0.1 Hz超低頻與振蕩波電壓下熱縮和冷縮電纜附件典型缺陷局部放電對比研究

王偉，梁聰，祁志強，閆瑞艦，陳連明，李旭，宋鵬先，王浩鳴

（1.華北電力大學 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，北京 102206；2.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300220）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，XLPE電纜以其優(yōu)良的力學性能與絕緣性能，在電網(wǎng)中得到廣泛的應用。然而，在電纜的實際安裝與運行過程中，可能會因安裝工藝、運行環(huán)境等因素的影響產(chǎn)生絕緣缺陷，影響電力系統(tǒng)的絕緣安全。為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行，需要對電纜的絕緣性能進行診斷檢測。局部放電是電纜絕緣故障的重要特征[1]，是判斷電纜絕緣狀況的根據(jù)之一[2]，可以對電纜進行局放檢測來發(fā)現(xiàn)電纜中的絕緣隱患。

根據(jù)IEEE Std 400.3-2006[3]，工頻（諧振）電壓、0.1 Hz超低頻電壓和振蕩波電壓是電纜試驗中的推薦電壓種類。工頻（諧振）電壓法的電壓波形最接近電纜實際運行波形，但是使用的設備質(zhì)量和體積較大，不利于試驗的開展[4]。與工頻（諧振）電壓法相比，0.1 Hz超低頻電壓和振蕩波電壓法的測試設備質(zhì)量和體積較小，操作方便，對電纜損傷小[5-8]，適合XLPE電纜局部放電的現(xiàn)場測試，因而被廣泛使用。

0.1 Hz超低頻電壓和振蕩波電壓對電纜缺陷局部放電激發(fā)的差異及機制一直被人們所關注，國內(nèi)外開展了較多的研究。文獻[6-7]研究了振蕩波電壓與工頻電壓下電纜缺陷的局部放電特性。文獻[9]研究了超低頻與工頻電壓下電纜缺陷的局部放電特性。文獻[10]研究了缺陷電纜在頻率為0.01、0.1、60 Hz，以及溫度為20、60、75℃下的局部放電特性。文獻[11]在工頻、0.1 Hz超低頻和振蕩波電壓下對真實電纜針尖、水樹、切痕和進水等人工缺陷進行了擊穿對比試驗，研究了振蕩波電壓和超低頻電壓下?lián)舸╇妷簩ゎl擊穿電壓的等效性，結果表明，對于切痕缺陷和尖端缺陷，超低頻電壓下的擊穿電壓更高，對于進潮缺陷，振蕩波電壓下的擊穿電壓更高。文獻[12]對9個不同類型的真實電纜典型缺陷試樣，采用振蕩波、超低頻和超低頻余弦方波電壓測試了局部放電起始電壓（PDIV）和局部放電幅值，結果表明，除受潮缺陷外，其他缺陷均在超低頻電壓下的PDIV更高，說明超低頻電壓對受潮缺陷有較好的檢測能力，而最大放電量則是在振蕩波電壓下的更高。文獻[13]制作了電纜剝離半導電層人工表面放電試樣，對比研究了試樣在工頻、振蕩波和0.1 Hz超低頻電壓下的局部放電特性，測試比較了3種電壓下的局部放電起始電壓和熄滅電壓（PDEV），結果表明，超低頻電壓下的PDIV最高，其次是振蕩波電壓，工頻電壓下的PDIV最低，而PDEV則是工頻電壓下最高，振蕩波電壓下最低。

綜上所述，兩種電壓對缺陷局部放電激發(fā)的差異與缺陷的種類密切相關，目前對于該差異的形成機制研究不足，缺乏深入的討論，而對于工程中普遍使用的熱縮和冷縮電纜附件典型缺陷的對比研究則未見報道。

為此，本研究建立熱縮和冷縮電纜附件典型缺陷，在0.1 Hz超低頻電壓和振蕩波電壓進行局部放電試驗，測量并對比兩種電壓下電纜典型缺陷的局部放電起始電壓（PDIV）、局部放電量以及局部放電次數(shù)等參量的差異，并對這些差異的形成機制進行分析。

1 試驗

1.1 10 kV XLPE電纜缺陷試樣的制作

在電纜的運輸安裝過程中，容易產(chǎn)生絕緣缺陷。在人工制作安裝電纜終端的過程中，可能會有劃傷絕緣等情況出現(xiàn)。電纜實際投入運行后，受到運行環(huán)境的影響，容易產(chǎn)生進水受潮等缺陷，影響電纜絕緣[9,14]。因此，本研究分別制備了熱縮、冷縮電纜的典型缺陷試樣，如表1所示。

