本研究报告发表于2022年的《Engineering Failure Analysis》期刊。研究团队主要成员为孔佳敏、周凯、孟鹏飞（通讯作者）、赵琪、吴亚平和任宪臣、陈一东，分别来自四川大学的电气工程学院和高分子科学与工程学院。本研究聚焦于高压电力工程领域，旨在探究高压皱纹铝套电力电缆中缓冲层（buffer layer）的交流腐蚀（AC corrosion）问题，分析其腐蚀特性及其与电缆最终故障之间的关联。

从学术背景来看，高压交联聚乙烯（XLPE）电缆是电网中的重要设备，其中皱纹金属护套因其良好的抗压性和柔韧性而被广泛应用。为防止水分纵向扩散并缓解铝套与绝缘屏蔽之间的应力，电缆设计中引入了包含吸水膨胀粉末的缓冲层。然而，近年来，一种新型的电缆故障频繁出现，其显著特征是故障电缆的缓冲层处分布有大量白色粉末。虽然此前有研究者将粉末归因于制造过程中的水分或物理迁移，但未能完全解释所有故障案例的成因，特别是那些未使用编织铜线绞线的电缆也发生了故障。因此，本研究旨在深入探究这一特定故障的根源机制，即缓冲层的交流电化学腐蚀过程，并发展相应的诊断与预防方法。

本研究的工作流程主要包含两个核心部分：对故障电缆的现场样本分析，以及为探究腐蚀机制而设计的模拟腐蚀实验。

首先，在故障电缆分析部分，研究团队解剖了一根因缓冲层烧蚀而失效、已运行约十年的110 kV电缆。他们重点观察了白色粉末的分布，发现其主要附着在缓冲层外表面（即与铝套接触面）的波纹凹槽处，内表面（与半导电层接触面）仅有少量。为了确定粉末的成因，研究采用了多种分析技术：使用场发射扫描电镜（FESEM）观察粉末形貌，发现外表面粉末更细腻，内表面粉末更规整柔软；使用X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDS）分析其化学成分。结果揭示了一个关键事实：内表面的粉末完全为碳酸氢钠及其结晶水合物；而外表面的粉末由上下两层组成，上层是薄的氢氧化铝，下层是相对较厚的碳酸氢钠层。这一发现直接证明白色粉末是由化学反应（电化学腐蚀）生成，而非简单的物理迁移，这是本研究的重要出发点。

其次，为了定量研究腐蚀过程及影响因素，团队设计并进行了系统的模拟腐蚀实验。他们制作了一种三层结构（铝片-缓冲层-半导电层）的样本，并将其置于密闭实验腔中。该实验设计的创新之处在于，通过环境试验箱或滴加水来精确控制样品的含水量，模拟了制造过程中引入的潮气以及因机械损伤导致的直接进水两种工况。通过砝码调整样本所受压力。在外部电路中，使用稳压器控制施加在样本上的交流电压，并通过数据采集卡测量瞬时电压和电流，进而计算电流密度。实验还使用气体探测器实时监测反应产生的氢气浓度变化，为腐蚀速率提供了一个新的量化指标。

在模拟实验中，研究团队系统探究了白色粉末与氢气的生成特性。他们发现，水分是腐蚀发生的必要条件，干燥样品无腐蚀。随着水分含量和电流密度的增加，白色粉末（主要为氢氧化铝）的生成速率加快，且存在一个阈值电流密度（约20 A/m²），低于此值腐蚀不发生。更重要的是，研究首次检测并定量分析了腐蚀过程中伴随产生的氢气。氢气不仅会对绝缘聚合物造成直接损害，还可能在电缆最终热故障中充当助燃剂。监测氢气浓度随时间的变化曲线，并结合电流密度的同步测量，为分析腐蚀动力学提供了关键数据。

基于氢气生成与电流密度之间的相关性，本研究提出了一个新颖且便捷的表征方法——交流电流密度谱（AC current density spectroscopy），用以定量描述腐蚀速率。研究发现，腐蚀反应速率与瞬时电流密度和稳态电流密度（即阈值电流密度，j∞）的差值成正比（v(j) = k(j - j∞)）。而电流密度随时间衰减的特性（j(t) = j∞ + j0e^{-t/τ2}）则归因于腐蚀产物（白色粉末）的生成增加了接触电阻。通过分析电流密度谱，可以有效地监测和评估腐蚀进程。

