10 kV XLPE電纜接頭典型絕緣缺陷的局部放電特征分析

夏 睿，譚 笑，陳 杰，劉 洋，胡麗斌，李陳瑩，王 偉

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 211106；2.江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036；3.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯電力電纜在我國(guó)電力建設(shè)中，尤其是電網(wǎng)的發(fā)展與改造中得到了廣泛使用，隨之而來(lái)的是各種電纜缺陷故障的產(chǎn)生[1-5]，這些問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生了較大的影響，因此，對(duì)電纜絕緣進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)具有重要的實(shí)際意義。由于局部放電（PD）既是引發(fā)電纜故障的重要原因，同時(shí)也能夠較全面靈敏地反映電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)[6-7]，國(guó)際電力權(quán)威組織一致建議采用局部放電檢測(cè)來(lái)評(píng)估電纜的絕緣狀態(tài)[8-14]。

國(guó)內(nèi)外許多研究者針對(duì)10 kV XLPE電纜常見(jiàn)的典型缺陷進(jìn)行了模型的制作和局部放電的研究。常文治等[15]在10 kV電纜上預(yù)設(shè)了中間接頭導(dǎo)體接管處錯(cuò)纏絕緣膠帶、端部針尖、本體外半導(dǎo)電層破損、端部懸浮等典型缺陷，并對(duì)缺陷施加電壓，測(cè)量分析了多種缺陷在不同嚴(yán)重程度下的相位統(tǒng)計(jì)特征。龍紅星[16]制作了XLPE電纜的幾種典型缺陷模型，包括應(yīng)力錐搭接過(guò)長(zhǎng)、高電位金屬尖端、外半導(dǎo)電層氣隙、外半導(dǎo)電層尖端，獲取局部放電信號(hào)之后使用時(shí)頻分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。王亞軍[17]依據(jù)10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)的典型缺陷，制作了外半導(dǎo)電層尖端、外半導(dǎo)電層氣隙、高電位金屬尖端、應(yīng)力錐搭接過(guò)長(zhǎng)等4種中間接頭缺陷模型，開(kāi)展了缺陷的特征提取和識(shí)別方法的研究。周凱等[18]設(shè)計(jì)了電纜終端的兩種常見(jiàn)刀痕缺陷，通過(guò)電纜附件老化平臺(tái)模擬真實(shí)工況并加速老化，使電纜終端缺陷的局部放電特征更為明顯，并對(duì)缺陷的局部放電特征進(jìn)行了分析。WU J等[19]制作了10 kV電纜附件的人為缺陷，并研究了工頻疊加脈沖電壓作用下的局部放電現(xiàn)象。V BADMERA等[20]制作了半導(dǎo)電尖刺、刀痕缺陷電纜，并對(duì)該電纜進(jìn)行局部放電測(cè)試來(lái)分析局部放電量的變化。C H LEE等[21]設(shè)置了應(yīng)力錐錯(cuò)位、氣隙、遺留物和針刺模型，試圖對(duì)各種缺陷的放電特征進(jìn)行分離識(shí)別。

對(duì)比上述文獻(xiàn)中的缺陷局部放電譜圖，雖然放電點(diǎn)的相位和放電點(diǎn)的數(shù)量有所差別，但對(duì)這些缺陷進(jìn)行分類仍然需要通過(guò)專家或者經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分各種缺陷的類型。

本研究首先對(duì)10 kV XLPE電纜制作了5種典型缺陷，然后搭建高頻電流傳感器局部放電檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)獲得局部放電數(shù)據(jù)[22]，并進(jìn)一步生成PRPD譜圖和時(shí)頻（TF）譜圖，最后通過(guò)比較PRPD譜圖和TF譜圖的差異，選擇TF譜圖對(duì)電纜缺陷進(jìn)行分類。

1 高頻電流傳感器（HFCT）局部放電檢測(cè)原理及試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 高頻電流法基本原理

高頻電流法是一種廣泛使用的非接觸式局部放電檢測(cè)手段，目前在電纜、GIS、變壓器等電力設(shè)備上均有使用。其對(duì)放電脈沖信號(hào)的檢測(cè)頻率范圍廣（kHz～MHz），靈敏度高，適用性好[23-24]。

