皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷检测与修复_郝艳捧刘刚_9787519899929

本书主要阐述皱纹铝护套电力电缆缓冲层缺陷机理、检测技术、修复技术、预防技术等，汇集了作者团队在电缆缓冲层故障机理，缺陷检测与消除方面的多年研究成果以及最ZZ新研究进展。全书主要内容包括：皱纹铝护套电力电缆缓冲层基础知识，缓冲层缺陷特征、形成及影响机理，局部放电检测方法、气体检测方法、宽频阻抗检测方法、分布式光纤检测方法等几种缓冲层缺陷检测方法，缓冲层缺陷修复技术，以及预防缓冲层缺陷的平滑铝套电力电缆、研究成果的应用案例等多个方面的研究成果。这是我国第D一部系统阐述电力电缆缓冲层缺陷机理、检测方法、修复技术研究的著作，体现了研究成果和工程实践的结合。
本书可供从事电力电缆研究基础研究和应用研究的相关工程技术人员参考使用。

序
能源电力是经济社会发展的重要物质基础和动力源泉。电力系统作为现代工业体系的基础，其发展攸关国计民生和国家安全。在习近平总书记提出的四个革命、一个合作能源安全新战略指引下，我国碳达峰、碳中和战略积极稳步推进，能源电力系统结构快速转型。能源安全新战略提出以来，我国能源电力基础设施建设取得了重大成就，建设了全球规模最ZZ大、电压等级最ZZ高的电力系统；在大力发展新能源的背景下，正在发展和构建以新能源为主体的新型电力系统。
在新型电力系统构建快速发展的同时，支撑新型电力系统构建的电力关键核心技术装备存在一系列亟待攻关突破的问题，其中作为关键输电设备的电力电缆近年来逐步成为研究热点，学术界、工业界基于电缆运行经验与发展趋势，聚焦于电缆新型材料、结构设计以及缺陷检测技术等基础问题。
电力电缆基础研究和应用研究得到国家、地方、行业、企业以及全社会的广泛关注和支持，国家科技部在该领域设立了多个973863项目以及科技支撑计划，行业中诸多企业也开展了大量研究和实践，取得了丰硕成果，有力地促进了电力电缆产业的发展。华南理工大学作为以工见长、理工结合的教J育Y部直属综合性研究型大学，在电力电缆领域主持和参与了多项国家973863项目以及科技支撑计划，与南方电网公司合作开展了大量生产实践相关的针对性研究。华南理工大学的研究工作主要涉及电缆载流量仿真计算、剩余寿命评估等方法研究，绝缘空间电荷行为、介电特性等理论研究，检测装备研制、前沿检测方法等技术开发。这些研究所形成的科研成果与现场应用，在推动我国电力电缆产业高质量发展中起到了重要作用。
华南理工大学电力学院的老师和专业团队在电力电缆缓冲层领域的探索、实践以及大量现场应用基础上，总结撰写了《皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷检测与修复》一书。本书内容主要包括：皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷机理、局部放电检测方法、气体检测方法、宽频阻抗检测方法、分布式光纤检测方法、缺陷修复技术，以及预防缓冲层缺陷的新型电力电缆、研究成果的应用案例等。这是我国第D一部系统阐述电力电缆缓冲层缺陷机理、检测方法、修复技术的著作，体现了科学研究和工程实践的结合。
希望本书的出版，能够为从事电力电缆领域技术人员提供参考，为进一步开展电力电缆可靠性研究及应用发挥作用，为我国电力事业发展作出贡献。
中国工程院院士
华南理工大学电力学院名誉院长
李立浧

随着城市电网负荷日益增长及供电可靠性要求不断提高，城市输电系统中电力电缆占比逐年升高。交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆凭借电气性能与机械性能优异、传输容量大、制造工艺简单、安装与维护方便等优点，逐渐成为地下输电系统的核心输电设备之一。XLPE 绝缘电缆线路多位于城市核心地段，一旦发生故障，故障定位难、修复难度大、检修耗时长，造成的损失远大于架空线路，对社会造成的负面影响较大。近年来国内外发生了多起110kV 及以上XLPE 绝缘电缆本体击穿故障，故障并非电缆本体绝缘缺陷原因导致，而是由电缆铝套和绝缘屏蔽层之间的缓冲层缺陷引起。