利用交流电流密度谱方法，研究详细探究了电压、水分含量和压力对阈值电流密度（j∞）的影响。实验结果表明：阈值电流密度与施加电压无关；随着水分含量的增加，j∞显著降低（这意味着在高湿度下，腐蚀后达到的最终接触电阻更高）；而随着压力的增加，j∞呈线性增长（j∞(p) = kp × p）。这些定量关系是理解电缆内部腐蚀非均匀性的关键。

在获得上述基础实验规律后，研究进入到理论关联与故障机制分析阶段。结合高压皱纹铝套电缆的实际结构（图13），研究团队建立了一个数学模型来分析波纹结构导致的径向电流非均匀分布。他们定义了缓冲层在不均匀压力下的变形方程，并结合阈值电流密度与压力的正比关系，推导出沿圆周方向的阈值电流密度分布函数。进一步地，他们引入了非均匀性系数（σ） 来描述电流分布的不均匀程度，其表达式为 σ = 1 + a / [2(r1 - r2)]。其中，a是皱纹波纹深度（ripple depth），(r1 - r2)是波纹成型前缓冲层被压缩的深度。该公式明确指出：波纹深度越大，电流分布越不均匀；而缓冲层初始预压缩量越大，则有助于减轻这种不均匀性。

综合所有研究结果，本研究详细阐述了缓冲层交流腐蚀与电缆最终故障之间的关系链条：1. 起始阶段：电缆制造过程中引入的潮气或运行中因护套损伤进入的水分，为电化学腐蚀提供了必要条件。2. 腐蚀与发热的正反馈循环：由于皱纹铝套的结构特点，电流在缓冲层圆周方向上的分布是非均匀的（尤其在波纹深度较大时），这导致局部区域电流密度和腐蚀反应更快。腐蚀生成的绝缘性氢氧化铝增加了局部接触电阻。根据公式 P_q ≈ U²R / (R² + X_c²) （其中R为包含接触电阻的缓冲层电阻），在电压U恒定的情况下，接触电阻R的增大会导致该处产生的焦耳热（P_q）显著升高。局部温升又会加速缓冲层中吸水粉末与空气中二氧化碳的反应，生成更多的碳酸氢钠（即白色粉末的主要成分之一），这进一步加剧了接触电阻的增加和温度的上升。3. 最终故障：这种“腐蚀-电阻增加-发热加剧-反应加速-电阻进一步增加”的正反馈循环持续进行，直至局部温度过高，导致缓冲层材料（例如纤维）熔化烧蚀（如图14所示），最终引发电缆绝缘击穿等严重故障。此外，腐蚀过程中产生的氢气渗透到绝缘中，可能作为燃烧促进剂，加剧了最终的热失效过程。

本研究的结论是：缓冲层中的水分会导致交流电化学腐蚀，产生氢氧化铝和氢气。腐蚀速率可以用交流电流密度谱方便地表征。阈值电流密度受水分含量和压力影响，而与电压无关。电缆故障的根源在于：制造过程中的高湿度环境导致缓冲层初始含水量高，引发严重腐蚀和接触电阻剧增；同时，过大的皱纹波纹深度加剧了电流分布的非均匀性。两者的共同作用导致了缓冲层的局部高温和最终失效。

本研究的价值和亮点主要体现在以下几个方面：首先，在研究内容上，它首次系统、深入地揭示了高压皱纹铝套电缆缓冲层故障的电化学腐蚀本质，明确了白色粉末（氢氧化铝和碳酸氢钠）是化学反应的产物，而非之前认为的物理迁移。发现了腐蚀伴随氢气生成这一此前被忽视的现象，并阐释了其在故障中的作用。其次，在研究方法上，创新性地提出了“交流电流密度谱”这一概念和实验方法，为定量表征和在线监测此类腐蚀过程提供了有力的工具。通过精巧的模拟实验设计，分离并量化了电压、水分、压力等关键影响因素。最后，在工程指导意义上，研究不仅揭示了故障机理，更通过数学模型定量指出了影响电流分布非均匀性的关键结构参数——波纹深度和缓冲层预压缩量，这为电缆的设计优化（如控制波纹深度、确保足够的制造工艺压力以增加初始压缩量）和制造过程控制（如严格控制生产环境湿度）提供了直接的理论依据和具体的改进方向。研究还提示，监测氢气释放可能成为诊断此类早期腐蚀故障的一种潜在手段。这些发现对于保障高压电缆的安全运行、延长其使用寿命具有重要的科学价值和工程应用价值。