不同工頻電壓下110kV級X L P E電纜絕緣中電樹枝生長情況與局放特征

喻巖瓏，吳延坤，陳廣輝，王偉，隋恒，馬樂

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206；2.聊城市供電局，山東聊城252000；3.青海超高壓運(yùn)行檢修公司，青海西寧810000）

不同工頻電壓下110kV級X L P E電纜絕緣中電樹枝生長情況與局放特征

喻巖瓏1，吳延坤1，陳廣輝1，王偉1，隋恒2，馬樂3

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206；2.聊城市供電局，山東聊城252000；3.青海超高壓運(yùn)行檢修公司，青海西寧810000）

The National Basic Research Program of China（2009CB-724506）。

電力電纜是電力系統(tǒng)輸變電的非常重要的設(shè)備，對電力負(fù)荷安全，電力可靠傳輸具有不可或缺的作用，不完全統(tǒng)計(jì)表明，已投入運(yùn)行的高壓電纜線路中，最高電壓等級已達(dá)500kV，110kV及以上的高壓電纜線路達(dá)數(shù)百km。XLPE電纜絕緣中的缺陷主要有毛刺、雜質(zhì)和氣隙，這些存在的缺陷極易引發(fā)電樹枝并迅速生長，并將對電纜以及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1-2]。因此，電樹枝已成為制約高壓XLPE電纜運(yùn)行壽命與可靠性的主要因素。為了防止高壓電纜事故的突發(fā)，確保電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，對絕緣電樹枝化嚴(yán)重程度前期預(yù)警是非常有必要的[3-5]。

局部放電試驗(yàn)已經(jīng)被GIGRE、IEEE等國際電力權(quán)威機(jī)構(gòu)以及國內(nèi)外的專家學(xué)者公認(rèn)為，是XLPE電纜絕緣狀況評價(jià)的最佳方法[6-7]，因此，我們搭建了基于電樹枝生長及局部放電的電纜切片在線監(jiān)測測試系統(tǒng)，一方面在工頻不同電壓等級下，觀察實(shí)際110kV XLPE電纜切片中電樹枝的發(fā)展情況，另一方面，測局部放電特征量，對比分析二者的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對于叢林狀電樹，一些局放特征量與其生長有較好的一致性，可作為電樹發(fā)展程度預(yù)測的參考依據(jù)[8-9]。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)試樣與制作

該實(shí)驗(yàn)中，電極采用典型的針-板電極，其中的針電極為奧氏體不銹鋼針，曲率半徑為6±1μm，試樣采用實(shí)際的110kV XLPE電纜切片，切片厚度為3mm，內(nèi)半導(dǎo)電層厚度約為1.5mm，通過表面打磨使切片表面光滑、透明，以便于觀察其內(nèi)部的電樹枝現(xiàn)象，通過加熱針電極使針尖緩慢插入絕緣中，避免在針尖處產(chǎn)生氣隙，針板電極間距離控制為4～4.5mm，其中交聯(lián)聚乙烯絕緣長度約為3～3.5mm，電纜切片的內(nèi)半導(dǎo)電層厚度約為1.5mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。利用該系統(tǒng)對切片持續(xù)加壓，同時(shí)對電樹枝的圖像及局部放電的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。為了限制高壓下切片發(fā)生閃絡(luò)以及外部放電，我們選擇將試樣浸在變壓器油中，電樹枝發(fā)展圖像先通過顯微鏡采集，然后通過CCD成像，最后遠(yuǎn)距離傳輸?shù)焦た貦C(jī)處理。局部放電信號測量是用積分電阻經(jīng)信號放大器傳至示波器觀測，并將信號用工控機(jī)程序采集保存，信號放大器頻帶為3～50MHz，積分電阻為0.5Ω無感電阻。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Test systems

首先，將針電極浸入變壓器油中，此時(shí)沒有放入電纜切片，將電壓均勻緩慢升高，我們升至45kV也沒檢測到局部放電，說明變壓器在45kV的空載電壓下沒用內(nèi)部放電，能滿足我們的試驗(yàn)要求?？蛰d時(shí)，背景噪聲低于100mV，噪聲信號放電量通過標(biāo)定后小于50pC。若每次試驗(yàn)條件相同，則重復(fù)性實(shí)驗(yàn)（每次試驗(yàn)重復(fù)5～10次）結(jié)果較為一致，因此可作為規(guī)律性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同電壓下電樹枝生長特性