该类型缺陷主要表现为铝套、缓冲层、绝缘屏蔽层上出现白色粉末斑点及大面积的烧蚀性放电痕迹，部分烧蚀位置已损伤电缆主绝缘。截至2023 年4 月，国内已报道的缓冲层缺陷、故障电缆案例已近50 起。缓冲层烧蚀故障诱发原因目前已相对清晰，主要因国内高压电缆采用皱纹铝套结构，这种结构特点可导致绝缘屏蔽层与铝护套间电气接触不良，但烧蚀缺陷形成与发生过程机理尚不明确。此外，缓冲层缺陷形成周期长，缺陷潜伏期特征表现不明显，常规技术手段难以有效检测，导致大面积停电风险始终存在，给电网可靠运行带来安全隐患。因此，需要准确掌握缓冲层缺陷发展机理，在故障发生前对缺陷及时检测识别、修复，提高电缆线路运行可靠性。目前国内未见有关皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷检测与修复方面的专业书籍出版，缺乏展现这一领域最新科技成果和发展动态的学术成果。针对以上问题，作者团队开展了一系列研究工作，并组织编写了本书。本书汇集了作者团队在电缆缓冲层故障机理、缺陷检测与修复方面的最新研究进展。全书共10 章，从内容划分上可归为6 个部分。第1 章介绍了皱纹铝套电力电缆缓冲层基础知识，结合相关标准概述了皱纹铝套电力电缆组成，以及缓冲层性能、材料与结构。第2～3 章介绍了缓冲层缺陷特征、形成及影响机理，结合缓冲层缺陷模拟试验方法、有限元模型与等值电路模型分析，为缺陷检测与修复提供理论参考。第4～7 章介绍了几种缓冲层缺陷检测方法，主要包括局部放电检测、气体检测、宽频阻抗检测、分布式光纤检测等方法，并结合理论分析与试验验证讨论了检测方法的有效性与应用价值。第8 章介绍了缓冲层缺陷修复技术，并给出了修复效果予以验证，使缺陷被检出后得到有效处理。第9 章介绍了新型结构电缆，结合试验与有限元仿真探究了平滑铝套电缆等的结构设计以及热、机械、电气性能，讨论了抑制缓冲层缺陷，以平滑铝套替代皱纹铝套的可行性。第10 章介绍了缓冲层缺陷研究成果应用案例，这一章有助于国内外读者直观了解本书价值。作者期待以本书为起点，吸引更多学者对本领域给予关注和研究，形成系列专著性科技丛书。本书是作者团队在皱纹铝套电缆缓冲层缺陷检测与修复领域多年研究成果的集中体现。参加本书资料整理的有博士研究生成延庭、周文青、张鹏、肖启昊，硕士研究生陈林昊、田万兴、王志毅。全书由上海电缆研究所有限公司徐晓峰博士审定，由华南理工大学朱宁西副教授校对。本书成果得到了国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金重点项目（编号：U1766220）、中国南方电网有限责任公司科技项目（编号：080045KK52190021 和GDKJXM20220062）的资助。在此感谢参与这些项目并为本书成果作出贡献的研究生们，他们是陈云、刘顺满、赖庆波、吴智恒、赵鹏、李启舜、谭皓天、赖林桦、尹酽洋等。在研究工作的初始阶段，西安交通大学屠德民教授在研究方向上给予了指导。在研究过程中，还得到了华南理工大学李立浧院士、阳林副教授，南方电网科学研究院有限责任公司惠宝军高级工程师、朱闻博高级工程师，广东电网有限责任公司广州供电局黄嘉盛教授级高级工程师，广东电网有限责任公司东莞供电局吴勋高级工程师、黎灼佳高级工程师，广东电网有限责任公司电力科学研究院余欣教授级高级工程师，广东电网有限责任公司汕头供电局曾挺高级工程师，国网江苏省电力有限公司电力科学研究院陈杰高级工程师、胡丽斌高级工程师、曹京荥高级工程师的指导和帮助，在此一并表示感谢！还要感谢广州南洋电缆集团有限公司对本书中试验研究提供的样品、场地、设备支持和帮助！感谢华南理工大学电力学院创造的卓越教育与研究氛围，这为本书的课题研究提供了丰富条件，使作者得以深入探索并顺利完成研究工作。本书由多位学者共同完成，力求全面、详细、科学地阐述皱纹铝套电缆缓冲层缺陷、检测及修复相关的研究内容，各部分写作风格不尽相同。限于编者的水平和学识，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者和同行专家予以批评指正。郝艳捧、刘刚2025 年1 月于广州

