交聯聚乙烯電纜局部放電與電纜老化關系研究

張晗

摘? ?要：局部放電既是電氣設備絕緣劣化的征兆，又是造成絕緣劣化的關鍵性因素。因此，局部放電檢測可以有效發現其潛伏性放電故障，從而提高供電系統的安全性和可靠性。本研究以經過熱老化處理后帶有缺陷的10 kV交聯聚乙烯高壓電纜為試樣，進行針電極實驗，并通過超高頻局部放電檢測系統，采集電纜發出的局部放電信號，得到不同缺陷類型的電纜樣品中電樹枝發展、絕緣老化與局部放電的關系。

關鍵詞：電樹枝;交聯聚乙烯;局部放電;直流高壓;熱老化

隨著城市和現代工業的迅速發展，各類電纜得到了越來越多的應用。交聯聚乙烯（XLPE）電纜因為其良好的電氣特性、機械性能、絕緣性能和耐熱性，被廣泛地應用于高壓及超高壓線路中。因此，研究XLPE電纜的絕緣擊穿特性對保障輸電系統的安全性和可靠性具有重要的意義和價值。國內外眾多專家學者[1]普遍認為XLPE電纜絕緣劣化絕大部分原因歸結于電纜絕緣中形成的絕緣較弱區域，使電場分布不均勻，形成了局部高場強，最終導致絕緣擊穿。

絕緣介質內部由于制造工藝、機械破壞等因素影響，會存在一些微小的氣隙、尖刺等缺陷，引起絕緣介質內部場強畸變[2]，使局部電場強度高于介質的擊穿場強，形成局部電場集中，最終發生局部放電。在初期階段，短暫的局部放電并不會對設備造成嚴重的影響，但是隨著電纜的長期運行和絕緣的不斷老化，局部放電的頻率增加，局部電場集中區域的XLPE電纜絕緣中就會形成氣隙。氣隙逐漸生長成細絲狀電腐蝕通道并呈現出樹枝狀結構，即電樹枝[3]。在高壓電纜中，局部放電會促進電樹枝的生長，最終導致絕緣擊穿甚至事故的發生。

近些年來，高壓直流輸電技術在不斷發展，遠距離直流輸電已逐漸成為主流趨勢。在交流電壓下，局部放電的危害是電纜絕緣劣化中眾所周知的。同理，XLPE直流電纜運行過程中，絕緣材料電導率隨著溫度梯度變化和直流電場下空間電荷的累積，也會導致絕緣層內部電場畸變和絕緣老化[4]。所以，局部放電量較大能表明電纜中存在明顯的絕緣弱點，并對絕緣造成損壞。由此證明，局部放電是絕緣層電氣擊穿的起始點，因此，檢測直流電壓激勵下的介質局部放電是非常有必要的。

1? ? 實驗系統

實驗的設計思路主要來自于電纜在實際運行情況中老化的原因。隨著運行時長的增加，絕緣層長時間處于一個較高溫度的環境下會加速其老化。本文根據電纜的實際運行環境，首先，將不同缺陷程度的XLPE電纜樣品進行熱老化處理，其次，設計了相應的直流高壓對照實驗進行檢測。以針尖模擬電場應力的集中，模擬了介質內部缺陷和電樹枝發展情況。實驗系統如圖1所示。

實驗中，分別將未作缺陷處理的完好纜芯和在電纜中間處于不同程度缺陷的兩組纜芯作為3組對照組[5]。以每周為一個時間節點，統計熱老化停止時間節點來得到包括10種不同老化時間的XLPE電纜。使用這10種不同情況的電纜進行針板電樹枝化實驗。設計前，剝去鎧裝等保護層的10 kV XLPE電纜纜芯，然后將纜芯放入鼓風恒溫干燥箱中進行超過其正常運行額定溫度的加速熱老化。分別在3組熱老化的電纜和切削電纜的一端使其露出線芯。取skd11不銹鋼針沿電纜徑向插入XLPE電纜絕緣層模擬針尖局部放電。

將切割好的電纜樣品放置于充滿硅油的器皿中，然后在樣品中刺入針尖來模擬絕緣中的缺陷，并且在針的一端施加直流高場強引起局部電場集中，使其發生局部放電。通過局部放電檢測裝置檢測電樹枝的發展，以檢測到局部放電信號的特征值作為測試的結束條件，結束實驗的運行。實驗中通過超高頻的檢測方式來檢測局部放電信號，并且采集實驗數據傳輸到系統平臺上進行對比，通過局部放電信息來分析XLPE電纜的絕緣狀態。

2? ? 分析與討論

2.1? 直流高壓下局部放電脈沖波形與老化時長的關系

在實驗樣品的電樹枝發展過程中，通過檢測局部放電信號來獲得電纜老化時間、電樹枝生長趨勢等數據信息。實驗中測得的局部放電脈沖信號如圖2所示。

在絕緣層的缺陷處，如果直流電壓已經加壓到擊穿電壓且初始放電電荷已經累積到一定量時，就會發生局部放電現象[6]。因為局部放電的初始放電電荷需要一個逐漸累積的過程，而且根據絕緣缺陷的不斷發展，擊穿電壓也隨之發生變化，這就導致直流電壓下局部放電的時間間隔與放電幅值的不同，也同樣說明了直流電壓下的電纜絕緣層局部放電并不是一個連續的放電過程，放電現象呈分散型。由圖2可知，放電頻率逐漸增加，放電幅值也在一定程度上升高，說明電纜的絕緣缺陷越來越明顯。所以，實時監測電纜的局部放電對檢測電纜絕緣熱老化是非常有必要的。

