高壓交聯(lián)聚乙烯電纜附件典型缺陷局部放電特性分析

李乃一，曹俊平，王少華，楊 勇，周路遙，金涌濤

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜因其質(zhì)量輕、易安裝、電氣及耐熱性能好等優(yōu)勢，近年來在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。截至2017年底，國家電網(wǎng)有限公司66 kV及以上電壓等級電纜線路總長度已超過20 000 km，最高交流電壓等級為500 kV，最高直流電壓等級為±320 kV；國網(wǎng)浙江省電力有限公司110 kV及以上電纜線路共1 293回，長3 280 km，其中110 kV線路共1 161回，2 640 km；220 kV線路共124回，349 km；±200 kV線路共4回，291 km。近年來，如何對電纜設(shè)備進(jìn)行有效的缺陷檢測與狀態(tài)評估以保證其安全可靠運(yùn)行，受到國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)從業(yè)人員的關(guān)注[3-5]。

XLPE電纜的故障及老化大多起始于氣隙、雜質(zhì)、凸起毛刺等缺陷所引發(fā)的PD（局部放電），因此，可以用PD現(xiàn)象及其放電量來評價電纜的絕緣狀況，這一點已經(jīng)得到IEC、IEEE、CIGRE等權(quán)威機(jī)構(gòu)的共識。PD測量標(biāo)準(zhǔn)方法是GB/T 7354（IEC 60270）推薦的脈沖電流法。近十年OWTS（振蕩波測量系統(tǒng)）因其在現(xiàn)場應(yīng)用時運(yùn)輸方便以及診斷效果良好得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。另外，為解決脈沖電流法及其衍生方法測量頻帶較低的問題，高頻及超高頻測量技術(shù)的研究和應(yīng)用逐漸增多，同時，這2種方法均可用于帶電檢測[8-9]。

故障發(fā)生率方面，2016年，國網(wǎng)公司66 kV及以上電壓等級XLPE電纜線路共發(fā)生故障73回次：66 kV線路6回次，占8.2%；110 kV線路49回次，占67.1%；220 kV線路18回次，占24.7%。本體22回次，占30.1%；終端31回次，占42.5%；接頭20回次，占27.4%。其中外力破壞、損傷以及火災(zāi)是引起本體故障的主要原因，占63.6%。而附件故障則大部分源于安裝工藝不當(dāng)，占70.6%?？梢?，能被PD檢測所發(fā)現(xiàn)的缺陷引起的故障大多發(fā)生在附件處。目前已有一些文獻(xiàn)對附件缺陷引發(fā)的PD現(xiàn)象進(jìn)行了研究，但也存在電壓等級較低[10]、未采用實際電纜附件[11]、脈沖電流法居多[12-13]、測量時間較短[14]等問題。

鑒于此，本文在實驗室以110 kV XLPE電纜為對象，模擬了接頭和終端安裝過程中的典型缺陷，采用高頻電流法分別在升壓和恒壓條件下進(jìn)行測量，分析了缺陷模型的PD特性。

1 高壓XLPE電纜典型缺陷模型

1.1 典型缺陷設(shè)置

通過對近年來國網(wǎng)浙江公司高壓XLPE電纜附件的故障統(tǒng)計及原因分析[15]，設(shè)計了如表1所示的6種典型缺陷模型。

（1）接頭與電纜界面氣隙：接頭安裝過程中存在雜質(zhì)殘留、硅膠涂抹不均勻情況時，或運(yùn)行過程中出現(xiàn)不均勻發(fā)熱膨脹現(xiàn)象時，接頭與電纜界面處形成氣隙。

（2）本體外屏蔽層導(dǎo)電尖端：接頭安裝過程中本體外半導(dǎo)電層若剝切不整齊易形成導(dǎo)電尖端。

（3）接頭內(nèi)表面劃傷：接頭制作過程中處理不當(dāng)，或安裝過程中擴(kuò)錐和退錐操作不當(dāng)，易造成硅橡膠內(nèi)表面劃傷。

（4）接頭外表面破損：接頭制作或安裝過程中硅橡膠外表面易受力破損。

（5）終端應(yīng)力錐錯位：終端應(yīng)力錐套未按工藝尺寸安裝，或運(yùn)行過程中受力沉降，易造成應(yīng)力錐錯位。

（6）終端內(nèi)部導(dǎo)電微粒：終端安裝過程中可能存在金屬微粒掉落在應(yīng)力錐套頂部的現(xiàn)象。

表1 高壓XLPE電纜附件典型缺陷

1.2 缺陷模型制作

以110 kV預(yù)制硅橡膠接頭和油浸式復(fù)合套管終端為對象，對6種缺陷模型進(jìn)行電場仿真，通過分析其電場分布來確定缺陷尺寸，以便能在較低電壓下檢測到PD現(xiàn)象，缺陷位置示意如圖1所示。

