高壓交聯聚乙烯電纜附件典型缺陷局部放電特性分析

李乃一，曹俊平，王少華，楊 勇，周路遙，金涌濤

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

XLPE（交聯聚乙烯）電纜因其質量輕、易安裝、電氣及耐熱性能好等優勢，近年來在城市電網中的應用越來越廣泛[1-2]。截至2017年底，國家電網有限公司66 kV及以上電壓等級電纜線路總長度已超過20 000 km，最高交流電壓等級為500 kV，最高直流電壓等級為±320 kV；國網浙江省電力有限公司110 kV及以上電纜線路共1 293回，長3 280 km，其中110 kV線路共1 161回，2 640 km；220 kV線路共124回，349 km；±200 kV線路共4回，291 km。近年來，如何對電纜設備進行有效的缺陷檢測與狀態評估以保證其安全可靠運行，受到國內外學者及相關從業人員的關注[3-5]。

XLPE電纜的故障及老化大多起始于氣隙、雜質、凸起毛刺等缺陷所引發的PD（局部放電），因此，可以用PD現象及其放電量來評價電纜的絕緣狀況，這一點已經得到IEC、IEEE、CIGRE等權威機構的共識。PD測量標準方法是GB/T 7354（IEC 60270）推薦的脈沖電流法。近十年OWTS（振蕩波測量系統）因其在現場應用時運輸方便以及診斷效果良好得到了廣泛應用[6-7]。另外，為解決脈沖電流法及其衍生方法測量頻帶較低的問題，高頻及超高頻測量技術的研究和應用逐漸增多，同時，這2種方法均可用于帶電檢測[8-9]。

故障發生率方面，2016年，國網公司66 kV及以上電壓等級XLPE電纜線路共發生故障73回次：66 kV線路6回次，占8.2%；110 kV線路49回次，占67.1%；220 kV線路18回次，占24.7%。本體22回次，占30.1%；終端31回次，占42.5%；接頭20回次，占27.4%。其中外力破壞、損傷以及火災是引起本體故障的主要原因，占63.6%。而附件故障則大部分源于安裝工藝不當，占70.6%。可見，能被PD檢測所發現的缺陷引起的故障大多發生在附件處。目前已有一些文獻對附件缺陷引發的PD現象進行了研究，但也存在電壓等級較低[10]、未采用實際電纜附件[11]、脈沖電流法居多[12-13]、測量時間較短[14]等問題。

鑒于此，本文在實驗室以110 kV XLPE電纜為對象，模擬了接頭和終端安裝過程中的典型缺陷，采用高頻電流法分別在升壓和恒壓條件下進行測量，分析了缺陷模型的PD特性。

1 高壓XLPE電纜典型缺陷模型

1.1 典型缺陷設置

通過對近年來國網浙江公司高壓XLPE電纜附件的故障統計及原因分析[15]，設計了如表1所示的6種典型缺陷模型。

（1）接頭與電纜界面氣隙：接頭安裝過程中存在雜質殘留、硅膠涂抹不均勻情況時，或運行過程中出現不均勻發熱膨脹現象時，接頭與電纜界面處形成氣隙。

（2）本體外屏蔽層導電尖端：接頭安裝過程中本體外半導電層若剝切不整齊易形成導電尖端。

（3）接頭內表面劃傷：接頭制作過程中處理不當，或安裝過程中擴錐和退錐操作不當，易造成硅橡膠內表面劃傷。

（4）接頭外表面破損：接頭制作或安裝過程中硅橡膠外表面易受力破損。

（5）終端應力錐錯位：終端應力錐套未按工藝尺寸安裝，或運行過程中受力沉降，易造成應力錐錯位。

（6）終端內部導電微粒：終端安裝過程中可能存在金屬微粒掉落在應力錐套頂部的現象。

表1 高壓XLPE電纜附件典型缺陷

1.2 缺陷模型制作

以110 kV預制硅橡膠接頭和油浸式復合套管終端為對象，對6種缺陷模型進行電場仿真，通過分析其電場分布來確定缺陷尺寸，以便能在較低電壓下檢測到PD現象，缺陷位置示意如圖1所示。

