交聯聚乙烯電纜可分離連接器對振蕩波局部放電測試的影響

林勸立，葉建區，張桂凱

（廣東電網廣州供電局，廣東 廣州 510620）

0 引言

交聯聚乙烯（Cross?Linked Polyethylene，XLPE）電纜以其工藝簡單、結構合理、敷設方便和電氣性能優良等優點被廣泛應用在35 kV 及以下的城市配電網中［1］。然而，目前大部分電纜運行年限已經超過15 年，有的甚至超過20 年，逐漸進入“老齡化”，運行可靠性迅速下降，導致電纜線路故障頻發［2-3］。研究表明，局部放電是電纜絕緣老化的表現形式之一，也是絕緣進一步劣化并導致失效的主要原因［4］。因此，實施有效的局部放電檢測有助于及時發現隱患并實施修復，對保障電纜線路乃至整個電力系統的安全運行有重要意義［5］。

XLPE 電纜較長，等效電容較大，局部放電測量對試驗電源容量要求也較高［6］。一般來說，它的交接試驗或預防性試驗通常采用工頻、變頻諧振、0.1 Hz 超低頻或振蕩波電壓作為試驗電源［7-8］，其中振蕩波電壓具有作用時間短、對電纜絕緣損傷小的優點，在XLPE電纜局部放電的現場測量中得到廣泛應用，并形成相應行業標準［9］。

目前，對XLPE電纜振蕩波局部放電試驗的研究主要針對電纜附件中應力錐錯位、導體尖刺、金屬顆粒等典型缺陷的電場仿真［10-11］，放電特性和放電圖譜等的對比分析［12-13］，或者更進一步地選擇合適的人工智能算法對試驗數據進行故障分類和識別［14］。這些研究結果的有效性基于通過統一、合理、規范試驗操作流程而獲取的準確數據。然而，在接線時涉及電纜可分離連接器的不同處理方式對試驗結果的影響未見報道，但從現場經驗來看仍值得深入討論。

電纜可分離連接器通常也叫電纜終端頭或插拔頭，它是將電纜連接至開關柜、電纜分接箱、變壓器等設備以構成電力網絡的附件。試驗時要求將被測電纜與其他設備斷開，但對可分離連接器是否需要拆卸沒有明確要求，所以在現場試驗時也分為拆除或保留可分離連接器兩種試驗接線方式，這會影響試驗結果甚至損傷電纜附件。

鑒于此，著重研究上述兩種試驗接線方式對電纜振蕩波局部放電測量的影響，首先明確XLPE電纜振蕩波局部放電測量原理和試驗步驟，接著對試驗接線中涉及可分離連接器的不同處理方式進行分析，最后通過現場試驗驗證分析結果，以期為現場試驗總結經驗，為試驗指引和標準的修訂提供依據。

1 振蕩波局部放電測試

1.1 測試原理

利用振蕩波進行XLPE 電纜局部放電檢測的原理是基于電感和電纜等效電容的串聯諧振，其測試系統如圖1所示。

圖1 電纜振蕩波局部放電測試系統

測試系統的工作過程分成2個階段：第1階段是充電，由直流高壓電源對被測電纜充電至預定電壓；接著由微機觸發快速閉合高壓開關，進入第2 階段即輕阻尼交流諧振，這時，由被測電纜等效電容C與設備內置電感L產生輕阻尼串聯諧振，產生振蕩頻率的諧振電壓，該電壓在被測電纜絕緣缺陷處激發出局部放電信號，通過局放耦合器捕獲，再經放大、濾波和數據處理后顯示在計算機上。

