10kV電纜中間接頭典型缺陷局部放電發展過程研究

李?，惠寶軍，徐 陽，皮昊書，陳志超

(1.深圳供電局，廣東 深圳518033;2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安710049)

0 引言

截至2012年底，國家電網公司全口徑6～20 kV配電線路長度已達3 032 791 km［1］。隨著電纜線路的不斷延伸，電纜中間接頭的使用量也大幅增加。但由于有些電纜附件制造粗糙、安裝不規范或受不可抗拒的外力破壞，導致電纜系統中附件故障率比例通常高于電纜本體［2］。局部放電作為電纜絕緣材料劣化的主要因素和表征參數之一，其檢測在一定程度上可以發現絕緣材料存在的潛在隱患，從而降低電纜故障發生的概率。因此局部放電的檢測在出廠試驗和預防性試驗中均為重要試驗項。

針對電纜及附件典型缺陷的局部放電的研究，國內外相關研究者進行了大量工作，并取得了一定的研究成果。Bartnikas R等人對局部放電的產生機理及檢測進行了詳細介紹［3］，指出了局部放電的不同類型及各種檢測方法。Steven Boggs等人對局部放電的各種影響因素進行了詳細的實驗分析，指出了局部放電的影響因素(如缺陷大小、缺陷位置等)及其作用規律等［4］。國內朱曉輝等人對不同電壓等級的電纜及附件缺陷類型及形成原因進行了研究，并對比分析了不同缺陷對應的局放信號的上升時間、脈寬和頻譜特性等［5］。李光茂等人對110 kV交聯聚乙烯(XLPE)電纜終端制作了懸浮、滑閃典型缺陷模型，并分析了不同缺陷局部放電隨電壓變化的特點［6］。北京電科院任志剛等人利用多種局部放電檢測手段對GIS電纜終端的實際氣隙缺陷進行了檢測及對比，分析了不同檢測方法下該缺陷的放電特點差異［7］。

上述研究多是在短時間內測量局部放電，而相關研究結果表明同一缺陷在不同劣化階段的局部放電特征差異顯著［8，9］，因此短時間內獲取到的局部放電表征信息并不全面。針對長時間局部放電發展過程的研究，日本Tokunaga S等人對含有金屬顆粒、針孔等缺陷的中壓XLPE電纜接頭的局部放電的發展過程進行了研究，提出隨著局部放電的最大放電量和放電次數的顯著增加，預示著電樹的引發［8，10］，國內常文治博士針對35kV電纜中間接頭，制作了屏蔽層尖刺缺陷、微孔缺陷、沿面金屬顆粒缺陷以及沿面尖刺4種典型缺陷，研究了絕緣材料劣化全過程中的局部放電發展過程，同樣將局部放電的發展過程分成了不同階段，并利用局部放電表征參量發展趨勢之間的差異來評價中間接頭典型缺陷局部放電的嚴重程度［9］。

盡管針對不同缺陷局部放電的發展過程相關研究較多，但在供電部門的預防性試驗中依然存在發現電纜接頭缺陷后，可能來不及在短期內及時處置，因此希望了解存在不同缺陷的中間接頭的局部放電的發展規律，以及是否會快速擊穿，從而對檢修策略的優化提供指導。本文在10 kV XLPE電纜中間接頭內模擬了主絕緣內部軸向氣隙和主絕緣表面軸向劃痕兩種典型缺陷，并利用IEC 60270推薦的脈沖電流法耦合局部放電信號。通過對該類缺陷的局部放電發展過程進行檢測分析，從而為配電電纜檢修策略的優化提供參考依據。

1 測量電路與試樣

1.1 實驗電路

圖1顯示的是10 kV電纜人工典型缺陷局部放電檢測電路接線圖，試驗電纜長約3 m。圖1中AC為交流電源;Filter為高壓濾波器，用于濾除來自試驗電源的高頻干擾;R為保護電阻;C1、C2為分壓電容器;Ck為耦合電容器;Zm為檢測阻抗，將脈沖電流信號轉換為脈沖電壓信號;LDS-6局放儀為Doble公司符合IEC 60270標準的高精度數字式局部放電測量系統，其檢測頻帶為90～420 kHz(－6 dB)。為防止電纜兩端放電，在電纜兩端均安裝油終端進行防暈處理。