圖1 缺陷位置示意

計算結(jié)果表明：對于J1缺陷，氣隙位于硅橡膠/XLPE界面處時場強(qiáng)最大；對于J2缺陷，與J1缺陷類似，導(dǎo)電尖端位于硅橡膠/XLPE界面處時其周圍電場畸變最嚴(yán)重；對于J3缺陷，場強(qiáng)最大值位于應(yīng)力錐與XLPE交界面處，劃傷長度對其影響較小；對于J4缺陷，傷及硅橡膠部分后，場強(qiáng)最大值出現(xiàn)在護(hù)套、硅橡膠以及空氣三者交界處，其值隨破損深度的增加先增大后減?。粚τ赥1缺陷，當(dāng)應(yīng)力錐與法蘭接觸時，最大場強(qiáng)在應(yīng)力錐根部、應(yīng)力錐套以及本體XLPE三者交界處，電場畸變不明顯，當(dāng)兩者脫離時，最大場強(qiáng)出現(xiàn)在法蘭端部與XLPE交界處，電場畸變嚴(yán)重，當(dāng)應(yīng)力錐與本體外屏蔽層斷口脫離時，場強(qiáng)最大值位于外半導(dǎo)電層與XLPE交界處；對于T2缺陷，當(dāng)金屬微粒長度沿應(yīng)力錐套頂部半徑方向增大時，最大場強(qiáng)緩慢增大。

根據(jù)仿真結(jié)果確定的缺陷幾何尺寸及制作方法如下：J1缺陷，從接頭端部插入寬6 mm、高2 mm的塑料片（相對介電常數(shù)1.5，與空氣接近），距端部110 mm；J2缺陷，從接頭端部插入寬5 mm帶尖端的薄鐵皮，距端部150 mm；J3缺陷，在接頭安裝前用鐵絲尖端在內(nèi)表面縱向制造長200 mm、深2 mm的劃痕；J4缺陷，在接頭外表面制造直徑15 mm、深10 mm的錐形凹陷破損，破壞護(hù)套和硅橡膠部分；T1缺陷，在終端安裝時將應(yīng)力錐套上移100 mm，使其與本體外半導(dǎo)電層脫離約30 mm；T2缺陷，制作終端時在應(yīng)力錐套頂部散布適量銅絲。缺陷模型如圖2所示。

圖2 電纜附件缺陷模型

測量采用的是YJLW03-800 mm2單芯XLPE電纜，額定電壓64/110 kV。試品均為尚未投運(yùn)的新電纜，并經(jīng)OWTS檢測PD量不高于背景噪聲0.5 pC。每個缺陷模型使用的電纜長度為15 m，接頭位于其1/2處，終端位于其端部。

2 局部放電測量方法

2.1 高壓電纜狀態(tài)仿真平臺

針對高壓電纜的狀態(tài)檢測及缺陷診斷問題，國網(wǎng)浙江電科院近期開發(fā)了一套集成電壓、電流工況模擬、缺陷模擬以及在線監(jiān)測（PD、溫度、環(huán)流）功能的狀態(tài)仿真平臺，其中PD測量包含內(nèi)置超高頻、超聲、本體極性鑒別和接地電纜高頻4種方法[16]。

為了統(tǒng)一接頭和終端的檢測手段，本文測量數(shù)據(jù)均來自高頻電流法，即采用將HFCT（高頻電流傳感器）跨接在附件接地線上的方式提取PD信號，采用的HFCT頻率帶寬為2～20 MHz，該頻率范圍對于抑制外界窄帶信號干擾比較有效。

2.2 測量步驟及說明

升壓方案：采用100 pC標(biāo)準(zhǔn)放電源對測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；將缺陷模型接入試驗回路中，測量記錄背景PD量；緩慢升壓并測量，直至PD量大于背景噪聲20 pC時認(rèn)為缺陷發(fā)生PD，記錄電壓值（即放電起始電壓Ui）；為獲得穩(wěn)定且隨時間變化的PD特征，繼續(xù)升壓至1.2Ui，后每間隔1 h進(jìn)行一次測量，共持續(xù)3 h，3次測量時刻分別記為 t1，t2，t3。

測量共在接頭3處和終端2處安裝HFCT，具體為接頭直接接地線、保護(hù)接地線（串接ZnO避雷器）、電容臂接地線（串接濾波電容）和終端直接接地線、保護(hù)接地線。結(jié)果表明，接頭3處的測量靈敏度由大到小依次為電容臂接地線、直接接地線、保護(hù)接地線。同時，測量時發(fā)現(xiàn)中心頻率4.5 MHz時的背景PD量最小。因此，下節(jié)將對4.5 MHz時電容臂接地線處的測量結(jié)果進(jìn)行分析。

3 測量結(jié)果

3.1 放電起始電壓

缺陷模型的放電起始電壓有效值見表2。

表2 缺陷模型的放電起始電壓kV

可以看到，J4外表面破損缺陷的Ui最高；J1界面氣隙缺陷和J3內(nèi)表面劃傷缺陷的Ui較為接近；T2導(dǎo)電微粒缺陷的Ui與J1，J3相當(dāng)；J2導(dǎo)電尖端缺陷和T1應(yīng)力錐錯位缺陷的Ui較低。

