10 kV電纜受潮缺陷模擬及其放電特征研究

肖 睿

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

高壓電纜在石油化工裝置中的應(yīng)用日益廣泛，隨著電纜運(yùn)行年限的增加，部分企業(yè)的電纜絕緣劣化問(wèn)題愈加嚴(yán)重。引起企業(yè)電纜絕緣劣化的因素有很多，除了施工損傷和外力破壞之外，電纜的絕緣老化所引起的局部放電是導(dǎo)致電纜停電事故最主要的原因，其中因絕緣水樹(shù)老化引起的局部放電是電纜絕緣老化和壽命縮短的主要誘因之一[1]。絕緣水樹(shù)的出現(xiàn)將導(dǎo)致電纜的絕緣水平下降，從而誘發(fā)局部放電，加速電纜絕緣的劣化。尤其是當(dāng)電纜運(yùn)行環(huán)境存在潮濕較大、鹽堿度高、腐蝕嚴(yán)重時(shí)，電纜絕緣劣化程度更為嚴(yán)重。

1 局部放電機(jī)理

在IEC 60270-2000《局部放電測(cè)量》中局部放電定義為：“一種導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電。這種放電可以在導(dǎo)體附近發(fā)生，也可以不在導(dǎo)體附近發(fā)生，一般是由于絕緣體內(nèi)或絕緣表面的電場(chǎng)特別集中而引起的，通常表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間小于1 μs的脈沖，但也可以出現(xiàn)連續(xù)的形式，比如氣體介質(zhì)中的所謂無(wú)脈沖放電”。在高壓場(chǎng)強(qiáng)的作用下，電氣絕緣當(dāng)中較為薄弱的部分會(huì)發(fā)生局部放電，表現(xiàn)為將絕緣內(nèi)氣體、液體及固體摻雜物擊穿、在固體介質(zhì)表面引發(fā)沿面放電等，但在局部放電區(qū)域內(nèi)未形成固定的放電通道。

以電纜中的絕緣缺陷為例，其局部放電的等效電路如圖1所示。

圖1 電纜絕緣缺陷局部放電等效電路

由圖1可以得出：

(1)

式中：Cx——等效介質(zhì)電容，F(xiàn)；

Ca——與缺陷串聯(lián)的絕緣介質(zhì)的電容，F(xiàn)；

Cb——存在絕緣缺陷發(fā)生局部放電的介質(zhì)的電容，F(xiàn)；

Cc——電纜絕緣介質(zhì)的電容，F(xiàn)。

絕緣缺陷上的電壓為：

(2)

式中：Ub——絕緣缺陷上的電壓，V；

Ut——電極間施加的交流電壓，V。

通常情況下電纜絕緣缺陷都很小，Ua≈(Ut)，發(fā)生局部放電時(shí)，Ub隨著Ut的升高而升高，當(dāng)Ut上升到缺陷處的起始放電電壓US時(shí)，Cb開(kāi)始放電，Cb上的電壓迅速降到Ur，放電熄滅。設(shè)此時(shí)的外施電壓瞬時(shí)值為Uc，則：

(3)

式中：Ur——Cb上的殘余電壓，V；

Uc——電纜絕緣介質(zhì)的電壓，V。

在Cb放電引起電壓變化(Ub-Ur)之間時(shí)，可以得出：

(4)

式中：qr——回路放出電荷量，C。

2 試驗(yàn)

2.1 絕緣水樹(shù)的等效電路

絕緣水樹(shù)老化后的XLPE電纜電導(dǎo)存在非線(xiàn)性絕緣電阻特性[2-3]，含絕緣水樹(shù)缺陷的XLPE電纜絕緣層的等效電路如圖2所示。

圖2 絕緣水樹(shù)的等效電路

圖2中R為絕緣水樹(shù)的等效非線(xiàn)性電阻；C為含絕緣水樹(shù)的部分絕緣介質(zhì)的等效電容；CX為不含絕緣水樹(shù)的絕緣介質(zhì)的等效電容。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

參考10 kV電壓等級(jí)的XLPE絕緣電纜，制作電纜模型，由內(nèi)向外依次由銅芯、內(nèi)半導(dǎo)電涂層、主絕緣、外半導(dǎo)電涂層和應(yīng)力錐重疊組成，見(jiàn)圖3。

