高压电缆缓冲层电-热-力场仿真分析

Simulation Analysis of Electric-thermal-force Field in Buffer Layer of High-voltage Cables

摘要

为了研究高压电缆在干燥与潮湿两种运行情况下皱纹铝护套与缓冲层的接触方式对绝缘电场畸变、局部温升以及缓冲层烧蚀和力学损伤的影响，采用COMSOL Multiphysics仿真软件建立110 kV 交联聚乙烯（XLPE）电缆仿真模型，对电缆在不同运行条件及接触状态下的电-热场分布情况进行仿真；采用ANSYS Workbench仿真软件对力场分布情况进行仿真。结果表明，当皱纹铝护套与缓冲层接触不良时，容性电流会在接触良好的位置集中，引起该位置局部温升。特别在缓冲层受潮情况下，电场畸变和温度场变化加剧，其中电流密度峰值可达到178 mA/m²。当温度超过200 ℃时会发生电化学反应，生成白色高阻物质，加重电流分布并使局部发热更为严重，进而导致缓冲层发生烧蚀损伤。同时，绝缘受热膨胀及电缆弯曲都会导致皱纹铝护套对缓冲层不同程度的挤压损伤，会使电缆有起皱、开裂的风险。挤压损伤引起的局部热量上升也会引发缓冲层烧蚀。

Abstract

To investigate the effects of contact patterns between wrinkled aluminum sheaths and buffer layers on insulation electric field distortion, local temperature rise, as well as buffer layer ablation and mechanical damage under dry and humid operating conditions for high-voltage cables, a 110 kV cross-linked polyethylene (XLPE) cable simulation model was established using COMSOL Multiphysics simulation software to simulate the electric-thermal field distribution under different operating conditions and contact states. ANSYS Workbench simulation software was employed to simulate the force field distribution. The results showed that when the wrinkled aluminum sheath and buffer layer were in poor contact, capacitive current concentrated at well-contacted positions, causing local temperature rise at these locations. This effect was particularly pronounced when the buffer layer was damp, where electric field distortion and temperature field changes were aggravated, with peak current density reaching 178 mA/m². When the temperature exceeded 200 ℃, electrochemical reactions occurred, generating white high-resistance substances that exacerbated current distribution and made local heating more severe, consequently leading to buffer layer ablative damage. Meanwhile, insulation thermal expansion and cable bending caused varying degrees of squeezing damage to the buffer layer by the wrinkled aluminum sheath, creating risks of wrinkling and cracking in the cable. The local heat rise induced by compression damage also triggered buffer layer ablation.

Graphical abstract

关键词

缓冲层 / 皱纹铝护套 / 电-热-力场 / 烧蚀损伤 / 挤压损伤

Key words

Buffer layer / Wrinkled aluminum sheath / Electric-thermal-force field / Ablative damage / Squeezing damage

交联聚乙烯(XLPE)电缆具有电气性能优良^[1]、负载能力强^[2]、耐热性能良好及安装维护方便^[3]等优点，近年来获得广泛应用。目前国内高压XLPE电缆大多采用皱纹铝护套结构^[4]。皱纹铝护套主要有两种类型：一种为连续挤出型的无缝皱纹铝护套^[5]，另一种为氩弧焊焊接型的纵包焊接皱纹铝护套^[6]。为避免金属护层在电缆生产过程中对绝缘线芯造成损伤，通常在金属护层下方绕包一定厚度的半导电阻水缓冲层^[7]，主要包括蓬松棉和无纺布，均由聚酯纤维构成^[8]。该缓冲层位于金属护套与绝缘屏蔽层之间，用于缓冲电缆敷设过程中或弯曲时皱纹铝护套的侧压力，提供纵向阻水作用，同时为绝缘屏蔽层和金属护套提供良好的电气接触界面^[9]。然而，近十几年来对高压电缆本体故障案例的解剖发现^[10]，电缆运行年限不同时，其故障特征也存在差异^[11]。此外，由缓冲层烧蚀造成的电缆线路故障^[12]约占电缆线路总故障的30%。可见，缓冲层烧蚀故障是目前高压电缆安全稳定运行的重要隐患^[13]。

