10 kV電纜受潮缺陷模擬及其放電特征研究

肖 睿

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室,山東青島 266071)

高壓電纜在石油化工裝置中的應用日益廣泛，隨著電纜運行年限的增加，部分企業的電纜絕緣劣化問題愈加嚴重。引起企業電纜絕緣劣化的因素有很多，除了施工損傷和外力破壞之外，電纜的絕緣老化所引起的局部放電是導致電纜停電事故最主要的原因，其中因絕緣水樹老化引起的局部放電是電纜絕緣老化和壽命縮短的主要誘因之一[1]。絕緣水樹的出現將導致電纜的絕緣水平下降，從而誘發局部放電，加速電纜絕緣的劣化。尤其是當電纜運行環境存在潮濕較大、鹽堿度高、腐蝕嚴重時，電纜絕緣劣化程度更為嚴重。

1 局部放電機理

在IEC 60270-2000《局部放電測量》中局部放電定義為：“一種導體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電。這種放電可以在導體附近發生，也可以不在導體附近發生，一般是由于絕緣體內或絕緣表面的電場特別集中而引起的，通常表現為持續時間小于1 μs的脈沖，但也可以出現連續的形式，比如氣體介質中的所謂無脈沖放電”。在高壓場強的作用下，電氣絕緣當中較為薄弱的部分會發生局部放電，表現為將絕緣內氣體、液體及固體摻雜物擊穿、在固體介質表面引發沿面放電等，但在局部放電區域內未形成固定的放電通道。

以電纜中的絕緣缺陷為例，其局部放電的等效電路如圖1所示。

圖1 電纜絕緣缺陷局部放電等效電路

由圖1可以得出：

(1)

式中：Cx——等效介質電容，F；

Ca——與缺陷串聯的絕緣介質的電容，F；

Cb——存在絕緣缺陷發生局部放電的介質的電容，F；

Cc——電纜絕緣介質的電容，F。

絕緣缺陷上的電壓為：

(2)

式中：Ub——絕緣缺陷上的電壓，V；

Ut——電極間施加的交流電壓，V。

通常情況下電纜絕緣缺陷都很小，Ua≈(Ut)，發生局部放電時，Ub隨著Ut的升高而升高，當Ut上升到缺陷處的起始放電電壓US時，Cb開始放電，Cb上的電壓迅速降到Ur，放電熄滅。設此時的外施電壓瞬時值為Uc，則：

(3)

式中：Ur——Cb上的殘余電壓，V；

Uc——電纜絕緣介質的電壓，V。

在Cb放電引起電壓變化(Ub-Ur)之間時，可以得出：

(4)

式中：qr——回路放出電荷量，C。

2 試驗

2.1 絕緣水樹的等效電路

絕緣水樹老化后的XLPE電纜電導存在非線性絕緣電阻特性[2-3]，含絕緣水樹缺陷的XLPE電纜絕緣層的等效電路如圖2所示。

圖2 絕緣水樹的等效電路

圖2中R為絕緣水樹的等效非線性電阻；C為含絕緣水樹的部分絕緣介質的等效電容；CX為不含絕緣水樹的絕緣介質的等效電容。

2.2 試驗模型

參考10 kV電壓等級的XLPE絕緣電纜，制作電纜模型，由內向外依次由銅芯、內半導電涂層、主絕緣、外半導電涂層和應力錐重疊組成，見圖3。

圖3 電纜模型結構示意

在電纜模型基礎上，制作2種試樣：一種是埋入干燥棉線的模型試樣；另一種是埋入在濃度為5%的鹽水中充分浸泡12 h棉線的模型試樣，用于模擬電纜嚴重受潮而形成絕緣水樹枝的情況，見圖4。

圖4 埋入棉線電纜模型示意

埋線埋入位置位于外半導電層斷口與線芯處。利用凡士林半導電性的原理，將外屏蔽層邊緣處大面積涂上凡士林，防止這個部位試驗過程中發生擊穿。

2.3 試驗系統

圖5中U為220 V電源，T1、T2、T3分別為自耦調壓器、隔離變壓器和無局放高壓試驗變壓器。T3額定電壓UN=100 kV，額定功率SN=10 kVA，100 kV以下放電量小于5 pC。寬帶脈沖電流檢測系統見圖6[4]。

圖5 局部放電試驗系統

圖6 寬帶脈沖電流檢測系統示意

特高頻噪聲傳感器置于試驗電纜模型旁邊，收集試驗模型空間環境中的特高頻噪聲信號。寬帶脈沖電流傳感器卡裝于試驗電纜接地引下線上，用于耦合電纜模型內部產生的局部放電信號。傳感器收集到的信號通過同軸電纜傳輸到現場采集單元，進行信號的轉換、濾波、檢波、降噪等一系列調理后，通過USB串口上傳至筆記本。筆記本內的局部放電分析軟件會對上傳的原始數據進行一系列的相位分析、頻域分析、時域分析、峰值統計、類型識別、故障診斷、信息保存和數據管理等處理。

3 結果與分析

在實驗室條件下，對2種試樣進行串聯諧振耐壓下的局部放電測量，通過調節電抗使諧振頻率接近50 Hz，與實際運行工況相接近。根據標準，在1.5U0(U0為10 kV電纜的最高運行相電壓有效值，取8.7 kV)下進行局部放電測量，其放電量-放電相位圖譜如圖7、圖8所示。

圖7 埋入干燥棉線試樣的放電量-放電相位圖譜

圖8 埋入鹽水浸泡棉線試樣的放電量-放電相位圖譜

通過對比2種模型的放電量-放電相位圖譜可知，水樹老化后的模型圖譜呈現雙極性的分布特征，屬于沿面放電類型。

此類缺陷隨著外施電壓的升高，當達到其臨界放電電壓值時開始放電，放電后界面電壓下降，繼續充電，當再次達到臨界放電電壓值時再放電，如此反復，在外施電壓峰值過后電壓下降放電暫停，直至達到反相臨界放電電壓值后又開始新一輪的放電。外施電壓越高放電幅值越大，因此放電呈現出雙極性的分布特征。

4 結語

根據電纜絕緣水樹的等效電路，制作了2種電纜模型試樣：一種是埋入干燥棉線的模型試樣；另一種是埋入在濃度為5%的鹽水中充分浸泡12 h棉線的模型試樣。對兩種試樣在試驗室進行串聯諧振耐壓下的局部放電測量，通過脈沖電流法對其放電信號進行檢測，獲取了典型放電圖譜。結果表明埋入鹽水浸泡棉線試樣的圖譜呈現雙極性的分布特征，屬于沿面放電類型。