缓冲层材料的固有电流浓度：随机纤维网络的作用

近年来，高压电缆的缓冲层熔化失效问题频繁发生。以往的研究主要将缓冲层视为连续均匀介质，忽略了其微观结构。本文研究了缓冲层中随机纤维网络的电流分布。我们自行设计的实验平台结果显示，在承受电流的瞬间，缓冲层内存在不均匀的电流分布，称为固有电流浓度，即电流密度在缓冲层内部的某些位置集中。压缩样品可抑制电流浓度程度。基于Mikado模型构建了随机纤维网络的二维仿真模型。仿真结果同样显示，网络中存在不均匀的电流分布，其每个纤维可视为微电阻。定义了两种无量纲电流浓度因子来描述电流浓度程度，发现其值随纤维密度的增加而减小。压缩缓冲层等效于增加模型的纤维密度。我们认为，固有电流浓度现象主要与缓冲层几何结构的各方性有关。X射线微型CT检测观察到的熔化痕迹和断裂纤维支持了这一观点。此外，样品的非理想表面也可诱导此现象。固有电流浓度会加剧电缆中原有宏观电流浓度的程度，从而导致熔化失效。我们的工作可能揭示了电缆熔化失效及类似纤维材料电气响应的更深层次理解。