高頻電流傳感器（HFCT）利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)測(cè)量局部放電信號(hào)。當(dāng)脈沖電流信號(hào)穿過(guò)傳感器磁芯時(shí)，交變電場(chǎng)在磁芯線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓經(jīng)由積分電阻輸出，HFCT傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram of high frequency current sensor

電流激勵(lì)信號(hào)i1(t)和磁環(huán)感應(yīng)信號(hào)e(t)之間具有式（1）所示關(guān)系。

式（1）中，M為互感值，其表達(dá)式為式（2）。

式（2）中：N為次級(jí)線圈匝數(shù)；S為磁心截面；l為磁路長(zhǎng)度。

HFCT傳感器等效電路如圖2所示，其中，L為線圈自感，RL為線圈電阻，Ro為采樣電阻。

圖2 HFCT等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of HFCT

傳感器感應(yīng)信號(hào)e(t)與電路中各元件的關(guān)系如式（3）所示，其中線圈自感L由式（4）計(jì)算。

當(dāng)滿足一定關(guān)系時(shí)[24-25]，可近似認(rèn)為高頻電流傳感器輸出電壓為式（5）。

從式（5）中可以看出，當(dāng)選定硬件后，Ro/N是一個(gè)固定值，在輸入電流不使磁環(huán)飽和的情況下，可認(rèn)為高頻電流法的靈敏度不受電容值的影響。

1.2 高頻電流局部放電檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

基于高頻電流傳感器的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)由變壓器、分壓器單元、高頻電流傳感器、采集卡、上位機(jī)等設(shè)備組成，系統(tǒng)接線如圖3所示。其中高頻電流傳感器的檢測(cè)頻帶為100 kHz～100 MHz，最低檢測(cè)信號(hào)為2 pC；高速百兆實(shí)時(shí)采集卡的采樣率為100 MS/s。

圖3 高頻電流法系統(tǒng)接線圖Fig.3 Connection diagram of high frequency current method system

2 典型缺陷電纜的制作

去除外力破壞電纜結(jié)構(gòu)的情況，電纜附件缺陷及電纜敷設(shè)安裝過(guò)程中造成的缺陷故障占總?cè)毕莨收系?9%[1]。為了提取電纜缺陷放電特征，制作了5種最常見(jiàn)的電纜中間接頭缺陷：主絕緣刀痕、外半導(dǎo)電尖刺、半導(dǎo)電遺留物、主絕緣氣泡、導(dǎo)電通道缺陷。

電纜接頭制作過(guò)程中由于需要?jiǎng)冸x主絕緣外的半導(dǎo)電層，一般使用玻璃或者電工刀等工具進(jìn)行操作，在這個(gè)過(guò)程中可能會(huì)剖切過(guò)深劃傷主絕緣，從而形成主絕緣的刀痕缺陷；半導(dǎo)電層與主絕緣粘結(jié)緊密，可能剝離不干凈，若殘留的半導(dǎo)電層在根部，即形成半導(dǎo)電尖刺缺陷；若殘留的半導(dǎo)電層為附著于主絕緣上的小塊或顆粒，則形成半導(dǎo)電遺留物缺陷；擠包電纜有可能在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生小氣泡，即為主絕緣氣泡缺陷；電纜長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)展形成電樹(shù)，從而形成導(dǎo)電通道缺陷。這5種缺陷是電纜最易出現(xiàn)的缺陷，同時(shí)制作這些缺陷也較為方便。

在實(shí)驗(yàn)室制作了上述5種典型絕緣缺陷的10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜試樣，制備方法如表1所示，制備好的電纜典型缺陷外觀如圖4所示。

表1 10 kV典型絕緣缺陷的真型電纜試樣Tab.1 The 10 kV real cable samples with typical insulation defects

典型電纜缺陷局部放電試驗(yàn)按照下列步驟進(jìn)行：①使用校準(zhǔn)源對(duì)電纜測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)；②從控制臺(tái)緩慢升高電壓，直至采集系統(tǒng)采集到局部放電脈沖信號(hào)；③待放電平穩(wěn)后記錄5 000個(gè)脈沖信號(hào)；④降壓、放電，試驗(yàn)完畢；⑤更換帶有缺陷的電纜，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 典型絕緣缺陷電纜PRPD譜圖Fig.5 PRPD of cable with typical insulation defects

