電纜中間接頭受潮時界面放電試驗研究

杜 偉，汪 超，張 帆，郭振斌

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇淮安 223001）

引言

為了解電纜在實際應(yīng)用中受潮的具體情況，對南方某供電局進(jìn)行了采訪調(diào)研。該供電局的電纜主要采用冷縮式的附件，所以具有較強的參考意義。根據(jù)調(diào)研和統(tǒng)計，了解到電纜敷設(shè)方式主要是電纜溝和排管，大多數(shù)電纜使用年限未超過15 年，該供電局幾乎所有的電纜都采用XLPE 絕緣，而帶有電纜的線路故障占總故障數(shù)的98.4%，其中純電纜電路占比達(dá)到23.5%。作為線路薄弱環(huán)節(jié)的電纜附件中，中間接頭負(fù)責(zé)聯(lián)系線路兩端，所以數(shù)量上遠(yuǎn)超電纜終端，占附件總數(shù)的88.5%。在電纜事故中，有22%直接由中間接頭引起，導(dǎo)致中間接頭故障的原因主要是絕緣損壞，而受潮是導(dǎo)致絕緣損壞的重要原因之一[1-3]。

由于主絕緣外的復(fù)合界面結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且呼吸效應(yīng)導(dǎo)致其密封性較差，所以接頭受潮后水分主要集中在復(fù)合界面處。通過對受潮界面的電場分析，可以了解水分對接頭絕緣的危害程度，但為了掌握實際線路受潮時的表現(xiàn)特征，則需要進(jìn)行界面放電試驗[4-7]。在一定的外施電壓下，復(fù)合界面缺陷處電場畸變程度超過放電場強的臨界值時便會發(fā)生界面放電，文獻(xiàn)[8,9]指出復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中兩種材料的界面比材料本體更容易積累空間電荷，因而成為整個絕緣系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，而電纜的中間接頭和終端就是典型的例子。本研究以低密度聚乙烯和乙丙橡膠組成的雙介質(zhì)層為研究對象，討論了雙層介質(zhì)界面空間電荷形成機制和影響因素，最后發(fā)現(xiàn)復(fù)合界面的空間電荷是由極化電荷和陰極注入電子電荷共同組成。文獻(xiàn)[10,11]通過研究表面粗糙度和界面壓力對固-固界面切向放電強度的影響，發(fā)現(xiàn)固-固界面是電氣設(shè)備絕緣較脆弱的部分，表面越粗糙，界面壓力越小，則復(fù)合界面越容易被擊穿，因此建議通過引入更光滑的界面并保持足夠大的界面壓力來改善復(fù)合界面的性能。

本研究搭建工頻交流沿面放電試驗平臺，對不同受潮程度的復(fù)合界面試樣進(jìn)行沿面放電試驗。對試樣逐漸加壓，記錄放電和閃絡(luò)過程中的電壓、電流數(shù)據(jù)，并通過MATLAB 軟件將數(shù)據(jù)繪制成電壓、電流波形圖進(jìn)行分析，同時拍攝閃絡(luò)后的電痕，記錄不同情況下的界面受損程度。

1 界面放電相關(guān)理論

1.1 界面放電機理

當(dāng)電纜接頭內(nèi)因受潮產(chǎn)生水膜時，由于水膜與夾層內(nèi)其他絕緣材料擁有不同的介電性能，電荷易在缺陷周圍集中，進(jìn)而誘發(fā)界面的放電。當(dāng)外施電壓達(dá)到一定值時，界面開始放電，電能轉(zhuǎn)化為光能和內(nèi)能導(dǎo)致電介質(zhì)老化加速，壽命降低。以下對界面放電的機理進(jìn)行理論分析。

當(dāng)某一位置電場強度增大到超過介質(zhì)的擊穿場強時，就會在局部范圍內(nèi)發(fā)生放電。這種放電會造成局部介質(zhì)的短路橋接，但不會形成自持的導(dǎo)電通道。界面放電時頻率增加，高能電子沖擊電介質(zhì)，引起多種物理和化學(xué)反應(yīng)，使電介質(zhì)的分子組成發(fā)生變化，材料發(fā)生劣化，使接頭的絕緣裕度降低。而材料劣化又使擊穿場強進(jìn)一步降低，使接頭更容易發(fā)生局部放電。

