XPLE電樹枝生長過程中局部放電SHF信號特性研究

陸云才,丁毅,陶風(fēng)波,潘婷,王亞林,尹毅

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103；2. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)電纜在運行過程中,絕緣層中電樹枝的引發(fā)和生長會導(dǎo)致材料老化和介電性能下降,是引起故障的重要原因[1]。聚合物絕緣材料的電樹枝化是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程,是多種因素共同作用的結(jié)果[2],其引發(fā)和生長與環(huán)境溫度、外加電壓、機(jī)械應(yīng)力及材料的聚合狀態(tài)有關(guān)[3—4]。絕緣材料的微小缺陷在電纜的使用過程中,受各種因素作用引發(fā)電樹枝并生長,導(dǎo)致缺陷逐步擴(kuò)大。當(dāng)絕緣材料內(nèi)部形成電樹枝時,往往伴隨著局部放電(partial dis-char-ge,PD)現(xiàn)象,期間產(chǎn)生的高能粒子對絕緣材料分子結(jié)構(gòu)的破壞,是電樹枝的引發(fā)和生長過程中的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)電纜絕緣中存在微小絕緣缺陷區(qū)域時,電場分布不均,缺陷區(qū)域會率先發(fā)生PD,誘發(fā)電樹枝生長,微小氣隙或通道會進(jìn)一步延伸,相互連接形成放電通道,繼續(xù)發(fā)生PD[5]。因此從原理上分析,電樹枝的生長和PD信號間存在關(guān)聯(lián)性。

目前國內(nèi)外對影響電樹枝生長因素的研究包括空間電荷、實驗溫度、外施電壓和材料結(jié)構(gòu)等。李光道等[6]利用針-板電極模型,證明了直流電樹枝由受陷電荷引發(fā)的；陳仕軍等[7]的研究表明電壓越高電樹枝的結(jié)構(gòu)越密集,電樹枝起始時間縮短,生長時間延長；王雅妮等[8]利用電荷的注入-抽出理論分析得出溫度升高可以加快電荷注入和抽出的速率,增加電荷的遷移距離促進(jìn)電樹枝的生長。周利軍等[9]利用實驗發(fā)現(xiàn)：在低溫下XLPE電纜絕緣中電樹枝生長沒有明顯的影響；高溫情況下,電樹枝的生長更為迅速。

PD的檢測方法眾多,電纜運行環(huán)境中往往包含大量電磁干擾,檢測方法需要有較強(qiáng)抗干擾能力。PD產(chǎn)生過程中伴隨空間電荷的遷移,絕緣材料中存在結(jié)構(gòu)陷阱,電荷入陷過程會產(chǎn)生能量,部分能量以高頻電磁波形式向外輻射。材料絕緣強(qiáng)度越大,內(nèi)部所產(chǎn)生PD的脈沖信號上升時間會越短,從傅里葉變換可知,非周期單脈沖信號的頻譜是連續(xù)譜,脈沖上升時間越短,寬度越窄,包含的高頻諧波成分越多。日本Hiroki Shibata等人研究發(fā)現(xiàn)變壓器油中PD信號可達(dá)10 GHz[10],由于XLPE材料絕緣強(qiáng)度比變壓器油更高,因此其中PD的脈沖頻段可達(dá)到超高頻(super high frequency,SHF,3～30 GHz)頻段,而空間干擾頻率一般低于2 GHz,可通過檢測和分析PD過程中的SHF信號,在有效避開干擾的同時采集到PD。

文中采用基于針-板電極結(jié)構(gòu)和XLPE材料的絕緣缺陷試樣,在不同溫度和電壓下,對電樹枝生長過程中的形態(tài)和SHF局部放電信號進(jìn)行同步檢測,分析電壓和溫度變化對電樹枝生長與SHF PD信號的影響,研究XLPE絕緣材料電樹枝生長過程中形態(tài)與SHF局部放電信號的特征關(guān)系。