圖1 10 kV電纜人工典型缺陷局部放電檢測回路接線圖

1.2 接頭缺陷模擬制作

實驗采用的電纜試品型號為YJV1-8.7/15 kV-1×185，即單芯XLPE絕緣聚氯乙烯(PVC)護套電纜，線芯標稱截面面積185 mm2，電纜中間接頭采用預制式電纜接頭。人工典型缺陷制作如下:

(1)主絕緣內部軸向氣隙

其制作方法是在中間接頭連接的一端主絕緣上，利用直徑約1 mm的針沿軸向扎入深度約15.8 mm的針孔氣隙，之后填充約5 mm長的PVC絕緣膠帶。針孔氣隙的外表面距導體線芯表面的最短距離約1.7 mm，即內部氣隙位置約在電纜絕緣的中心位置，其示意圖和實際缺陷如圖2所示。

圖2 主絕緣內部軸向氣隙缺陷示意圖

(2)主絕緣表面軸向劃痕缺陷

在電纜中間接頭制作過程中，利用刻刀剝離電纜的半導電層時由于用力不當，經常導致縱向和切向劃痕。本實驗模擬主絕緣表面軸向劃痕氣隙，其制作方法是在主絕緣外部，沿外半導電層斷口處軸向劃一道深約2 mm、長約40 mm的刻痕，其示意圖如圖3所示。

圖3 主絕緣表面軸向氣隙缺陷示意圖

1.3 實驗方案

在進行電纜局部放電試驗前，需進行試驗回路的無局放驗證。選用無缺陷電纜試品，搭建好回路后利用LDS-6局放儀，采用GB/T 11017.1-3—2002推薦的局部放電測量方法進行測量［11］。實驗結果顯示放電量小于5pC，從而認為試驗回路完好。之后，依次制作不同缺陷，進行相應局部放電測試。本實驗主要研究短期內缺陷的局部放電發展過程，因此采用逐漸升壓法，在短期內獲得局部放電的發展過程。試驗電壓升壓過程中宜采用緩慢連續升壓的方式，當電壓加至設定值時，在該電壓等級下施加一定長的時間。導則［12］指出在1.7 U0的施加電壓下，局部放電的測量時間一般不短于60 min，因此在本實驗中恒壓施加時間設定為90 min。

2 實驗結果

2.1 主絕緣內部軸向氣隙缺陷

2.1.1 加壓過程

緩慢升高電壓至10 kV時出現穩定的局部放電信號，可認為此缺陷的工頻放電起始電壓PDIV為10 kV。以10 kV作為缺陷模型的起始施加電壓，隨后逐漸升高電壓進行加速劣化，并在各電壓等級下維持90 min。電壓升至30 kV(3.5 U0)保持30 min后中間接頭仍未擊穿，之后停止加壓。停止加壓一方面是因為該電壓等級滿足目前10 kV電纜的例行試驗的耐壓試驗要求［13］，即在3.5 U0電壓下加壓5 min，另一方面是因為當電壓繼續升高時即使發生擊穿現象，其破壞機理也可能與額定電壓下發生擊穿的破壞機理不同［14］。本實驗具體加壓過程如圖4所示。

圖4 主絕緣內部軸向氣隙缺陷加壓過程

2.1.2 局部放電發展過程

在實驗過程中，對局部放電現象進行連續在線監測，且每隔30 min記錄一組數據，每組記錄時長為20 s，即1 000個放電周期。通過實驗結果發現，該缺陷放電統計譜圖(PRPD)在放電過程中發生了3次較為明顯的變化，分別選取不同階段的代表性放電統計譜圖進行分析，如圖5所示。

由圖5a可以看出，在局部放電發展過程初始階段，正負半周放電明顯不對稱。第一象限放電譜圖形似“小山丘”，放電量小而密集，最高放電量不超過40 pC。第三象限放電除了具有類似于第一象限的小放電外，還有少許較為稀疏的大幅值放電脈沖，從而放電譜圖呈現出不規則的“單峰”結構，最大放電量約170 pC。