表1 缺陷試樣制備方法Tab.1 Preparation Method of samples

1.2 試驗平臺

試驗平臺由加壓設備、電壓及局部放電采集單元、電纜典型缺陷試樣、并聯(lián)電容連接組成，分別使用振蕩波加壓設備和超低頻加壓設備來進行對比試驗。為使振蕩波電壓的頻率不要過高，加入并聯(lián)電容進行補償。為了保持不同加壓設備試驗條件的一致性，在使用0.1 Hz超低頻電壓進行試驗時依然保留該電容。測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of test system

1.3 試驗步驟

首先用0.1 Hz超低頻加壓設備對電纜缺陷模型進行加壓。以3 kV為起始電壓，0.2 kV為加壓間隔，每個電壓施加5次，出現(xiàn)3次及以上的局放信號則認為該電壓為局部放電起始電壓。記錄0.1 Hz超低頻電壓下的局部放電起始電壓值PDIV和PDIV下采集到的電壓與局放波形信號，并記錄U0下的電壓與局放波形信號。在0.1 Hz超低頻電壓下，取一個比PDIV高的電壓作為固定電壓，記錄該固定電壓值下采集到的電壓和局放波形信號，后續(xù)與振蕩波電壓下的數(shù)據(jù)進行對比。

在0.1 Hz超低頻電壓下將6根電纜均測試完畢后，改用振蕩波設備進行加壓。記錄振蕩波電壓下的局部放電起始電壓值PDIV和PDIV下采集到的電壓與局放波形信號，并記錄U0和固定電壓值下的電壓與局放波形信號。

振蕩波加壓設備基于LC諧振原理，其中諧振電感參數(shù)主要取決于設備電感，約為0.8 H，諧振電容則主要取決于設備電容和被測試樣的等效電容。針對本次試驗的試樣，振蕩波頻率約為410 Hz。

0.1 Hz超低頻加壓設備所加電壓值是有效值，而振蕩波加壓設備所加電壓值是峰值。故施加固定電壓和U0時，振蕩波所加電壓在數(shù)值上是超低頻電壓的2倍。0.1 Hz超低頻電壓下施加的U0是8.7 kV（有效值），振蕩波下施加的U0是8.7×2=12.3 kV（峰值）。

為了便于對比，以下所有試驗結果中出現(xiàn)的電壓均已轉(zhuǎn)化為峰值。

2 結果與分析

2.1 局部放電起始電壓

0.1 Hz超低頻電壓和振蕩波電壓下電纜典型缺陷試樣局部放電起始電壓PDIV的對比測試結果如圖2所示。從圖2可以看出，除了冷縮電纜軸向刀痕缺陷試樣以外，其余5種缺陷下，均是0.1 Hz超低頻電壓下的PDIV更高，這說明振蕩波電壓對熱縮、冷縮徑向刀痕缺陷和受潮缺陷以及熱縮軸向刀痕缺陷更敏感。

圖2 振蕩波電壓和超低頻電壓下電纜缺陷試樣的PDIV對比Fig.2 Comparison of PDIV of cable defects samples under DAC and VLF

在直流電壓、超低頻電壓和振蕩波電壓與工頻電壓的擊穿電壓等效性研究中，會以各種電壓下的擊穿電壓與工頻擊穿電壓的比率來進行等效性研究，因此，可以分別定義PDIV等效系數(shù)KPDIV和PDIV相對偏差百分數(shù)δPDIV如式（1）～（2）所示。

式（1）～（2）中：PDIVV為0.1 Hz超低頻電壓下測得的PDIV；PDIVD為振蕩波電壓下測得的PDIV。

計算結果如表2所示。從表2可以看出，對于熱縮軸向刀痕缺陷、熱縮徑向刀痕缺陷和冷縮受潮缺陷，0.1 Hz超低頻電壓下的PDIV和振蕩波電壓下的PDIV等效性較好，等效系數(shù)KPDIV＜1.6。

表2 振蕩波電壓和超低頻電壓下電纜缺陷試樣的PDIV、KPDIV與δPDIVTab.2 PDIV,KPDIV,and δPDIV of cable defects samples under DAC and VLF

2.2 最大局部放電量

振蕩波電壓和0.1 Hz超低頻電壓下電纜典型缺陷試樣在U0下的最大局部放電量對比情況如圖3所示。

圖3 振蕩波電壓和超低頻電壓下電纜缺陷試樣U0下的最大局部放電量對比Fig.3 Comparison of maximum partial discharge under U0 of cable defects samples under DAC and VLF

