張晗

摘? ?要：局部放電既是電氣設(shè)備絕緣劣化的征兆，又是造成絕緣劣化的關(guān)鍵性因素。因此，局部放電檢測(cè)可以有效發(fā)現(xiàn)其潛伏性放電故障，從而提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。本研究以經(jīng)過熱老化處理后帶有缺陷的10 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜為試樣，進(jìn)行針電極實(shí)驗(yàn)，并通過超高頻局部放電檢測(cè)系統(tǒng)，采集電纜發(fā)出的局部放電信號(hào)，得到不同缺陷類型的電纜樣品中電樹枝發(fā)展、絕緣老化與局部放電的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：電樹枝;交聯(lián)聚乙烯;局部放電;直流高壓;熱老化

隨著城市和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，各類電纜得到了越來越多的應(yīng)用。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜因?yàn)槠淞己玫碾姎馓匦?、機(jī)械性能、絕緣性能和耐熱性，被廣泛地應(yīng)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(duì)保障輸電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要的意義和價(jià)值。國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者[1]普遍認(rèn)為XLPE電纜絕緣劣化絕大部分原因歸結(jié)于電纜絕緣中形成的絕緣較弱區(qū)域，使電場(chǎng)分布不均勻，形成了局部高場(chǎng)強(qiáng)，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

絕緣介質(zhì)內(nèi)部由于制造工藝、機(jī)械破壞等因素影響，會(huì)存在一些微小的氣隙、尖刺等缺陷，引起絕緣介質(zhì)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)畸變[2]，使局部電場(chǎng)強(qiáng)度高于介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，形成局部電場(chǎng)集中，最終發(fā)生局部放電。在初期階段，短暫的局部放電并不會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，但是隨著電纜的長(zhǎng)期運(yùn)行和絕緣的不斷老化，局部放電的頻率增加，局部電場(chǎng)集中區(qū)域的XLPE電纜絕緣中就會(huì)形成氣隙。氣隙逐漸生長(zhǎng)成細(xì)絲狀電腐蝕通道并呈現(xiàn)出樹枝狀結(jié)構(gòu)，即電樹枝[3]。在高壓電纜中，局部放電會(huì)促進(jìn)電樹枝的生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致絕緣擊穿甚至事故的發(fā)生。

近些年來，高壓直流輸電技術(shù)在不斷發(fā)展，遠(yuǎn)距離直流輸電已逐漸成為主流趨勢(shì)。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(yùn)行過程中，絕緣材料電導(dǎo)率隨著溫度梯度變化和直流電場(chǎng)下空間電荷的累積，也會(huì)導(dǎo)致絕緣層內(nèi)部電場(chǎng)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(diǎn)，并對(duì)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(diǎn)，因此，檢測(cè)直流電壓激勵(lì)下的介質(zhì)局部放電是非常有必要的。

1? ? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路主要來自于電纜在實(shí)際運(yùn)行情況中老化的原因。隨著運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的增加，絕緣層長(zhǎng)時(shí)間處于一個(gè)較高溫度的環(huán)境下會(huì)加速其老化。本文根據(jù)電纜的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，首先，將不同缺陷程度的XLPE電纜樣品進(jìn)行熱老化處理，其次，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的直流高壓對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。以針尖模擬電場(chǎng)應(yīng)力的集中，模擬了介質(zhì)內(nèi)部缺陷和電樹枝發(fā)展情況。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)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(duì)照組[5]。以每周為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)熱老化停止時(shí)間節(jié)點(diǎn)來得到包括10種不同老化時(shí)間的XLPE電纜。使用這10種不同情況的電纜進(jìn)行針板電樹枝化實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)前，剝?nèi)ユz裝等保護(hù)層的10 kV XLPE電纜纜芯，然后將纜芯放入鼓風(fēng)恒溫干燥箱中進(jìn)行超過其正常運(yùn)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(chǎng)強(qiáng)引起局部電場(chǎng)集中，使其發(fā)生局部放電。通過局部放電檢測(cè)裝置檢測(cè)電樹枝的發(fā)展，以檢測(cè)到局部放電信號(hào)的特征值作為測(cè)試的結(jié)束條件，結(jié)束實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)中通過超高頻的檢測(cè)方式來檢測(cè)局部放電信號(hào)，并且采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行對(duì)比，通過局部放電信息來分析XLPE電纜的絕緣狀態(tài)。

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(shí)長(zhǎng)的關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)樣品的電樹枝發(fā)展過程中，通過檢測(cè)局部放電信號(hào)來獲得電纜老化時(shí)間、電樹枝生長(zhǎng)趨勢(shì)等數(shù)據(jù)信息。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的局部放電脈沖信號(hào)如圖2所示。

在絕緣層的缺陷處，如果直流電壓已經(jīng)加壓到擊穿電壓且初始放電電荷已經(jīng)累積到一定量時(shí)，就會(huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象[6]。因?yàn)榫植糠烹姷某跏挤烹婋姾尚枰粋€(gè)逐漸累積的過程，而且根據(jù)絕緣缺陷的不斷發(fā)展，擊穿電壓也隨之發(fā)生變化，這就導(dǎo)致直流電壓下局部放電的時(shí)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(gè)連續(xù)的放電過程，放電現(xiàn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的局部放電對(duì)檢測(cè)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(shí)間的關(guān)系

