歐曉妹，劉益軍，李國偉，劉少輝，劉 崧，梁年柏

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000)

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜性能優(yōu)良、安裝方便、工藝簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)架空線路相比，具有供電可靠性高、布線不受地面和空間建筑物的影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于美化城市布局。近年來在配網(wǎng)中應(yīng)用規(guī)模日益廣泛[1-2]；但因現(xiàn)場(chǎng)安裝、施工等問題，10 kV電纜接頭也成為配網(wǎng)電纜系統(tǒng)絕緣最薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，配網(wǎng)電纜70%以上的運(yùn)行故障是由電纜附件故障引起的[3-4]。通常，XLPE電纜絕緣劣化原因分為熱劣化、電氣劣化、水樹枝劣化、化學(xué)性劣化，其中，電氣劣化會(huì)引起電纜絕緣的耐電強(qiáng)度下降，因屏蔽層有尖狀突起，會(huì)引起局部放電；局部放電是最危險(xiǎn)的絕緣劣化形式之一，會(huì)進(jìn)一步引起接頭絕緣擊穿[5-7]。

關(guān)于局部放電檢測(cè)方法有很多，常規(guī)方法是IEC 60270中推薦的脈沖電流法。該方法需要將試品接入單獨(dú)的測(cè)試回路中，人為對(duì)電纜施加高壓，再利用耦合電容和檢測(cè)阻抗捕捉局放信號(hào)；但該檢測(cè)方法需要停電，存在檢測(cè)周期長、安排停電困難、檢測(cè)效率低下的問題[8-9]，不適應(yīng)于帶電檢測(cè)或帶電監(jiān)測(cè)。針對(duì)XLPE電纜接頭局放帶電檢測(cè)，常用方法主要有電磁耦合法、方向耦合法、電感耦合法、電容耦合法等，其中，電磁耦合法容易受到外部干擾，信噪比不高；方向耦合法需要破壞電纜屏蔽層；電感耦合法監(jiān)測(cè)范圍有限，且只適用于有螺旋形屏蔽的電纜[10-12]；電容耦合法不影響電纜的絕緣效果，又有利于對(duì)高頻信號(hào)的獲取，特別適用于電纜中間接頭的局放檢測(cè)[13-15]。

基于此，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種基于電容耦合法的雙極植入式局放傳感單元，提出了該傳感單元的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)尺寸。在此基礎(chǔ)上，通過搭建XLPE電纜中間接頭絕緣耐壓試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)電纜接頭常見的4種典型缺陷開展局部放電檢測(cè)試驗(yàn)并獲取典型局放波形。研究論證了基于電容耦合法的植入式局放傳感單元在10 kV電纜中間接頭局放檢測(cè)的有效性，為電纜接頭絕緣狀態(tài)診斷評(píng)估實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 雙極植入式局放傳感單元結(jié)構(gòu)及原理

當(dāng)電纜接頭內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)將產(chǎn)生高頻脈沖并向兩端傳播，且隨著傳輸距離的增加，脈沖幅值隨之降低[16-17]。將電纜的外護(hù)套絕緣層去掉，鑒于電纜接頭金屬屏蔽層繞包式結(jié)構(gòu)，可在緊靠電纜接頭的本體外半導(dǎo)電層上安裝傳感器后再恢復(fù)金屬屏蔽層。在低頻時(shí)，外半導(dǎo)電層阻抗可視為地電位，植入的傳感單元不影響本體及附件絕緣；而外半導(dǎo)電層在高頻條件下，其阻抗與絕緣層阻抗具備可比性，外半導(dǎo)電層表面的薄膜電極與金屬屏蔽層之間會(huì)形成電位差，植入的傳感單元從而能耦合到電壓信號(hào)。因此，利用電容耦合法，在電纜中間接頭外半導(dǎo)電層和金屬屏蔽層之間植入傳感器檢測(cè)局放信號(hào)具備可行性[18]。薄膜電極攝取局放信號(hào)示意圖，具體如圖1所示。

圖1 薄膜電極攝取局放信號(hào)示意圖Fig.1 Schematic diagram of partial discharge signal picked up by thin film electrode

