35kV電纜終端常溫下兩種刀痕的局部放電特性

高元生，趙慶杰，楊利彬，陳強(qiáng)，吳科，周凱

（1.國網(wǎng)達(dá)州供電公司，四川 達(dá)州 635000；2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065）

0 引 言

隨著用電負(fù)荷的不斷增加，電力電纜電壓等級也在不斷地升高，35 kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜在城市配電網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用，其中電纜終端是電纜系統(tǒng)在實際運行過程中最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)和高發(fā)部位［1-3］。目前在電纜線路運行故障中，由電纜及其附件局部放電引起的故障約為70%［4］。但電纜附件安裝過程中產(chǎn)生的安裝缺陷通常是由現(xiàn)場的操作引起的，這些細(xì)微的缺陷在耐壓試驗中幾乎并不影響當(dāng)時整體絕緣物的擊穿電壓且往往能順利通過耐壓試驗，但電纜終端的局部放電檢測及絕緣評估一直備受供電部門的重視，其中，電纜終端主絕緣氣隙缺陷是導(dǎo)致運行故障的重要原因之一，因此電纜終端局部放電檢測及絕緣狀態(tài)評估對電纜可靠、安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。

目前國內(nèi)外交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜的局部放電檢測技術(shù)有電測法和非電測法兩種，電測法主要有脈沖電流法、電磁耦合法、超高頻法、OWTS振蕩波法和暫態(tài)對地電流法（TEV），非電檢測方法主要有紫外成像技術(shù)、超聲波技術(shù)和化學(xué)分析等技術(shù)方法［5-6］。電磁耦合法檢測技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用到現(xiàn)場測量中并成為電力電纜在線檢的方向［7-11］。通過檢測終端屏蔽層不連續(xù)地方泄漏出的高頻PD信號在向大地傳播過程中對地產(chǎn)生的短暫電壓脈沖信號，具有優(yōu)良的抗電磁干擾能力。過去重點關(guān)注的是開關(guān)柜、變壓器表面或內(nèi)部所產(chǎn)生的局部放電和電纜單個缺陷如在制作過程中包含分散性的異物如各種雜質(zhì)、水分、小氣泡等這方面的研究，而對于刀痕缺陷，特別是不同類型刀痕缺陷特征分析及表征方法上的研究報道較少。

為此，本文根據(jù)在實際中比較常見的縱切和環(huán)切兩種典型的安裝刀痕缺陷，對比分析這兩種刀痕缺陷的PRPD圖譜、單次放電波形、放電量、起始放電電壓、電場仿真及時頻特性等特征，研究了在不同缺陷類型下的放電特性，這對于研究包含氣隙缺陷的終端絕緣失效機(jī)理以及評估絕緣狀態(tài)的優(yōu)劣具有非常重要的意義。

1 終端仿真模型及分析

根據(jù)35 kV電纜終端的結(jié)構(gòu)圖，按1∶1比例建立軸對稱仿真模型，氣隙設(shè)置為空氣，仿真模型如圖1所示。

圖1 35 kV電纜終端氣隙缺陷仿真模型Fig.1 Air gap defect simulation model of 35 kV cable termination

通過電場有限元分析法可以得知，終端內(nèi)的電場是起于終端線芯高電位，止于地低電位，電介質(zhì)的電場強(qiáng)度分布與相對介電常數(shù)εr成反比，空氣εr≈1，XLPE的介電常數(shù)約為2.3，故當(dāng)XLPE層內(nèi)部存在氣隙時，導(dǎo)致介電常數(shù)突變，從而使電場發(fā)生畸變，并且越靠近半導(dǎo)電層切斷的位置，電場越強(qiáng)，電場仿真分布如圖2所示。

圖2 氣隙缺陷電場仿真分布圖Fig.2 Electric field distribution diagram of the air gap defect

2 樣品及實驗

2.1 樣品

選取YJV26/35型XLPE單芯電纜，電纜一端做成終端，采用冷縮電纜終端附件，而另一端將其放置于實驗油終端，其中，實驗油終端的作用時為了排除電纜端部的電暈干擾、使電纜絕緣屏蔽處電場分布均勻、電纜終端電性能穩(wěn)定。

終端T1的絕緣層設(shè)計如圖3所示的氣隙缺陷，其缺陷深度為絕緣層厚度的1/5，同時，終端T1和T2進(jìn)行對比。

圖3 終端T1絕緣氣隙缺陷Fig.3 Air gap defect of T1 cable termination

終端試樣制備過程如下：（1）截取60cm～65 cm長的電纜制作樣本，兩端各剝除15 cm的外半導(dǎo)電層；（2）終端主絕緣刀痕缺陷刀痕深度為2 mm；（3）主絕緣表面涂抹硅脂后加裝一層熱縮管，通過銅帶將電纜終端外半導(dǎo)電層接地。

兩種刀痕缺陷的實物圖形如圖4所示。

圖4 環(huán)切刀痕與縱切刀痕Fig.4 Ring-cutting defect and the slitting-cutting defect

2.2 工作原理

本實驗平臺主要有以下三個部分構(gòu)成：實驗回路單元、升壓單元及電流調(diào)節(jié)單元。終端經(jīng)電纜和金具連接構(gòu)成回路。該實驗裝置的原理圖見圖5［12-13］。