圖5為工頻電壓下激發(fā)5種缺陷模型局部放電時(shí)測(cè)得的PRPD譜圖，圖中噪聲閾值取9 pC，正弦波峰值對(duì)應(yīng)激發(fā)局部放電時(shí)的工頻電壓峰值。

對(duì)5種缺陷電纜的PRPD譜圖按局部放電相位區(qū)間與最大局部放電量進(jìn)行分類，得到典型缺陷的放電特征，如表2所示。

表2 典型絕緣缺陷電纜局部放電特征Tab.2 Partial discharge characteristics of cables with typical insulation defects

從PRPD譜圖中無(wú)法清晰具體地用形狀、分布特征等參數(shù)來(lái)區(qū)分5種缺陷。而5種缺陷的最大局部放電量也不相同，最大局部放電量這一參數(shù)也不足以用來(lái)作為區(qū)別上述缺陷電纜的有效指標(biāo)。

同一個(gè)局部放電源產(chǎn)生的信號(hào)是十分相似的，通常采集數(shù)據(jù)中包含的信號(hào)來(lái)源不止一個(gè)。使用一種數(shù)據(jù)處理方法將不同局部放電源的信號(hào)進(jìn)行分離，則可對(duì)不同放電源進(jìn)行分別處理。采集到的放電信號(hào)同時(shí)具有時(shí)域、頻域特征，通過(guò)時(shí)頻分析算法對(duì)局部放電脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，提取每一個(gè)信號(hào)的等效時(shí)長(zhǎng)T、等效頻寬F作為信號(hào)源分離的依據(jù)。T、F的定義與信號(hào)處理方法如下[26-29]：

設(shè)脈沖信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為S(t)，定義一個(gè)時(shí)域脈沖的時(shí)間重心為N，則其表達(dá)式為式（6）。

對(duì)時(shí)域脈沖信號(hào)進(jìn)行歸一化，得到SN(t)如式（7）所示。

取歸一化后的時(shí)域信號(hào)波形求取其時(shí)間重心（平均時(shí)間），如式（8）所示。

定義脈沖的等效時(shí)長(zhǎng)為T，如式（9）所示。

等效時(shí)長(zhǎng)將脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間以一個(gè)數(shù)值進(jìn)行表示，雖然在將脈沖轉(zhuǎn)化為等效時(shí)長(zhǎng)的過(guò)程中失去了信號(hào)的波形信息，但這種轉(zhuǎn)化能夠方便地描述時(shí)域信號(hào)集中于其重心的程度。

（2）等效頻寬F

脈沖信號(hào)的頻域包含的信息很豐富，通過(guò)等效頻寬的轉(zhuǎn)換可以使其便于分類。時(shí)域波形S(t)經(jīng)過(guò)FFT變換之后得到S(ω)，然后對(duì)頻域波形進(jìn)行歸一化處理，之后參照時(shí)間重心的定義方法定義頻率重心，如式（10）～（11）所示。

得到頻域重心之后，與時(shí)域的處理方法類似，定義脈沖的等效頻寬為F，如式（12）所示。

等效頻寬將脈沖信號(hào)的頻域信息以一個(gè)數(shù)值進(jìn)行表示，雖然在將脈沖轉(zhuǎn)化為等效頻寬的過(guò)程中失去了信號(hào)的頻域波形信息，但這種轉(zhuǎn)化能夠方便地描述信號(hào)頻域信息集中于其重心的程度。

1) 經(jīng)洋山港東支航道和金山航道的內(nèi)支線過(guò)往船舶較多，日均286艘次，船舶類型較為復(fù)雜，速度差別較大。

圖6為5種缺陷電纜局部放電信號(hào)的TF譜圖。從圖6可以看出，通過(guò)局部放電信號(hào)的TF譜圖可以清晰地區(qū)別這5種缺陷電纜的局部放電信號(hào)。

