simulation results
针对缓冲层间的局部放电问题，周松霖等基于110 kV故障电缆建立二维电场仿真模型，设置铝护套与缓冲层之间的间隙为0.5 mm，结果表明间隙内最高电场强度为9.04×106 V/m，并出现在波纹铝护套的凸起处[28]。对于程度较轻的缓冲层间接触不良情况（少数铝护套波谷与缓冲层存在气隙），Zhang Wei等建立110 kV电缆仿真模型，设置接触不良的波谷距缓冲层0.5 mm，并根据标准GB/T 11017.1—2014《额定电压110 kV（Um=126 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第1部分：试验方法和要求》对导体施加电压112 kV，发现气隙处最大电场强度已经超过1.0×107 V/m[29]，与本文结果数量级相同。此外，欧阳本红等仿真分析了连续接触不良的情况，在导体电压为99.5 kV、缓冲层受潮并且沿电缆轴向有连续17个铝护套波谷与缓冲层之间存在0.1 mm气隙的条件下，离接触点最远的气隙中的电场强度将达到空气击穿场强[25]。国网北京市电力公司电力科学研究院的刘宏亮等开展了模拟实验，设置缓冲层与铝护套之间存在0.3 mm悬浮间隙，施加电压（96 kV）后测到了明显的放电信号[17]。
本文还分析了缓冲层厚度、悬浮间隙距离等关键参数对缺陷处表面最大电场强度的影响，结果分别如图12a、图12b所示。增加缓冲层厚度可在一定程度上减小缺陷处表面最大电场强度，但相差不到一个数量级，改善效果有限，并且缓冲层厚度太大时，因电流发热或腐蚀等问题造成的烧蚀现象也会更严重，因此缓冲层不宜太厚，目前通常采用4 mm[30]。铝护套与缓冲层之间的间隙距离对缺陷处表面最大电场强度的影响较大，当铝护套嵌入缓冲层深度超过0.2 mm时，缺陷处表面最大电场强度很小（低于102 V/m），远低于空气击穿场强，说明良好接触状态下不会发生放电现象。而铝护套和缓冲层相切时，即间隙为0 mm时，相切位置附近区域形成一个狭窄气隙，这种几何结构的变化使得电场在该区域分布不均匀，从而发生电场畸变，最大电场强度高达3.5×107 V/m，远超空气放电电场强度；间隙距离从0增大到1 mm后，最大电场强度下降62%；继续增大至1.6 cm时，气隙处最大电场强度小于空气击穿场强。可见，合理地调节铝护套与缓冲层的物理配合是改善缓冲层间电场分布的关键。
图12 XLPE电缆缓冲层悬浮电位放电影响因素分析
Fig.12 Analysis of factors affecting suspended potential discharge of XLPE cable buffer layer
此外，最近有研究表明缓冲层结构的不均匀性对缓冲层间气隙处的电场分布有重大影响。Zhang Haoran等发现缓冲层表面存在不同类型的纤维突起，并且仿真得到当缓冲层表面为叶尖状突起且突出物垂直并靠近气隙中心区域时，尖端部位最大电场强度可达2.85×107 V/m，是空气击穿场强的9.5倍[31]。同时，Li Jinxian等通过仿真研究发现，铝护套与缓冲层之间的气隙电场强度随着缓冲层电导率的减小而增大，因此提高电缆防水能力使缓冲层具有良好的电气性能是保障电缆安全运行的关键[32]。另外，早期敷设的含有金布的电缆由于金布质量参差不齐，很容易因金布内铜丝径变小从而使得缓冲层与外半导电屏蔽层发生悬浮电位放电，因此应对早期敷设的含有金布的电缆进行常规化局部放电检测，可降低电缆发生故障的风险，提高电力系统运行的稳定性。
2022年6 月，在南方电网某地电缆线路日常检查维护过程中，发现一条110 kV交流电缆线路存在异常过热现象，经解剖后发现电缆缓冲层表面存在白色沉积物且伴有燃烧痕迹，并在铝鞘的槽中发现了油性化合物[33]。通过参考西安交通大学张浩然等测得的蓬松棉和无纺布的热重曲线可知，缓冲层的起始分解温度为200℃，因此缓冲层完全有可能因局部过热而引发烧蚀[34]。另外，华南理工大学刘顺满等通过模拟烧蚀实验发现，当缓冲层温度达到400～700℃时会分解生成浅黄色的烟，与实验后铝电极上有浅黄色油状物残留的现象对应[35]，侧面印证了Zhou Wenqing等发现的铝鞘槽中的油性化合物很可能同样来源于缓冲层热烧蚀[33]。