植入式局放傳感單元主要由內(nèi)外層薄膜電極、信號(hào)線組成。在具體安裝時(shí)，按正常工藝套裝預(yù)制件，將內(nèi)層薄膜電極繞包在接頭附近的電纜本體外半導(dǎo)電層上并纏繞絕緣膠帶固定；然后在內(nèi)層薄膜電極正上方繞包絕緣膠墊，防止內(nèi)外層薄膜電極接觸。接著在PVC膠墊正上方繞包外層薄膜電極，并用絕緣膠帶固定；最后繞包接頭銅網(wǎng)，同軸電纜信號(hào)線從銅網(wǎng)的繞包層縫隙穿過。繞包外層薄膜電極可減小銅網(wǎng)內(nèi)表面的褶皺對(duì)傳感器等效電容的影響，可以有效減小試驗(yàn)的分散性。

局放信號(hào)的傳播是一個(gè)復(fù)雜的波過程，在傳播到植入式傳感單元時(shí)，可以采用彼得遜法將其轉(zhuǎn)化為等值集中參數(shù)電路，該電路模型的關(guān)鍵就在于傳感器對(duì)應(yīng)集中參數(shù)的等效。在高頻條件下，半導(dǎo)電可視作絕緣介質(zhì)，其電場(chǎng)分布由介電常數(shù)決定，薄膜電極與金屬屏蔽層之間的電壓通過電容C1和C2進(jìn)行分壓；其中，C1為薄膜電極與電纜纜芯之間的電容；C2為薄膜電極與金屬屏蔽層之間的電容，如圖2 所示。在低頻條件下，半導(dǎo)電呈現(xiàn)低電阻特性，可視為導(dǎo)體，其與金屬屏蔽將薄膜電極短路，導(dǎo)致薄膜電極與金屬屏蔽之間的電壓很小。因此，薄膜電極與金屬屏蔽層之間存在一個(gè)等效電阻R，其數(shù)值為PVC膠墊下外半導(dǎo)電層軸向電阻并聯(lián)值。

圖1結(jié)合彼得遜法則可得到圖2所示的雙極植入式局放傳感器檢測(cè)局放信號(hào)等效電路圖[19]。Ls為同軸電纜信號(hào)線線芯的電感；ZL為局放儀或示波器的內(nèi)阻，通常為50 Ω；Z0為電力電纜的特性阻抗。當(dāng)電纜A處產(chǎn)生局部放電時(shí)，脈沖信號(hào)會(huì)沿著纜芯傳播，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向電流；從而在OC兩端產(chǎn)生電壓，ZL兩端電壓U0即為局放儀或示波器所檢測(cè)的電壓。

圖2 局放信號(hào)檢測(cè)等效電路圖Fig.2 Partial discharge signal detectionequivalent circuit diagram

2 雙極植入式局放傳感單元結(jié)構(gòu)尺寸分析

上述等效電路模型是結(jié)合高頻和低頻分析提出來的，實(shí)際上在二者中間很大頻帶內(nèi)，半導(dǎo)電的電場(chǎng)分布是由電阻率和介電常數(shù)同時(shí)決定的，因而電路模型與實(shí)際場(chǎng)模型存在一定差異，為此采用場(chǎng)分析的方法對(duì)等效電路進(jìn)行驗(yàn)證。單獨(dú)抽取主要誤差來源等效電路R、C1和C2支路，對(duì)電容分壓支路的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過電路模型計(jì)算分壓比U0/Ui，將在不同頻率時(shí)的場(chǎng)模型與電路模型計(jì)算分壓比匯總分析，二者趨勢(shì)基本一致。在低頻階段有一定差異，場(chǎng)模型結(jié)果接近電路模型的2倍；而到10 MHz后二者逐漸趨于相等。因此，需要對(duì)電路進(jìn)行一定的修正，在低頻情況下電阻R上的電壓主要由位移電流產(chǎn)生，通過增加半導(dǎo)電層電阻R來等效位移電流的增加，假設(shè)增加后的半導(dǎo)電層電阻為R′，則半導(dǎo)電層上的電壓UR要保持不變，即UR=R′·ia=R(ia+ib)，從而R′=R(ia+ib)/ia，其中ia=UωCa/2，ib為分布電流。采用微元法求解進(jìn)一步得等效電阻R′為：