當(dāng)電纜接頭受潮較嚴(yán)重時，復(fù)合界面會產(chǎn)生水膜，水膜的存在極易誘發(fā)界面的局部放電，此時復(fù)合界面的等效電路如圖1所示。

圖1 中，Cg和為Rg為水膜的等效電容和電阻，Cb和Rb為與水膜串聯(lián)的復(fù)合界面上的電容和電阻，Cm和Rm為其他電介質(zhì)的電容和電阻。一般情況下，單次局部放電的時間在10-9～10-7s 范圍內(nèi)，故局部放電時等效電路上的電位分布主要由其電容決定，局部放電的等效電路可簡化為圖2所示電路。此時系統(tǒng)的總電容為：

當(dāng)電纜運行時，等效電路兩端會出現(xiàn)交流電壓，U=Umcosωt，此時水膜上的電壓為：

當(dāng)Ug超過局部的擊穿電壓Uk時，便會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。放電的瞬間Ug迅速降低，當(dāng)電壓降低至UR時，放電停止，此時的UR被稱為剩余電壓，系統(tǒng)完成一次放電。每次放電前后，水膜上的電壓差為：

以水分電容兩端作為參考節(jié)點，系統(tǒng)的總電容為：

由式（2,3）和式（2,4）可知，每一次放電的電荷量為：

設(shè)在時間t內(nèi)，局部放電總量為Q(t)，由式（2）、（3）和（5）可知：

不難看出：

根據(jù)式（5）和（7）可知單次放電也可表示為：

由于界面局部受潮時，水分的介電常數(shù)很高，根據(jù)C=εS/d，水膜電容Cg遠(yuǎn)大于串聯(lián)界面電容Cb，在放電結(jié)束后UR≈0，則可得：

由式（5）可得單次放電的能量損失為：

由于Cg＞＞Cb，UR≈0，式(10)可表達(dá)為：

在放電前后，界面的電壓差為：

聯(lián)立式（5）和（12）可得：

由式（5）、（11）和（13）可得：

當(dāng)UR≈0時，界面放電釋放能量為：

1.2 界面閃絡(luò)過程

當(dāng)界面開始放電后，對界面兩端繼續(xù)加壓，最終會導(dǎo)致界面由非自持性放電轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿中苑烹姡窗l(fā)生閃絡(luò)。目前，界面的閃絡(luò)還沒有一個準(zhǔn)確的理論能夠解釋，但根據(jù)界面的閃絡(luò)現(xiàn)象可大致將閃絡(luò)過程分為以下幾個階段。

第一階段：施加電壓不高，復(fù)合界面上的物質(zhì)在電場的作用下發(fā)生極化，帶電質(zhì)點（電子，離子等）產(chǎn)生位移，界面整體對外顯電性。由于電纜接頭主要工作在50 Hz 的工頻交流電上，極化的形式主要是電子式極化、離子式極化和偶極子極化，此時界面上的電荷分布情況如圖3所示。

圖3 極化

第二階段：隨著電壓的逐級提高，電極表面發(fā)生電離，小部分自由電子進(jìn)入復(fù)合界面，并在電極間形成定向運動，如圖4所示。

圖4 電極表面電離

第三階段：當(dāng)電子的速度加快，其動能大于分子的電離能時，將會產(chǎn)生碰撞電離，碰撞后產(chǎn)生大量新的電子和空穴，如圖5所示。

圖5 碰撞電離

當(dāng)復(fù)合界面上電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)正負(fù)電荷中心不重合時，便會形成電荷陷阱，電子或空穴在外加電場的作用下產(chǎn)生遷移，在遷移過程中被介質(zhì)中的陷阱捕獲而形成空間電荷。空間電荷的聚集將使局部電場發(fā)生變化并達(dá)到平衡狀態(tài)，此時達(dá)到第四階段。如圖6所示。

圖6 平衡狀態(tài)

第五階段：隨著電壓的進(jìn)一步增大，被陷阱捕獲的電荷開始逃逸，水平電場開始畸變，局部場強迅速增大，并帶動大量帶電粒子運動，加劇碰撞電離進(jìn)程，形成電子崩。局部放電開始頻繁出現(xiàn)。

第六階段：電壓已達(dá)到復(fù)合界面的擊穿電壓，電流急速增大，放電通道開始拓寬并延伸至兩側(cè)電極，界面發(fā)生閃絡(luò)。當(dāng)界面存在水分時，由于水的電導(dǎo)率較大，可能會使閃絡(luò)電壓降低。