缓冲层热烧蚀现场解剖结果如图13所示。缓冲层实际烧蚀大多发生在缓冲层与铝护套紧密接触处，因此基于缺陷电缆现场解剖结果可总结出电缆缓冲层径向电流集中烧蚀机理[36]。
图13 缓冲层热烧蚀现场解剖结果
Fig.13 Field autopsy results of thermal ablation of buffer layer
缓冲层径向电流集中缺陷三维结构如图14a所示，图中铝护套的一个波谷与缓冲层紧密接触，两侧波谷均与缓冲层接触不良。根据铝护套与缓冲层的配合情况建立等效电路，如图14b所示，主绝缘层的径向电流流过缓冲层经铝护套导入大地，在接触良好情况下，流经各波谷位置的电流分布均匀，缓冲层与铝护套交界处的温升不会很大；但当铝护套波谷与缓冲层间存在如图14a所示的接触不良时，良好接触点两侧存在气体间隙的波谷位置的电容不可忽略，此时由于存在气隙位置的等效容抗较大，径向电流主要从缓冲层接触良好的波谷处流过，出现径向电流集中现象，缓冲层因高温发生烧蚀的情况就有可能出现。刘英等发现缓冲层径向电流集中时，交界点电流密度峰值大大增加，比正常接触状态下的电流密度峰值增大了4倍[30]。为进一步探讨缓冲层表面电流密度峰值随铝护套嵌入深度的变化，本文建立缓冲层径向电流集中二维电场仿真模型，如图15所示。随着嵌入深度增加，缓冲层电流密度峰值逐渐减小，嵌入0.1 mm与嵌入0.02 mm相比，缓冲层电流密度峰值下降了近58%。因此，可通过调整波谷嵌入深度来改善电流分布，降低缓冲层与铝护套波谷交界处电流的集中程度。实际上嵌入深度越大，接触点的面积越大，当前部分电缆制造企业为缓解电缆缓冲层烧蚀问题，也在生产制造中采取了增大接触面积的方法。但该方法需要增加材料投入，成本明显上升。
图14 XLPE电缆缓冲层径向电流集中结构及等效电路
Fig.14 Structure and equivalent circuit of radial current concentration of XLPE cable buffer layer
图15 缓冲层表面电流密度峰值随铝护套嵌入深度变化
Fig.15 Variation of peak buffer layer surface current density with depth of aluminum sheath embedment
为探究电缆缓冲层径向电流集中烧蚀机理，西安交通大学刘英等基于YJLW03—64/110 XLPE电缆建立了二维/三维电-热场仿真模型，当缓冲层因受潮导致电气性能改变且出现径向电流集中，且电缆轴向接触不良长度达到3 m时，缓冲层温升超过324℃，超过了缓冲层起始分解温度，很可能引发缓冲层热烧蚀[30]。张浩然等基于YJLW02-Z—64/110 XLPE电缆建立了二维电-热场仿真模型，设置电缆缆芯电压和电流分别为98.8 kV和1 000 A，仿真结果表明，当缓冲层电阻率为1×105 Ω·m且电缆轴向接触不良长度达到3 m时，缓冲层温度达到248℃[34]。
然而上述仿真研究中仅考虑了电气性能的变化，未考虑烧蚀生成高阻性白色粉末的影响，其结果中引起烧蚀所需的轴向接触不良长度过长，不符合实际工况。因此本文基于YJLW03—64/110 XLPE电缆结构特性参数分别建立了二维电场仿真模型和三维电-热场仿真模型，模型中电缆各结构层尺寸和物理参数以及铝护套与缓冲层的配合情况均可调节。模型参考西安交通大学刘英等的缓冲层电-热场仿真分析经验[30]，规定缓冲层与铝护套波谷相距0.1 mm视为接触不良，铝护套波谷嵌入缓冲层0.1 mm视为接触良好。由于缓冲层表面白色粉末很薄，且部分分布于缓冲层内部及下表面，因此模型中将其看作一个整体，通过改变缓冲层整体电气特性参数来模拟缓冲层产生白色粉末。
