郭 衛(wèi),潘澤華,李華春,周士貽,孫致遠(yuǎn),門業(yè)堃,任 明
(1.國網(wǎng)北京電科院,北京 100075; 2.國網(wǎng)北京市電力公司,北京 100031;3.電工材料電氣絕緣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安交通大學(xué),陜西 西安 710049)
交聯(lián)聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)電纜采用過氧化物交聯(lián)的方法使聚乙烯分子由線型結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有良好的耐熱性能、絕緣性能、機(jī)械性能以及耐化學(xué)特性,被廣泛應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)[1-3]。然而相關(guān)數(shù)據(jù)表明,2010年以來我國6~35 kV電纜設(shè)備發(fā)生2 353次絕緣故障,占總故障的62%,故障中有相當(dāng)大的比例是電纜安裝施工工藝不良所導(dǎo)致。因此探索更為嚴(yán)格、高效、可靠的電纜絕緣考核方法,對電網(wǎng)安全運(yùn)行尤為重要[4-6]。
局部放電實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為電氣設(shè)備絕緣考核的有效手段,目前已經(jīng)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 12706—2020、GB/T 7354—2018以及IEEE std 400.2-2013等都對局部放電實(shí)驗(yàn)和電纜絕緣評估給出了明確規(guī)定[7-9]。由于電纜是容性設(shè)備,其局部放電信號的頻譜特性、傳播特性和衰減特性較為復(fù)雜,且易受外施電源容量、體積等因素限制,所以德國、美國、日本等國家相繼提出了采用超低頻(0.1 Hz)交流電源作為電纜實(shí)驗(yàn)的外施電源[10,11]。與傳統(tǒng)工頻檢測手段相比,超低頻局部放電檢測技術(shù)可以同步實(shí)施電纜整體絕緣耐壓考核與絕緣缺陷局部放電檢測,極大地提高大容量試驗(yàn)下電纜本體和附件絕緣缺陷的檢出效率,減少電纜絕緣試驗(yàn)安裝調(diào)試環(huán)節(jié),提高現(xiàn)場作業(yè)效率[12-14]。然而,超低頻局部放電檢測作為一種新型的電纜缺陷檢測手段,其能否補(bǔ)充、完善甚至替代工頻耐壓局部放電檢測技術(shù),還需要對兩者的等效性和差異性進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。
國內(nèi)外對于超低頻電壓下電纜絕緣診斷研究已有一定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[15,16]開展了XLPE電纜超低頻介損測試,通過分析介損變化規(guī)律,提出了反向介損變化率和介損極差等特征參數(shù)以優(yōu)化超低頻下電纜絕緣狀態(tài)評判準(zhǔn)則;文獻(xiàn)[17]基于超低頻介損和U-I滯回曲線開展了XLPE電纜水樹枝老化狀態(tài)評估,發(fā)現(xiàn)可以結(jié)合U-I滯回曲線的偏轉(zhuǎn)角變化率與曲線形變率兩個特征量來有效評估電纜水樹枝老化狀態(tài);文獻(xiàn)[18]通過數(shù)理統(tǒng)計分析方法對比了超低頻和工頻電壓下XLPE電纜局部放電起始電壓、熄滅電壓以及局部放電量,發(fā)現(xiàn)了兩類電壓下局部放電存在等效關(guān)系;文獻(xiàn)[19]對比不同絕緣狀態(tài)XLPE電纜在50 Hz和0.1 Hz正弦場下的空間電荷響應(yīng),發(fā)現(xiàn)隨著老化程度加深,0.1 Hz正弦場下試樣的空間電荷密度明顯下降,為超低頻電場下電纜絕緣狀態(tài)評估提供了一定的理論基礎(chǔ)。