1 電樹枝實驗設(shè)計

1.1 電樹枝樣品制備和放置

文中所用XLPE型號為4258,針-板電極缺陷樣品的具體制作過程為：將顆粒狀XLPE放入烘箱內(nèi),抽真空后溫度設(shè)70 ℃,保持加熱7～8 h,放置20～24 h以去除水分；在轉(zhuǎn)矩流變儀中混料后置于壓片機(jī)中,模具尺寸為120 mm×120 mm×5 mm,溫度設(shè)為105 ℃,逐漸加壓,待壓力為20 MPa時,升溫至180 ℃并維持15 min,待樣品冷卻后取出,打磨平整后切割成40 mm×20 mm×5 mm規(guī)格。再利用細(xì)砂紙,將直徑1 mm,長度35 mm的錳鋼針針尖的曲率半徑打磨至5 μm左右(用顯微鏡和觀察測量),擦拭干凈后利用氣動插針裝置,將錳鋼針依次插入樣片中,針尖距離樣片底部3 mm。最后放入90 ℃的真空烘箱內(nèi)保持加熱7～8 h,并放置20～24 h后取出,以消除插針過程中在樣片中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。樣品示意如圖1所示。

圖1 電樹枝樣品示意Fig.1 Schematic of electric tree sample

實驗樣片固定在接地鋁板上,鋁板電極平放在方形容器中,鋁板、容器外殼和地保證有效電連接,構(gòu)成針-板電極系統(tǒng),針上部插入帶孔導(dǎo)電銅球,實現(xiàn)有效電連接(具有均壓作用),如圖2所示。采用恒溫槽進(jìn)行循環(huán)油浴加熱,既能控制溫度且能有效防止沿面放電和外部放電。

圖2 針-板電極結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of needle-plate electrode

1.2 電樹枝形態(tài)觀察和采集系統(tǒng)

實驗過程中為清晰判斷電樹枝形態(tài)隨時間的生長狀況,需進(jìn)行實時觀測。文中用光源、帶有顯微鏡頭的CCD工業(yè)相機(jī)如圖3所示和計算機(jī)組裝成如圖4所示電樹枝形態(tài)實時觀測系統(tǒng),可通過上下、焦距調(diào)整、左右移動旋鈕時觀測進(jìn)行調(diào)整,配合Daheng MER-Series Viewer軟件,實時觀測電樹枝生長過程并保存電樹枝生長圖片。

圖3 顯微鏡系統(tǒng)Fig.3 Microscope system

圖4 電樹枝實時觀測系統(tǒng)Fig.4 Electric tree real-time observation system

2 SHF局部放電檢測系統(tǒng)設(shè)計

SHF檢測法是利用高頻傳感器采集局部放電信號中輻射出來的SHF電磁波信號[11]。實驗或工程在線檢測過程中,外界會存在眾多電磁信號干擾,如電暈放電帶來的噪聲信號等,且干擾信號和放電信號同屬脈沖信號,但前者在SHF頻段的分量較小,因此選擇帶寬合理的傳感器和放大濾波元件可有效濾除干擾,保留放電信號?；谏鲜?文中搭建了SHF局部放電檢測系統(tǒng)用于檢測電樹枝發(fā)展過程中局部放電的SHF信號,總體測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 SHF局部放電測試系統(tǒng)Fig.5 SHF partial discharge test system

2.1 SHF頻段傳感器

基于圖4顯示的測試環(huán)境,為避免高壓對傳感器和示波器造成傷害,宜采用非接觸式傳感器,即高頻天線。由于樣品置于金屬槽內(nèi),考慮其屏蔽作用,需將天線伸入槽內(nèi),故不能選擇尺寸過大的天線,同時其下限截止頻率應(yīng)較高,以濾除部分干擾。綜合考慮上述因素,選擇頻段為2.4～7 GHz的全向貼片天線傳感器,掃頻結(jié)果顯示其電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)在3～6 GHz的范圍內(nèi)較平穩(wěn),采集性能最佳。預(yù)實驗結(jié)果表明,在電樹枝生長過程的局部放電信號中,樣品產(chǎn)生的SHF分量頻率在4～5 GHz左右,該天線傳感器滿足采集要求。