参考Cheng Yanting等对带粉末故障电缆的测试结果，设置缓冲层导热系数为0.019 W/(m·K)、相对介电常数为12.5、电阻率为3.2×105 Ω·m，将白色粉末与径向电流集中结合形成新的工况，进一步探究缓冲层间电-热场分布情况[22]。图16a给出了缓冲层干燥、电气性能发生改变（以下简称受潮）、白色粉末条件下缓冲层表面电流密度峰值随电缆轴向接触不良长度的变化。可以看出，当接触不良长度在300 mm以下时，三种工况的缓冲层电流密度峰值相差不大；接触不良长度超过300 mm以后，三种工况的缓冲层电流密度峰值依次递减，但最大相差约21%。因此调整轴向接触不良长度进一步分析缓冲层干燥、受潮、白色粉末条件下缓冲层的温升、热源强度峰值随电缆轴向接触不良长度的变化，如图16b和图16c所示，可见白色粉末+径向电流集中工况的缓冲层温升与热源强度峰值的增长速度明显大于其余两种工况。结果表明当缓冲层干燥时，即使有一定长度的轴向接触不良，其温升仍较小。在缓冲层受潮和产生白色粉末两种条件下，当轴向接触不良长度分别为3.112 m和1.294 m时，缓冲层达到分解温度（200℃），缓冲层白色粉末条件下的轴向接触不良长度比受潮情况下缩短了近58%，更符合实际工况。
图16 XLPE电缆缓冲层径向电流集中烧蚀类型分析
Fig.16 Analysis of radial current concentrated ablation type of XLPE cable buffer layer
因此可以推断“白色粉末+径向电流集中”机理是缓冲层热烧蚀的重要原因，后续开展缓冲层相关热烧蚀理论研究时应着重关注白色粉末对缓冲层电气特性参数的影响，并探究新的更符合实际工况的缓冲层烧蚀构型，为今后研究缓冲层烧蚀理论提供新的思路。
基于以上缓冲层烧蚀主要特征，目前关于电缆缓冲层烧蚀缺陷的检测技术主要有以下三个方向：X射线检测技术、局部放电检测技术和基于特征气体识别的缺陷检测技术。
X射线检测技术利用电缆各结构层材料和生成白色物质的厚度、密度，以及其对X射线吸收能力不同的特性[37]，使用X射线对电缆进行扫描，进而通过数字化放射检测（Digital Radiography, DR）板内部处理器将不同强度的X射线转换成电流信号输入计算机，最后形成电缆的数字影像。目前X射线检测技术已经应用在气体绝缘开关设备（Gas-Insulated Switchgear, GIS）内母线裂纹检测[38]等诸多领域，但针对电缆缓冲层烧蚀缺陷诊断的应用研究较少。
Huang Zeqi等在实验室中分别使用太赫兹时域测量法和商用计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）法对缺陷电缆进行检测，结果表明CT法可以检测出缓冲层中不同密度的缺陷，为电缆缓冲层缺陷检测提供了有效的解决方案[39]。国网湖南省电力有限公司电力科学研究院的刘三伟等对含有缓冲层烧蚀缺陷的电缆在不带护套的条件下进行X射线检测，通过调整入射X射线与电缆缺陷所在切面的相对角度得到了不同分辨效果的X射线成像图[40]。
图17给出了相对角度分别为0°和45°的X射线成像图。通过对比可以看出，相对角度为45°的成像图的缺陷更为清晰，因此在X射线检测技术应用过程中需要调整合适的入射角度。带护套电缆X射线成像深度处理对比结果如图18所示。由图18a可知，当电缆带护套后再进行X射线检测时发现之前的缺陷并不明显，无法有效地发现缓冲层烧蚀缺陷。针对此问题，刘三伟等对现场检测X射线成像图进行深度处理[41]，增大了缺陷与周围正常区域的灰阶差别，得到结果如图18b所示，此时可以清晰地识别缺陷。因此，对图像进行深度处理提高了检测的准确性，但同时也增加了检测时间，降低了检测效率。
图17 X射线检测成像结果
Fig.17 X-ray inspection imaging results
图18 带护套电缆X射线成像深度处理对比结果
Fig.18 Comparison results of X-ray imaging depth processing of cables with sheathing
X射线检测技术具有以下缺点：