綜上所述,現(xiàn)有針對超低頻電壓下局部放電檢測的研究大多關(guān)注局部放電的起始和發(fā)展特性,對于兩類電壓下局部放電的檢出能力、統(tǒng)計特征和綜合等效性缺乏系統(tǒng)的對比分析。電纜接頭和電纜終端故障占絕大多數(shù),較多是由于現(xiàn)場制作和施工工藝不良缺陷所導(dǎo)致,因此,本文制作了包括斷口不齊、絕緣劃痕、夾層污染以及半導(dǎo)電層殘留在內(nèi)的四種典型的電纜缺陷模型,綜合開展了超低頻和工頻電壓下的局部放電實(shí)驗(yàn),依次從局部放電電壓特征、放電活躍性、相基統(tǒng)計特征和放電統(tǒng)計時延四個維度對比分析了四種典型XLPE電纜缺陷的局部放電特性。本文一方面對比了兩種電壓下局部放電檢測能力的等效性,另一方面也從絕緣缺陷診斷角度分析了兩種電壓下統(tǒng)計圖譜特征的差異性,驗(yàn)證了超低頻局部放電檢測作為一種適用于大容量電纜考核和診斷方法,能夠較好地替代工頻交流局部放電檢測技術(shù)。
超低頻電纜局部放電實(shí)驗(yàn)是采用0.1 Hz的超低頻正弦交流電源作為局部放電激發(fā)源,長時間對電纜試品進(jìn)行充電,如果電纜存在局部絕緣缺陷,則會在此電壓的作用下被擊穿。圖1為超低頻實(shí)驗(yàn)電源原理圖,通過自耦變壓器T1控制電壓幅值,通過正弦波調(diào)制T2將工頻電壓調(diào)制成超低頻電壓,再經(jīng)過高壓勵磁變壓器T3升高電壓,由橋式整流電路將波形負(fù)電壓翻轉(zhuǎn)成正電壓,之后再由極性轉(zhuǎn)換電路每半周期做一次極性變換,得到所需的0.1 Hz正弦波形,最后由濾波電路對波形進(jìn)行濾波,輸出平滑的0.1 Hz正弦波電壓。本實(shí)驗(yàn)的0.1 Hz高壓電源的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 超低頻交流高壓源的主要性能參數(shù)
圖1 超低頻實(shí)驗(yàn)電源原理圖
在超低頻電纜局部放電實(shí)驗(yàn)時,由于單個周期電壓波形持續(xù)時間相對較長(10 s),因此難以采用有限深度的采集卡進(jìn)行全周期高采樣率錄波。因此,本文采用流模式對高速采集卡進(jìn)行了開發(fā),使其能夠同時跟蹤交流相位和高頻脈沖高度,并配合電橋電路系統(tǒng)進(jìn)一步提高檢測靈敏度,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境校核,脈沖最低檢出峰值為5 mV。對于局部放電起始電壓的獲得,通過對超閾值放電脈沖信號鎖定方式來跟蹤記錄。
工頻電纜局部放電實(shí)驗(yàn)是通過對電纜試品施加50 Hz工頻交流電壓,最大程度地模擬電纜運(yùn)行狀態(tài)下的電氣性能,是電纜離線狀態(tài)下最有效、最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方法,能夠準(zhǔn)確地評估電纜的絕緣水平和性能損耗。工頻電纜局部放電實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示,包含工頻變壓器、保護(hù)電阻、耦合電容、電纜試品、測量阻抗、脈沖發(fā)生器等裝置。
圖2 工頻電纜局部放電實(shí)驗(yàn)平臺
雖然0.1 Hz和50 Hz交流局部放電實(shí)驗(yàn)在放電頻次、放電量以及施壓時間上存在較大差異,但50 Hz交流局部放電的脈沖統(tǒng)計方法及視在放電量的標(biāo)定方法同樣適用于0.1 Hz下的局部放電測量,在本文所測試的樣品回路參數(shù)條件下,局部放電最小檢測下限約為2.5 pC,校準(zhǔn)因數(shù)為2.04 mV/pC。