2.2? 初始放電電壓與電纜老化時間的關系

隨著熱老化時長的增加，整體放電電壓幅值也在逐漸增大。電樹枝的引發和發展過程中伴隨著局部放電現象。實驗中，統計不同熱老化時長下電樹枝的初始局部放電電壓，可以研究熱老化時間長短對直流電樹枝的影響。熱老化時長與引發電樹枝的初始電壓值之間的關系如圖3所示。

圖3顯示，在0～500 h時間段內，初始放電電壓反而隨著時間的增大而減小。因為XLPE在初始高溫熱裂解過程中，結晶度上升，分子鏈的束縛力反而增強，所以，此階段更不易發生放電現象。但是隨著熱老化的時間增長，原本分離的分子迅速同氧原子結合，形成大量的極性分子，使其放電電壓迅速上升。

對比3組樣品的實驗結果可得，電纜的極淺缺陷在熱老化的過程中并沒有對電纜造成深度的破壞，對整個電纜的電樹枝化放電影響并不大，與無缺陷的電纜對比只有較微弱的影響。第3組實驗數據中可以明顯地看到，隨著老化時長的增加，較深缺陷的電纜初始放電電壓逐漸增加，而且增加趨勢越來越大，說明較深的缺陷對電纜老化起了較大的促進作用。

2.3? 初始放電時場強與電樹枝引發的關系

擊穿強度通常用來表征檢測和使用過程中的絕緣材料狀態和質量。交聯聚乙烯擊穿強度受熱老化的影響較大。隨著熱老化時長的增加，電纜本身的絕緣狀態逐步下降。實驗中的現象為當未老化的電纜直接做電樹枝實驗時，可能有較長時間沒有放電現象。經過對4個老化時間的電纜分別做了10次電樹枝實驗，得到了10次可以在實驗100 min以內放電的個數，即在10次實驗中，不同老化時長下的放電頻率。表1為交聯聚乙烯擊穿強度與老化時間的關系。

由表1可知，電纜初始未老化時的擊穿場強大概為1 014.12 kV/mm，經過第一個老化周期后，擊穿強度很明顯，下降為845.11 kV/mm，降低了16%;第二老化周期后，擊穿強度下降為802.85 kV/mm，降低了21%;而第四個老化時間點時，擊穿強度最小值為507.06 kV/mm，降低為初始擊穿場強的50%。因此可知，隨著熱老化時長的增加，電纜電樹枝引發的條件越低，即引起局部放電所需的電場強度也越低，放電頻率也逐漸增加。隨著電纜使用時間的增加，事故產生的條件就越低，所以，對于運行時間較長的電纜，有必要進行各項檢測來保證電網的安全運行。

3? ? 結語

本研究結合現有的熱老化與電樹枝實驗平臺，通過對電樹枝發生與生長時產生的局部放電的檢測系統，分析了XLPE電力電纜絕緣中的熱老化與電樹枝化現象并設計了不同條件下的電樹枝化對照實驗，分析了缺陷類型、熱老化時長對電樹枝引發時間與放電信號的影響，得到以下結論。

（1）隨著時間的增加，電纜的絕緣性能逐漸下降。不同缺陷下的熱老化實驗中，發現較淺缺陷與無缺陷兩組的電纜損耗相差不大，而較深缺陷組樣品的絕緣性能下降較快。由此可見，熱老化對電纜電樹枝的引發有促進作用。

（2）隨著缺陷的加深，絕緣層更易產生電樹枝，并且局部放電信號也在增大。有較大缺陷的電纜樣品組初始放電電壓一直都比對照組電纜高，其中最高差距達到12.1 mV，比無缺陷樣品組高出了23.5%，并且從數據上看，差距還在逐漸拉大。在初始放電時間的對比上發現較大缺陷樣品中發生局部放電的時間更早，最大差距比對照組提前11 min發生放電。由此可見，絕緣層中的缺陷對電纜的正常運行影響是巨大的，而且缺陷越深影響越大，電纜的絕緣層也越容易出現問題。

實驗表明，根據電纜絕緣層的樹枝化放電的特征分析，可以更好地判斷電纜的絕緣劣化程度。所以，及時地檢測且發現電纜絕緣損壞故障，對提高供電安全性與可靠性具有重要意義。

[參考文獻]

[1]鮑明輝.交聯聚乙烯中電樹枝的生長特性研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

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[3]常文治，閻春雨，畢建剛，等.硅橡膠中局部放電發展與電樹枝生長的關系研究[J].中國電機工程學報，2014（15）：2493-2501.

[4]劉賀晨.高壓直流電纜絕緣老化對空間電荷特性的影響及其電樹枝特性研究[D].北京：華北電力大學，2017.

[5]高? 源.基于超高頻-超聲波的電纜電樹枝老化特性研究[D].石家莊：河北科技大學，2018.

[6]杜伯學，韓晨磊，李? 進，等.高壓直流電纜聚乙烯絕緣材料研究現狀[J].電工技術學報，2019（1）：179-191.