基于常規和寬帶脈沖電流法的高壓XLPE電纜模擬缺陷試驗研究

李光茂，熊 俊，謝劍翔，劉建成，陸國俊，易滿成

(廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣東 廣州510410)

0 引言

由于具有介電性能好、耐熱性好、傳輸容量大、重量輕、電纜附件結構簡單、安裝敷設方便等優點，交聯聚乙烯(XLPE)電纜在電力系統中所占的比重日益增加。但在XLPE電纜生產、運輸、敷設、安裝過程中不可避免地會產生各種缺陷［1］，引發局部放電，成為電力系統安全運行的隱患。局部放電往往潛伏期較長，一旦高壓電纜發生故障，會造成巨大的經濟損失和嚴重的社會影響，所以，當高壓電纜產生局部放電后，往往需要運行單位長時間跟蹤測量。電纜本體電場分布較均勻，只要生產工藝控制良好，其在運行中很少出現局部放電。但對于電纜附件，其本身結構導致的電場不均勻性、現場安裝時帶來的質量問題等原因都會導致局部放電。

本文搭建了一段110 kV XLPE電纜，在電纜應力錐里面設置懸浮、滑閃兩種缺陷，采用階梯升壓法研究兩種放電類型的發展過程［2-5］。

1 XLPE模擬缺陷試驗平臺

1.1 模擬缺陷

模擬缺陷高壓電纜為一段長約3 m的電纜，高壓電纜兩端預制應力錐，缺陷模型預制在靠近電源側的應力錐當中。圖1為懸浮、滑閃缺陷的示意圖。其中，懸浮模型是在電纜XLPE絕緣與應力錐之間放置一圓形金屬電極，電極直徑10 mm，厚度0.2 mm;滑閃模型是在制作電纜終端時，先從中心導體引出細長銅絲，然后將銅絲固定在主絕緣與應力錐結合面模擬滑閃通道，銅絲在應力錐中的長度為60 mm。

1.2 局部放電檢測系統

局部放電檢測系統包括兩種，常規脈沖電流檢測系統、寬帶脈沖電流檢測系統。

圖1 模擬缺陷示意圖

常規脈沖電流檢測系統由檢測阻抗、校正方波發生器和局部放電測試儀組成。其中局部放電測試儀是由中國電力科學研究院伏安公司生產的DST-4型局放儀，檢測頻帶40～80 kHz，其檢測靈敏度5 pC，調諧電容范圍400－1 500－6 000 pF。

寬帶脈沖電流檢測系統前端為一個寬帶電流傳感器，帶寬16 kHz～30 MHz，傳感器頻率特性如圖2所示。其主要安裝于電纜終端或中間接頭的接地線上，通過檢測接地線上的脈沖電流進而檢測局部放電信號。

圖2 寬帶電流傳感器的頻率特性

2 模擬缺陷局部放電試驗研究

試驗時兩種檢測系統前端探頭的安裝位置如圖3所示。在高壓電纜的首端(靠近電源側)和末端均采取了防電暈措施，50 kV下局部放電量小于50 pC。采用階梯升壓法，利用兩種檢測系統同時檢測局部放電。

圖3 試驗回路

2.1 典型缺陷的放電量與電壓的關系

利用常規脈沖電流法測得的懸浮、滑閃放電量與電壓的關系如圖4、圖5所示。

圖4 懸浮模型放電量與電壓的關系

圖5 滑閃模型放電量與電壓的關系

從圖4、圖5可以看出，隨著電壓增加，懸浮模型放電量增加趨勢明顯，而滑閃模型放電量未出現增加趨勢。

2.2 典型缺陷單周期特征

兩種模型單周期的放電特征如圖6、圖7所示，其中1通道為常規脈沖電流法輸出，2通道為寬頻脈沖電流法輸出，4通道為相位信息，經校正，其滯后于實際電壓相位54°。從圖6、圖7可以看出，懸浮模型單周期放電次數較少，滑閃模型單周期放電次數多。

圖6 懸浮模型單周期放電特征(33 kV)

2.3 典型缺陷的時頻域特征

利用寬帶脈沖電流檢測系統采集一定時間的放電波形，懸浮、滑閃模型測得的典型圖譜如圖8、圖9所示。

將圖8、圖9的典型圖譜轉化為時頻圖如圖10、圖11所示。在時頻圖上，懸浮、滑閃放電均可分為1、2、3簇。

圖7 滑閃模型單周期放電特征(16.4 kV)

圖9 滑閃模型典型圖譜(16.4 kV)

圖10 懸浮模型時頻圖(33 kV)

利用專家系統對不同簇放電進行模式識別，結果表明懸浮模型第1簇為放電信號，表現為表面放電特征，其他簇為干擾信號;滑閃模型第1、2、3簇均為放電信號，隨著電壓的增加，第1簇信號放電模式表現為從電暈放電、表面放電到內部放電的轉變，第2簇表現為電暈放電，第3簇放電表現為從電暈放電到內部放電的變化。

圖11 滑閃模型時頻圖(16.4 kV)

懸浮模型第1簇放電還原到幅值相位圖(PRPD)如圖12所示。

圖12 不同電壓下放電發展過程

從圖12可以看出，隨著電壓的增加，懸浮放電的放電次數越來越多，但根據幅值相位圖譜的模式識別結果表明，懸浮放電放電模式單一，始終表現為表面放電類型。

滑閃模型第1簇放電還原到幅值相位圖如圖13所示。

圖13 不同電壓下第1簇放電發展過程

從圖13可以看出，隨著電壓的增加，第1簇信號由一開始的電暈放電特征逐漸轉化為表面放電特征，并且，隨著電壓的升高，逐漸出現了大量的內部放電，內部放電幅值比表面放電幅值要大、單次脈沖頻率要高。

3 結論

對懸浮和滑閃兩種典型電纜缺陷研究結果表明:

(1)隨著電壓的升高，懸浮模型放電量增加明顯，滑閃模型放電量未出現增長趨勢;

(2)懸浮模型單周期放電次數少，滑閃模型單周期放電次數多;

(3)隨著電壓的增加，懸浮放電次數越來越多，并且放電模式單一，始終表現為表面放電類型;滑閃放電放電模式較多，存在著多種放電同時發生的情況，隨著電壓的增加，放電模式會發生改變，逐漸由頻率成分較低的電暈放電脈沖轉變成頻率成分較高內部放電脈沖。

實際中，由于制造、運輸、安裝等帶來的高壓電纜潛在缺陷錯綜復雜，有必要進一步研究多種缺陷的放電特征及其發展過程，形成高壓電纜缺陷圖譜庫，為高壓電纜現場局放帶電測試及其缺陷診斷提供指導。

［1］羅俊華，邱毓昌，楊黎明.10 kV及以上電力電纜運行故障統計分析［J］.高電壓技術，2003，29(6):14-16.

［2］王洪新，張水平，程樹康，等.XLPE電樹老化過程中局放特性［J］.高電壓技術，2003(6):19-21.

［3］鄭曉泉，Chen G，Davies A E.交聯聚乙烯電纜絕緣中的導電和非導電型電樹枝［J］.中國電機工程學報，2004，24(3):140-144.

［4］陳小林，成永紅，謝小軍，等.XLPE絕緣電老化中局放特性試驗研究［J］.高電壓技術，2006，32(4):22-24.

［5］段乃欣，馬翠姣，邱毓昌，等.交聯聚乙烯電纜敷設后的局部放電檢測［J］.供用電，2001，18(4):12-14.