1）电缆沟内电缆分布错综复杂[42]，增加了检测的时间成本；并且每次只能排查30～40 cm的电缆，提高了缺陷检测的人力成本。
2）当电缆采用排管敷设并进行检测时，三相电缆之间空间狭小导致某些角度难以拍摄，降低了缺陷检测的准确性。
3）检测时需要检测人员接触待测电缆，因此电缆线路需要长时间停运，影响电力系统的正常运行。
4）由于需要检测人员长时间接触待测电缆，因此存在一定的辐射安全问题。
综上所述，X射线检测技术为电缆缓冲层缺陷诊断提供了新的方向，但由于技术的局限性暂时没有大规模应用于XLPE电缆缓冲层烧蚀缺陷检测中。
局部放电检测技术[43]通过分析电缆缓冲层发生局部放电时产生的声、电脉冲和电磁波等物理现象来获取缓冲层状态信息[44]，并借此判断电缆缓冲层是否存在放电引起的烧蚀缺陷[45]。目前在电缆缓冲层烧蚀缺陷诊断方面应用的方法主要有两种：脉冲电流法[46]和超声波法[47]。
Zhang Xiaohua等总结了电力电缆中的局部放电原理以及用于局部放电分析的模型，发现电缆局部放电产生的电磁波可在电缆系统内部传播，为局部放电检测技术应用于电缆缓冲层缺陷诊断提供了可能性[48]。Du Boxue等利用局部放电测试电路对电缆缓冲层球形放电缺陷模型进行信号采集，在消除噪声信号的条件下得到了缺陷模型不同阶段的相位分辨局部放电图[49]。结果表明，阻水缓冲层发生局部放电产生的电脉冲幅值可以直接反映缓冲层的劣化程度，正常情况下缓冲层内检测不到放电信号；当电脉冲幅值超过30 mV时，电缆应定期进行检查；当电脉冲幅值超过100 mV时，需及时更换电缆。脉冲电流法为电缆缓冲层缺陷诊断提供了新的解决方案，但脉冲电流法对周围环境要求较高，受噪声影响较大，同时如何从局部放电信号中分析其是否来自于缓冲层放电也是今后研究亟须解决的问题[50]。
此外，华南理工大学刘顺满为验证出现不同白斑范围时电缆缓冲层发生局部放电的可能性，开展了缺陷电缆缓冲层放电实验[42]。通过在缓冲层与铝护套波谷接触处绕包一层绝缘纸来模拟缓冲层白斑缺陷导致的电气接触不良，并通过控制缓冲层与铝护套波谷接触处绕包的绝缘纸长度来研究不同白斑区域范围内缓冲层局部放电的起始电压。实验结果表明，随着缺陷长度的增加，局部放电的起始电压逐渐降低，缓冲层缺陷处发生局部放电的可能性提高。
国网重庆市电力公司电力科学研究院的何维晟等研究了电缆缓冲层烧蚀缺陷产生的超声信号特征，利用吸声结构计算吸声系数，同时建立有限元仿真模型分析缓冲层放电产生超声波的传播特性[51]。图19给出了不同频率超声信号经过不同层数缓冲层后所测电压的归一化结果。从图19中可以看出，超声信号经过一层缓冲层后检测的信号幅值与未经过缓冲层（缓冲层最外层与铝护套之间发生放电）的信号幅值差别不大，如果在缓冲层与导体屏蔽层之间发生放电同时放电信号频率较高，则在电缆外护套处测到的超声信号可能为未经过缓冲层信号的1/5。实验证明如果在缓冲层内层发生放电，难以通过超声检测技术检测其放电信号；若在波纹铝护套波谷处发生剧烈放电，则具有通过超声技术检测该信号的可行性。超声波法虽然在缺陷定位方面具有一定的优势，但仍受电缆安装敷设方式的限制。
图19 超声信号归一化电压测试结果
Fig.19 Ultrasound signal normalized voltage test results
除此之外，针对电缆缺陷检测问题，赵书静等利用调频连续波相位对电缆缺陷敏感的特性，提出了一种满足现场检测灵敏度需求的电缆缺陷检测方法[52]；此外，张毅斌等为了能够准确地识别电力电缆的早期故障，提出了基于轨迹图像与卷积神经网络的故障识别方法[53]，为电缆缓冲层缺陷诊断提供了新的研究思路。
基于特征气体识别的缺陷检测技术是对电力设备发生故障时产生的气体进行分析，通过特征气体种类、浓度等特征量[54]进行设备故障识别[55]。