2.2 放大濾波系統(tǒng)

局部放電的SHF信號屬微小信號,需低噪聲運算放大器對信號進(jìn)行放大,同時天線對干擾信號存在一定衰減幅度不夠,且考慮放大器的噪聲干擾,需添加截止頻率3 GHz以上的濾波器,對環(huán)境干擾和放大器噪聲進(jìn)行衰減?？紤]到濾波器的增益曲線在截止頻率處呈非階躍變化,而呈一定斜率變化,固選擇截止頻率稍高于3 GHz的無源濾波器。綜合上述因素,選擇帶寬50～6 GHz射頻低噪聲放大器,其在4～5 GHz頻率下增益約20 dB；選擇帶寬為4.25～10 GHz的無源濾波器。

所用示波器帶寬8 GHz、采樣率20 GS/s,有4個模擬通道且每通道配備50 Mpts存儲器。天線用絕緣膜嚴(yán)密包裹,并用絕緣膠帶密封,再將天線伸入槽內(nèi),待油灌滿后用絕緣膠帶固定在距離樣品5 cm處,避免流動的絕緣油晃動天線。

3 實驗方案和結(jié)果

通常絕緣為4.5 mm電纜的額定電壓為10 kV(電纜中均方根平均電場約為2.22 kV/mm),文中樣品模擬電纜中金屬毛刺缺陷,電極間距3 mm,且由于針板電極相對集中,故實驗電壓設(shè)為7 kV。此外,考慮到聚乙烯電纜的正常工作溫度為70 ℃,允許的工作溫度不得超過90 ℃[12]。以7 kV,70 ℃為基準(zhǔn)電壓和溫度,設(shè)置5 kV,7 kV和9 kV作為實驗電壓,設(shè)置50 ℃,70 ℃和90 ℃作為實驗溫度,電壓由變壓器控制,實驗溫度由恒溫槽設(shè)定油浴溫度進(jìn)行控制。加壓60 min,電樹枝圖片每隔10 s記錄1次；SHF信號前5 min中每30 s記錄1次,5 min后每1 min記錄1次,記錄數(shù)據(jù)包括不同時間尺度的波形。

3.1 實驗特征量提取

3.1.1 電樹枝特征量提取

軟件采集的電樹枝實時照片需要進(jìn)行信息提取。由于電樹枝形狀具有極強(qiáng)的隨機(jī)性,一般采用“分形維數(shù)”來描述電樹枝生長特性。文中使用盒記數(shù)法計算分形維數(shù),利用線段、圓形或者正方形等圖形去近似表示分形圖形[13],原理如圖6所示。

圖6 盒記數(shù)法示意Fig.6 Schematic diagram of box notation

首先需要對電樹枝圖像進(jìn)行灰度調(diào)整、模式識別、特征測試或頻譜分析等處理,將圖像的中心區(qū)域提取出來,并通過Labview軟件對提取的圖像進(jìn)行濾波灰黑二值化處理,轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎孜粓D。改變方盒邊長r,計算將電樹枝完全覆蓋的方格數(shù)N(r),此時的分形維數(shù)D可以表示為[14]：

(1)

結(jié)合分形維數(shù)與電樹枝形態(tài)特征,枝狀電樹枝的分形維數(shù)一般小于1.45,叢狀電樹枝的分形維數(shù)一般大于1.65,而混合狀電樹枝的分形維數(shù)介于[1.45,1.65]之間。在電樹枝生長過程中分形維數(shù)都會隨著時間而變化,電樹枝停滯生長時分形維數(shù)趨于穩(wěn)定[15]。除分形維數(shù)外,還根據(jù)顯微鏡的放大倍數(shù)和圖像像素數(shù),獲得實際長度對應(yīng)關(guān)系。并編寫了labview程序?qū)D片中樹枝形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確測量,將電樹枝的寬度和長度也作為特征量進(jìn)行統(tǒng)計。