圖5 局部放電過程中三個發展階段相位譜圖

當局部放電進一步發展，放電類型略微發生了變化，如圖5b所示。由圖中可以看出，相比于初始階段放電，該階段放電量有所增加，且放電頻率明顯加快，從而使得第三象限的放電由“單峰”結構向“拱形”結構過渡。對于第一象限放電則發生了較為明顯的變化，除了第一階段小而密集的放電量變大外，還出現了放電量較大且相位相對固定的放電脈沖，從而呈現出“空穴”結構。

當局部放電發展至第三階段時，放電量顯著增大，如圖5c所示，但放電統計譜圖的相位分布特征與第二階段基本類似:第三象限放電仍呈現“拱形”結構，但相位寬度較第二階段有所擴展，且放電頻率進一步加快;第一象限大放電脈沖逐漸增多，“空穴”結構不再明顯，且放電相位逐漸向90°方向擴展，另外在相位50°～60°間出現了稀疏的大幅值放電。

2.1.3 局部放電發展趨勢分析

將單位時間內局部放電的平均放電功率P、最大放電量Qmax、平均放電量Qav、脈沖重復率N以及脈沖相位寬度φ作為局部放電表征參量。其中放電功率P指在選定的參考時間間隔Tref內單個視在電荷qi饋入試品兩端間的放電脈沖功率，如式(1)所示［7］。

式中:最大放電量Qmax指記錄時長內的單次最大放電量;平均放電量Qav指統計時長內各周期最大放電量的平均值;脈沖重復率N指單位時間內的放電次數;脈沖相位寬度φ是指除去背景噪聲后放電脈沖所在的相位區間寬度。由于P、N以及φ與測量時設定的閾值大小有關，因此為了保持結果的一致性，閾值均設定為略高于背景噪聲，約為10 pC。各表征參量發展趨勢如圖6所示。

從圖6a、b中可以看出，平均放電功率P、最大放電量Qmax或平均放電量Qav隨時間變化的曲線呈現“階段式增長”的特點，各階段內放電幅值發展相對平穩，且通常后一階段幅值較前一階段幅值稍有增大。基于這一發展變化特點，將主絕緣內部軸向氣隙缺陷局部放電發展過程分為3個階段，各階段的發展時間及外施電壓大小如表1所示。在初始階段放電功率及放電量較小且較為平穩，隨著放電過程的進行，放電量及放電功率逐漸增大，但波動性隨之加劇，隨著局部放電的繼續發展，放電功率及放電量進一步增大。

表1 內部軸向氣隙缺陷局部放電發展階段劃分

由圖6b中可以看出，平均放電量與最大放電量放電趨勢基本一致，但由于局部放電的隨機特性，在不同階段放電量的波動性仍較大，尤其在第二、三階段。由圖6c知，脈沖重復率整體趨勢增大，但在第二階段存在放電次數明顯減小的過程，相比平均放電功率與放電量，脈沖重復率在不同階段的劃分并不明顯。由圖6d知，一、三象限的脈沖相位寬度沒有明顯的階段性特征，隨著老化的進行，其對應的脈沖相位寬度逐漸增寬，當電壓高于24 kV時，放電脈沖寬度已超過90°，向二、四象限擴展。另外，從圖6中可以看出在各時間點兩象限對應的脈沖相位寬度近似相等，顯示了一、三象限放電的對稱性。

圖6 局部放電表征參量發展趨勢圖

從上述4種局部放電表征參量的發展趨勢可以看出，平均放電功率及放電量(最大值或平均值)均可很好地表征局部放電的不同發展程度。對于平均放電功率，由于同時考慮了放電量、放電次數以及施加電壓多種影響因素，因而可以更好地反應放電發展趨勢。而脈沖重復率和脈沖相位寬度從一定程度上可以反應局部放電的發展程度，但對不同放電階段的劃分并不敏感。

2.2 主絕緣表面軸向劃痕缺陷

2.2.1 加壓過程

緩慢升高電壓，在額定電壓8.7 kV時，出現少量穩定放電，最大放電量約為16 pC，可認為該缺陷的放電起始電壓為8.7 kV。將8.7 kV作為該缺陷的起始施加電壓，在各電壓等級下保持90 min，之后逐級升高電壓。當電壓升至26 kV(3U0)時，加壓約10 s后發生擊穿現象，之后停止實驗。具體加壓情況如圖7所示。