Kong Jiamin等提出了基于释放气体分析（Evolved Gas Analysis, EGA）的波纹铝护套电缆状态评估方法以及电缆气体采样方法，实际应用表明该方法能够发现各种早期电缆故障[56]。华南理工大学刘顺满等为了查明正常电缆缓冲层间的气体组分，进行了110 kV在运正常电缆缓冲层间气体色谱-质谱（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）分析实验[35]，发现正常电缆缓冲层间气体主要含有醇类、烷烃类、酮类、酯类气体，芳香烃气体产物含量极少。该团队后续又进行了缓冲层放电模拟烧蚀实验，结果如图20所示。分析实验后电极板上存留的黄褐色油状物（图20a）发现，其成分类别中大多为挥发性有机化合物，并通过酚试剂显色方法检测出了甲醛，如图20b所示。实验证明酞酸二丁酯、肉桂醇、4-乙基苯甲醛以及甲醛可作为诊断缓冲层烧蚀缺陷的特征气体，但同时也存在以下问题：①绝缘屏蔽层放电产气类型与缓冲层放电产气类型几乎没有区别，因此需要进一步研究确定绝缘屏蔽层放电的特征气体产物；②气相色谱-质谱联用仪造价昂贵，检测成本较高，同时部分大分子气体存在容易液化的问题，因此通过检测大分子特征气体产物来诊断缓冲层烧蚀缺陷不能大规模工程应用，研究应主要集中于小分子特征气体产物。
图20 缓冲层放电模拟烧蚀实验结果
Fig.20 Experimental results of simulated ablation of buffer layer discharge
四川大学周凯等分阶段研究了缓冲层含水量、电压、表面压力对缓冲层析氢的影响，并使用气相色谱分析了不同阶段缓冲层产生的H2[57]，如图21所示。缓冲层在腐蚀阶段和烧蚀阶段都会产生H2，增大含水量、升高电压、增大压力后析氢速率增加，且在一段时间后浓度保持稳定。该团队后续对110 kV在运电缆进行取气，检测结果与实验室薄片样本实验结果相吻合，证明了将小分子气体产物H2作为电缆缓冲层腐蚀、烧蚀缺陷特征气体的可行性。Zhou Wenqing等通过放电实验研究了氧对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）降解过程的影响，发现厌氧条件下降解不产生CO和CO2[33]。
图21 缓冲层不同产气阶段H2含量气相色谱结果
Fig.21 Gas chromatographic results of H2 content in different gas production stages in the buffer layer
本团队进行了缓冲层烧蚀模拟实验，通过调整电压源参数控制流经缓冲层样品的电流。实验结果表明，电缆缓冲层烧蚀可能产生氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯以及乙炔等气体。为了验证其实际工程应用效果，团队后续在国网某线路工井中对电缆本体进行取气分析，现场分析结果表明，当电缆本体中氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷含量较实验室产气有数量级增长时，可以判断该电缆存在烧蚀缺陷。
综合上述缓冲层烧蚀产气研究，本文对缓冲层不同烧蚀机理下产生气体的主要成分进行总结，表1给出了化学/电化学腐蚀、悬浮电位放电、电流径向集中三种缓冲层烧蚀机理下气体产物的主要成分。
表1 不同烧蚀机理下缓冲层产气主要成分
Tab.1 The main gas components produced by buffer layer under different ablation mechanisms
烧蚀机理气体产物主要成分 化学/电化学腐蚀氢气 悬浮电位放电酞酸二丁酯、肉桂醛、4-乙基苯甲醛、甲醛 电流径向集中氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷
综上所述，基于特征气体识别的缺陷检测技术用于诊断电缆缓冲层烧蚀缺陷具有较好的前景，但目前研究仍存在以下问题：
1）电缆缓冲层烧蚀缺陷特征气体种类、特征气体含量等参数与缓冲层不同缺陷类型、不同缺陷程度的关联机理尚不明确。
2）缺乏安全可靠的电缆取气设备，以及相关的安全取气工作流程规则。