從圖3可以看出，當施加電壓為U0時，部分缺陷在振蕩波電壓或超低頻電壓下的PDIV大于U0，故U0下沒有發(fā)生局部放電，局部放電量為0。熱縮軸向刀痕缺陷和熱縮徑向刀痕缺陷在振蕩波電壓和超低頻電壓下加壓U0均有局放出現(xiàn)，在振蕩波電壓和超低頻電壓下均有局放發(fā)生的情況下，可以看到振蕩波電壓下的最大局放量更大。

根據(jù)6種不同缺陷的PDIV選擇該缺陷下適合的固定電壓，來比較同種缺陷分別在振蕩波和0.1 Hz超低頻下施加同一固定電壓的最大局部放電量，不同缺陷所選固定電壓如表3所示。

表3 不同電纜典型缺陷試樣的固定電壓Tab.3 The fixed voltage of typical defects cable samples

在各自的固定電壓下，分別對各電纜典型缺陷試樣施加振蕩波和0.1 Hz超低頻電壓，得到各缺陷在各自固定電壓下的最大局部放電量對比情況如圖4所示。

從圖4可以看出，在各自的固定電壓下，除冷縮受潮缺陷外，其他5種缺陷在施加振蕩波電壓時的最大局放量大于施加超低頻電壓時的最大局放量。

圖4 電纜缺陷試樣在固定電壓下的最大局部放電量對比Fig.4 Comparison of maximum partial discharge under the fixed voltage of cable defects samples

定義最大局放量等效系數(shù)KPD和最大局放量相對偏差百分數(shù)δPD如式（3）～（4）所示。

式（3）～（4）中：QV是0.1 Hz超低頻固定電壓下的最大局部放電量；QD是振蕩波固定電壓下的最大局部放電量。

計算結果如表4所示。從表4可以看出，KPD與電纜缺陷的類型密切相關。

表4 振蕩波電壓和超低頻電壓下電纜缺陷試樣固定電壓下的最大局放量、KPD與δPDTab.4 Maximum PD quantity,KPD and δPD of cable defects samples under fixed voltage of DAC and VLF

2.3 局部放電次數(shù)

對于所測量的各種刀痕和受潮缺陷，0.1 Hz超低頻電壓作用下單個周期內(nèi)的局部放電次數(shù)都普遍小于振蕩波電壓下的局部放電次數(shù)，波形對比情況類似，整體規(guī)律相同，選擇熱縮徑向刀痕缺陷電纜試樣在振蕩波和超低頻電壓下的局部放電波形作為典型圖譜進行分析，對比情況如圖5所示。

圖5 熱縮徑向刀痕缺陷電纜試樣固定電壓下電壓與局放波形對比典型圖譜Fig.5 Typical comparison diagram of the voltage and the partial discharge waveform under the fixed voltage of heat shrink radial knife mark defect cable sample

從圖5可以看出，施加振蕩波電壓時，單個周期內(nèi)的局部放電脈沖數(shù)明顯更多，局部放電波形更密集。

2.4 小結

無論是振蕩波電壓還是0.1 Hz超低頻電壓，在進行電纜典型缺陷試樣局部放電試驗的時候均有良好的再現(xiàn)性，表明這兩種電壓均可以用于電纜局部放電的檢測，測試電纜的絕緣性能。

由試驗結果可見，振蕩波電壓和0.1 Hz超低頻電壓下的局部放電起始電壓PDIV、局部放電量的等效關系與電纜缺陷的類型有關。除冷縮軸向刀痕缺陷外，整體而言，0.1 Hz超低頻電壓下的PDIV更大。對于熱縮軸向刀痕缺陷、熱縮徑向刀痕缺陷和冷縮受潮缺陷，0.1 Hz超低頻電壓和振蕩波電壓下的PDIV等效性較好，等效系數(shù)KPDIV＜1.6。

除了冷縮受潮缺陷外，整體而言，各缺陷在施加U0和同一固定電壓時，振蕩波下的最大局部放電量更大，一個周期內(nèi)的局部放電脈沖數(shù)更多，局部放電波形更密集。

可見，對于大多數(shù)缺陷類型，與0.1 Hz超低頻電壓相比，振蕩波電壓下的PDIV更小，U0和固定電壓下的最大局部放電量更大，對電纜缺陷局部放電的檢測更靈敏。振蕩波電壓下采集到的局部放電波形脈沖數(shù)更多，局部放電更劇烈，局部放電波形更密集，用于局部放電檢測效果更明顯。在工程實際中，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理選擇振蕩波加壓設備和0.1 Hz超低頻設備進行局部放電檢測。

