10kV电缆中间接头典型缺陷局部放电发展过程研究

10kV电缆中间接头典型缺陷局部放电发展过程研究

孙晓维,魏凯,杜鹏飞,葛旺泉

山东七星电气科技发展有限公司 山东 淄博 255000

摘  要：针对10kVXLPE电缆中间接头制作了两种人工典型缺：主绝缘内部轴向气隙缺陷、主绝缘表面轴向划痕缺陷，并采用逐级升压法来加速接头的劣化过程。测量不同加压阶段的局部放电表征参量(放电功率、脉冲重复率、放电量等)，并分析其随时间的变化趋势及不同阶段局部放电相位谱图的变换特征。结果表明：平均放电功率和放电量可以很好地表征局部放电发展趋势，且通过对比两种缺陷发现，外半导电层断口处主绝缘表面划痕气隙危害程度更大。

关键词：中间接头；典型缺陷；局部放电

前言

交联聚乙烯(XLPE)电缆具有优良的电、热、力学性能，但由于电缆及附件制造、不规范安装以及现场违章施工等因素，会导致电缆及附件产生缺陷，从而引发系统发生故障。局部放电作为交联聚乙烯电缆系统绝缘劣化的主要原因和表征参数，其放电特征与电缆及附件绝缘的状况密切相关。目前，国内外进行了大量的研究，并取得了较多研究成果。针对电缆及附件的典型缺陷及其局部放中性线以及突出物、气隙或水树引发的电树。由于不同缺陷类型对应的放电危害程度不同，因此FHKreuger,ACavallini,WKoltunowicz等在放电类型识别方面做了大量研究，通过制作多种缺陷模型，并利用相位谱图统计，放电脉冲时频特征、三相放电幅值计算等参数，在放电源类型识别、干扰区分方面取得了一定的研究成果。

1、中间接头局部放电测量方法的研究现状

脉冲电流法是广泛应用于各类高压电力设备局部放电检测的经典方法，也是IEC60270 和GB/T7354标准所推荐的局部放电检测方法。由于发生局部放电时试样两端电荷的变化，与试样两端连接的测试回路中就会有脉冲电流，通过测量局部放电所产生的脉冲电流在检测阻抗两端引起的脉冲电压，可以测定局部放电信号，同时通过测量已知放电量的校正信号，可以对视在放电量进行标定。脉冲电流法的测量频率通常在10MHz以内，根据测量带宽的不同可以分为窄带和宽带两类，窄带传感器带宽一般在10kHz左右，中心频率在20-30kHz之间或更高；宽带传感器带宽为100kHz左右，中心频率通常在200-400kHz之间[1]。

脉冲电流法的优点是可通过校正得到实测局部放电信号的视在放电量，且具有很高的测量灵敏度，在测试环境良好、耦合电容与试品等值电容比值合理的情况下，其测量灵敏度可达1pC。目前，脉冲电流法测量局部放电主要用于电缆及附件的出厂及型式实验中，在现场条件下的应用则十分困难，这主要是因为：(1)运行现场干扰严重，导致脉冲电流法无法有效应用于在线检测；(2)电缆线路等值电容量大，交流下测量局部放电对电源容量的要求很高，现场条件限制了大容量电源的使用；(3)电缆等值电容量大，降低了试品电容与耦合电容的比值，脉冲电流法的测量灵敏度较低。

2、接头屏蔽层尖刺缺陷局部放电的发展过程

中间接头在生产和安装过程中，不可避免地存在杂质或半导体层尖端突起等现象，从而引起电场集中，产生绝缘缺陷，在长期电压作用下导致绝缘故障。基于此类故障设计屏蔽层尖刺缺陷模型，使用同轴柱面传感器测量缺陷起始放电直至绝缘击穿全过程的局部放电信号，通过研究其局部放电发展的现象，划分局部放电的发展阶段，分析各阶段局部放电测量信号的统计特征，提取局部放电特征量，揭示局部放电发展、演变的特征规律，在此基础上提出屏蔽层尖刺缺陷局部放电严重程度的评估方法。

