李義鵬

(中石化安全工程研究院有限公司化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104)

0 前言

全絕緣管型母線(以下簡稱絕緣管母)以銅管作為導體、并在銅管上包覆絕緣材料，是一種密封全絕緣的新型絕緣母線。由于載流量大、機械強度高、結構緊湊，且電氣絕緣性能較強，絕緣管母在長期掛網運行中表現穩(wěn)定可靠，很好地發(fā)揮了安全絕緣、載流能力強、排布緊湊節(jié)省空間且耐候性強等突出優(yōu)勢[1-2]。但絕緣管母產品種類和絕緣材料繁多，結構設計和生產工藝各異，產品質量和運行效果參差不齊，在投入運行后逐步暴露出絕緣層斷層、燒蝕、破損等各類隱患。這些隱患缺陷能誘發(fā)絕緣管母局部放電，使其長期承受局部放電作用而導致絕緣層加速老化，最終造成擊穿引發(fā)停電事故[3-5]。此類事故在電力系統(tǒng)屢見不鮮。南方電網對某公司10 kV絕緣管母的統(tǒng)計結果顯示，2013—2016年間該公司778套設備共發(fā)生絕緣類故障35起。

局部放電是指當外施電壓在電氣設備中產生的場強大到足以使其絕緣部分區(qū)域產生放電，但在放電區(qū)域內未形成固定放電通道的放電現象。隨著局部放電的持續(xù)進行，設備內部的絕緣缺陷會在局部放電作用下逐漸劣化，從而誘發(fā)更加嚴重的局部放電，加速設備絕緣的劣化和失效，最終引發(fā)絕緣擊穿事故，造成大面積停電，帶來重大經濟損失[6]。局部放電是絕緣管母發(fā)生絕緣類故障的前兆，提前發(fā)現絕緣管母出現的局部放電信號并采取措施，可有效避免該類事故的發(fā)生。絕緣管母主要采用繞包、澆注、擠出3種生產工藝[7]，本文以10 kV擠出式絕緣管母為研究對象，制作絕緣管母缺陷試驗模型，搭建測試系統(tǒng)，開展試驗測試與研究。

1 絕緣管母絕緣類故障原因分析

擠出式絕緣管母因其結構與電纜類似又被稱為管型電纜，是以高分子聚合物作為絕緣材料，將特定形狀的螺桿在加熱的機筒中旋轉，使高分子聚合物向前擠壓并均勻塑化(即熔融)，通過機頭和不同形狀的模具擠壓成連續(xù)性的塑料層并擠包在銅管上而成。造成擠出式絕緣管母故障的主要原因如下。

a) 絕緣水平低。絕緣管母絕緣不夠，在長期運行中易發(fā)生絕緣擊穿。絕緣管母的絕緣要求不能簡單套用金屬封閉母線的標準。

b) 導體溫升高。夏季，發(fā)電廠和變壓站工作環(huán)境溫度達50 ℃，太陽直曬部位可達60 ℃，當導體溫升50 K時，母線的運行溫度高達110℃，造成絕緣材料因老化而發(fā)生擊穿。

c) 主絕緣制作工藝不良。在主絕緣制作過程中，引入金屬碎屑、水分等。

d) 中間接頭部位安裝質量缺陷。中間接頭安裝過程中引入水氣、金屬碎屑，或因安裝操作不當導致半導電層結構受損。

e) 半導電層加工工藝不良。加工工藝粗糙，導致半導電層出現凸起或分層。

f) 端部結構不合理。在長時間運行中，外護套表面長期積污，形成導電通道。

g) 密封工藝不良。絕緣管母因密封不良導致受潮或進水，當絕緣表面濕度加大時會產生爬電或形成樹枝狀放電，從而引發(fā)燒損。

2 絕緣管母缺陷試驗模型制作

根據絕緣管母故障的主要原因，總結出絕緣管母常見的絕緣缺陷有以下6類：半導電層分層缺陷、絕緣層金屬碎屑、絕緣層水分侵入、中間接頭包覆半導體層破損、中間接頭金屬尖端、母線端部絕緣護套嚴重污穢。為研究絕緣管母的狀態(tài)檢測方法，設計加工了6段長度為2 m的絕緣管母缺陷模型，如圖1所示。此外還制作了1段無缺陷的正常管母，用以開展局部放電對比試驗。

圖1 絕緣管母缺陷試驗模型

3 絕緣管母局部放電量測試

使用DTJF-Ⅲ局部放電檢測儀，在環(huán)境條件為26～34 ℃、相對濕度為67%～75%條件下，根據DL/T 1658—2016《35 kV及以下固體絕緣管型母線》的相關要求開展局部放電測試。10 kV擠出式絕緣管母額定電壓UN為6 kV，進行局部放電試驗時，試驗電壓逐漸升高至2UN并保持10 s，然后緩慢降至1.73UN，其局部放電量不應超過10 pC。該測試方法主要用于絕緣管母的出廠測試，試驗結果見表1。