皱纹铝护套的存在是高压电缆输电线路缓冲层发生烧蚀故障的潜在风险因素。皱纹铝护套与缓冲层间的接触方式是引发故障的重要原因^[14]。二者通常采用过盈配合结构，但此种结构会造成绝缘屏蔽层与铝护套接触不良，使两层结构间存在周期性空气间隙^[15]。尤其当缓冲层受潮时，该层结构易引起皱纹铝护套与缓冲层接触处发生电化学腐蚀，从而导致局部放电并加剧局部温升^[16]，为缓冲层烧蚀提供潜在条件。为解决此类问题，在电缆结构设计和生产过程中，皱纹铝护套与缓冲层需进行紧密配合^[10]，尽可能增大两者的接触面积，但又会导致二者相互挤压而产生损伤，尤其在电缆敷设弯曲作用力下，皱纹铝护套波谷会在绝缘屏蔽表面产生不可恢复性压痕，进而引起电场畸变。缓冲层在电-热作用下发生化学反应，生成氧化铝白色粉末，该粉末将迁移至绝缘屏蔽层，对其造成嵌入式损伤^[17]，进而损伤绝缘层并产生局部放电^[18]，最终导致电缆本体击穿^[19]。因此，研究压痕对高压电缆绝缘性能劣化的影响以及压痕是否会通过影响电场、热场分布等损伤电缆运行性能，是实现高压电缆全寿命周期管理与状态检修迫切需要解决的问题。

为研究皱纹铝护套与缓冲层的接触方式对绝缘电场畸变的影响，本文建立110 kV XLPE电缆仿真模型，使用COMSOL Multiphysics仿真软件，调节皱纹铝护套与缓冲层的接触方式，研究缓冲层干燥和受潮情况下的电-热场分布；使用ANSYS Workbench仿真软件，对电缆缓冲层进行力场分析，研究皱纹铝护套波谷对缓冲层不同程度的挤压损伤对电缆运行状态产生的影响。

1 110 kV XLPE电缆仿真模型

选取YJLW03 64/110 kV 1×1 200 mm²电缆为研究对象，建立二维轴对称模型。图1为电缆二维轴对称模型。采用正弦函数来模拟节距为20 mm、轧纹深度为5 mm的皱纹铝护套^[19]。旋转后得到电缆三维仿真模型，如图2所示。

表1为电缆模型尺寸和材料参数。由于缓冲层在干燥与潮湿条件下电气性能的差异，特别是相对介电常数和体积电导率的变化尤为明显，故仿真模型中设置干燥状态下缓冲层体积电导率为10^-3 S/m，相对介电常数为100；受潮状态下，体积电导率为10^-5 S/m，相对介电常数为1 000^[20]。

2 不同运行条件及接触状态对高压电缆电-热场分布的影响

2.1 电缆额定负载下的缓冲层热场分布

仿真电缆在额定负载下(1 500 A)运行，设置环境温度为20 ℃，空气对流系数为5 W/(mm²·K)。电缆缓冲层与皱纹铝护套紧密接触条件下，得到电缆二维温度仿真结果。图3为额定负载下电缆二维温度场分布。从图3可以看出，电缆的温度分布从导体向外沿径向依次降低，导体温度为90.00 ℃，绝缘屏蔽层为79.25~78.34 ℃，缓冲层为78.54~67.89 ℃，符合一般温度分布规律。

2.2 干燥环境下容性电流导致的缓冲层温升

为模拟皱纹铝护套与缓冲层紧密接触状态，设置皱纹铝护套压入缓冲层0.5 mm。图4为干燥条件下皱纹铝护套与缓冲层紧密接触时电缆的电流密度分布。从图4可以看出，在皱纹铝护套与缓冲层紧密接触情况下，皱纹铝护套波谷与缓冲层电气接触良好的位置处电流密度增大，峰值达到196 mA/m²。

采用电缆三维模型进一步仿真皱纹铝护套与缓冲层紧密接触时电流密度分布对应的电缆的温度分布。图5为干燥条件下皱纹铝护套与缓冲层紧密接触时电缆的三维温度分布。在图4b中的皱纹铝护套波谷与缓冲层紧密接触点电流密度较大处，较大的电流密度引起局部位置发热，使缓冲层的温度分布不均，中部温度较高，温度最大值为20.06 ℃。由于电流密度值仍较小，产热低，此时缓冲层和绝缘屏蔽层均未出现明显温升。

