林勸立，葉建區(qū)，張桂凱

（廣東電網(wǎng)廣州供電局，廣東 廣州 510620）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（Cross?Linked Polyethylene，XLPE）電纜以其工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、敷設(shè)方便和電氣性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在35 kV 及以下的城市配電網(wǎng)中［1］。然而，目前大部分電纜運(yùn)行年限已經(jīng)超過(guò)15 年，有的甚至超過(guò)20 年，逐漸進(jìn)入“老齡化”，運(yùn)行可靠性迅速下降，導(dǎo)致電纜線路故障頻發(fā)［2-3］。研究表明，局部放電是電纜絕緣老化的表現(xiàn)形式之一，也是絕緣進(jìn)一步劣化并導(dǎo)致失效的主要原因［4］。因此，實(shí)施有效的局部放電檢測(cè)有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并實(shí)施修復(fù)，對(duì)保障電纜線路乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要意義［5］。

XLPE 電纜較長(zhǎng)，等效電容較大，局部放電測(cè)量對(duì)試驗(yàn)電源容量要求也較高［6］。一般來(lái)說(shuō)，它的交接試驗(yàn)或預(yù)防性試驗(yàn)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(yàn)電源［7-8］，其中振蕩波電壓具有作用時(shí)間短、對(duì)電纜絕緣損傷小的優(yōu)點(diǎn)，在XLPE電纜局部放電的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用，并形成相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［9］。

目前，對(duì)XLPE電纜振蕩波局部放電試驗(yàn)的研究主要針對(duì)電纜附件中應(yīng)力錐錯(cuò)位、導(dǎo)體尖刺、金屬顆粒等典型缺陷的電場(chǎng)仿真［10-11］，放電特性和放電圖譜等的對(duì)比分析［12-13］，或者更進(jìn)一步地選擇合適的人工智能算法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分類和識(shí)別［14］。這些研究結(jié)果的有效性基于通過(guò)統(tǒng)一、合理、規(guī)范試驗(yàn)操作流程而獲取的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。然而，在接線時(shí)涉及電纜可分離連接器的不同處理方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響未見報(bào)道，但從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(guān)柜、電纜分接箱、變壓器等設(shè)備以構(gòu)成電力網(wǎng)絡(luò)的附件。試驗(yàn)時(shí)要求將被測(cè)電纜與其他設(shè)備斷開，但對(duì)可分離連接器是否需要拆卸沒有明確要求，所以在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)也分為拆除或保留可分離連接器兩種試驗(yàn)接線方式，這會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果甚至損傷電纜附件。

鑒于此，著重研究上述兩種試驗(yàn)接線方式對(duì)電纜振蕩波局部放電測(cè)量的影響，首先明確XLPE電纜振蕩波局部放電測(cè)量原理和試驗(yàn)步驟，接著對(duì)試驗(yàn)接線中涉及可分離連接器的不同處理方式進(jìn)行分析，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果，以期為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為試驗(yàn)指引和標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供依據(jù)。

1 振蕩波局部放電測(cè)試

1.1 測(cè)試原理

利用振蕩波進(jìn)行XLPE 電纜局部放電檢測(cè)的原理是基于電感和電纜等效電容的串聯(lián)諧振，其測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電纜振蕩波局部放電測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)的工作過(guò)程分成2個(gè)階段：第1階段是充電，由直流高壓電源對(duì)被測(cè)電纜充電至預(yù)定電壓；接著由微機(jī)觸發(fā)快速閉合高壓開關(guān)，進(jìn)入第2 階段即輕阻尼交流諧振，這時(shí)，由被測(cè)電纜等效電容C與設(shè)備內(nèi)置電感L產(chǎn)生輕阻尼串聯(lián)諧振，產(chǎn)生振蕩頻率的諧振電壓，該電壓在被測(cè)電纜絕緣缺陷處激發(fā)出局部放電信號(hào)，通過(guò)局放耦合器捕獲，再經(jīng)放大、濾波和數(shù)據(jù)處理后顯示在計(jì)算機(jī)上。

1.2 試驗(yàn)步驟

電纜振蕩波局部放電試驗(yàn)是離線進(jìn)行的，當(dāng)被測(cè)電纜斷電停運(yùn)、充分放電、拆除與其他設(shè)備之間的連接、端部懸空、非試驗(yàn)相短路接地后，一般遵循以下試驗(yàn)步驟：