(1)

因此，電阻R修正后的等效電路如圖3所示。

圖3 修正R后局放信號(hào)檢測(cè)等效電路圖Fig.3 Partial discharge signal detection equivalent circuit diagram after correction R

為計(jì)算傳感器的頻率響應(yīng)特性，需得到圖3中各元件的參數(shù)，同軸電纜信號(hào)線線芯的電感Ls可用長直導(dǎo)體電感計(jì)算公式[20]求得：

(2)

式中：μ0=4π×10-7S/m，l為線芯長度，取3 cm；r為線芯半徑，取0.25 mm。

ZL取示波器內(nèi)阻50 Ω；Z0根據(jù)同軸電纜的特性阻抗計(jì)算公式[21]求得：

(3)

式中：εr取交聯(lián)聚乙烯介電常數(shù)2.3；D1為電力電纜的銅屏蔽層內(nèi)徑30 mm；D2為電力電纜的纜芯外徑18.3 mm。

根據(jù)上述參數(shù)結(jié)合前述得到的R、C1和C2，可以計(jì)算圖3電路模型的頻響U0：

(4)

根據(jù)上述分析，要進(jìn)一步優(yōu)化雙極植入式局放傳感單元頻響特性，需通過優(yōu)化傳感單元結(jié)構(gòu)尺寸來取得較高的幅頻特性的目的。從圖3中的各等效電路參數(shù)入手，具體優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)包括內(nèi)外層薄膜電極間距s、內(nèi)層薄膜電極寬度w、PVC膠墊下外半導(dǎo)電層長度l。通過固定其余參數(shù)尺寸不變，計(jì)算某一參數(shù)變化對(duì)傳感單元頻響特性的影響從而確定傳感單元結(jié)構(gòu)尺寸。

改變內(nèi)外層薄膜電極間距s，固定其余尺寸不變，計(jì)算不同內(nèi)外層薄膜電極間距s，研究其對(duì)傳感器頻響特性的影響，電極間距s主要影響參數(shù)C1、C2；不同內(nèi)外層薄膜電極間距s下對(duì)應(yīng)的頻響特性曲線如圖4所示。

圖4 頻率響應(yīng)曲線(s取0.15～7 mm)Fig.4 Frequency response curve (s takes 0.15～7mm)

隨著內(nèi)外層薄膜電極間距s的增大，頻響是逐漸增加的，尤其體現(xiàn)在高頻階段。這是因?yàn)楦哳l階段主要按照電容C1和C2分壓，內(nèi)外層薄膜電極間距s增大使得電容C1減小，內(nèi)層薄膜電極分壓更大。

改變內(nèi)層薄膜電極寬度w，其余尺寸不變，從而改變了電容C1、C2的大小影響頻響特性；w不同取值的頻響特性曲線如圖5所示。

圖5 內(nèi)層薄膜電極寬度取1～20 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線Fig.5 Frequency response curve when the widthof inner film electrode is 1～20 cm

由圖5可知，在100 MHz以下頻響的幅值隨著內(nèi)層薄膜電極寬度w的增加而增加；但超過該頻率以后幅值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，幅值隨著內(nèi)層薄膜電極寬度w的增加反而減小。

PVC膠墊下外半導(dǎo)電層長度l主要通過影響參數(shù)R進(jìn)而影響傳感器頻響特性，固定其余尺寸不變，不同距離l下的頻響特性曲線如圖6所示。

圖6 外半導(dǎo)電層長度取1～100 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線Fig.6 Frequency response curve when the lengthof outer semiconducting layer is 1～100 cm

由圖6可知，外半導(dǎo)電層長度l主要影響50 MHz以下的頻段，頻響幅值隨著外半導(dǎo)電層長度l的增加而單調(diào)增加；但達(dá)5 cm以后逐漸趨于飽和，5、100 cm的頻響特性幅值差異約1 dB。同時(shí)，外半導(dǎo)電層長度l對(duì)大于50 MHz的高頻部分幾乎沒有影響，因而，外半導(dǎo)電層長度l應(yīng)當(dāng)選取5 cm便于現(xiàn)場(chǎng)安裝且又有較高的幅頻特性。