1.2 試驗步驟

電纜振蕩波局部放電試驗是離線進行的，當被測電纜斷電停運、充分放電、拆除與其他設備之間的連接、端部懸空、非試驗相短路接地后，一般遵循以下試驗步驟：

1）測量絕緣電阻，當阻值大于30 MΩ 時，方可進行局部放電試驗；

2）使用低壓時域反射儀確定電纜長度和中間接頭位置；

3）校準局部放電量；

4）按表1分步加壓［9］進行局部放電測試，其中U0為電纜運行的額定電壓，新投運電纜為敷設時間小于1 年且未經過大修的電纜，其他情形按已投運電纜考慮；

表1 振蕩波局部放電試驗中各測試電壓對應的測試次數

5）根據試驗結果分析被測電纜絕緣狀態。

2 可分離連接器的影響分析

2.1 可分離連接器

可分離連接器按外形可分成外錐式和內錐式，其中外錐式又可分為肘型、直型和T 型可分離連接器3 類；按接口尺寸標準還可分成歐式（滿足歐洲標準EN50180［15］或EN50181［16］）和美式（滿足美國標準IEEE386［17］）。目前，國內城市中壓配電網大多使用滿足歐洲標準的外錐式可分離連接器。

常見的肘型可分離連接器與XLPE 電纜裝配前后的結構如圖2 所示。預制式橡膠絕緣應力錐與電纜本體的連接是影響絕緣性能的關鍵位置，它一般采用過盈配合，即應力錐向絕緣本體施加一定的彈力。正常使用時，插拔頭主體內表面均勻涂抹一層硅脂后，再套入預先制作好的電纜適配器上，經由螺栓連接至環網柜等電氣設備上，即可將電纜接入電力網絡并投入運行。以下將重點關注此類可分離連接器對振蕩波局部放電試驗的影響，涉及其他類型的可分離連接器的相關試驗可參考本文所得結論。

圖2 肘型可分離連接器

2.2 試驗接線方式分析

XLPE 電纜振蕩波局部放電的交接試驗或預防性試驗在接線時，涉及可分離連接器通常有以下3種處理方式：

方式1，拆除插拔頭主體，試驗電源通過鱷魚夾與接線端子的連接接入，如圖3（a）所示；

方式2，安裝或保留插拔頭主體，利用長螺栓將接線端子延長至插拔頭外，再經鱷魚夾連接接入試驗電源，如圖3（b）所示；

方式3，安裝或保留插拔頭主體，試驗電源經過特制連接桿接入，連接桿形狀與插拔頭主體適配并敷設足夠厚度的絕緣層，如圖3（c）所示。

圖3 試驗連接方式

較于方式3，方式1 和2 在現場中更為常見。但它們的試驗效果各有不同：

方式1 相當于把電纜適配器當作臨時戶外終端，試驗僅能檢測被測電纜的絕緣性能，無法對插拔頭主體的絕緣性能進行電氣檢測。現場在試驗通過后常經常將插拔頭主體安裝回電纜適配器便投入運行，這種處理方式并未將電纜完整終端頭的局部放電狀態納入考量，因此該方式有相當大的風險，試驗時應避免使用。

方式2 相當于把電纜和可分離連接器當成整個系統進行測試，對被測電纜和插拔頭主體同時進行有效檢測，但當首末兩端出現局部放電時，無法區分是插拔頭主體還是電纜適配器的問題。另外，盡管試驗現場常采用方式2，但這種方式極不正規，在插拔頭主體內部狹小空間內很難保證長螺栓與接線端子之間的可靠連接，因此該方式在連接部位有誘發局部放電的可能，試驗時不建議使用。

方式3 是方式2 的一種優化形式。該方式既能有效檢測電纜和插拔頭主體的絕緣狀態，也不易誘發局部放電，因此試驗時推薦使用這種接線方式。

除試驗效果外，3種處理方式在現場使用時仍有問題值得注意。

方式1 在拆卸或安裝插拔頭主體時易造成應力錐錯位。一般來說，應力錐在應力體內通過冷縮或熱縮實現與XLPE電纜半導電帶的緊密連接，起到改善電場分布、避免電應力集中的效果。然而，由于電纜附件質量、長時間運行等問題，應力體的握緊力逐漸下降，加之拆裝插拔頭手法粗暴，應力錐錯位現象時有發生。有統計報告指出，有約25%的電纜終端在拆裝插拔頭時造成損傷，進而誘發局部放電，甚至是發生擊穿故障。