通过预留缓冲层与皱纹铝护套之间的间隙来模拟接触不良情况。图6为干燥条件下皱纹铝护套与缓冲层接触不良时电缆的电流密度分布。从图6可以看出，容性电流集中在接触点，两侧电流大致呈对称分布，电流密度集中点的峰值高达1.29×10³ mA/m²。

图7为干燥条件下皱纹铝护套与缓冲层接触不良时电缆的三维温度分布。从图7可以看出，由于接触不良的长度较短且缓冲层处于干燥条件下，所以无明显温升，缓冲层的峰值温度最高仅为20.12 ℃，即电气接触多点不良时的发热仅比接触良好时增长0.06 ℃。

2.3 受潮环境下容性电流导致的缓冲层温升

图8为受潮条件下皱纹铝护套与缓冲层紧密接触时电缆的电流密度分布。从图8可以看出，在皱纹铝护套与缓冲层电气接触良好的位置出现与干燥情况下相似的电流分布规律，即图8b红色区域，电流密度增大，峰值达到约178 mA/m²。

图9为受潮条件下皱纹铝护套与缓冲层紧密接触时电缆的二维温度分布。从图9可以看出，由于皱纹铝护套波谷与缓冲层紧密接触，径向电流能够有效地泄放，接触点的电流幅值仍然较小，与干燥时相比缓冲层并没有出现明显温升，最大值为20.08 ℃，仅比干燥条件下高了0.02 ℃

2.4 烧蚀损伤对电缆运行寿命的影响

缓冲层处于干燥或受潮状态时，其烧蚀现象存在差异。在干燥状态下，烧蚀过程主要表现为：蓬松的纤维材料因受热发生收缩，表面逐渐形成烧蚀斑点和孔洞结构；随着时间的推移，这些缺陷的规模和密度不断增大，同时阻水粉向绝缘屏蔽层迁移并在其表面留下明显痕迹。而在潮湿环境中，烧蚀机制更为复杂，除电流热效应外还伴随电化学反应。具体表现为：吸水后的阻水粉形成碱性介质，促使缓冲层与皱纹铝护套接触界面生成白色氧化铝及黄褐色金属氧化物；这些高电阻产物的堆积会减小有效接触面积，导致电流分布不均和局部过热加剧，从而加速烧蚀进程^[21]；阻水粉及其化学反应产物通过缓冲层的纤维间隙渗透，最终在绝缘屏蔽表面沉积，形成明显的烧蚀痕迹。

由2.2节可知，当皱纹铝护套与缓冲层接触不良的长度较短时，温升变化较小。为获得皱纹铝护套与缓冲层电气接触不良长度增加时，电流密度和缓冲层局部发热规律，调整皱纹铝护套与缓冲层的电气接触不良长度，改变缓冲层材料的电气参数，通过仿真结果研究干燥与受潮两种情况下缓冲层上的最大电流密度与局部温升。表2为接触不良长度对缓冲层的影响。从表2可以看出，与干燥条件相比，缓冲层受潮时的温升较明显。电流密度及温升随着缓冲层与皱纹铝护套间接触不良长度的增加呈现正相关规律。

将表2数据拟合可以得到缓冲层在干燥或受潮情况下的温升({\theta }_{\mathrm{1}}和{\theta }_{\mathrm{2}})随缓冲层与皱纹铝护套间接触不良长度(L)的变化公式。

{\theta }_{\mathrm{1}}=\mathrm{0.529}{L}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.226}L-\mathrm{0.012}(1)

{\theta }_{\mathrm{2}}=\mathrm{29.614}{L}^{\mathrm{2}}+\mathrm{15.456}L-\mathrm{0.434}(2)

图10为缓冲层温升及电流密度随接触不良长度的变化曲线。从图10可以看出，缓冲层干燥时，随着皱纹铝护套与缓冲层之间电气接触不良长度的增加，局部发热并没有出现明显变化。但缓冲层受潮后，局部严重发热。通过式(2)推断当皱纹铝护套与缓冲层的接触不良长度超过2.5 m时，导致缓冲层的温升超过200 ℃，会引起缓冲层热烧蚀。