圖6 典型絕緣缺陷電纜局部放電TF譜圖Fig.6 TF map of cable with typical insulation defects

主絕緣刀痕缺陷電纜的TF圖中放電點(diǎn)集中分布，只有一簇，說(shuō)明該缺陷電纜中只激發(fā)出了一種放電，且只有單一局部放電源。

外半導(dǎo)電尖刺缺陷電纜的TF譜圖中放電點(diǎn)分布較為復(fù)雜，可能是多種放電形式疊加所成。由于電纜缺陷模型制作復(fù)雜，可能導(dǎo)致在某激發(fā)電壓下同時(shí)產(chǎn)生數(shù)種放電，造成放電復(fù)合過(guò)程比較復(fù)雜。

半導(dǎo)電遺留物缺陷電纜的TF譜圖中放電點(diǎn)分布于兩簇，說(shuō)明該電纜激發(fā)出了兩個(gè)放電源，并且由于簇分布特征不同，可以推斷這是兩種不同類型的放電。

主絕緣氣泡缺陷電纜的TF圖中放電點(diǎn)集中分布，只有一簇，說(shuō)明該缺陷電纜中只激發(fā)出了一種放電，且只有單一局部放電源。其放電與主絕緣刀痕缺陷類似，說(shuō)明兩者都屬于電纜內(nèi)的氣隙放電。

導(dǎo)電通道缺陷電纜的TF譜圖中放電點(diǎn)分布較為復(fù)雜，可能是多種放電形式疊加所成。由于導(dǎo)電通道的形成具有隨機(jī)性，其放電屬于多種放電的復(fù)合。

4 典型缺陷的特征和識(shí)別方法

10 kV等級(jí)典型絕緣缺陷的局部放電特征如表3所示，工程應(yīng)用中可綜合使用PRPD與TF譜圖對(duì)不同類型的接頭缺陷放電進(jìn)行區(qū)分。首先，從PRPD譜圖中能較清晰地辨別出半導(dǎo)電遺留物與導(dǎo)電通道的放電特征，其中半導(dǎo)電遺留物放電集中在第一、第三象限，放電團(tuán)簇分為兩團(tuán)，類似羽翼形狀，導(dǎo)電通道放電主要發(fā)生在第一象限，譜圖呈三角形。而其余3種缺陷的放電僅依靠PRPD譜圖不足以完成識(shí)別，應(yīng)結(jié)合TF譜圖進(jìn)行區(qū)分。以主絕緣刀痕缺陷為例，其放電集中在第一、第三象限，其中第三象限放電幅值大、次數(shù)多，譜圖呈山峰團(tuán)簇狀。該缺陷的PRPD與氣泡缺陷、外半導(dǎo)電尖刺缺陷相似，但一旦結(jié)合TF譜圖，則這3種放電的特征足夠分化，易于識(shí)別。外半導(dǎo)電尖刺放電、氣泡放電可按表3中的特征進(jìn)行區(qū)分。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，獲取了含典型缺陷的10 kV電纜的局部放電信息，通過(guò)對(duì)5種典型缺陷電纜的局部放電PRPD與TF譜圖進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）基于HFCT傳感器的試驗(yàn)方法能夠有效發(fā)現(xiàn)10 kV電纜絕緣的放電缺陷。

（2）PRPD譜圖在局部放電分析方面仍是一種相當(dāng)有效的輔助方法，但該方法依賴經(jīng)驗(yàn)，且在多種局部放電源同時(shí)存在時(shí)不易分辨。TF譜圖從脈沖自身時(shí)頻特征的角度對(duì)局部放電進(jìn)行考量，TF譜圖相對(duì)PRPD譜圖更容易區(qū)分不同的放電類型。

表3 10 kV等級(jí)典型絕緣缺陷的局部放電特征Tab.3 Partial discharge identification of typical insulation defects in 10 kV cable

（3）結(jié)合PRPD譜圖中局部放電分布的形狀及相位分布、幅值、放電次數(shù)分布等特征信息與TF譜圖中團(tuán)簇的形狀、分布特性，可以方便地對(duì)典型缺陷進(jìn)行識(shí)別。