方式2 的延長螺桿易造成對插拔頭主體外表面產生持續放電，從而導致試驗失敗。為了保證人身安全，插拔頭主體的外表面通過接地引線直接接地，因此插拔頭主體外表面為零電位，試驗時接線端子的延長螺桿為高電位。當螺桿偏離軸心則易在最靠近插拔頭外表面的位置產生持續放電，從而導致試驗失敗。通過比較圖4的仿真結果可清晰解釋這一現象，當螺桿位于軸心時，電場分布從內至外均勻降低，電場強度最大值出現在螺桿外表面，通常不會超過空氣擊穿場強；當螺桿偏離軸心后，電場分布嚴重畸變，在靠近插拔頭外表面的位置處場強達到最大，試驗電壓足夠大時可發生持續電弧放電，從而致使試驗失敗。

圖4 螺桿正常與偏離軸心時的電場分布

方式3 的連接桿無法適配不同類型的插拔頭主體。為了保證連接桿與接線端子可靠連接，連接桿外形與插拔頭腔體適配，這種接線方式較為完備，但通用性較差。

3 現場試驗驗證

為了驗證以上分析結果，現場對廣州地區一條全長為228 m 的10 kV 三芯XLPE 電纜的A 相實施振蕩波局部放電測試。經測量，該電纜在95 m 的位置處有一個中間接頭。

XLPE 電纜末端保留插拔頭主體，首端依次設置成圖3 所示的3 種連接方式，其他條件不變，進行振蕩波局部放電測試，局部放電定位結果分別記作L1、L2 和L3，如圖5（a）所示。當在電纜末端實施振蕩波局部放電試驗，首端仍然按相同設置采用3 種連接方式，其測量結果如圖5（b）所示。電纜首端和中間接頭處的局部放電相位分析（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）譜圖如圖6所示。

圖5 局部放電定位

圖6 局部放電PRPD譜圖

結果顯示，3種連接方式均可準確測量電纜中間接頭的局部放電，連接方式只影響首末兩端局部放電試驗結果。另外，圖6 顯示可根據放電次數對不同位置的放電信號進行區分，其中首端放電次數更多，但放電量差別不大。

相對方式2 和3，按方式1 進行試驗時在首端電纜適配器位置發生局部放電，經解剖發現，應力錐錯位是引發該放電的直接原因；相對于方式1 和3，按方式2 進行試驗，施加1.7U0時延長螺桿與插拔頭主體外表面發生持續電弧放電，導致試驗失敗，進一步使用絕緣護套隔離后試驗可正常進行；按方式3 進行試驗可準確測得中間接頭的局部放電信號，且不會出現方式1和方式2的問題。

現場試驗結果與前文分析一致，但仍需指出，電纜交接試驗和預防性試驗的目的是盡可能模擬正常運行情況來評估絕緣狀態。XLPE 電纜的終端和中間接頭是其絕緣性能的薄弱點，為了更好檢測絕緣狀態，把電纜及終端附件當成一個系統看待是一種更加合理的試驗選擇，而且還能避免多次拆裝造成應力錐錯位的風險。當然采用這種方式時，試驗人員需要通過恰當的延長裝置將接線端子引出以便高壓電源接入，引出時要注意保持與插拔頭主體表面的絕緣距離，有條件情況下建議使用方式3 所用的連接桿。

4 結語

針對XLPE電纜振蕩波局部放電現場試驗接線，研究了涉及可分離連接器的不同處理方式對試驗結果的影響。根據振蕩波局部放電的測試原理和試驗步驟，以外錐式可分離連接器為例分析比較現場交接試驗和預防性試驗的3 種常見連接方式的優劣，并在一條10 kV電纜上進行試驗以驗證分析結果，得到以下結論：

1）拆卸可分離連接器進行接線時，試驗結果無法真實反映電纜首末終端頭的局部放電情況，且拆裝時易誘發應力錐錯位造成二次傷害，投運后會有隱患風險，因此試驗應避免使用這種接線方式；

2）不拆除可分離連接器進行接線時，需要保證連接桿與接線端子可靠連接，并與插拔頭主體外表面有足夠絕緣距離，試驗應盡量采用通用性好的連接器。

同時，建議涉及相關交接試驗或預防性試驗技術要求的標準編委會在日后修訂工作中增加對是否需要拆卸可分離連接器的明確要求，以便對試驗進行更加細致和規范化指導。