3.1.2 SHF局部放電特征量提取

局部放電特征量的提取和檢測方法有關(guān),脈沖電流法以視在放電量(單位pC)和相位等作為特征量[16]；UHF法以dB為單位計量(基準(zhǔn)為1 mW)檢測放電功率,表征放電強(qiáng)度,同時也提取放電相位信息等[17—21]。

文中檢測的PD信號在3 GHz以上,且不需放電模式識別,結(jié)合使用檢測系統(tǒng)和SHF信號的產(chǎn)生機(jī)理,以放電信號的SHF頻段頻率和幅值作為放電提取的特征量。以70 ℃,7 kV下XLPE樣品某次SHF局部放電信號為例,波形如圖7所示,圖(a)PD完整波形顯示了其幅值,圖(b)的波形細(xì)節(jié)顯示了其頻率,記錄不同時刻放電幅值和頻率,并求得不同條件下各量平均值。

圖7 SHF局部放電信號波形Fig.7 SHF partial discharge signal

3.2 不同溫度下實驗結(jié)果

3.2.1 電樹枝形態(tài)

通過顯微鏡觀測得到在施加電壓7 kV,不同溫度下電樹枝的最終發(fā)展情況如圖8所示。在電壓7 kV不同溫度下,電樹枝的長度、寬度和分形維數(shù)隨時間的變化規(guī)律如圖9所示。

圖8 不同溫度下電樹枝的最終發(fā)展情況Fig.8 The final development of electric tree branches at different temperatures

圖9 不同溫度電樹枝特征量隨時間變化Fig.9 Electrical tree feature quantity changes with time at different temperature

由圖9可知,電樹枝的長度、寬度和分形維數(shù)隨時間變化的速率均是先快速后緩慢,在前10 min左右生長較快,之后較為平緩,最終長成的電樹枝的分形維數(shù)大于1.65,屬叢狀電樹枝。在相同電壓下,隨溫度升高,電樹枝的長度和寬度逐漸增長,50 ℃和70 ℃下電樹枝狀況差異較小,90 ℃下電樹枝有了明顯的延長和拓寬,而分形維數(shù)變化不大。結(jié)合圖8的顯微鏡照片可看出,溫度對電樹枝的分形維數(shù)影響較小,電樹的長寬則呈延伸狀態(tài),且溫度越高影響越大。

3.2.2 SHF局部放電信號

經(jīng)采集和結(jié)果篩選統(tǒng)計,不同溫度下SHF局部放電信號的特征量參數(shù)如圖10所示。

圖10 不同溫度SHF局放信號特征量隨時間變化Fig.10 SHF PD feature quantity changes with time at different temperature

不同溫度下PD信號幅值和頻率的平均值如表1所示。

表1 不同溫度SHF PD信號特征量平均值Table 1 SHF PD feature quantity average value at different temperature

根據(jù)圖10所示現(xiàn)象和表1統(tǒng)計結(jié)果,50 ℃和70 ℃下,SHF局部放電信號的幅值差距很小,90 ℃下,幅值顯著提高；3種溫度下的SHF信號頻率差異不大,信號頻率大多在4～5 GHz之間。

3.3 不同電壓下實驗結(jié)果

3.3.1 電樹枝形態(tài)

通過顯微鏡觀測得到在70℃,不同電壓下電樹枝的最終發(fā)展情況如圖11所示。在70 ℃和不同電壓下,電樹枝的長度、寬度和分形數(shù)隨時間的變化規(guī)律如圖12所示。

圖11 不同電壓下電樹枝的最終發(fā)展情況Fig.11 The final development of electric tree branches at different voltages

圖12 不同電壓電樹枝特征量隨時間變化Fig.12 Electrical tree feature quantity changes with time under different voltages