我們擬對試樣分別施加9kV、12kV、18kV電壓，實(shí)時(shí)觀察電樹枝生長情況，發(fā)現(xiàn)不同電壓下樹枝生長情況各不相同。電壓由低到高的情況下電樹枝形狀如圖2所示（圖中紅線長度為0.2mm）依次為枝狀、稠密枝狀和叢林狀電樹枝。其中枝狀電樹枝的樹枝顏色最淺，而叢林狀電樹枝的樹枝顏色最深，按樹枝通道的導(dǎo)電特性，可以將電樹枝分為導(dǎo)電型和非導(dǎo)電型。一般來說導(dǎo)電型電樹枝顏色較深，非導(dǎo)電型電樹枝顏色較淺。說明3種電樹枝通道內(nèi)的腐蝕程度存在很大的差異，生長機(jī)理也不同。

圖2 不同電壓下電樹枝形態(tài)Fig.2 Electric tree shape on different voltage

作出不同電壓下電樹枝的生長長度曲線，如圖3所示，3條曲線分別對應(yīng)3個(gè)電壓下的電樹枝生長曲線，其中9kV下枝狀電樹枝的生長速度最快，稠密枝型電樹枝的生長速度其次，叢林狀電樹枝的生長速度最慢。

圖3 電樹枝生長長度和加壓時(shí)間的關(guān)系Fig.3 The relationship between growth length of electric tree and the voltage applied time

經(jīng)過數(shù)次的相同試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)9kV和12kV下生成的電樹枝，當(dāng)有一條樹枝通道貫穿XLPE絕緣后（樹枝達(dá)到內(nèi)半導(dǎo)電層），由于內(nèi)半導(dǎo)電帶的存在，電纜切片沒有馬上擊穿，而是其他樹枝通道在絕緣中繼續(xù)發(fā)展，XLPE絕緣中的電樹枝面積不斷增大，稠密枝狀電樹切片（12kV下）大約會在幾十分鐘以后擊穿，純枝狀電樹（9kV下）的擊穿時(shí)間會更長大約幾h甚至十幾h。叢林狀電樹枝在XLPE絕緣中生長速度最慢，但是當(dāng)有一枝放電通道貫穿XLPE絕緣后，電纜切片會在1～2min內(nèi)擊穿，因此，叢林狀電樹枝的電纜切片樹枝貫穿通道到擊穿時(shí)間最短。如圖4所示，圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別是9kV、12kV、18kV時(shí)電樹枝發(fā)展和擊穿情況。

圖4 不同電壓下電樹枝形態(tài)Fig.4Electric tree shape under different applied voltages

因?yàn)殡姌渲υ谄浼舛说碾妶鰪?qiáng)度很大，所以在樹枝生長的初始階段，一般會先出現(xiàn)出生長速度很快的樹狀電樹枝。在針板電極的距離較大，電樹枝不能很快發(fā)展到板極而引發(fā)擊穿的條件下，若所施電壓較低，則放電的破壞性不大，樹枝從根部發(fā)展較慢，且其形狀在較長時(shí)間內(nèi)可維持樹狀；若所施電壓較高，則放電的破壞性較大，樹枝從根部的發(fā)展較快，且可以在很短時(shí)間形成叢狀。因此，在樹枝生長早期，其形狀隨著電壓的升高可以由樹狀發(fā)展為叢狀。所以電纜切片上施加電壓為9kV或12kV時(shí)，針電極處場強(qiáng)較18kV小，針電極每次注入和抽出的電子能量較為微弱，針電極注入的電子到達(dá)樹枝尖端處時(shí)對XLPE分子鏈的撞擊能力減弱，此時(shí)的電樹枝通道中碳化率較低，即生長為非導(dǎo)電型電樹枝，即使樹枝通道貫穿主絕緣后，電纜切片中不會立即發(fā)生擊穿，隨著局部放電的發(fā)展，枝狀通道中碳化率逐漸增大，導(dǎo)電率增大，電樹枝尖端處電場也逐漸增大，電子對XLPE分子鏈的破壞能力增加，直至最后擊穿。相對來講，對于18kV時(shí)，電樹枝的發(fā)展相對簡單，由于針電極處場強(qiáng)較大，針電極處注入的電子對XLPE分子鏈的破壞能力要大得多，加壓開始后較短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)濃密的樹枝通道，且樹枝碳化嚴(yán)重，形成的電樹顏色很深，為導(dǎo)電型的電樹，叢林電樹相互抑制生長緩慢，當(dāng)有一個(gè)或數(shù)個(gè)電樹通道貫穿絕緣后，電纜切片立即擊穿。