当缓冲层烧蚀时，阻水粉与皱纹铝护套发生电化学反应，形成白色粉末(白斑)^[17]。其产生过程可解释为：由于缓冲层阻水粉的主要成分为聚丙烯酸钠，其吸水后呈碱性，产生游离的\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}和\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}离子，皱纹铝护套上的铝元素与两种离子发生反应^[22]，反应化学方程式为：\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}+\mathrm{2}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}=\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow。随后，空气中的\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}进入电缆内部，与上述反应生成的\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}发生如下化学反应：\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{4}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}=\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{3}}\downarrow +\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}。\mathrm{A}\mathrm{l}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{3}}易分解成\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}和{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}，当阻水粉吸水后产生足够多的\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}离子，\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}继续与游离的\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}离子发生如下反应：\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}=\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

由以上化学反应方程式可知，电缆缓冲层受潮后会发生化学反应产生白斑。图11为缓冲层生成白斑机理。白斑的主要成分为碳酸氢钠(\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}})、碳酸钠(\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}})和氧化铝(\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}})。这些物质具有绝缘性，电阻可达兆欧级，反应后的物质沉积在缓冲层与皱纹铝护套接触表面^[23]，同时破坏了该处缓冲层与皱纹铝护套的电气连接，而大量的容性电流会集中在电气接触良好位置，使发热严重，反过来加剧电化学反应，使绝缘屏蔽与皱纹铝护套累积过多的高阻态的物质^[24]，使绝缘屏蔽无法有效接地，就会在存在白斑缺陷的皱纹铝护套波谷处引发烧蚀现象。这个过程持续发展，导致缓冲层出现烧损缺陷，最终使电缆发生故障，运行可靠性降低。

3 挤压损伤对高压电缆电-热-力场分布的影响

3.1 热膨胀对电缆绝缘电-热-力场畸变的影响

XLPE电缆负载运行时绝缘层会发生热膨胀，使皱纹铝护套与绝缘屏蔽间隙更加狭小，在电缆弯曲时起皱、开裂并向内挤压XLPE绝缘，造成不可恢复性压痕，从而使绝缘层中产生电场畸变，且缓冲层在电热作用下，出现化学反应产生白色粉末^[25]，迁移至绝缘屏蔽层，损伤绝缘产生局部放电。

图12为热膨胀对XLPE绝缘的影响。从图12a可以看出，电缆正常运行时，导体发热引起的XLPE绝缘热膨胀明显，最大出现了0.40 mm的变形。对比图12b，相同位置发现XLPE绝缘热膨胀对绝缘屏蔽以及缓冲层内侧造成挤压。处于外侧的皱纹铝护套的自身强度大于绝缘屏蔽和缓冲层，这就导致绝缘屏蔽以及缓冲层在受到挤压时，无法向外侧位移反而会受到皱纹铝护套波谷的挤压，最终在两侧压力作用下，绝缘屏蔽以及缓冲层出现不同程度的压痕。

图13为热膨胀对电缆电流密度的影响。与图4所示的皱纹铝护套与缓冲层紧密接触时相比，电流密度的整体分布规律近似，呈现“周期性驼峰分布”^[20]。但对比图4b与图6b的绝缘屏蔽处电流密度放大图可以明显发现，未考虑热膨胀对电缆的影响时，绝缘屏蔽处的电流密度峰值为145.2 mA/m²；考虑热膨胀对电缆的影响时，绝缘屏蔽处的电流密度峰值上升为174.6 mA/m²，仅上升15.8%。推测是由于此时热膨胀导致的绝缘屏蔽与缓冲层挤压形变较小，未损伤到电缆结构。

以上分析仅考虑接触方式和缓冲层是否受潮时电流密度分布和局部温升情况，可知电流密度较大可引起局部发热，使缓冲层和绝缘屏蔽层温度分布不均。绝缘层热膨胀是否会影响电缆温度分布，需要进一步仿真分析验证。图14为热膨胀对电缆温度的影响。从图14可以看出，两种情况下的温度差异并不明显。原因是此时电缆缓冲层和皱纹铝护套是紧密接触状态，容性电流泄放途径顺畅，热膨胀导致的绝缘屏蔽与缓冲层挤压形变较小，从而温度分布差异较小，不会出现局部温升现象。

3.2 弯曲对电缆挤压损伤的影响

绝缘屏蔽与皱纹铝护套接触不良是影响高压电缆缓冲层烧蚀故障的重要原因，实际电缆的敷设条件以及缆芯重力会造成缓冲层受力不均匀，皱纹铝护套弯曲引起的外界压力造成绝缘屏蔽的永久性不均匀压痕。该不均匀性损伤对缓冲层烧蚀故障发展过程的影响目前尚不明确，导致对实际电缆缓冲层烧蚀故障发展过程的认识不够充分。