結(jié)合圖12實驗結(jié)果和圖11顯微鏡照片可知,相同溫度下,電壓升高對電樹枝的長寬影響較大,分形維數(shù)在5 kV時較小呈混合狀,7 kV和9 kV變化相對不明顯,最終電樹枝依然呈叢狀。7 kV下電樹枝的長度和寬度約為5 kV的2倍,而9 kV下電樹枝的長度和寬度有了較大幅度增加。

3.3.2 SHF局部放電信號

經(jīng)采集和結(jié)果篩選統(tǒng)計,溫度70 ℃,不同電壓下SHF局部放電信號特征量變化如圖13所示。

圖13 不同電壓SHF PD信號特征量隨時間變化Fig.13 SHF PD feature quantity changes with time under different voltages

不同電壓下PD信號幅值和頻率的平均值如表2所示。

表2 不同電壓SHF PD信號特征量平均值Table 2 SHF PD feature quantity average value under different voltages

圖13和表2結(jié)果表明隨著電壓升高,SHF信號的幅值有明顯提升,且隨電壓升高提升幅度變大,頻率有一定程度的升高,9 kV下的信號頻率在初始時較大,隨后逐漸減小趨于平緩,幅值則呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。

4 結(jié)果分析和討論

4.1 溫度和電壓對電樹枝形態(tài)的影響

對比圖9與圖12所示生長趨勢可知,電壓對電樹枝的生長影響程度比溫度大。綜合交流電場下不同溫度和不同電壓下電樹枝的生長狀況,和電樹枝的生長原理分析,溫度升高促進(jìn)電荷的入陷和脫陷過程[22],電荷的遷移率也越高,導(dǎo)致電樹枝長度和寬度的延伸,但電荷的注入濃度越高,針尖的電場更加均勻,抑制電荷的注入,因此一定范圍內(nèi)的溫度升高電樹枝的形態(tài)差異較小。溫度較高時會對材料的結(jié)構(gòu)造成影響,當(dāng)溫度超過XLPE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時,其許多性能參數(shù),如介電常數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)等會發(fā)生變化,且材料中的自由體積會增大,電荷分布更加均勻會使更多熱電子在與外加電場垂直的方向生成,同時由于電子平均自由程的增大,會促進(jìn)電樹枝分枝的形成[8],使其寬度增加,這一點在圖8的顯微照片和圖9(b)的寬度數(shù)據(jù)中已有所體現(xiàn)。電子平均自由程的增加也會使熱電子撞擊距針尖更遠(yuǎn)處的XLPE分子,延伸電樹枝的長度。

有研究表明,外施電場越強(qiáng),電荷注入越多[23]。由電磁場理論可知,電場強(qiáng)度是電壓的負(fù)梯度,電壓升高針尖處場強(qiáng)也隨之升高,除增大電荷的移動速度外,電荷的注入會造成局部場強(qiáng)過高,促進(jìn)新的游離自由基積聚形成新的空間電荷,使得電荷的注入速度和濃度有較大程度的增加,電樹枝向板電極的延伸更為明顯。尤其當(dāng)場強(qiáng)較高時,XLPE內(nèi)部大量共價鍵達(dá)到斷鍵臨界場強(qiáng)而斷裂,上述過程發(fā)展更劇烈,故電樹長寬較大。

4.2 溫度和電壓對SHF局部放電信號的影響

文中對局部放電的研究著重于溫度和電壓的影響對其SHF信號幅值和頻率影響。從數(shù)學(xué)角度分析,SHF信號是非周期脈沖,其頻譜為全頻域的連續(xù)譜,脈沖越窄,dV/dt值越高,則高頻部分幅值越高。從信號產(chǎn)生機(jī)理分析,在PD產(chǎn)生瞬間,電荷快速移動產(chǎn)生微小脈沖電流,引起局部電場的瞬時變化,從而激發(fā)高頻電磁波,若將每個發(fā)生PD的通道簡化為一個微小的偶極子天線,偶極子天線的遠(yuǎn)場電場輻射為：

(2)