1）測(cè)量絕緣電阻，當(dāng)阻值大于30 MΩ 時(shí)，方可進(jìn)行局部放電試驗(yàn)；

2）使用低壓時(shí)域反射儀確定電纜長(zhǎng)度和中間接頭位置；

3）校準(zhǔn)局部放電量；

4）按表1分步加壓［9］進(jìn)行局部放電測(cè)試，其中U0為電纜運(yùn)行的額定電壓，新投運(yùn)電纜為敷設(shè)時(shí)間小于1 年且未經(jīng)過(guò)大修的電纜，其他情形按已投運(yùn)電纜考慮；

表1 振蕩波局部放電試驗(yàn)中各測(cè)試電壓對(duì)應(yīng)的測(cè)試次數(shù)

5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析被測(cè)電纜絕緣狀態(tài)。

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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)還可分成歐式（滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50180［15］或EN50181［16］）和美式（滿足美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)IEEE386［17］）。目前，國(guó)內(nèi)城市中壓配電網(wǎng)大多使用滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。預(yù)制式橡膠絕緣應(yīng)力錐與電纜本體的連接是影響絕緣性能的關(guān)鍵位置，它一般采用過(guò)盈配合，即應(yīng)力錐向絕緣本體施加一定的彈力。正常使用時(shí)，插拔頭主體內(nèi)表面均勻涂抹一層硅脂后，再套入預(yù)先制作好的電纜適配器上，經(jīng)由螺栓連接至環(huán)網(wǎng)柜等電氣設(shè)備上，即可將電纜接入電力網(wǎng)絡(luò)并投入運(yùn)行。以下將重點(diǎn)關(guān)注此類可分離連接器對(duì)振蕩波局部放電試驗(yàn)的影響，涉及其他類型的可分離連接器的相關(guān)試驗(yàn)可參考本文所得結(jié)論。

圖2 肘型可分離連接器

2.2 試驗(yàn)接線方式分析

XLPE 電纜振蕩波局部放電的交接試驗(yàn)或預(yù)防性試驗(yàn)在接線時(shí)，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(yàn)電源通過(guò)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(zhǎng)螺栓將接線端子延長(zhǎng)至插拔頭外，再經(jīng)鱷魚夾連接接入試驗(yàn)電源，如圖3（b）所示；

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

圖3 試驗(yàn)連接方式

較于方式3，方式1 和2 在現(xiàn)場(chǎng)中更為常見。但它們的試驗(yàn)效果各有不同：

方式1 相當(dāng)于把電纜適配器當(dāng)作臨時(shí)戶外終端，試驗(yàn)僅能檢測(cè)被測(cè)電纜的絕緣性能，無(wú)法對(duì)插拔頭主體的絕緣性能進(jìn)行電氣檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)在試驗(yàn)通過(guò)后常經(jīng)常將插拔頭主體安裝回電纜適配器便投入運(yùn)行，這種處理方式并未將電纜完整終端頭的局部放電狀態(tài)納入考量，因此該方式有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)避免使用。

方式2 相當(dāng)于把電纜和可分離連接器當(dāng)成整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)被測(cè)電纜和插拔頭主體同時(shí)進(jìn)行有效檢測(cè)，但當(dāng)首末兩端出現(xiàn)局部放電時(shí)，無(wú)法區(qū)分是插拔頭主體還是電纜適配器的問(wèn)題。另外，盡管試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)常采用方式2，但這種方式極不正規(guī)，在插拔頭主體內(nèi)部狹小空間內(nèi)很難保證長(zhǎng)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(fā)局部放電的可能，試驗(yàn)時(shí)不建議使用。

方式3 是方式2 的一種優(yōu)化形式。該方式既能有效檢測(cè)電纜和插拔頭主體的絕緣狀態(tài)，也不易誘發(fā)局部放電，因此試驗(yàn)時(shí)推薦使用這種接線方式。

除試驗(yàn)效果外，3種處理方式在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)仍有問(wèn)題值得注意。

方式1 在拆卸或安裝插拔頭主體時(shí)易造成應(yīng)力錐錯(cuò)位。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力錐在應(yīng)力體內(nèi)通過(guò)冷縮或熱縮實(shí)現(xiàn)與XLPE電纜半導(dǎo)電帶的緊密連接，起到改善電場(chǎng)分布、避免電應(yīng)力集中的效果。然而，由于電纜附件質(zhì)量、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等問(wèn)題，應(yīng)力體的握緊力逐漸下降，加之拆裝插拔頭手法粗暴，應(yīng)力錐錯(cuò)位現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。有統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出，有約25%的電纜終端在拆裝插拔頭時(shí)造成損傷，進(jìn)而誘發(fā)局部放電，甚至是發(fā)生擊穿故障。