實(shí)際運(yùn)行中的電纜由于受到制造工藝、設(shè)計方式、施工安裝質(zhì)量、敷設(shè)環(huán)境、外力破壞、使用情況等因素影響會產(chǎn)生絕緣缺陷[20,21]。同時,在運(yùn)行過程中由于長期受到的電、熱、化學(xué)效應(yīng)的影響,電纜絕緣品質(zhì)逐漸劣化,最終也將導(dǎo)致絕緣破壞[22,23]。本文以10 kV銅屏蔽單芯電纜為主要實(shí)驗(yàn)對象,參與對比的缺陷共4種類型,依次為斷口不齊缺陷、絕緣劃痕缺陷、夾層污染缺陷以及半導(dǎo)電層殘留缺陷,各類缺陷電纜模型見表2。其中,斷口不齊缺陷位于半導(dǎo)體層和絕緣層界面處,缺陷尺寸長1 cm,寬0.5 cm;絕緣劃痕缺陷位于主絕緣本體外表面,缺陷尺寸長4 cm,深度為3~4 mm;夾層污染缺陷位于接頭預(yù)制件XLPE主絕緣本體外表面處,顆粒尺度約為0.1 mm,顆粒數(shù)量約100~150粒,分布面積約為5 cm2;半導(dǎo)電層殘留缺陷位于主絕緣本體上表面,缺陷尺寸長4 cm,寬0.5 cm。
表2 電纜的四類典型缺陷參數(shù)
本文通過人工制作缺陷方式獲得了四種典型缺陷的電纜樣品,并對樣品進(jìn)行了0.1 Hz和50 Hz電壓下局部放電起始電壓(Partial Discharge Inception Voltage,PDIV)和熄滅電壓(Partial Discharge Extinction Voltage,PDEV)測試,實(shí)驗(yàn)中取重復(fù)三次施壓的平均值作為比較結(jié)果,每次施壓間隔為15 min,每次升壓速度均保持0.1 kV/s。四種電纜典型缺陷在0.1 Hz和50 Hz電壓下的PDIV和PDEV測試結(jié)果見表3。其中PDIV為在絕緣間隙在多次施加沖擊電壓時,其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?。PDEV為加于試品上的電壓從已測到局部放電的較高值逐漸降低時,直至在試驗(yàn)測量回路中觀察不到這個放電值的最低電壓。kPDIV為0.1 Hz電壓與50 Hz電壓下PDIV的比值,用以比較這兩個頻率下的PDIV的相對大小;同樣的kPDEV為0.1 Hz電壓與50 Hz電壓下PDEV的比值,用以比較這兩個頻率下的PDEV的相對大小。
表3 電纜局部放電關(guān)鍵特征參數(shù)
由表3中0.1Hz和50Hz電壓下的測試結(jié)果對比可知,相同缺陷的PDIV均高于相應(yīng)PDEV,其中斷口不齊和半導(dǎo)電殘留兩種缺陷的差異最為明顯;0.1Hz電壓下PDIV和PDEV兩者均低于50Hz電壓下的結(jié)果,其中斷口不齊和夾層污染兩種缺陷的差距最為明顯。為了評價0.1Hz電壓與50Hz電壓在同等缺陷條件下激發(fā)局部放電的等效性,本文引入起始放電激發(fā)等效系數(shù)k來衡量,其值越小,說明0.1Hz能在更低電壓下激發(fā)局部放電。以PDIV為例,其計算方法如式(1),其計算結(jié)果見表3。
(1)
式中,PDIV0.1為0.1Hz電壓下的局部放電起始電壓;PDIV50為50Hz電壓下的局部放電起始電壓;kPDIV為局部放電起始電壓激發(fā)等效系數(shù)。
對于本文實(shí)驗(yàn)的四種典型缺陷,kPDIV與kPDEV均小于1,說明0.1Hz電壓均能夠在低于同等條件50Hz電壓下激發(fā)缺陷產(chǎn)生局部放電,且同一種缺陷類型的kPDIV與kPDEV的差距均在10%以內(nèi),說明頻率變化對于激發(fā)局部放電的影響基本可以不納入考慮范圍,進(jìn)一步證明了0.1Hz電壓與50Hz電壓在同等缺陷條件下激發(fā)局部放電的等效性。同時其中對于斷口不齊和夾層污染兩類缺陷的激發(fā)效率最高,主絕緣劃痕缺陷與50Hz電壓較為接近。造成0.1Hz電壓放電激發(fā)效率較高的原因可能與初始放電統(tǒng)計時延有關(guān),當(dāng)施加較低頻率電壓時,能夠給初始有效電子的產(chǎn)生給予更多的產(chǎn)生時間,因此在較低的電壓等級下產(chǎn)生初始放電的概率更大。