圖3 電纜模型結(jié)構(gòu)示意

在電纜模型基礎(chǔ)上，制作2種試樣：一種是埋入干燥棉線(xiàn)的模型試樣；另一種是埋入在濃度為5%的鹽水中充分浸泡12 h棉線(xiàn)的模型試樣，用于模擬電纜嚴(yán)重受潮而形成絕緣水樹(shù)枝的情況，見(jiàn)圖4。

圖4 埋入棉線(xiàn)電纜模型示意

埋線(xiàn)埋入位置位于外半導(dǎo)電層斷口與線(xiàn)芯處。利用凡士林半導(dǎo)電性的原理，將外屏蔽層邊緣處大面積涂上凡士林，防止這個(gè)部位試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生擊穿。

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖5中U為220 V電源，T1、T2、T3分別為自耦調(diào)壓器、隔離變壓器和無(wú)局放高壓試驗(yàn)變壓器。T3額定電壓UN=100 kV，額定功率SN=10 kVA，100 kV以下放電量小于5 pC。寬帶脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖6[4]。

圖5 局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)

圖6 寬帶脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)示意

特高頻噪聲傳感器置于試驗(yàn)電纜模型旁邊，收集試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂臻g環(huán)境中的特高頻噪聲信號(hào)。寬帶脈沖電流傳感器卡裝于試驗(yàn)電纜接地引下線(xiàn)上，用于耦合電纜模型內(nèi)部產(chǎn)生的局部放電信號(hào)。傳感器收集到的信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)采集單元，進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波、檢波、降噪等一系列調(diào)理后，通過(guò)USB串口上傳至筆記本。筆記本內(nèi)的局部放電分析軟件會(huì)對(duì)上傳的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的相位分析、頻域分析、時(shí)域分析、峰值統(tǒng)計(jì)、類(lèi)型識(shí)別、故障診斷、信息保存和數(shù)據(jù)管理等處理。

3 結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)2種試樣進(jìn)行串聯(lián)諧振耐壓下的局部放電測(cè)量，通過(guò)調(diào)節(jié)電抗使諧振頻率接近50 Hz，與實(shí)際運(yùn)行工況相接近。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在1.5U0(U0為10 kV電纜的最高運(yùn)行相電壓有效值，取8.7 kV)下進(jìn)行局部放電測(cè)量，其放電量-放電相位圖譜如圖7、圖8所示。

圖7 埋入干燥棉線(xiàn)試樣的放電量-放電相位圖譜

圖8 埋入鹽水浸泡棉線(xiàn)試樣的放電量-放電相位圖譜

通過(guò)對(duì)比2種模型的放電量-放電相位圖譜可知，水樹(shù)老化后的模型圖譜呈現(xiàn)雙極性的分布特征，屬于沿面放電類(lèi)型。

此類(lèi)缺陷隨著外施電壓的升高，當(dāng)達(dá)到其臨界放電電壓值時(shí)開(kāi)始放電，放電后界面電壓下降，繼續(xù)充電，當(dāng)再次達(dá)到臨界放電電壓值時(shí)再放電，如此反復(fù)，在外施電壓峰值過(guò)后電壓下降放電暫停，直至達(dá)到反相臨界放電電壓值后又開(kāi)始新一輪的放電。外施電壓越高放電幅值越大，因此放電呈現(xiàn)出雙極性的分布特征。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電纜絕緣水樹(shù)的等效電路，制作了2種電纜模型試樣：一種是埋入干燥棉線(xiàn)的模型試樣；另一種是埋入在濃度為5%的鹽水中充分浸泡12 h棉線(xiàn)的模型試樣。對(duì)兩種試樣在試驗(yàn)室進(jìn)行串聯(lián)諧振耐壓下的局部放電測(cè)量，通過(guò)脈沖電流法對(duì)其放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲取了典型放電圖譜。結(jié)果表明埋入鹽水浸泡棉線(xiàn)試樣的圖譜呈現(xiàn)雙極性的分布特征，屬于沿面放電類(lèi)型。