圖1 缺陷位置示意

計算結果表明：對于J1缺陷，氣隙位于硅橡膠/XLPE界面處時場強最大；對于J2缺陷，與J1缺陷類似，導電尖端位于硅橡膠/XLPE界面處時其周圍電場畸變最嚴重；對于J3缺陷，場強最大值位于應力錐與XLPE交界面處，劃傷長度對其影響較小；對于J4缺陷，傷及硅橡膠部分后，場強最大值出現在護套、硅橡膠以及空氣三者交界處，其值隨破損深度的增加先增大后減小；對于T1缺陷，當應力錐與法蘭接觸時，最大場強在應力錐根部、應力錐套以及本體XLPE三者交界處，電場畸變不明顯，當兩者脫離時，最大場強出現在法蘭端部與XLPE交界處，電場畸變嚴重，當應力錐與本體外屏蔽層斷口脫離時，場強最大值位于外半導電層與XLPE交界處；對于T2缺陷，當金屬微粒長度沿應力錐套頂部半徑方向增大時，最大場強緩慢增大。

根據仿真結果確定的缺陷幾何尺寸及制作方法如下：J1缺陷，從接頭端部插入寬6 mm、高2 mm的塑料片（相對介電常數1.5，與空氣接近），距端部110 mm；J2缺陷，從接頭端部插入寬5 mm帶尖端的薄鐵皮，距端部150 mm；J3缺陷，在接頭安裝前用鐵絲尖端在內表面縱向制造長200 mm、深2 mm的劃痕；J4缺陷，在接頭外表面制造直徑15 mm、深10 mm的錐形凹陷破損，破壞護套和硅橡膠部分；T1缺陷，在終端安裝時將應力錐套上移100 mm，使其與本體外半導電層脫離約30 mm；T2缺陷，制作終端時在應力錐套頂部散布適量銅絲。缺陷模型如圖2所示。

圖2 電纜附件缺陷模型

測量采用的是YJLW03-800 mm2單芯XLPE電纜，額定電壓64/110 kV。試品均為尚未投運的新電纜，并經OWTS檢測PD量不高于背景噪聲0.5 pC。每個缺陷模型使用的電纜長度為15 m，接頭位于其1/2處，終端位于其端部。

2 局部放電測量方法

2.1 高壓電纜狀態仿真平臺

針對高壓電纜的狀態檢測及缺陷診斷問題，國網浙江電科院近期開發了一套集成電壓、電流工況模擬、缺陷模擬以及在線監測（PD、溫度、環流）功能的狀態仿真平臺，其中PD測量包含內置超高頻、超聲、本體極性鑒別和接地電纜高頻4種方法[16]。

為了統一接頭和終端的檢測手段，本文測量數據均來自高頻電流法，即采用將HFCT（高頻電流傳感器）跨接在附件接地線上的方式提取PD信號，采用的HFCT頻率帶寬為2～20 MHz，該頻率范圍對于抑制外界窄帶信號干擾比較有效。

2.2 測量步驟及說明

升壓方案：采用100 pC標準放電源對測試系統進行標定；將缺陷模型接入試驗回路中，測量記錄背景PD量；緩慢升壓并測量，直至PD量大于背景噪聲20 pC時認為缺陷發生PD，記錄電壓值（即放電起始電壓Ui）；為獲得穩定且隨時間變化的PD特征，繼續升壓至1.2Ui，后每間隔1 h進行一次測量，共持續3 h，3次測量時刻分別記為 t1，t2，t3。

測量共在接頭3處和終端2處安裝HFCT，具體為接頭直接接地線、保護接地線（串接ZnO避雷器）、電容臂接地線（串接濾波電容）和終端直接接地線、保護接地線。結果表明，接頭3處的測量靈敏度由大到小依次為電容臂接地線、直接接地線、保護接地線。同時，測量時發現中心頻率4.5 MHz時的背景PD量最小。因此，下節將對4.5 MHz時電容臂接地線處的測量結果進行分析。

3 測量結果

3.1 放電起始電壓

缺陷模型的放電起始電壓有效值見表2。

表2 缺陷模型的放電起始電壓kV

可以看到，J4外表面破損缺陷的Ui最高；J1界面氣隙缺陷和J3內表面劃傷缺陷的Ui較為接近；T2導電微粒缺陷的Ui與J1，J3相當；J2導電尖端缺陷和T1應力錐錯位缺陷的Ui較低。