2.2 不同電壓下電樹枝生長時(shí)的局部放電特征

電樹枝的生長過程非常復(fù)雜，要受到很多因素的影響，如局部放電，電場，空間電荷分布，通道電導(dǎo)，氣體壓力，機(jī)械應(yīng)力，材料形態(tài)等，特別是像交聯(lián)聚乙烯這樣的高壓電氣設(shè)備中的聚合物絕緣介質(zhì)，情況更要復(fù)雜[10-12]，電樹枝引發(fā)之后就伴隨著局部放電，我們著手研究，希望通過一些局放特征來反映電樹枝生長情況。

試驗(yàn)中我們每個(gè)采樣段采集100個(gè)工頻周期的局放數(shù)據(jù)，在電樹枝從引發(fā)到擊穿不同的發(fā)展階段，我們都采集若干局放數(shù)據(jù)用作統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究，對每個(gè)采樣段的100個(gè)工頻周期的數(shù)據(jù)處理。選取以下3個(gè)特征量：

1）Umax為100個(gè)工頻周期中局部放電最大幅值的絕對值；

2）Uav為100個(gè)工頻周期中平均每個(gè)周期內(nèi)的局部放電幅值的絕對值之和；

3）Nav為100個(gè)工頻周期中平均每個(gè)周期內(nèi)局部放電次數(shù)。

它們分別表征一個(gè)放電采樣段中的最大放電量，放電總量和一個(gè)工頻周期的平均放電次數(shù)。不同電壓下Umax，Uav和Nav隨時(shí)間變化趨勢如圖5所示。

可以看出，在3個(gè)電壓下，整個(gè)電樹枝生長過程放電量和放電次數(shù)都有相似的變化規(guī)律，9kV時(shí)電樹枝生長過程中有一段時(shí)間局部放電熄滅，整個(gè)過程的最大的放電量在電樹枝生長的前期階段；12kV時(shí)電樹枝生長過程中局部放電特征量存在一個(gè)衰減期，但最大的放電量在生長末期；18kV時(shí)局放特征量都有平穩(wěn)緩慢增長趨勢。

電樹枝長度與Uav，Nav隨時(shí)間變化趨勢如圖6所示,可見圖6（c）中當(dāng)所加的電壓為18kV時(shí)，有2種發(fā)展趨勢是比較吻合的，他們分別是每個(gè)工頻周期中的局放量和放電次數(shù)。Uav和Uav隨時(shí)間單調(diào)發(fā)展，并且在電樹枝發(fā)展的3個(gè)階段（電樹枝初始生長、樹枝發(fā)展速度延緩和樹枝長度突然增加到絕緣臨近擊穿），它們也伴隨著相似的變化，即曲線中拐點(diǎn)幾乎一致，說明在電樹枝快速生長階段，由于叢林狀樹枝的碳化率較高，樹枝通道的導(dǎo)電率大，隨著樹枝的生長，樹枝段的場強(qiáng)越來越大，高壓電極注入的電子獲得的能量也越來越大，宏觀上表現(xiàn)為局部放電能力和頻率也越來越大。而9kV和12kV時(shí)沒有這樣明顯的特征，說明對于碳化程度高的導(dǎo)電型的電樹枝局放傳播更劇烈，對絕緣的危害更大，即電壓等級越高產(chǎn)生導(dǎo)電型電樹的可能性越大。