從上述理論分析可知，內(nèi)外層薄膜電極間距s、PVC膠墊下外半導(dǎo)電層長度l均與頻響幅值呈現(xiàn)單調(diào)關(guān)系，具體表現(xiàn)為s和l增加頻響特性的幅值會(huì)有不同程度的增加，因而在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增加s和l。由于電纜接頭結(jié)構(gòu)限制，本文s選為5 mm，PVC膠墊下外半導(dǎo)電層長度l到5 cm以后趨于飽和。因此，l選為5 cm。

內(nèi)層薄膜電極寬度w與頻響特性并非單調(diào)變化關(guān)系，其存在轉(zhuǎn)折頻率，在轉(zhuǎn)折頻率以下，隨著w的增加頻響幅值增大；而超過轉(zhuǎn)折頻率以后w的增加反而會(huì)引起頻響幅值減小，因此需要分析在s、l選為最佳尺寸后w對(duì)頻響的影響。其中寬度w上限取20 cm(制作接頭時(shí)電纜露出銅屏蔽約有20 cm長)。

在100 MHz以下，傳感器輸出隨著內(nèi)層電極寬度w的增加而單調(diào)遞增；超過100 MHz以后，傳感器輸出隨w的增加而單調(diào)減小，因而對(duì)于頻譜較高的局放難以確定傳感器的最佳寬度w。如果局放頻率在100 MHz以下，或者局放能量主要集中在100 MHz以內(nèi)，理論上內(nèi)層電極寬度w越大越好，那么需要結(jié)合試驗(yàn)得到的局放頻譜進(jìn)行分析。在傳感器制作過程，外層薄膜電極需與內(nèi)層薄膜電極相互配合，本文統(tǒng)一選取外層薄膜電極比內(nèi)層薄膜電極大8 cm。

3 典型缺陷局部放電檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 典型缺陷電纜接頭制作

不同缺陷電纜的局放波形存在差異，為加強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)論的可信度、充分驗(yàn)證傳感單元在捕捉接頭局放信號(hào)的有效性，同時(shí)通過試驗(yàn)得到內(nèi)層薄膜電極寬度w最佳取值，本文主要針對(duì)以下四種實(shí)際中常見的缺陷電纜接頭進(jìn)行局放試驗(yàn)，分別為半導(dǎo)電顆粒殘留缺陷、刀痕缺陷、接頭尺寸不匹配缺陷和微平面缺陷[22-26]，其中接頭尺寸不匹配缺陷為電纜接頭預(yù)制件比電纜本體尺寸大一號(hào)，抱緊力不足，導(dǎo)致產(chǎn)生氣空隙。4種缺陷類型尺寸的電纜接頭預(yù)制件長度為440 mm，半導(dǎo)體殘留缺陷，終端側(cè)電纜本體長度和電源側(cè)電纜本體長度分別為1 888、2 348 mm，刀痕缺陷終端側(cè)電纜本體長度和電源側(cè)電纜本體長度分別為2 566、2 524 mm，接頭尺寸不匹配終端側(cè)電纜本體長度和電源側(cè)電纜本體長度分別為2 375、2 242 mm，微平面缺陷終端側(cè)電纜本體長度和電源側(cè)電纜本體長度分別為2 321、2 241 mm。

在試驗(yàn)前，需提前準(zhǔn)備好3組植入式局放傳感器，寬度較小的植入式局放傳感器靠近電源，寬度較大的傳感器靠近終端，將2路植入式局放傳感器和檢測(cè)阻抗同時(shí)接入示波器，每種缺陷下做3組不同尺寸的傳感單元，3組傳感單元尺寸如表1所示。外層電極均比內(nèi)層電極寬8 cm，PVC膠墊比外層電極寬2 cm。

表1 各組傳感器內(nèi)銅箔寬度Tab.1 Width of copper foil in each group of sensors cm

3.2 接頭局部放電檢測(cè)試驗(yàn)