根据GB/T 11017.2—2024可知，电缆安装时最小安装半径为电缆外径(D)的20倍。因此，对安装半径为20、15、10、8倍的电力电缆的形变进行仿真分析，探究不同弯曲半径，皱纹铝护套波谷对绝缘层、屏蔽层不同程度的挤压损伤。

将电缆模型导入ANSYS Workbench中进行力学仿真，设置电缆长度为2 000 mm^[26]。模型两端设置为固定，在电缆表面距中心300 mm的两侧位置施加相同作用力，两个力之间的间距为600 mm，使其发生弯曲。图15为受力弯曲电缆仿真模型。

在电缆表面施加不同作用力，电缆弯曲程度不同，弯曲后的电缆半径可通过弯曲后电缆中心位置与水平时中心位置的直线距离计算。图16为电缆弯曲半径计算，图17为弯曲半径为20D时的总变形量。

由弧长公式可得：

l=\alpha R(3)

由此式得\alpha后，则有拱高：

\delta =R\left(\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\frac{\alpha }{\mathrm{2}}\right)(4)

式(3)~式(4)中：l为弯曲后的电缆等效曲线；R为电缆弯曲的半径，mm；\alpha为圆心角，rad；\delta为拱高，mm。

以弯曲半径20D为例，电缆长度为2 000 mm，D为109.5 mm，代入式(3)和式(4)可得拱高为224 mm，即拱高为224 mm时电缆弯曲半径为20D，也就是图17中的电缆最大形变量。凭借此法即可通过电缆弯曲后的拱高而判断出此时的电缆半径，弯曲半径为15D、10D、8D时也均以此法判断。

在电缆表面施加作用力，电缆逐渐开始弯曲，当弯曲拱高为224 mm时，通过式(3)和式(4)计算弯曲半径达到20D，对缓冲层进行轴向变形求解。图18为弯曲半径为20D时缓冲层的轴向变形。从图18可以看出，电缆发生弯曲后，缓冲层各处所发生轴向变形程度。缓冲层已出现明显压痕，此为电缆弯曲过程中皱纹铝护套波谷挤压缓冲层所致，可以看出，当电缆弯曲半径为20D时，缓冲层中最大轴向变形处达到0.39 mm。

继续在电缆表面施加作用力，图19为弯曲半径为15D时缓冲层的轴向变形。从图19可以看出，弯曲半径为15D时，缓冲层轴向变形程度增大，压痕较20D时更深，此时缓冲层中轴向变形最大处已达0.55 mm。这是由于随着作用力的增加，电缆弯曲程度增大，皱纹铝护套波谷挤压缓冲层的程度更强造成的。

进一步增大作用力，当电缆弯曲拱高为426 mm与511 mm时，电缆弯曲半径分别达到10D与8D。图20为弯曲半径为10D时缓冲层的轴向变形，图21为弯曲半径为8D时缓冲层的轴向变形。从图20和图21可以看出，随着弯曲半径的减小，缓冲层受皱纹铝护套波谷挤压作用持续加强，所发生的轴向位移也进一步加大。当弯曲半径为8D时，皱纹铝护套波谷产生的压痕进一步加深，最大处可达1.14 mm，缓冲层表面更加凹凸不平。

在对安装半径为20、15、10、8倍的电力电缆的形变进行仿真分析可知，随着电缆弯曲程度的增大，电缆中皱纹铝护套波谷压迫缓冲层的程度增强，缓冲层中压痕变深，缓冲层所发生轴向变形也越来越大，当安装半径为8D时，缓冲层轴向变形达到最大，是安装半径为20D时电缆变形程度的2.92倍。

3.3 挤压损伤对电缆缓冲层电-热场的影响

通过以上分析可知，缓冲层承受的外界压力会显著改变其与皱纹铝护套的电气接触情况，进而对局部气隙中的场强、电缆径向电流集中情况以及电化学反应进程产生影响。图22为受力不匀对缓冲层的挤压，当缓冲层局部应力集中，此位置电流密度较大，引起局部发热，增加局部放电的风险。同时受压后，长期或者过大的压力可能导致该位置的纤维更容易断裂^[27]，加速老化，进而加剧该位置的烧蚀。