3）需在实验室利用气相色谱仪进行气体检测，检测时间较长，不具备现场检测分析能力，亟待研制便携、快速、高效的检测仪器。
本文对高压波纹铝护套XLPE电缆缓冲层的结构、故障机理和检测方法等进行了综述。主要结论如下：
1）当前国内常用结构高压电缆缓冲层受潮后，其电阻率和相对介电常数等电气特性会发生改变，容易生成高阻白色粉末状物质，在电缆中引起放电或电流集中等问题。控制缓冲层的关键生产工艺、提高电缆的防水性能是保障高压电缆长期安全、稳定、可靠运行的关键。
2）XLPE电缆缓冲层烧蚀机理主要为化学/电化学腐蚀、悬浮电位放电、径向电流集中三种。阻水缓冲层受潮产生白色粉末同时发生径向电流集中现象是高压电缆缓冲层烧蚀的重要原因。充分考虑白色粉末对缓冲层电气性能的影响后，其电缆轴向接触不良长度相比受潮情况下缩短了近58%，更符合实际工况。
3）XLPE电缆缓冲层故障检测方法主要包括X射线检测、局部放电检测和特征气体检测。其中特征气体检测方法具有准确度高、无损伤、检测时间较短等优点，具有巨大的发展潜力，但仍需发展适用于现场应用的技术。
对未来解决波纹铝护套电缆缓冲层烧蚀问题展望如下：
1）针对缓冲层故障及检测问题，湖南省电力公司与湖南大学、长缆电工公司等单位突破传统思维，合作启动课题“侵入式充气复合高压电缆（附件）新技术”，拟研制新型充气电缆并在近期实现示范应用。该新型充气电缆具备多个优点：①耐腐蚀性强，新型电缆内部充入高气压混合气体，缓冲层区域不存在CO2和O2，电化学腐蚀过程被限制；②不易放电，气压增高，不易发生碰撞电离，放电起始电场强度和电压升高；③检测能力强，通过流量监测可以一定程度地反映电缆状态。
2）当前气体检测通常需采气送到实验室后利用气相色谱仪进行测试，检测精度高，但时效性差。此外，大部分电力公司缺乏专门的气体检测仪器，因此有必要研究现场便携、高效的气体带电检测方法。
3）相比波纹铝护套电缆，平滑铝护套结构可保证铝护套与缓冲层间大面积可靠连接，大大降低放电、径向电流集中等问题发生的概率，进而降低缓冲层烧蚀问题发生的可能性。我国近些年已开始对平滑铝护套电缆进行开发研制，但目前应用占比仍然较小。后续可进一步推广应用平滑铝护套，同时也需要密切关注应用中可能出现的新问题。
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Abstract The water-blocking buffer layer, as an essential component of high-voltage cross-linked polyethylene (XLPE) cables in China, plays roles in electrical connection, moisture absorption and water blocking, and mechanical buffering. However, in recent years, the problem of buffer layer erosion in corrugated aluminum sheath cables has become more prevalent, affecting the safety of equipment and systems. This article provides a comprehensive review of cable structure, buffer layer failure mechanisms, and buffer layer failure detection methods, aiming to provide references for research on buffer layer erosion issues in high-voltage cables, development of detection technologies, and formulation of efficient operation and maintenance strategies.