序
前言
第1 章皱纹铝套结构的电力电缆缓冲层 1
1.1 皱纹铝套电力电缆结构 2
1.2 电力电缆缓冲层性能 6
1.3 电力电缆缓冲层半导电带类型 11
1.4 电力电缆缓冲层半导电带材料研究 12
1.5 电力电缆缓冲层结构 14
1.6 小结 14
本章参考文献 15
第2 章皱纹铝套电力电缆阻水缓冲层水分作用劣化研究 18
2.1 受潮缓冲层的电气性能分析研究 19
2.1.1 缓冲层阻水带受潮试验 19
2.1.2 受潮缓冲层阻水带的含水量变化规律 19
2.1.3 受潮缓冲层阻水带的体积电阻率测量 20
2.1.4 受潮缓冲层阻水带体积电阻率变化原因 21
2.2 缓冲层白斑成分分析研究 24
2.2.1 电气性能 24
2.2.2 物理形态 25
2.2.3 化学元素组分 27
2.3 缓冲层白斑形成机理研究 27
2.3.1 白斑形成影响因素研究 27
2.3.2 考虑阻水带含水量的白斑重现试验研究 31
2.3.3 白斑物质组分的形成机理 32
2.4 缓冲层白斑电热影响研究 34
2.4.1 白斑阻水带电热参量测量 34
2.4.2 白斑阻水带体积电阻率、导热系数变化原因 36
2.4.3 白斑对电缆缓冲层电场和温度场影响的仿真研究 37
2.4.4 白斑阻水带体积电阻率、介电常数对电缆缓冲层电场的影响 39
2.4.5 白斑阻水带导热系数对电缆缓冲层温度场的影响 41
2.5 小结 42
本章参考文献 43
第3 章皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷机理研究 45
3.1 缓冲层缺陷电路模型 46
3.1.1 缓冲层和铝套之间的接触状态分析 46
3.1.2 高压XLPE 电缆缓冲层等效电路模型 47
3.1.3 缓冲层等效电路模型的参数计算 49
3.1.4 缓冲层等效电路模型的影响因素分析 51
3.2 缓冲层缺陷等效电路模型仿真分析研究 53
3.2.1 仿真对象及设置 53
3.2.2 影响因素的仿真分析 55
3.3 缓冲层缺陷放电模拟实验研究 63
3.3.1 缓冲层缺陷放电模拟实验 63
3.3.2 缺陷电缆样品相关测试 65
3.4 小结 68
本章参考文献 69
第4 章皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷放电检测方法 70
4.1 测试系统 71
4.2 缓冲层缺陷电缆制备方法研究 71
4.3 脉冲电流法检测研究 74
4.3.1 测试方法 74
4.3.2 各类缓冲层缺陷电缆的放电 75
4.3.3 主绝缘受损缺陷电缆的放电 76
4.3.4 绝缘屏蔽层受损缺陷电缆的放电 77
4.4 高频电流法检测研究 77
4.4.1 测试方法 78
4.4.2 主绝缘受损缺陷电缆的放电 78
4.4.3 各类缓冲层缺陷电缆的放电 83
4.5 小结 86
本章参考文献 87
第5 章皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷产出气体检测方法 89
5.1 缓冲层缺陷产气机理研究 90
5.1.1 白斑生成阶段 90
5.1.2 缓冲带烧蚀阶段 93
5.1.3 外屏蔽层烧蚀阶段 94
5.2 电力电缆缓冲层缺陷气体扩散研究 95
5.3 电力电缆缓冲层缺陷产出气体采集方法研究 98
5.4 电力电缆缓冲层缺陷产出气体成分检测研究 100
5.5 小结 102
本章参考文献 103
第6 章皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷宽频阻抗评价方法 105
6.1 缓冲层缺陷电缆阻抗建模 106
6.1.1 皱纹铝套与缓冲层的接触段和非接触段阻抗模型 106
6.1.2 单节距阻抗模型 107
6.1.3 仿真模型的缓冲层缺陷实测参数 108
6.1.4 缓冲层缺陷阻抗仿真结果 109
6.2 电力电缆宽频阻抗检测原理 111