2 試驗思路及方法

2.1 試驗接線原理

接線原理如圖7所示。整個試驗系統(tǒng)主要由電源、調(diào)壓器、變壓器、分壓器、試樣、傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。調(diào)壓器和變壓器主要負(fù)責(zé)將電壓調(diào)整至所需的值，數(shù)據(jù)采集卡連接在分壓器和傳感器上讀取電壓、電流數(shù)據(jù)并傳輸給計算機處理。

圖7 試驗原理圖

2.2 試驗樣品設(shè)計

本試驗要對不同含水量的試樣進(jìn)行試驗，且要記錄試驗過程中的光學(xué)現(xiàn)象，故試樣的設(shè)計需考慮方便多組試樣多次試驗且能夠?qū)?fù)合界面進(jìn)行觀測。采用中間接頭本體不僅不方便復(fù)合界面的觀測和多次試驗，成本也較高，故對試樣做了簡化處理。試樣如圖8所示。

圖8 試樣

2.3 閃絡(luò)過程

隨著電壓從0 逐漸上升，能聽到試樣發(fā)出“吱吱”的噪聲，音量隨著電壓的上升而緩慢提升，在界面發(fā)生閃絡(luò)的瞬間，音量驟然提高，變得尖銳刺耳。

現(xiàn)將閃絡(luò)過程分為3個階段，即起始階段、中期階段和末期階段。界面出現(xiàn)單個電弧，電弧由藍(lán)色變?yōu)樽仙珵殚W絡(luò)的起始階段；由單個電弧變?yōu)槎鄠€電弧，最終在兩極之間留下明亮寬敞的放電通道的過程為中期階段；當(dāng)絕緣失效，電極之間完全導(dǎo)通后為末期階段，此后電弧光芒逐漸黯淡，由紫色變?yōu)樗{(lán)色再變?yōu)辄S色。取其中1份試樣的閃絡(luò)圖像如表1所示。

表1 樣品閃絡(luò)過程

2.4 絕緣材料受潮閃絡(luò)特性

浸水時間分別為4 天、8 天和12 天的試樣各準(zhǔn)備了3 份，每種試樣典型電壓、電流波形如圖9所示。

圖9 材料受潮試樣波形

材料浸水后，閃絡(luò)電壓相較正常時略微降低，與界面內(nèi)存在小片水膜時相似，約為15～17 kV，且閃絡(luò)電壓與浸水時長呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。閃絡(luò)瞬間，電壓波形同樣發(fā)生畸變，峰值最大依然達(dá)到了50 kV 以上，脈沖電流頻率相較正常試樣有所提高，電流脈沖值達(dá)到10 A 以上。浸水試樣閃絡(luò)后的電痕如圖10所示。

圖10 材料受潮試樣電痕

絕緣材料受潮試樣閃絡(luò)后界面受到較嚴(yán)重的破壞，產(chǎn)生較多導(dǎo)電顆粒，與正常試樣的電痕情況類似。

分別對浸水4 天、8 天和12 天的3 組試樣各3 份試樣的閃絡(luò)電壓進(jìn)行統(tǒng)計，如表2所示。

由表2 中的數(shù)據(jù)可知，浸水試樣閃絡(luò)電壓相較正常時略微降低，浸水4 天試樣的平均閃絡(luò)電壓為17.4 kV，浸水8 天試樣的平均閃絡(luò)電壓為16.3 kV，浸水12 天試樣的平均閃絡(luò)電壓為15.8 kV，閃絡(luò)電壓降低程度與小片水膜類似。

表2 絕緣材料受潮試樣閃絡(luò)電壓

3 結(jié)論

本研究搭建了一套界面放電的試驗平臺，制作了應(yīng)力錐-XLPE 界面試樣，通過在工頻交流電下不斷對試樣加壓，進(jìn)行界面放電的相關(guān)試驗。通過對試驗中的閃絡(luò)現(xiàn)象、電壓、電流的波形分析，結(jié)論如下：絕緣材料受潮時，硅橡膠-XLPE 界面上的閃絡(luò)電壓降低，浸水4 天、8 天和12 天的試樣平均閃絡(luò)電壓為正常時的96%、90%和87%。