圖7 主絕緣劃傷缺陷加壓情況示意圖

2.2.2 局部放電發展過程及趨勢分析

從主絕緣內部軸向氣隙缺陷的實驗結果中，可以看出，放電功率、平均放電量或最大放電量均可很好地表征局部放電的發展過程。為了避免眾多參量的冗雜敘述，本部分選取了最大放電量和平均放電量作為局部放電表征參量來觀測該缺陷下局部放電的發展過程。每隔30 min記錄一組數據，記錄時長20 s，即1 000個放電周期。整個實驗過程中最大放電量Qmax和平均放電量Qav隨時間變化曲線，如圖8所示。

圖8 放電量隨時間的發展趨勢

從圖8中可以看出，最大放電量和平均放電量在放電過程中發展趨勢基本一致，在15 kV及以下電壓等級時放電量均較小，且平均放電量均在30 pC以下，放電較為平穩。當電壓升至17.4 kV(2U0)后，平均放電量突增至240 pC，但放電量很快減小，1.5 h后平均放電量約為28 pC。之后放電量隨著電壓的升高，并沒有出現大的波動，但升至26 kV時，平均放電量突然增至600 pC，后又回落至300 pC，約10 s之后發生擊穿現象。

2.2.3 實驗分析

從圖8中可以看出，電壓由15 kV升至17.4 kV時，平均放電量由5 pC突變為240 pC以及電壓由23 kV升至26 kV時，平均放電量由55 pC突增至600 pC，在其他電壓等級下也有類似的結果。可見在電壓變大時，放電量均較前一時刻有所增加，這可能是因為隨著電壓的升高，缺陷附近場強得到加強所致。

另外，從實驗結果也可以看出，該類缺陷放電在各電壓等級下，施加電壓的前期放電量較大，但隨著時間的推移，放電量大小及次數均有所減小，如17.4 kV時平均放電量1.5 h后由最初的240 pC變為28 pC。這可能是由以下原因造成的:(1)在局部放電作用下，氣隙中的氣體分子間或氣體分子與絕緣介質發生了化學反應，在氣隙或空腔壁表面生成了氧化副產物，提高了氣隙表面導電性，而導電性提高后利于轉移放電電荷，并阻止空腔內高場強的建立，從而放電量減小［15］。(2)隨著時間的推移，氣隙表面生成了固體副產物，如結晶物。在結晶物尖端附近，場域得到加強，放電區域逐漸集中于結晶物尖端附近導致放電面積減小，從而放電量逐漸減小［16］。

當電壓突然增加至26 kV時，平均放電量在很短的時間內(10 s)由600 pC回落至300 pC。上述放電量減小的原因并非之前提到的化學反應或副產物導致的結果，由于作用時間極短，該氣隙表面的化學反應可忽略不計。該現象可能主要是因為氣隙表面場強突然增大，遠超過氣隙中空氣的擊穿場強，在高場強作用下，放電粒子對氣隙表面進行劇烈轟擊，很快引發電樹通道，導致放電粒子快速轉移使得放電量減小，繼而發生擊穿現象。

2.2.4 接頭解剖及分析

通過對主絕緣表面劃傷缺陷最終擊穿的電纜中間接頭進行解剖，如圖9所示。從圖9中可以看出，電纜的擊穿點發生在外半導電層斷口處與劃痕氣隙交界處。文獻［17］對該類缺陷進行過場強仿真計算，發現該類缺陷導致場強畸變嚴重，尤其是靠近外半導層斷開處氣隙導致的場強畸變更加嚴重，更易發生擊穿現象，與本文的實驗結果一致。

圖9 主絕緣劃傷缺陷接頭解剖圖

3 討論

從主絕緣內部軸向氣隙的實驗結果可以看出，該試驗模擬的內部軸向氣隙缺陷雖然尺徑較大，放電現象較為明顯，但在3.5 U0電壓下運行30 min仍未擊穿，表明這種缺陷短時間內危害程度較小，常規的耐壓試驗無法檢測出該類缺陷。