6.3 电力电缆缓冲层宽频阻抗检测方法研究 113
6.3.1 检测系统 113
6.3.2 接线方式研究 115
6.3.3 电极周向相对位置研究 119
6.3.4 电缆长度影响 120
6.4 电缆缓冲层缺陷类型识别宽频阻抗检测法研究 121
6.4.1 受潮 121
6.4.2 白斑 122
6.4.3 大间隙 122
6.4.4 烧蚀 123
6.5 小结 124
本章参考文献 125
第7 章皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷的分布式光纤检测
方法研究 126
7.1 光纤布里渊散射原理 127
7.1.1 光纤散射原理 127
7.1.2 布里渊光时域反射BOTDR 技术 128
7.2 光纤断点的BOTDR 检测方法研究 129
7.2.1 检测方法和判据 129
7.2.2 BOTDR 和光时域反射OTDR 对比试验 130
7.2.3 结果与分析 132
7.3 电力电缆内置光纤的频移温度灵敏度测量方法研究 135
7.3.1 测量方法 136
7.3.2 测试系统和试样 138
7.3.3 光纤频移温度灵敏度试验 139
7.3.4 结果与分析 140
7.4 缓冲层受潮的光纤BOTDR 检测研究 146
7.4.1 电缆内置光纤断点检测试验 146
7.4.2 阻水带受潮临界长度、受潮程度的光信号频移规律 149
7.4.3 阻水带受潮干燥过程 153
7.5 电力电缆损耗、局部放电的光纤BOTDR 检测研究 154
7.5.1 测试系统 154
7.5.2 测试方法 155
7.5.3 电缆内置光纤断点检测试验 156
7.5.4 六种缓冲层缺陷电缆光纤BOTDR 检测试验 157
7.5.5 缓冲层缺陷电缆损耗光纤BOTDR 检测试验 160
7.5.6 主绝缘受损电缆局部放电光纤BOTDR 检测试验 162
7.5.7 绝缘屏蔽层受损电缆局部放电光纤BOTDR 检测试验 164
7.6 小结 165
本章参考文献 166
第8 章皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷修复技术研究 168
8.1 电力电缆缓冲层缺陷修复原理 169
8.1.1 含修复液高压电缆等效阻抗模型 169
8.1.2 含修复液高压电缆阻抗模型仿真分析 171
8.1.3 电缆修复影响因素三维仿真分析 174
8.2 电力电缆缓冲层缺陷修复材料研究 181
8.2.1 材料配方和制备方法 181
8.2.2 材料电气性能测试 183
8.2.3 材料固化性能测试 186
8.2.4 材料相容性能测试 188
8.3 电力电缆缓冲层缺陷修复工艺研究 194
8.4 高压电缆缓冲层缺陷修复方法的试验验证 195
8.4.1 缓冲层电气性能恢复效果验证实验 195
8.4.2 人工可控缺陷电缆的设计及制作 198
8.4.3 高压电缆缓冲层修复方法有效性验证 202
8.5 小结 207
本章参考文献 208
第9 章平滑铝套电力电缆研究 210
9.1 结构设计研究 211
9.1.1 考虑绝缘热膨胀的缓冲层间隙设计研究 211
9.1.2 电缆电场强度、温度、热应力仿真研究 214
9.1.3 机械应力仿真研究 219
9.2 不同敷设环境下高压电缆载流量对比研究 222
9.2.1 等效热阻法 223
9.2.2 载流量对比试验 226
9.3 弯曲试验、耐压和局部放电试验研究 230
9.3.1 平滑铝套电缆试样 230
9.3.2 试验方法 231
9.3.3 结果与分析 232
9.4 小结 234
本章参考文献 234
第10 章皱纹铝套电力电缆缓冲层缺陷研究成果的应用案例 236
10.1 电力电缆缓冲层材料、结构及工艺管控 237
10.2 电力电缆缓冲层运行与维护 239
10.3 电力电缆缓冲层修复 244
10.4 平滑铝套电缆 248
10.5 小结 251
本章参考文献 251

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