圖5 電纜附件老化實驗平臺Fig.5 Aging experimental platform for cable accessories

如圖5所示，在常溫20℃時PD檢測所加電壓為1.5U0即31.5 kV，所加正常運行電流為260 A，模擬實際運行工況［12］。

2.3 局部放電檢測

PD檢測中所加電壓及電流是單獨加上，電壓通過調(diào)壓器經(jīng)變壓器和水阻加到電纜上，其中水阻的作用主要是為了保護(hù)實驗變壓器，具有限流保護(hù)的作用。電纜實驗終端與電纜連接電纜串聯(lián)形成電流回路，回路穿過電流互感器（CT）中間，形成磁路耦合，CT通過電磁感應(yīng)原理在回路中耦合產(chǎn)生大的電流，所以實驗回路既能施加對地的高電壓又能在回路中通很大的電流。試驗中所用的電流互感器是Rogowski線圈型的寬頻帶電流互感器，具有良好的高頻響應(yīng)特性［14-15］。為降低電纜終端局部放電檢測過程中來自設(shè)備、接線端子等因素的干擾，終端進(jìn)行局部放電檢測時需將老化回路拆開［16］，單獨提取實驗終端的局部放電信號。

3 實驗結(jié)果

3.1 環(huán)切刀痕單次放電圖形及PRPD譜圖

實驗通過分析35kV電纜終端局部放電的單次放電波形、局部放電相位分布（PRPD）方面來為刀痕缺陷的識別及由此導(dǎo)致的絕緣性能的變化提供參考條件。實驗利用DS6104數(shù)字型示波器對環(huán)切刀痕單次放電波形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其圖形變化如下圖6所示。

圖6 電纜終端環(huán)切刀痕單次放電脈沖波形Fig.6 Waveform of single discharge pulse of the ring-cutting defect for cable termination

從圖6中可以看出，每200個采樣點的記錄時間為45 ns，放電的首脈沖上升時間大約為2 ns～2.5 ns，而次級脈沖上升時間大約為0.5 ns～1 ns，環(huán)形刀痕放電總持續(xù)時長約為112 ns，放電持續(xù)時間相對比較長，放電波形為多峰振蕩形式，則其頻率成分比較復(fù)雜。通過對單次放電脈沖波形的分析可以判斷環(huán)切刀痕局部放電的強(qiáng)弱的大小。

圖7為電纜終端環(huán)切刀痕缺陷的幅值—相位譜圖，通過該譜圖可以看出在不同的相位角的情況下環(huán)切刀痕缺陷放電強(qiáng)弱的分布。

圖7 電纜終端環(huán)切刀痕缺陷的PRPD圖譜Fig.7 PRPD pattern of the ring-cutting defect for cable termination

通過對環(huán)切刀痕的二維PRPD譜圖可知環(huán)切刀痕的局部放電的相位分布廣泛分布在18°～100°及200°～272°范圍內(nèi)，在20°～54°和205°～252°范圍內(nèi)放電最強(qiáng)，放電范圍基本在一、三象限并且正半周與負(fù)半周的放電對稱性比較好。

3.2 縱切刀痕單次放電圖形及PRPD譜圖

圖8為電纜終端縱切刀痕的局部放電單次放電脈沖波形，從圖8中可以看出每200個采樣點的記錄時間為30 ns，放電的首脈沖上升時間約為2 ns～2.5 ns，而次級脈沖上升時間為0.5 ns～1 ns，放電總持續(xù)時間約為100 ns，持續(xù)時間相對于電纜終端環(huán)切刀痕缺陷放電時間要短且波尾衰減比較迅速。

圖8 電纜縱切刀痕單次放電脈沖波形Fig.8 Waveform of single discharge pulse of the slitting defect for cable termination

圖9為縱切刀痕缺陷的幅值—相位譜圖，通過該譜圖可以看出在不同的相位角的情況下縱切刀痕缺陷放電的強(qiáng)弱分布。

圖9 電纜終端縱切刀痕缺陷的PRPD圖譜Fig.9 PRPD pattern of the slitting defect for cable termination

通過對縱切刀痕的二維PRPD圖譜可知縱切刀痕的局部放電的相位分布廣泛分布在15°～72°及204°～264°范圍內(nèi)，放電范圍基本在一、三象限且通過圖形可以看出正負(fù)半周放電同環(huán)切刀痕一樣也具有明顯的對稱性。

3.3 起始放電電壓

電纜終端的起始放電電壓（PDIV）是表征局部放電發(fā)展趨勢及終端絕緣狀態(tài)的重要參數(shù)之一。在終端T1和T2的老化過程中，隨著時間的延長PDIV表現(xiàn)如圖10所示。

圖10 終端起始放電電壓Fig.10 Initial discharge voltage of termination

由終端起始放電電壓圖形可知，縱切刀痕缺陷的PDIV要高于環(huán)切刀痕缺陷，并且隨著老化時間的延長，兩種刀痕缺陷的PDIV都有所下降，但環(huán)切缺陷下降趨勢要明顯高于縱切缺陷，兩者最終趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 放電次數(shù)