對于主絕緣表面軸向劃痕缺陷，從實驗結果可以判斷出該類缺陷危害度較高。主要是因為在施加電壓為15 kV(1.73 U0)以及其電壓等級下平均放電量均在30 pC以下，現場交接實驗時，如果背景噪聲較大，可能無法發現該類缺陷。但在正常運行中，即使發生短暫的過電壓，也有可能導致電纜絕緣失效。因此該類缺陷對中間接頭的危害程度較大，在電纜附件安裝過程中應盡量避免。

4 結論

本文通過對兩種含有人工典型缺陷(主絕緣內部氣隙、主絕緣表面劃傷)的10 kV電纜中間接頭局部放電發展趨勢的研究，得出以下結論:

(1)對于含有主絕緣內部氣隙缺陷的中間接頭，根據整個實驗過程中放電功率的發展趨勢將局部放電發展過程劃分為起始、發展以及嚴重三個階段。該缺陷雖然在三個階段中放電明顯，但在3.5 U0下耐壓30 min仍未發生擊穿現象，說明預防性試驗中耐壓能通過的電纜接頭依然有存在缺陷的可能，因此進行局部放電測量是必要的。

(2)對于含有主絕緣劃傷缺陷的中間接頭，其局部放電量在起始階段較小，約為30 pC，當電壓增至3 U0時，放電量突增至600 pC，之后瞬間擊穿。可認為該類缺陷，尤其是電纜外半導電層斷開處的氣隙，比內部軸向氣隙缺陷對中間接頭的危害程度更大，在電纜附件安裝過程中應盡量避免。

(3)在局部放電表征參數中，平均放電功率、最大放電量或平均放電量對局部放電的發展趨勢較為敏感，可以很好地表征局部放電發展趨勢。

［1］國家電網運維檢修部.國家電網公司2012年度配網和電纜專業總結報告［R］.

［2］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.

［3］Bartnikas R.Partial discharges.Their mechanism，detection and measurement［J］.Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactionson，2002，9(5):763-808.

［4］Boggs S.，Densley John.Fundamentals of partial discharge in the context of field cable testing［J］.Electrical Insulation Magazine，IEEE，2000，16(5):13-18.

［5］朱曉輝，周鳳爭，杜伯學，等.運行電纜中典型缺陷的監測及檢測技術研究［C］//2010年中國電機工程學會年會論文集.2010:2013-2024.

［6］李光茂，熊 俊，謝劍翔，等.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［J］.電線電纜，2013(5):30-33.

［7］任志剛，叢 光，李華春，等.GIS電纜終端缺陷綜合局放診斷與分析［J］.高壓電器，2014，50(3):44-49.

［8］Arief Y Z，Ahmad H，Hikita M.Partial discharge characteristics of XLPE cable joint and interfacial phenomena with artificial defects［C］//Power and Energy Conference，2008:1518-1523.

［9］常文治.電力電纜中間接頭典型缺陷局部放電發展過程的研究［D］.華北電力大學，2013.

［10］Chen X，Xu Y，Cao X，et al.Effect of tree channel conductivity on electrical tree shape and breakdown in XLPE cable insulation samples［J］.Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，2011，18(3):847-860.

［11］IEC 60270:2000 High-voltage test techniques-Partial discharge measurements［S］.

［12］CIGR Working Group B1.28:On-site partial discharge measurement［R］.2012.

［13］GB/T 12706.2—2002額定電壓6 kV(Um=7.2 kV)到30 kV(Um=36 kV)電纜［S］.

［14］IEEE Std 1407—2007 IEEE Guide for accelerated aging tests for medium voltage(5 kV－35 kV)extruded electric power cables in water-filled tanks［S］.

［15］Morshuis P H F.Degradation of solid dielectrics due to internal partial discharge:some thoughts on progress made and where to go now［J］.Dielectrics and Electrical Insulation，IEEE Transactions on，2005，12(5):905-913.

［16］Tokunaga S，Tsurusaki T，Arief Y Z，et al.Partial discharge characteristics till breakdown for XLPE cable joint with an artificial defect［C］//Properties and Applications of Dielectric Materials，2003，3:1206-1209.

［17］周鳳爭，孟慶霖，朱曉輝，等.10 kV電纜附件典型缺陷仿真與絕緣故障分析［J］.絕緣材料，2011(4):67-69.