3.2 放電特性

圖3—圖8為缺陷模型PRPD（局部放電相位分離）譜圖，表3給出了正、負半周內的放電量峰值。

圖3 界面氣隙缺陷模型的PRPD譜圖

圖4 導電尖端缺陷模型的PRPD譜圖

圖5 內表面劃傷缺陷模型的PRPD譜圖

圖6 外表面破損缺陷模型的PRPD譜圖

表3 缺陷模型的放電量

可以看到，6種典型缺陷模型的放電都集中在電壓上升階段，且正、負半周的譜圖均不對稱，放電量隨時間變化的差異性也比較大。對于J1缺陷，放電大多發生在正半周內，且隨著放電的發展，正、負半周內的放電量均明顯增大；J2缺陷發生在正半周內的放電多于負半周，放電量隨時間變化不大；對于J3缺陷，放電起始階段正半周內的放電密度和放電量均大于負半周，隨后負半周內的放電強度明顯增大，逐漸接近并超過正半周；J4缺陷的譜圖與J2缺陷相似，但前者放電發生的相位區間更小；T1缺陷存在一些幅值較大的放電脈沖，但其在一個周期內的重復率較低，另外該缺陷的放電相位區間較其他缺陷更大；T2缺陷的放電大多發生在負半周內，放電量隨時間變化較小。

圖7 應力錐錯位缺陷模型的PRPD譜圖

圖8 導電微粒缺陷模型的PRPD譜圖

4 缺陷局部放電特性分析

不同缺陷模型PD特性間的差異與相應缺陷所造成的電場畸變程度關系較大：對于J4外表面破損缺陷，由于硅橡膠表面凹陷所導致的場強變化不明顯，因此該缺陷的放電起始電壓Ui較高，但隨著破損程度的加劇，一旦絕緣厚度不足，由導體連接處起始的徑向擊穿便容易發生，實際上擊穿發生在電壓達到88 kV（1.5Ui）時；J1界面氣隙缺陷和J3內表面劃傷缺陷均在XLPE和應力錐/硅橡膠間形成了空氣間隙，兩者的Ui較為接近，盡管氣隙內場強值較大，但由于電場分布比較均勻，Ui仍相對較高，與其他缺陷類型不同的是，這類氣隙缺陷的放電量會隨時間明顯增大；T2導電微粒缺陷產生的放電屬于懸浮電位電極放電，銅絲僅影響其周圍的電場分布，而不會使終端整體發生嚴重的電場畸變，因此Ui較高，該類缺陷的放電多集中在負半周，液體電介質的擊穿機理目前仍不完善，根據簡單的碰撞電離理論，其原因可能是由于放電發生在金屬微粒表面，負極性條件下，電子崩中電子離開強電場區域后不再引起新的電離，同時正離子逐漸向尖端靠近，由于其移動速度緩慢，尖端附近出現了比較集中的正電荷，從而加強了該區域內的電場；對于J2導電尖端缺陷和T1應力錐錯位缺陷，由于兩者的電場畸變最為嚴重，因此Ui較低，其中后者由于失去應力錐的均壓作用后，XLPE附近三結合點處的場強值非常大，因此出現了大幅值的放電脈沖，T1缺陷也是生產過程中最需要避免的一類缺陷。

5 結論

本文以110 kV XLPE電纜附件為對象，制作了6種典型缺陷模型，分析了其PD特性，結論如下：

（1）外表面破損缺陷的放電起始電壓最高，界面氣隙缺陷、內表面劃傷缺陷和導電微粒缺陷的放電起始電壓比較接近，導電尖端缺陷和應力錐錯位缺陷的放電起始電壓較低。

（2）界面氣隙缺陷和內表面劃傷缺陷的放電量隨時間變化較大，其他缺陷放電則較為穩定。應力錐錯位缺陷存在一些重復率低但幅值較大的放電脈沖。除導電微粒缺陷外，大部分缺陷放電集中在正半周內。

（3）文中的6種典型缺陷根據近年來國網浙江公司高壓XLPE電纜附件故障統計及原因分析確定，具有一定代表性。不同缺陷模型的放電起始電壓和放電量統計特性存在明顯區別。測試結果擴充了典型缺陷放電特征數據庫，有助于后續開展PD模式識別研究。