表1 絕緣管母局部放電量測試 pC

試驗數據表明，只有正常絕緣管母的局部放電量小于10 pC，滿足標準要求，其他缺陷模型局部放電量均超過了10 pC，證明上述6類缺陷模型有效。此外，中間接頭金屬尖端及中間接頭包覆半導體層破損2類缺陷模型具有較高的放電量。

4 絕緣管母振蕩波測試

紅外、高頻電流等局部放電方法已被應用于絕緣管母局部放電檢測，并取得了一定的效果[8-11]，但主要適用于絕緣缺陷較嚴重的情形。鑒于擠出式絕緣管母與電纜有著極其相似的特性，而振蕩波檢測技術在電纜局部放電檢測上面取得了良好的效果，本文嘗試將振蕩波檢測技術應用于絕緣管母局部放電檢測并開展試驗研究。

振蕩波試驗系統(tǒng)目前在國際上應用比較廣泛，能夠有效檢測和定位配電電纜局部放電位置，且檢測本身不會對電纜造成傷害。國內多家電纜運行、試驗單位已陸續(xù)從國外引進該測試系統(tǒng)，應用于配網中壓電纜線路測試中，現場發(fā)現并解剖驗證了因制造、敷設、安裝引起的各類缺陷，取得了不錯的效果[12-17]。

絕緣管母振蕩波法檢測試驗系統(tǒng)主要包括10 kV振蕩波系統(tǒng)、絕緣管母缺陷模型、降頻器等，試驗原理如圖2所示。依據DL/T 1576—2016《6 kV-35 kV電纜振蕩波局部放電測試方法》的相關要求，在絕緣管母缺陷模型上施加振蕩波信號，研究絕緣管母的狀態(tài)檢測方法。

圖2 絕緣管母振蕩波測試原理

4.1 降頻器的應用

受場地限制，絕緣管母的安裝長度有很大的差異，目前已安裝的最長絕緣管母單相最長1 500 m左右，但大多數絕緣管母一般只有幾十米。

根據振蕩波原理，當絕緣管母長度較短時可通過其與電容器并聯(lián)的形式，達到產生振蕩波電壓的目的。電容器的引入降低了系統(tǒng)的頻率，因此該電容器也被稱為降頻器。振蕩波電壓頻率完全由回路總電感量與回路總電容量決定，且在相同頻率下，電感量與電容量成反比[18-19]。電容器的加入改變了測試回路中的電氣參數，從而實現在絕緣管母上施加滿足標準要求的振蕩波信號。

4.2 試驗結果

10 kV絕緣管母峰值電壓U0為8.7 kV，試驗電壓峰值如表2所示。

表2 振蕩波試驗施加電壓 kV

試驗得到絕緣管母在不同電壓下的加壓圖譜。中間接頭包覆半導電層破損缺陷類型的絕緣管母在13.05 kV下的加壓圖譜如圖3所示。

圖3 中間接頭包覆半導電層破損的絕緣管母振蕩波圖譜

不同試驗類型絕緣管母的放電量趨勢如圖4所示。

圖4 絕緣管母局部放電量趨勢

4.3 試驗結果分析

絕緣管母起始放電電壓試驗結果見表3。

表3 絕緣管母振蕩波電壓下的局部放電量

分析試驗數據可以得到以下結論：

a) 正常絕緣管母的起始放電電壓遠高于有缺陷的絕緣管母。正常絕緣管母在1.7U0即14.79 kV時開始出現局部放電信號，而有缺陷的絕緣管母的起始放電電壓皆小于等于1.3U0即11.3 kV。

b) 中間接頭包覆半導電層破損、絕緣層水分入侵及絕緣層金屬碎屑3類缺陷模型在U0電壓下即可發(fā)現局部放電信號；與其他試驗模型相比，中間接頭包覆半導電層破損的試驗模型具有較高的局部放電量。

c) 在1.5U0即13.05 kV電壓下，各缺陷模型的局部放電量皆超過200 pC；與出廠局部放電量測試一樣，中間接頭金屬尖端及中間接頭包覆半導體層破損2類缺陷模型具有較高的放電量。

5 結論

依據標準DL/T 1576—2016《6 kV-35 kV電纜振蕩波局部放電測試方法》，通過試驗研究了振蕩波檢測技術在10 kV絕緣管母缺陷識別上的應用。試驗結果表明，可以通過該技術發(fā)現絕緣管母存在的缺陷，在1.5U0即13.05 kV電壓下，當絕緣管母線局部放電量超過200 pC時，可以認為絕緣管母存在絕緣缺陷。該研究結果為10 kV絕緣管母的故障排查提出了新的技術手段。但對較短的絕緣管母，設備構成需增加與絕緣管母并聯(lián)的降頻器，同時本試驗只在較短絕緣管母上進行了測試，尚不具備缺陷定位功能。