基于常規(guī)和寬帶脈沖電流法的高壓XLPE電纜模擬缺陷試驗(yàn)研究

李光茂，熊 俊，謝劍翔，劉建成，陸國(guó)俊，易滿(mǎn)成

(廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院，廣東 廣州510410)

0 引言

由于具有介電性能好、耐熱性好、傳輸容量大、重量輕、電纜附件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝敷設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜在電力系統(tǒng)中所占的比重日益增加。但在XLPE電纜生產(chǎn)、運(yùn)輸、敷設(shè)、安裝過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種缺陷［1］，引發(fā)局部放電，成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的隱患。局部放電往往潛伏期較長(zhǎng)，一旦高壓電纜發(fā)生故障，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響，所以，當(dāng)高壓電纜產(chǎn)生局部放電后，往往需要運(yùn)行單位長(zhǎng)時(shí)間跟蹤測(cè)量。電纜本體電場(chǎng)分布較均勻，只要生產(chǎn)工藝控制良好，其在運(yùn)行中很少出現(xiàn)局部放電。但對(duì)于電纜附件，其本身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電場(chǎng)不均勻性、現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題等原因都會(huì)導(dǎo)致局部放電。

本文搭建了一段110 kV XLPE電纜，在電纜應(yīng)力錐里面設(shè)置懸浮、滑閃兩種缺陷，采用階梯升壓法研究?jī)煞N放電類(lèi)型的發(fā)展過(guò)程［2-5］。

1 XLPE模擬缺陷試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 模擬缺陷

模擬缺陷高壓電纜為一段長(zhǎng)約3 m的電纜，高壓電纜兩端預(yù)制應(yīng)力錐，缺陷模型預(yù)制在靠近電源側(cè)的應(yīng)力錐當(dāng)中。圖1為懸浮、滑閃缺陷的示意圖。其中，懸浮模型是在電纜XLPE絕緣與應(yīng)力錐之間放置一圓形金屬電極，電極直徑10 mm，厚度0.2 mm;滑閃模型是在制作電纜終端時(shí)，先從中心導(dǎo)體引出細(xì)長(zhǎng)銅絲，然后將銅絲固定在主絕緣與應(yīng)力錐結(jié)合面模擬滑閃通道，銅絲在應(yīng)力錐中的長(zhǎng)度為60 mm。

1.2 局部放電檢測(cè)系統(tǒng)

局部放電檢測(cè)系統(tǒng)包括兩種，常規(guī)脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)、寬帶脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 模擬缺陷示意圖

常規(guī)脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)阻抗、校正方波發(fā)生器和局部放電測(cè)試儀組成。其中局部放電測(cè)試儀是由中國(guó)電力科學(xué)研究院伏安公司生產(chǎn)的DST-4型局放儀，檢測(cè)頻帶40～80 kHz，其檢測(cè)靈敏度5 pC，調(diào)諧電容范圍400－1 500－6 000 pF。

寬帶脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)前端為一個(gè)寬帶電流傳感器，帶寬16 kHz～30 MHz，傳感器頻率特性如圖2所示。其主要安裝于電纜終端或中間接頭的接地線(xiàn)上，通過(guò)檢測(cè)接地線(xiàn)上的脈沖電流進(jìn)而檢測(cè)局部放電信號(hào)。

圖2 寬帶電流傳感器的頻率特性

2 模擬缺陷局部放電試驗(yàn)研究

試驗(yàn)時(shí)兩種檢測(cè)系統(tǒng)前端探頭的安裝位置如圖3所示。在高壓電纜的首端(靠近電源側(cè))和末端均采取了防電暈措施，50 kV下局部放電量小于50 pC。采用階梯升壓法，利用兩種檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)局部放電。

圖3 試驗(yàn)回路

2.1 典型缺陷的放電量與電壓的關(guān)系

利用常規(guī)脈沖電流法測(cè)得的懸浮、滑閃放電量與電壓的關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 懸浮模型放電量與電壓的關(guān)系

圖5 滑閃模型放電量與電壓的關(guān)系

從圖4、圖5可以看出，隨著電壓增加，懸浮模型放電量增加趨勢(shì)明顯，而滑閃模型放電量未出現(xiàn)增加趨勢(shì)。

2.2 典型缺陷單周期特征

兩種模型單周期的放電特征如圖6、圖7所示，其中1通道為常規(guī)脈沖電流法輸出，2通道為寬頻脈沖電流法輸出，4通道為相位信息，經(jīng)校正，其滯后于實(shí)際電壓相位54°。從圖6、圖7可以看出，懸浮模型單周期放電次數(shù)較少，滑閃模型單周期放電次數(shù)多。