Based on the analysis of the three-dimensional structure, development history, equivalent circuit principles, and key electrical parameters of cable buffer layers, this paper systematically analyzes three types of erosion mechanisms: chemical/electrochemical corrosion, suspended potential, and radial current concentration. It summarizes the reaction or action mechanisms of chemical/electrochemical corrosion, and the white powder formed after corrosion mainly consists of sodium polyacrylate, sodium carbonate, sodium bicarbonate, aluminum hydroxide, and aluminum oxide. The white powder on the surface of the insulation shielding layer mainly includes sodium polyacrylate precipitated by moisture and sodium carbonate and sodium bicarbonate precipitated by chemical reactions inside the buffer layer; the white powder on the surface between the buffer layer and the corrugated aluminum sheath includes sodium carbonate and sodium bicarbonate precipitated by chemical reactions inside the buffer layer, sodium carbonate, sodium bicarbonate, aluminum hydroxide, and aluminum oxide generated by chemical corrosion of the aluminum sheath, and aluminum hydroxide and aluminum oxide generated by electrochemical corrosion. Meanwhile, circuit models or multi-physics field simulation models are established to summarize the forms of suspended potential and radial current concentration faults and key influencing factors. It is found that increasing the thickness of the buffer layer can reduce the maximum surface electric field strength at the defect to a certain extent, but the difference is not by an order of magnitude, so the improvement effect is limited. However, the gap distance between the aluminum sheath and the buffer layer has a significant impact on the maximum surface electric field strength at the defect. When the gap distance increases from 0 to 1 mm, the maximum electric field strength decreases by 62%, indicating that adjusting the physical coordination between the aluminum sheath and the buffer layer is the key to improving the distribution of the electric field between the buffer layers. In addition, compared with the condition of radial current concentration erosion of the buffer layer combined with moisture and radial current concentration, the temperature rise of the buffer layer and the peak intensity of the heat source increase significantly, and the length of poor axial contact of the cable is shortened by nearly 58%. Finally, the feasibility and existing problems of three types of methods, namely X-ray detection, partial discharge detection, and characteristic gas detection, in buffer layer failure detection are discussed. It is found that the defect detection technology based on characteristic gas recognition has advantages such as high accuracy, non-destructive testing, and short detection time. It has great potential in diagnosing buffer layer erosion defects in cables, but it still needs to develop technologies suitable for on-site applications.
The following conclusions can be drawn from simulation analysis and systematic review: (1) Water is the premise for the formation of white powder in the buffer layer, so preventing cables from getting wet is the key to avoiding chemical/electrochemical corrosion of the buffer layer. (2) Reasonable adjustment of the physical coordination between the aluminum sheath and the buffer layer is the key to improving the distribution of the electric field between the buffer layers. (3) The combination of buffer layer white powder and radial current concentration erosion conditions is more in line with actual engineering applications. Subsequent research on thermal erosion theory related to buffer layers should focus on the influence of white powder on the electrical characteristic parameters of the buffer layer. (4) The buffer layer defect detection technology based on characteristic gas recognition has broad development prospects. Subsequent research should focus on developing new types of inflatable cables with strong gas detection capabilities and accelerating the exploration and development of on-site portable devices for buffer layer erosion gas generation mechanisms, gas sampling, and gas detection.
keywords：HV cables, XLPE cables, buffer layer, corrugated aluminum sheath, ablation mechanism, fault detection
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240345
中图分类号：TM854
国家自然科学基金（52107147）和国网湖南省电力有限公司科技项目（5216A5220026）资助。
收稿日期 2024-03-05
改稿日期 2024-04-17
段肖力 男，1973年生，高级工程师，研究方向为输变电设备运行及状态评估。E-mail：jokeduan@163.com
钟理鹏 男，1990年生，副教授，硕士生导师，研究方向为空气放电、高压绝缘和电力设备在线监测。E-mail：zhonglipeng@hnu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）