3.2.1雙極植入式局放傳感單元安裝

針對(duì)上述理論和頻率響應(yīng)特性曲線分析，考慮實(shí)際安裝限制，我們采用內(nèi)外層薄膜電極間距s取5 mm、PVC膠墊下外半導(dǎo)電層長度l為5 cm、信號(hào)線裸露線芯長度d為5 cm，內(nèi)外薄膜電極寬度w則根據(jù)表1制作6類傳感器開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

在具體安裝時(shí)候，首先展開電纜接頭銅屏蔽層，裸露出外半導(dǎo)電層，將植入式局放傳感單元內(nèi)層薄膜電極繞包在外半導(dǎo)電層上，并用絕緣膠帶固定，并在內(nèi)層薄膜電極上方繞包PVC膠墊，用絕緣膠帶固定后恢復(fù)電纜銅屏蔽，搭接并固定通網(wǎng)，最后繞包防水膠。具體安裝過程關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)際安裝圖見圖7。

(1)繞包內(nèi)層薄膜電極

3.2.2接頭局部放電試驗(yàn)

局放試驗(yàn)中為減小試驗(yàn)量，將10 kV三芯電纜取出其中一根電纜進(jìn)行局放試驗(yàn)，檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)主要包括：植入了局放傳感單元的電纜中間接頭及本體、示波器、耦合電容、高頻濾波器、檢測(cè)阻抗等，具體接線示意圖如圖8所示；主要包括現(xiàn)場(chǎng)局放檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖9所示。

圖8 10 kV電纜接頭局放檢測(cè)示意圖Fig.8 10 kV cable connector partial discharge detection diagram

圖9 10 kV電纜接頭局放檢測(cè)實(shí)物圖Fig.9 Physical map of 10 kV cable connectorpartial discharge detection

實(shí)驗(yàn)過程中逐步增加電壓并觀察示波器記錄波形，若檢測(cè)到明顯大于背景噪聲的信號(hào)則停止升壓，記錄此時(shí)電壓和局放傳感器及檢測(cè)阻抗的波形，每個(gè)尺寸傳感器記錄60個(gè)局放波形，記錄完后降低電壓至零，將纜芯接地。經(jīng)比對(duì)分析，在局放源一致的情況下，傳感器寬度越大，則其靈敏度越高，采用20 cm寬度傳感器較為合適。20 cm寬度傳感器在4種典型缺陷下局放信號(hào)波形圖如圖10所示。

(1)接頭不匹配缺陷

4 結(jié)語

本文基于電容耦合法，設(shè)計(jì)了一種雙極植入式局放傳感單元，可用于10 kV中壓電纜接頭局部放電檢測(cè)，從理論和試驗(yàn)2方面對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)提出了基于電容耦合法的雙極植入式局放傳感單元的等效電路模型，內(nèi)層薄膜電極用于捕捉接頭局部放電信號(hào)，外層薄膜電極可減小銅網(wǎng)內(nèi)表面的褶皺對(duì)傳感器等效電容的影響，有效減小試驗(yàn)分散性；

(2)根據(jù)修正等效電路模型，通過優(yōu)化傳感單元結(jié)構(gòu)尺寸來取得較高的幅頻特性，具體表現(xiàn)為：隨著內(nèi)外層薄膜電極間距s的增加，10 MHz頻率以上的幅值增大；10 MHz以內(nèi)頻率幅值幾乎不變。隨著PVC膠墊下外半導(dǎo)電層長度l的增大，50 MHz以內(nèi)的頻率響應(yīng)增大；而超過該頻率的頻響幾乎不變。隨著信號(hào)線裸露線芯長度d的增大，10 MHz以上頻響減小；而10 MHz以內(nèi)頻響幾乎不變。隨著內(nèi)層薄膜電極寬度w的增大，100 MHz信號(hào)逐漸增大，并慢慢趨于飽和，超過100 MHz以上頻響反而減?。?/p>

(3)結(jié)合頻響特性及實(shí)際安裝限制，選定s=5 mm、l=5 cm和d=5 cm，重點(diǎn)針對(duì)w開展10 kV電纜接頭局放試驗(yàn)進(jìn)行傳感單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過制造了4種不同缺陷的10 kV電纜中間接頭，并內(nèi)置植入式局放傳感器，通過局放試驗(yàn)有效驗(yàn)證了傳感單元的有效性。