圖6 懸浮模型單周期放電特征(33 kV)

2.3 典型缺陷的時(shí)頻域特征

利用寬帶脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)采集一定時(shí)間的放電波形，懸浮、滑閃模型測(cè)得的典型圖譜如圖8、圖9所示。

將圖8、圖9的典型圖譜轉(zhuǎn)化為時(shí)頻圖如圖10、圖11所示。在時(shí)頻圖上，懸浮、滑閃放電均可分為1、2、3簇。

圖7 滑閃模型單周期放電特征(16.4 kV)

圖9 滑閃模型典型圖譜(16.4 kV)

圖10 懸浮模型時(shí)頻圖(33 kV)

利用專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)不同簇放電進(jìn)行模式識(shí)別，結(jié)果表明懸浮模型第1簇為放電信號(hào)，表現(xiàn)為表面放電特征，其他簇為干擾信號(hào);滑閃模型第1、2、3簇均為放電信號(hào)，隨著電壓的增加，第1簇信號(hào)放電模式表現(xiàn)為從電暈放電、表面放電到內(nèi)部放電的轉(zhuǎn)變，第2簇表現(xiàn)為電暈放電，第3簇放電表現(xiàn)為從電暈放電到內(nèi)部放電的變化。

圖11 滑閃模型時(shí)頻圖(16.4 kV)

懸浮模型第1簇放電還原到幅值相位圖(PRPD)如圖12所示。

圖12 不同電壓下放電發(fā)展過(guò)程

從圖12可以看出，隨著電壓的增加，懸浮放電的放電次數(shù)越來(lái)越多，但根據(jù)幅值相位圖譜的模式識(shí)別結(jié)果表明，懸浮放電放電模式單一，始終表現(xiàn)為表面放電類(lèi)型。

滑閃模型第1簇放電還原到幅值相位圖如圖13所示。

圖13 不同電壓下第1簇放電發(fā)展過(guò)程

從圖13可以看出，隨著電壓的增加，第1簇信號(hào)由一開(kāi)始的電暈放電特征逐漸轉(zhuǎn)化為表面放電特征，并且，隨著電壓的升高，逐漸出現(xiàn)了大量的內(nèi)部放電，內(nèi)部放電幅值比表面放電幅值要大、單次脈沖頻率要高。

3 結(jié)論

對(duì)懸浮和滑閃兩種典型電纜缺陷研究結(jié)果表明:

(1)隨著電壓的升高，懸浮模型放電量增加明顯，滑閃模型放電量未出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì);

(2)懸浮模型單周期放電次數(shù)少，滑閃模型單周期放電次數(shù)多;

(3)隨著電壓的增加，懸浮放電次數(shù)越來(lái)越多，并且放電模式單一，始終表現(xiàn)為表面放電類(lèi)型;滑閃放電放電模式較多，存在著多種放電同時(shí)發(fā)生的情況，隨著電壓的增加，放電模式會(huì)發(fā)生改變，逐漸由頻率成分較低的電暈放電脈沖轉(zhuǎn)變成頻率成分較高內(nèi)部放電脈沖。

實(shí)際中，由于制造、運(yùn)輸、安裝等帶來(lái)的高壓電纜潛在缺陷錯(cuò)綜復(fù)雜，有必要進(jìn)一步研究多種缺陷的放電特征及其發(fā)展過(guò)程，形成高壓電纜缺陷圖譜庫(kù)，為高壓電纜現(xiàn)場(chǎng)局放帶電測(cè)試及其缺陷診斷提供指導(dǎo)。

［1］羅俊華，邱毓昌，楊黎明.10 kV及以上電力電纜運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)分析［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(6):14-16.

［2］王洪新，張水平，程樹(shù)康，等.XLPE電樹(shù)老化過(guò)程中局放特性［J］.高電壓技術(shù)，2003(6):19-21.

［3］鄭曉泉，Chen G，Davies A E.交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中的導(dǎo)電和非導(dǎo)電型電樹(shù)枝［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(3):140-144.

［4］陳小林，成永紅，謝小軍，等.XLPE絕緣電老化中局放特性試驗(yàn)研究［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(4):22-24.

［5］段乃欣，馬翠姣，邱毓昌，等.交聯(lián)聚乙烯電纜敷設(shè)后的局部放電檢測(cè)［J］.供用電，2001，18(4):12-14.