圖5 不同電壓下Umax，Uav和Nav隨時(shí)間變化圖Fig.5 The figure of Umax，Uavand Navvaried with time under different voltages

對于高壓電纜特別是110kV及以上等級電纜線路的電壓幅值較高，其電纜本體中電樹枝一般為導(dǎo)電型的叢林狀電樹枝，危害很大。因此，對高壓電纜中電樹枝發(fā)展嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)警有很好的實(shí)際意義，基于得出叢林狀電樹生長與Uav和Nav關(guān)系曲線一致，用局放放電每周期局部放電幅值的絕對值之和Uav和放電次數(shù)Nav的特征量作為預(yù)警指標(biāo)也是有實(shí)際意義的。

圖6 Uav，Nav與電樹枝長度L變化趨勢圖Fig.6 The figure of Uav,Navvaried with electric tree length

3 結(jié)論

1）對110kV電纜切片試樣分別施加9kV、12kV、18kV有效值電壓時(shí)，電樹依次為枝狀、稠密枝狀和叢林狀。其中枝狀電樹枝的樹枝顏色最淺，而叢林狀電樹枝的樹枝顏色最深。當(dāng)樹枝到達(dá)內(nèi)半導(dǎo)電層時(shí)，最先擊穿的是叢林狀電樹。

2）9 kV時(shí)電樹枝生長過程中有一段時(shí)間有局部放電熄滅現(xiàn)象，整個(gè)過程的最大的放電量在電樹枝生長的前期階段；12kV時(shí)電樹枝生長過程中局部放電特征量存在一個(gè)衰減期，但最大的放電量在生長末期；18kV時(shí)局放特征量都有平穩(wěn)緩慢增長趨勢。影響這些因素的關(guān)鍵在于電樹枝的導(dǎo)電性。

3）當(dāng)所加的電壓為18kV時(shí)，有2種發(fā)展趨勢是比較吻合的，他們分別是每個(gè)工頻周期中的局放量和放電次數(shù)。Uav和Uav隨時(shí)間單調(diào)發(fā)展，并且在電樹枝發(fā)展的3個(gè)階段（電樹枝初始生長、樹枝發(fā)展速度延緩和樹枝長度突然增加到絕緣臨近擊穿），它們也隨之相應(yīng)變化。

4）基于得出叢林狀電樹生長與Uav和Nav關(guān)系曲線一致，對于110kV級以上高壓XLPE電纜用局放放電每周期局部放電幅值的絕對值之和Uav和放電次數(shù)Nav的特征量作為電樹發(fā)展程度預(yù)警指標(biāo)有很大實(shí)際意義。

[1]李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹枝化[M].1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王洪新,張水平,程樹康,等.XLPE電樹老化過程中的局放特性[J].高電壓技術(shù),2003,29(6):22-24,29.

WANG Hong-xin,ZHANG Shui-ping,CHENG Shu-kang,et al.Study on PD Characteristics in the Course of Electrical Tree Aging in XLPE[J].High Voltage Engineering,2003,29(6):22-24,29.

[3]CHAMPION J V,DODD S J,ZHAO Y,et al.Morphology and Growth of Electrical Trees in a Propylene/Ethylene Copolymer[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,2001，8(2):284-292

[4]CDISSADO L A.“Understanding Electrical Trees in Solid:from Experiment to Theory”[C].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2002,9(4)：483-497.

[5]KURNIANTO R,MURAKAMI Y,HOZUMI N,et al.ElectricalTree Propagation in Epoxy Resin under Different Characteristics in Electrical Insulating[C].ISEIM,2005,3(3):718-721.

[6]鄭曉泉，CHEN G，DAVIES A E.XLPE電纜絕緣中電樹枝種類及其影響因素[J].電工電能新技術(shù)，2003，22(4):21-24.

ZHENG Xiao-quan,CHEN G,DAVIES A E.Types of Electrical Trees and Influence Factors in XLPE Cable Insulation[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2003，22(4):21-24.

[7]皮昊書.在線、離線檢測方法在配電網(wǎng)電纜局部放電檢測中的應(yīng)用[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(1):34-37.