3 討論

3.1 局部放電起始電壓差異的形成機制

局部放電的起始電壓和局部放電量主要取決于缺陷位置的電場強度。介質(zhì)中發(fā)生局部放電時，可以采用圖6所示的阻容模型作為等效電路。與傳統(tǒng)三電容模型相比，阻容模型加入了代表能量損耗的等效電阻。

圖6 局部放電阻容模型Fig.6 Resistance capacitance model of partial discharge

圖6 中，Rg和Cg是絕緣中的局部缺陷的等效電阻和電容，Rb和Cb是與局部缺陷串聯(lián)部分介質(zhì)的等效電阻和電容，Rm和Cm是其余部分介質(zhì)的電阻和電容。電容C的表達式為式（5）。

式（5）中：ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；A為極板面積；d為極板距離。

當施加振蕩波電壓時，由于電壓頻率較高，電容的容抗值在分壓中起到主要作用。對于刀痕缺陷，以氣隙模型進行分析，則Cg代表的是絕緣中氣隙缺陷的電容。對于氣隙，由于其中的電介質(zhì)是空氣，只有電子位移極化，電子位移極化形成的時間很短，約為10-14～10-15s，故外加電源的頻率不會影響相對介電常數(shù)εr的大小，Cg的大小不會隨著外加頻率的改變而改變。而Cb是與Cg串聯(lián)的XLPE介質(zhì)的電容,這部分電介質(zhì)是極性電介質(zhì)，存在極性分子轉(zhuǎn)向極化，極化所需的時間較長，為10-10～10-2s，甚至更長。當外加電場頻率增高時，轉(zhuǎn)向極化可能跟不上電場的變化，極化率減小，則εr減小，Cb減小，Ub分壓增大，Ug分壓減少。對于受潮缺陷，缺陷中含有水分子，也有一定的轉(zhuǎn)向極化，故缺陷上的分壓情況更為復雜。

當施加超低頻電壓時，因電壓頻率較低，故電阻阻值在分壓中起到主要作用。Rg和Rb的大小關系到缺陷上的電壓分配，故超低頻電壓下的PDIV受到缺陷類型的影響，取決于不同缺陷的模型分布，這也與文獻[12]中PDIV測量結果與缺陷類型相關這一現(xiàn)象相吻合。

3.2 局部放電次數(shù)差異的形成機制

局部放電次數(shù)主要取決于電壓的恢復速率，下面分別進行分析。

（1）刀痕缺陷。以空腔模型進行分析。積累的空間電荷會增大氣隙上的電勢差，也為局部放電提供起始電子?？涨槐砻骐妼蕿棣襰，積累的空間電荷以平均時間常數(shù)τcd衰減。時間常數(shù)的表達式為式（6）[15]。

式（6）中：ε0為真空介電常數(shù)；Dm為空腔直徑。

當缺陷的類型不同時，積累的空間電荷的衰減時間會因為空腔表面參數(shù)的不同而改變[16]。

在0.1 Hz超低頻下，對于刀痕缺陷，絕緣內(nèi)部空腔和分層的表面電導率增大，極性反轉(zhuǎn)之間泄漏的電荷多，從而使得空腔中的電場降低，因此，電壓恢復的時間更長，兩次局部放電事件相隔的時間更長，局部放電脈沖更稀疏。

（2）受潮缺陷。由于進入的水中含有雜質(zhì)，會導致缺陷處電導率增大，導電性提升，在0.1 Hz超低頻下泄露的空間電荷更多，使得缺陷處電場更小，產(chǎn)生局部放電所需的電壓更高，電壓恢復的時間更長，與試驗數(shù)據(jù)所示的兩種受潮缺陷在超低頻下的PDIV都比較高以及放電脈沖更稀疏相吻合。

4 結論

（1）無論是振蕩波電壓還是0.1 Hz超低頻電壓，在進行電纜典型缺陷試樣局部放電試驗的時候均有良好的再現(xiàn)性，表明這兩種電壓均可以用于電纜局部放電的檢測，測試電纜的絕緣性能。

（2）對于所制備的6種典型缺陷，除冷縮軸向刀痕缺陷外，振蕩波電壓下的PDIV更小；除冷縮受潮缺陷外，振蕩波下的最大局部放電量更大，單個周期內(nèi)的局部放電脈沖數(shù)更多，局部放電波形更密集。

（3）0.1 Hz超低頻和振蕩波電壓下缺陷位置電壓分布機制和電壓恢復速率的不同是導致上述差異的主要原因。