兩種缺陷下的放電量分布分別如圖11、圖12所示。

圖11 終端T1放電次數(shù)分布圖Fig.11 Number of discharge distribution diagram for T1 termination

圖12 終端T2放電次數(shù)分布圖Fig.12 Number of discharge distribution diagram for T2 termination

通過兩種缺陷下的放電量分布可知，放電量分布都出現(xiàn)明顯的對稱現(xiàn)象，分布在一、三象限，但就放電量來看兩種缺陷下在第一象限的放電次數(shù)要小于第三象限的放電次數(shù)，并且T2終端的放電量要高于T1終端。

3.5 時頻（T-F）聚類

對于時域分析手段一般很難將不同的信號分離出來，但從頻率域的角度來看，由相同的PD信號放電源所表現(xiàn)出來的頻率分布式基本相同的。兩種缺陷下的時頻（T-F）特性分布分別如圖13、圖14所示。

圖13 終端T1時頻特性分布圖Fig.13 Distribution diagram of T-F characteristics for T1 termination

圖14 終端T1時頻特性分布圖Fig.14 Distribution diagram of T-F characteristics for T2 termination

從兩種時頻特性圖中可以得知，不同缺陷下所表現(xiàn)出來的頻率分布是不一樣的，通過這種頻率分布上的不同從而可以判定缺陷的類型，在現(xiàn)場測試中存在大量的干擾信號，可以通過時頻聚類的方式，將不同信號聚合在一起，進(jìn)而將干擾信號濾除，從而獲得所需要的信號。

4 實驗結(jié)果分析

通過對兩種刀痕缺陷的單次放電波形、PRPD譜圖、放電量、起始放電電壓及時頻特性等的不同，可以對這兩種刀痕缺陷放電特征做進(jìn)一步的分析。

首先，由實驗分析得出，在常溫情況下環(huán)切刀痕比縱切刀痕更容易發(fā)生局部放電，實驗中環(huán)切刀痕的起始放電電壓要明顯低于縱切刀痕的起始放電電壓，說明在實驗條件一樣的情況下環(huán)切刀痕缺陷的局部放電現(xiàn)象要比縱切刀痕缺陷的局部放電現(xiàn)象要明顯。從兩種單次放電波形中可知環(huán)切刀痕缺陷的脈沖幅值約為9 mV，而縱切刀痕缺陷的脈沖幅值約為6 mV，說明環(huán)切刀痕缺陷的局部放電強(qiáng)度要比縱切刀痕缺陷局部放電強(qiáng)度要強(qiáng)，并從兩種波形的放電持續(xù)時間上得出環(huán)切刀痕的放電持續(xù)時間要比縱切刀痕要長并且衰減速度要比縱切刀痕要緩慢。環(huán)切刀痕缺陷的放電為多峰振蕩且每個放電脈沖的上升時間各有差異，因此環(huán)切刀痕放電包含的頻率成分比較多［17］。

其次，從這兩種缺陷的PRPD譜圖中可以看出環(huán)切刀痕缺陷在放電重復(fù)率和放電強(qiáng)度上要明顯高于縱切刀痕缺陷。環(huán)切刀痕缺陷下的PDIV要低于縱切刀痕缺陷，并且，隨著老化時間的增加，兩者的差距越明顯，最終趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

再次，通過放電量圖形的對比分析中可以得出，兩者在放電相位分布上一致，并且第三象限上的放電量要高于第一象限，但環(huán)切情況下的放電量要高于縱切。

最后，由T-F特性分布可知，不同缺陷類型下的頻率分布是不一樣的，通過這種頻率分布差異的不同可以判定缺陷的類型，通過此種方法還可以將背景噪聲信號剔除，從而得到所需要的信號。

5 結(jié)束語

本文通過電纜附件局部放電檢測實驗平臺，對比分析了兩種典型氣隙缺陷（環(huán)切與縱切）下的電纜終端PD特征，結(jié)論如下：

（1）電纜終端內(nèi)存在氣隙缺陷，由該氣隙缺陷導(dǎo)致電場發(fā)生畸變，并且在半導(dǎo)電切斷處電場畸變最大，也最容易發(fā)生局部放電；

（2）通過對兩種缺陷下單次放電波形及PRPD譜圖的比較可以得知，環(huán)切缺陷下的幅值及放電強(qiáng)度與范圍要比縱切缺陷下要大；

（3）兩種缺陷下放電量圖形在相位上都位于一、三象限，兩種缺陷下在第三象限的放電量要高于第一象限，但環(huán)切缺陷下的放電量要高于縱切缺陷。環(huán)切缺陷下的PDIV要低于縱切缺陷，并且隨著老化時間的增加兩者的PDIV相差比較大，最終趨向于穩(wěn)定的狀態(tài)；

（4）兩種缺陷下的T-F特性分布表現(xiàn)不同，可以將不同的缺陷類型進(jìn)行聚類，從而可以剔除背景噪聲信號，得到所需要的信號。