式中：Eθ為輻射場強(qiáng),是仰角θ和距離r的函數(shù)；β為相移常數(shù)；l為偶極子長度,遠(yuǎn)小于波長；I為電流幅值。

由式(2)可知,天線接收的輻射強(qiáng)度和電流幅值成正比。由文中實驗可知,電流幅值和電荷量及移動速度呈正相關(guān)。溫度升高會激發(fā)更多熱電子,電荷注入濃度升高,主要增大了PD產(chǎn)生過程中的遷移電荷量,I增大,引起信號的幅值增大。電壓/電場的增強(qiáng)如4.1節(jié)所述,一方面會增加電荷量,另一方面也會增大電荷的移動速度,因此I增大幅度比溫度升高要大,信號的幅值也更大。

SHF信號的頻率隨溫度和電壓變化趨勢盡管不十分明顯,但從式(2)中輻射信號的角頻率ω與輻射信號幅值呈反比可知,若信號電流幅值不夠大,高頻率的信號幅值會較小,不易檢測,因此信號幅值最大的70 ℃,9 kV所得的平均頻率也最高,其中聯(lián)系有待進(jìn)一步理論分析和實驗驗證。

4.3 電樹枝形態(tài)與SHF局部放電信號的關(guān)系

根據(jù)不同條件下實驗結(jié)果,溫度和電壓的升高都會促進(jìn)電荷的注入,增加電荷量和電荷的移動速度,從而增大PD的SHF信號幅值,也促使電樹枝的延伸,長寬增加。對于XLPE絕緣材料而言,隨著加壓時間的延長,針尖附件的材料逐漸老化,隨著電樹的生長,更多的XLPE分子鏈被打斷,斷裂而形成H·和·CH3游離自由基,游離自由基的積聚會促進(jìn)空間電荷的積累[24],畸變內(nèi)部電場分布,誘發(fā)PD,PD的產(chǎn)生則會繼續(xù)釋放高能粒子,撞擊分子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致電樹分枝繼續(xù)延長,總體來看電樹枝的生長情況與SHF局部放電信號的幅值總體呈正相關(guān),當(dāng)電樹枝生長速度較快時,局部放電信號的頻率也有所升高。而當(dāng)電樹發(fā)展到一定程度,產(chǎn)生微觀縫隙而電場不夠強(qiáng)時,帶電粒子可能無法全部到達(dá)極板,I不夠高,SHF信號的幅值會有所下降,這在圖13(a)中也有所體現(xiàn)。

5 結(jié)論

文中對XLPE絕緣材料在不同溫度和電壓下進(jìn)行電樹枝和SHF局部放電實驗,通過電樹枝形態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)和SHF局部放電檢測系統(tǒng),對電樹枝生長過程中形態(tài)變化與SHF局部放電信號進(jìn)行監(jiān)測和采集,經(jīng)處理獲得電樹枝長度、寬度和分形維數(shù)及SHF信號的幅值和頻率,綜合分析溫度與電壓的影響和二者的特征關(guān)系,得到如下結(jié)論：

(1) 相同電壓下,溫度升高,電樹枝的長度、寬度呈現(xiàn)上升趨勢,分形維數(shù)變化較??；溫度較高時SHF局部放電信號的幅值增加較明顯,頻率變化較小；

(2) 相同溫度下,電壓升高,電樹枝的長度、寬度增加,電壓越高增加越明顯,電壓較低時分形維數(shù)較小；SHF局部放電信號的幅值隨電壓升高顯著增加,且溫度越高增加幅度越大；

(3) 電樹枝生長的長度、寬度與SHF局部放電信號的幅值呈正相關(guān)關(guān)系,且電樹枝生長速度較快時SHF信號的頻率也有所提升。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)用SHF法檢測XLPE絕緣中電樹枝引發(fā)和生長過程中的PD信號有較高的靈敏度,同時由于所測頻段高,能夠避開常見電磁干擾,有望成為XLPE絕緣電力電纜PD在線監(jiān)測的一種有效技術(shù)。