2.1、模拟缺陷

在中间接头的轴向中心位置，将一根铜针径向插入接头，铜针直径约2mm，曲率半径约200um，插入深度约15mm。

2.2、加压方法

缓慢升高电压直至出现稳定的局部放电信号，再通过升压法加速缺陷劣化，劣化程度加剧后对试品施加恒定电压直至绝缘失效。外施电压达到20kV时出现较为稳定的局部放电信号，然后逐级升高电压，分别在20kV、22kV、24kV、26kV、28kV电压下保持2小时。后为进一步加速缺陷劣化，升压至32kV并保持恒定，恒压5.5小时候后绝缘失效。升压法和恒压法并用的加压方式，能够以较少的实验工作量在短期内全面获取缺陷劣化直至绝缘失效全过程的局部放电数据。实验过程共计15小时30分钟。

2.3、局部放电统计特征分析

为研究各阶段局部放电的统计特征，构建各阶段表征放电重复率、平均放电量相位分布特征的Q-n和Q-qave二维谱图以及局部放电灰度图，灰度图中放电幅值分别采用极差归一化和最大值归一化两种方法进行处理，分别生成极差归一化灰度图和最大值归一化灰度图，前者以各阶段放电量的极值为基准对本阶段放电量进行归一化处理，能够较好的表现各阶段局部放电的细节特征，后者以实验全过程的最大放电量为基准对所有放电量数据进行归一化，便于不同阶段之间局部放电特征的比较[2]。

2.4、局部放电特征量的提取

在划分屏蔽层尖刺缺陷局部放电发展阶段的基础上，对各阶段局部放电信号进行了统计特征分析，在此基础上提取具有各阶段局部放电指纹信息的特征量。局部放电分布的相位区间、正半周灰度图中的空穴结构(简称空穴)具有差异性。另外，放电能量在不同实验阶段的增长速率也存在差异。因此提取局部放电相位宽度、灰度图空穴面积、放电能量增长率作为局部放电特征量[3]。

2.5、局部放电严重程度的评估方法

分析可见，在尖刺缺陷局部放电的发展过程中，3个特征量呈现出单调递增的规律，且在局部放电发展后期陡然增大。因此这3个特征量可以较好的表征尖刺缺陷局部放电的发展过程，可以作为评估尖刺缺陷严重程度的参考量。局部放电从严重程度来讲可以分为起始阶段、发展阶段和严重阶段。

1)、放电起始阶段。该阶段进入硅橡胶绝缘中的金属尖端引发硅橡胶介质中的电场分布极不均匀，尖端处电场强度远高于介质其他部位的电场强度，达到了硅橡胶介质的本征击穿场强，引发尖端处介质的局部击穿，形成局部放电。此时应进一步跟踪观测局部放电发展、变化的规律。

2)、放电发展阶段。该阶段以局部放电正半周灰度图出现空穴为典型标志，这段时间内提取的3个局部放电特征量均缓慢增大，此时缺陷局部放电的发展导致绝缘劣化程度不断加剧，应在进一步监测局部放电的基础上提前制定合理的维修策略。

3)、放电严重阶段。该阶段出现强烈的放电脉冲，放电幅值及能量明显增大，且提取的3个特征量)均陡然增大，该阶段绝缘劣化程度已经非常严重，绝缘濒临失效，必须立即维修或更换接头[4]。

结语

通过对110kVXLPE电缆及中间接头多种典型缺陷的局部放电单脉冲时域、频域的分析，得出以下主要结论：(1)对于同一缺陷相同电压下的局部放电信号，其频谱特性基本保持一致。(2)对于不同缺陷的放电信号，其频谱峰值不同。(3)对于电缆本体受损缺陷，当电缆外护套、波纹铝破损但未伤及半导电层和主绝缘层时，局部放电试验无法发现该类缺陷的存在；当主绝缘破损时耐压试验仍可能通过，但在较低电压下便可检测到局部放电，随着主绝缘破损深度的增加，其Pp呈线性递减。因此建议在高压电缆现场预防性试验时，需要同时进行耐压试验与局部放电试验。

参考文献

[1]李喆,惠宝军,徐阳,等.10 kV电缆中间接头典型缺陷局部放电发展过程研究[J].电线电缆,2015(5):5-10.

[2]常文治.电力电缆中间接头典型缺陷局部放电发展过程的研究[D].华北电力大学,2013.

[3]赵健军.电缆中间接头电场分析和界面缺陷研究[D].山东:山东理工大学,2021.

[4]王明海.高压电缆局部放电在线监测技术研究[D].北京:北京交通大学,2019.