3.2 放電特性

圖3—圖8為缺陷模型PRPD（局部放電相位分離）譜圖，表3給出了正、負(fù)半周內(nèi)的放電量峰值。

圖3 界面氣隙缺陷模型的PRPD譜圖

圖4 導(dǎo)電尖端缺陷模型的PRPD譜圖

圖5 內(nèi)表面劃傷缺陷模型的PRPD譜圖

圖6 外表面破損缺陷模型的PRPD譜圖

表3 缺陷模型的放電量

可以看到，6種典型缺陷模型的放電都集中在電壓上升階段，且正、負(fù)半周的譜圖均不對稱，放電量隨時間變化的差異性也比較大。對于J1缺陷，放電大多發(fā)生在正半周內(nèi)，且隨著放電的發(fā)展，正、負(fù)半周內(nèi)的放電量均明顯增大；J2缺陷發(fā)生在正半周內(nèi)的放電多于負(fù)半周，放電量隨時間變化不大；對于J3缺陷，放電起始階段正半周內(nèi)的放電密度和放電量均大于負(fù)半周，隨后負(fù)半周內(nèi)的放電強(qiáng)度明顯增大，逐漸接近并超過正半周；J4缺陷的譜圖與J2缺陷相似，但前者放電發(fā)生的相位區(qū)間更小；T1缺陷存在一些幅值較大的放電脈沖，但其在一個周期內(nèi)的重復(fù)率較低，另外該缺陷的放電相位區(qū)間較其他缺陷更大；T2缺陷的放電大多發(fā)生在負(fù)半周內(nèi)，放電量隨時間變化較小。

圖7 應(yīng)力錐錯位缺陷模型的PRPD譜圖

圖8 導(dǎo)電微粒缺陷模型的PRPD譜圖

4 缺陷局部放電特性分析

不同缺陷模型PD特性間的差異與相應(yīng)缺陷所造成的電場畸變程度關(guān)系較大：對于J4外表面破損缺陷，由于硅橡膠表面凹陷所導(dǎo)致的場強(qiáng)變化不明顯，因此該缺陷的放電起始電壓Ui較高，但隨著破損程度的加劇，一旦絕緣厚度不足，由導(dǎo)體連接處起始的徑向擊穿便容易發(fā)生，實際上擊穿發(fā)生在電壓達(dá)到88 kV（1.5Ui）時；J1界面氣隙缺陷和J3內(nèi)表面劃傷缺陷均在XLPE和應(yīng)力錐/硅橡膠間形成了空氣間隙，兩者的Ui較為接近，盡管氣隙內(nèi)場強(qiáng)值較大，但由于電場分布比較均勻，Ui仍相對較高，與其他缺陷類型不同的是，這類氣隙缺陷的放電量會隨時間明顯增大；T2導(dǎo)電微粒缺陷產(chǎn)生的放電屬于懸浮電位電極放電，銅絲僅影響其周圍的電場分布，而不會使終端整體發(fā)生嚴(yán)重的電場畸變，因此Ui較高，該類缺陷的放電多集中在負(fù)半周，液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理目前仍不完善，根據(jù)簡單的碰撞電離理論，其原因可能是由于放電發(fā)生在金屬微粒表面，負(fù)極性條件下，電子崩中電子離開強(qiáng)電場區(qū)域后不再引起新的電離，同時正離子逐漸向尖端靠近，由于其移動速度緩慢，尖端附近出現(xiàn)了比較集中的正電荷，從而加強(qiáng)了該區(qū)域內(nèi)的電場；對于J2導(dǎo)電尖端缺陷和T1應(yīng)力錐錯位缺陷，由于兩者的電場畸變最為嚴(yán)重，因此Ui較低，其中后者由于失去應(yīng)力錐的均壓作用后，XLPE附近三結(jié)合點處的場強(qiáng)值非常大，因此出現(xiàn)了大幅值的放電脈沖，T1缺陷也是生產(chǎn)過程中最需要避免的一類缺陷。

5 結(jié)論

本文以110 kV XLPE電纜附件為對象，制作了6種典型缺陷模型，分析了其PD特性，結(jié)論如下：

（1）外表面破損缺陷的放電起始電壓最高，界面氣隙缺陷、內(nèi)表面劃傷缺陷和導(dǎo)電微粒缺陷的放電起始電壓比較接近，導(dǎo)電尖端缺陷和應(yīng)力錐錯位缺陷的放電起始電壓較低。

（2）界面氣隙缺陷和內(nèi)表面劃傷缺陷的放電量隨時間變化較大，其他缺陷放電則較為穩(wěn)定。應(yīng)力錐錯位缺陷存在一些重復(fù)率低但幅值較大的放電脈沖。除導(dǎo)電微粒缺陷外，大部分缺陷放電集中在正半周內(nèi)。

（3）文中的6種典型缺陷根據(jù)近年來國網(wǎng)浙江公司高壓XLPE電纜附件故障統(tǒng)計及原因分析確定，具有一定代表性。不同缺陷模型的放電起始電壓和放電量統(tǒng)計特性存在明顯區(qū)別。測試結(jié)果擴(kuò)充了典型缺陷放電特征數(shù)據(jù)庫，有助于后續(xù)開展PD模式識別研究。