隨著熱老化時(shí)長(zhǎng)的增加，整體放電電壓幅值也在逐漸增大。電樹枝的引發(fā)和發(fā)展過程中伴隨著局部放電現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)不同熱老化時(shí)長(zhǎng)下電樹枝的初始局部放電電壓，可以研究熱老化時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)直流電樹枝的影響。熱老化時(shí)長(zhǎng)與引發(fā)電樹枝的初始電壓值之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3顯示，在0～500 h時(shí)間段內(nèi)，初始放電電壓反而隨著時(shí)間的增大而減小。因?yàn)閄LPE在初始高溫?zé)崃呀膺^程中，結(jié)晶度上升，分子鏈的束縛力反而增強(qiáng)，所以，此階段更不易發(fā)生放電現(xiàn)象。但是隨著熱老化的時(shí)間增長(zhǎng)，原本分離的分子迅速同氧原子結(jié)合，形成大量的極性分子，使其放電電壓迅速上升。

對(duì)比3組樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，電纜的極淺缺陷在熱老化的過程中并沒有對(duì)電纜造成深度的破壞，對(duì)整個(gè)電纜的電樹枝化放電影響并不大，與無缺陷的電纜對(duì)比只有較微弱的影響。第3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以明顯地看到，隨著老化時(shí)長(zhǎng)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(shì)越來越大，說明較深的缺陷對(duì)電纜老化起了較大的促進(jìn)作用。

2.3? 初始放電時(shí)場(chǎng)強(qiáng)與電樹枝引發(fā)的關(guān)系

擊穿強(qiáng)度通常用來表征檢測(cè)和使用過程中的絕緣材料狀態(tài)和質(zhì)量。交聯(lián)聚乙烯擊穿強(qiáng)度受熱老化的影響較大。隨著熱老化時(shí)長(zhǎng)的增加，電纜本身的絕緣狀態(tài)逐步下降。實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象為當(dāng)未老化的電纜直接做電樹枝實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能有較長(zhǎng)時(shí)間沒有放電現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)4個(gè)老化時(shí)間的電纜分別做了10次電樹枝實(shí)驗(yàn)，得到了10次可以在實(shí)驗(yàn)100 min以內(nèi)放電的個(gè)數(shù)，即在10次實(shí)驗(yàn)中，不同老化時(shí)長(zhǎng)下的放電頻率。表1為交聯(lián)聚乙烯擊穿強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系。

由表1可知，電纜初始未老化時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大概為1 014.12 kV/mm，經(jīng)過第一個(gè)老化周期后，擊穿強(qiáng)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(qiáng)度下降為802.85 kV/mm，降低了21%;而第四個(gè)老化時(shí)間點(diǎn)時(shí)，擊穿強(qiáng)度最小值為507.06 kV/mm，降低為初始擊穿場(chǎng)強(qiáng)的50%。因此可知，隨著熱老化時(shí)長(zhǎng)的增加，電纜電樹枝引發(fā)的條件越低，即引起局部放電所需的電場(chǎng)強(qiáng)度也越低，放電頻率也逐漸增加。隨著電纜使用時(shí)間的增加，事故產(chǎn)生的條件就越低，所以，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的電纜，有必要進(jìn)行各項(xiàng)檢測(cè)來保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3? ? 結(jié)語

本研究結(jié)合現(xiàn)有的熱老化與電樹枝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)電樹枝發(fā)生與生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的局部放電的檢測(cè)系統(tǒng)，分析了XLPE電力電纜絕緣中的熱老化與電樹枝化現(xiàn)象并設(shè)計(jì)了不同條件下的電樹枝化對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分析了缺陷類型、熱老化時(shí)長(zhǎng)對(duì)電樹枝引發(fā)時(shí)間與放電信號(hào)的影響，得到以下結(jié)論。

（1）隨著時(shí)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(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)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(duì)電纜電樹枝的引發(fā)有促進(jìn)作用。

（2）隨著缺陷的加深，絕緣層更易產(chǎn)生電樹枝，并且局部放電信號(hào)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(duì)照組電纜高，其中最高差距達(dá)到12.1 mV，比無缺陷樣品組高出了23.5%，并且從數(shù)據(jù)上看，差距還在逐漸拉大。在初始放電時(shí)間的對(duì)比上發(fā)現(xiàn)較大缺陷樣品中發(fā)生局部放電的時(shí)間更早，最大差距比對(duì)照組提前11 min發(fā)生放電。由此可見，絕緣層中的缺陷對(duì)電纜的正常運(yùn)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(xiàn)問題。

實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)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(shí)地檢測(cè)且發(fā)現(xiàn)電纜絕緣損壞故障，對(duì)提高供電安全性與可靠性具有重要意義。

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