方式2 的延長(zhǎng)螺桿易造成對(duì)插拔頭主體外表面產(chǎn)生持續(xù)放電，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。為了保證人身安全，插拔頭主體的外表面通過(guò)接地引線直接接地，因此插拔頭主體外表面為零電位，試驗(yàn)時(shí)接線端子的延長(zhǎng)螺桿為高電位。當(dāng)螺桿偏離軸心則易在最靠近插拔頭外表面的位置產(chǎn)生持續(xù)放電，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。通過(guò)比較圖4的仿真結(jié)果可清晰解釋這一現(xiàn)象，當(dāng)螺桿位于軸心時(shí)，電場(chǎng)分布從內(nèi)至外均勻降低，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在螺桿外表面，通常不會(huì)超過(guò)空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)；當(dāng)螺桿偏離軸心后，電場(chǎng)分布嚴(yán)重畸變，在靠近插拔頭外表面的位置處場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大，試驗(yàn)電壓足夠大時(shí)可發(fā)生持續(xù)電弧放電，從而致使試驗(yàn)失敗。

圖4 螺桿正常與偏離軸心時(shí)的電場(chǎng)分布

方式3 的連接桿無(wú)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上分析結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)廣州地區(qū)一條全長(zhǎng)為228 m 的10 kV 三芯XLPE 電纜的A 相實(shí)施振蕩波局部放電測(cè)試。經(jīng)測(cè)量，該電纜在95 m 的位置處有一個(gè)中間接頭。

XLPE 電纜末端保留插拔頭主體，首端依次設(shè)置成圖3 所示的3 種連接方式，其他條件不變，進(jìn)行振蕩波局部放電測(cè)試，局部放電定位結(jié)果分別記作L1、L2 和L3，如圖5（a）所示。當(dāng)在電纜末端實(shí)施振蕩波局部放電試驗(yàn)，首端仍然按相同設(shè)置采用3 種連接方式，其測(cè)量結(jié)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(jié)果顯示，3種連接方式均可準(zhǔn)確測(cè)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(yàn)結(jié)果。另外，圖6 顯示可根據(jù)放電次數(shù)對(duì)不同位置的放電信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，其中首端放電次數(shù)更多，但放電量差別不大。

相對(duì)方式2 和3，按方式1 進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)在首端電纜適配器位置發(fā)生局部放電，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力錐錯(cuò)位是引發(fā)該放電的直接原因；相對(duì)于方式1 和3，按方式2 進(jìn)行試驗(yàn)，施加1.7U0時(shí)延長(zhǎng)螺桿與插拔頭主體外表面發(fā)生持續(xù)電弧放電，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，進(jìn)一步使用絕緣護(hù)套隔離后試驗(yàn)可正常進(jìn)行；按方式3 進(jìn)行試驗(yàn)可準(zhǔn)確測(cè)得中間接頭的局部放電信號(hào)，且不會(huì)出現(xiàn)方式1和方式2的問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與前文分析一致，但仍需指出，電纜交接試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)的目的是盡可能模擬正常運(yùn)行情況來(lái)評(píng)估絕緣狀態(tài)。XLPE 電纜的終端和中間接頭是其絕緣性能的薄弱點(diǎn)，為了更好檢測(cè)絕緣狀態(tài)，把電纜及終端附件當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)看待是一種更加合理的試驗(yàn)選擇，而且還能避免多次拆裝造成應(yīng)力錐錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然采用這種方式時(shí)，試驗(yàn)人員需要通過(guò)恰當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)裝置將接線端子引出以便高壓電源接入，引出時(shí)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(jié)語(yǔ)

針對(duì)XLPE電纜振蕩波局部放電現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線，研究了涉及可分離連接器的不同處理方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。根據(jù)振蕩波局部放電的測(cè)試原理和試驗(yàn)步驟，以外錐式可分離連接器為例分析比較現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)的3 種常見連接方式的優(yōu)劣，并在一條10 kV電纜上進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）拆卸可分離連接器進(jìn)行接線時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法真實(shí)反映電纜首末終端頭的局部放電情況，且拆裝時(shí)易誘發(fā)應(yīng)力錐錯(cuò)位造成二次傷害，投運(yùn)后會(huì)有隱患風(fēng)險(xiǎn)，因此試驗(yàn)應(yīng)避免使用這種接線方式；

2）不拆除可分離連接器進(jìn)行接線時(shí)，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(yàn)應(yīng)盡量采用通用性好的連接器。

同時(shí)，建議涉及相關(guān)交接試驗(yàn)或預(yù)防性試驗(yàn)技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)編委會(huì)在日后修訂工作中增加對(duì)是否需要拆卸可分離連接器的明確要求，以便對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行更加細(xì)致和規(guī)范化指導(dǎo)。