PI Hao-shu.Application of on-line/off-line Detection in Cable Partial Discharge Detection for Distribution Network[J].Southern Power System Technology,2010,4(1):34-37.

[8]劉通,JOHN FOTHERGILL,STEVE DODD,et al.交聯(lián)聚乙烯電力電纜的介電損耗機(jī)理[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(5):7-14.

LIU Tong,JOHN FOTHERGILL,STEVE DODD,et al.The Dielectric Loss Mechanisms of XLPE Power Cables[J].Southern Power System Technology,2010,4(5):7-14.

[9]鄭曉泉，CHEN G，DAVIES A E.交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中的雙結(jié)構(gòu)電樹枝特性及其形態(tài)發(fā)展規(guī)律[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(3)：79-84.

ZHENG Xiao-quan,CHEN G,DAVIES A E.Characteristic and Developing Law of a Double Structure Electrical Tree in XLPE Cable Insulation[J].Proceedings of the CSEE2006，26(3)：79-84.

[10]任艷霞,劉明光,史雪明.電力電纜故障探測方法探討[J].電力科學(xué)與工程,2008,24(1):30～33.

REN Yan-xia,LIU Ming-guang,SHI Xue-ming.Survey of Power Cable Fault Detection Methods[J].Electric Power Science and Engineering,2008,24(1):30-33.

[11]葉根富,周明,李庚銀.絕緣子在線檢測方法的比較[J].電力科學(xué)與工程,2007,23(3):37-40.

YE Gen-fu,ZHOU Ming,LI Geng-yin.Comparison on Online Detecting Methods of Insulator[J].Electric Power Science and Engineering,2007,23(3):37-40.

[12]楊海生,楊愛晟,張重遠(yuǎn),等.高壓電抗器局部放電試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與工程,2010,26(6):24-27.

YANG Hai-sheng,YANG Ai-sheng,ZHAN Chong-yuan,et al.Test Circuit＇s Design of High-voltage Reactor PD Based on the Principle of the Series Resonant[J].Electric Power Science and Engineering,2010,26(6):24-27.

Growth Situation and Partial Discharge Characteristics of Electrical Tree in 110kV XLPE Cable Insulation at Different Power Frequency Voltages

YU Yan-long1,WU Yan-kun1，CHEN Guang-hui1,WANG Wei1,SUI Heng2,MA Le3
（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206,China；2.Liaocheng Power Supply Bureau,Liaocheng 252000,Shandong Province,China;3.Qinghai Power EHV Inspection and Repair Company,Xining 810000,Qinghai Province,China）

In the aging process of the 110kv XLPE cable,it is found that the growth characteristics of the electrical tree are differentatdifferentvoltages.By analyzing the growth characteristics and partial discharge at each stage,it is found that the maximum quantity of a partial discharge and frequency of partial discharges within one power frequency cycle are related to the characteristics of the tree growth.Results have proved that certain features of the partial discharge can better reflect severity of the electrical tree.

power frequency voltage；XLPE insulation;electrical tree growth;partial discharge

通過實(shí)時(shí)觀測110kV電纜切片中電樹枝老化過程，發(fā)現(xiàn)在不同電壓等級下電樹枝生長特性各異。將其生長特性與各階段采集到的局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)工頻周期內(nèi)的最大放電量和放電次數(shù)與樹枝生長有一定關(guān)系，9kV時(shí)電樹枝生長過程中有一段時(shí)間有局部放電熄滅現(xiàn)象，整個(gè)過程的最大放電量在電樹枝生長的前期階段；12kV時(shí)電樹枝生長過程中局部放電特征量存在一個(gè)衰減期，但最大的放電量在生長末期；18kV時(shí)局放特征量都有平穩(wěn)緩慢增長趨勢。結(jié)果表明，通過局部放電某些特征量能較好地反映電樹生長嚴(yán)重程度。

工頻電壓；XLPE絕緣；電樹枝生長；局部放電

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）（2009CB-724506）。

1674-3814（2011）12-0014-05

TM 855

A

2011-03-09。

喻巖瓏（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷。

（編輯 董小兵）