电缆弯曲受力时，缓冲层被压缩，材料内的孔隙率降低，即内部空气与纤维基材构成的多孔介质的占比会发生变化，进而影响电缆的导热性能。随着电缆弯曲程度的加剧，由于缓冲层与皱纹铝护套紧密接触，当弯曲达到一定程度时，缓冲层与绝缘屏蔽开始起皱^[26]，从而引发绝缘的机械损伤，导致电气性能进一步劣化。图23为皱纹铝护套对缓冲层与绝缘屏蔽的挤压。从图23可以看出，XLPE绝缘热膨胀与电缆弯曲会进一步加剧皱纹铝护套与缓冲层直接的挤压。因此在考虑挤压对缓冲层与绝缘屏蔽的影响下，调整皱纹铝护套与缓冲层的电气接触不良长度，改变缓冲层材料的电气参数，通过仿真研究干燥与受潮两种情况下缓冲层上的最大电流密度与局部温升。表3为挤压情况下接触不良长度对缓冲层的影响。

同样，按照2.4小节的方法将表3数据拟合，可以得到缓冲层在干燥、受潮情况下的温升{\theta }_{\mathrm{3}}和{\theta }_{\mathrm{4}}随缓冲层与皱纹铝护套间接触不良长度的变化公式分别为：

{\theta }_{\mathrm{3}}=\mathrm{0.610}{L}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.272}L-\mathrm{0.001}\mathrm{7}(5)

{\theta }_{\mathrm{4}}=\mathrm{31.028}{L}^{\mathrm{2}}+\mathrm{19.133}L-\mathrm{0.650}\mathrm{0}(6)

图24为存在挤压时缓冲层温升及电流密度随接触电缆不良长度的变化曲线。对比图10与图24的拟合曲线可以看出，当缓冲层受到挤压时，皱纹铝护套与缓冲层电气接触良好位置处容性电流更加集中，局部发热略有上升。对比式(1)、式(2)与式(5)、式(6)，可以看出在相同的皱纹铝护套与缓冲层电气接触不良距离下，挤压损伤会加剧缓冲层的烧蚀。

综上所述，挤压损伤会改变皱纹铝护套与缓冲层电气接触情况，流过皱纹铝护套与缓冲层电气接触良好位置的电流密度也会增加，局部热量积累，当发热到达一定温度，缓冲层就会出现烧蚀现象。同时，当挤压引起缓冲层、绝缘屏蔽与XLPE绝缘层起皱^[28]时，会使材料的劣化速率加快，甚至出现开裂。因此，挤压损伤会影响电缆的电气性能与机械性能，最终使电缆发生不可逆的损伤，严重降低电缆使用寿命以及运行可靠性。

4 结论

在干燥与受潮两种运行情况下，当皱纹铝护套与缓冲层接触良好时，在二者接触良好的位置呈现相同的电流分布规律，即在皱纹铝护套波谷与缓冲层电气接触良好的位置处电流密度增大；当皱纹铝护套与缓冲层接触不良时，容性电流会在皱纹铝护套与缓冲层电气接触良好位置集中，特别是在受潮情况下，会加剧电场畸变，电流密度峰值可达到178 mA/m²。

在干燥与受潮两种运行情况下，皱纹铝护套波谷与缓冲层紧密接触点均是电流密度较大处，从而引起局部位置发热，使缓冲层的温度分布不均。但当缓冲层受潮时，除了电流发热还存在电化学反应，尤其是当局部发热超过200 ℃时会产生高阻态生成物，从而加重电流分布使局部发热更为严重，引发烧蚀，最终使电缆发生故障，运行可靠性降低。

热膨胀与弯曲均会对高压电缆缓冲层造成不同程度的挤压损伤。当导体发热引起热膨胀时，缓冲层会受到皱纹铝护套波谷的挤压，在两侧压力作用下，缓冲层会出现不同程度的压痕；当电缆弯曲时，随弯曲半径的减小，电缆中皱纹铝护套波谷压迫缓冲层的程度增强，缓冲层中压痕也越来越深。因此当热膨胀严重或弯曲半径过小时，电缆均有起皱、开裂的风险。同时，挤压损伤也会使皱纹铝护套与缓冲层接触位置局部热量积累，进而引发缓冲层烧蚀。

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基金资助

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