不同電壓時間尺度會影響放電電荷消散、積累和遷移過程,從而也體現(xiàn)在局部放電的活躍性變化上,因此本節(jié)對局部放電放電量和放電頻次跟隨兩種電壓上升的變化規(guī)律進(jìn)行對比分析,討論其動態(tài)變化特征。本文采用分段加壓的方式對四種電纜試品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),先緩慢升高實(shí)驗(yàn)電壓,當(dāng)電壓幅值達(dá)到PDIV后,以等電壓步長逐級升壓,每10 min為一個實(shí)驗(yàn)間隔,記錄從放電起始(1倍PDIV)至劇烈放電(2.5倍PDIV)整個過程中放電平均放電量和放電頻次的變化情況。需要指出的是,由于兩種電壓頻率不同,因此在統(tǒng)計放電量和放電頻次時,是以相同時間為基準(zhǔn),而非相同周期數(shù),對于放電頻次統(tǒng)計均以50 Hz周期時間20 ms為單位時間來計算。
由圖3可知,斷口不齊缺陷局部放電的平均放電量和放電頻次均隨電壓呈整體上升趨勢,并且在電壓高于1.75PDIV后,上升趨勢更加明顯,其中0.1 Hz電壓下的平均放電量隨電壓的動態(tài)上升趨勢及范圍與50 Hz電壓下的結(jié)果基本一致,但其放電頻次明顯低于50 Hz電壓下的結(jié)果,并且在1~1.75PDIV范圍內(nèi)放電頻次未呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢。
圖3 斷口不齊缺陷局部放電活躍性變化
由圖4可知,主絕緣劃痕缺陷局部放電的平均放電量和放電頻次均隨電壓呈整體上升趨勢,其中0.1 Hz電壓下的平均放電量隨電壓變化動態(tài)范圍與50 Hz電壓下基本一致,但在1.5PDIV~1.75PDIV區(qū)間內(nèi)的平均放電量高于50 Hz電壓下結(jié)果,其放電頻次在1.5PDIV~2.0PDIV區(qū)間則明顯低于50 Hz電壓下結(jié)果。
圖4 絕緣劃痕缺陷局部放電活躍性變化
由圖5可知,夾層污染缺陷局部放電的活躍性隨電壓變化的趨勢也基本保持一致,顯示出先穩(wěn)定上升再急劇上升的特征,在1.0PDIV~1.25PDIV區(qū)間內(nèi)50 Hz電壓下的平均放電量略高于0.1 Hz電壓下結(jié)果,但在1.25PDIV往后的區(qū)間內(nèi)二者的平均放電量便互有高低,但0.1 Hz電壓下的放電頻次在整個電壓變化范圍內(nèi)均小于50 Hz電壓下的結(jié)果,大約僅為后者一半。
圖5 夾層污染缺陷局部放電活躍性變化
由圖6可知在兩種電壓作用下,半導(dǎo)電層殘留缺陷局部放電活躍性隨電壓的變化呈近似線性趨勢,對于0.1 Hz電壓下的平均放電量尤為明顯,50 Hz電壓下的平均放電量雖偶有起伏但整體仍以線性趨勢增長,而0.1 Hz電壓下的放電頻次在整個電壓范圍內(nèi)明顯低于50 Hz電壓結(jié)果,其值均小于后者的一半。
圖6 半導(dǎo)電層殘留缺陷局部放電活躍性變化
由上可知,0.1 Hz電壓下局部放電活躍性在總體變化趨勢上與50 Hz電壓保持一致,其中平均放電量與后者差異較小,而放電頻次明顯低于后者。原因分析如下:50 Hz電壓頻次在單位時間內(nèi)電場翻轉(zhuǎn)頻次較多,在同等峰值條件下,更利于放電電荷的消散和缺陷電場的恢復(fù),因此單位時間內(nèi)的平均放電統(tǒng)計時延較小;而0.1 Hz電壓在單位時間內(nèi)造成的電場翻轉(zhuǎn)頻次較少,容易累積放電電荷,形成反向電場,阻礙缺陷處電場恢復(fù),從而降低了平均放電統(tǒng)計時延,因此放電頻次相比50 Hz電壓較低。
局部放電相位圖譜(Phase Resolved Partial Discharge,PRPD)是一種常用的局部放電統(tǒng)計分析方式,主要用于表征局部放電脈沖的工頻相位、脈沖幅度以及脈沖次數(shù)之間的聯(lián)系。本節(jié)分別對四種典型電纜缺陷的PRPD圖譜及其特征進(jìn)行對比分析。
圖7為0.1 Hz和50 Hz電壓下斷口不齊缺陷的PRPD圖譜,可以發(fā)現(xiàn)該缺陷在0.1 Hz電壓和50 Hz電壓下均表現(xiàn)出極性效應(yīng),即工頻正半周的放電量高于負(fù)半周,并且兩種電壓下圖譜輪廓特征存在明顯差異。相比50 Hz下放電脈沖分布,0.1 Hz電壓下的放電分布相位大多集中在峰值附近,而前者多分布在電壓上升沿附近。
圖7 斷口不齊缺陷PRPD圖譜(1.5PDIV)
圖8為絕緣劃痕缺陷在兩種電壓下的PRPD圖譜,兩種電壓下放電的幅值分布較為集中,而相位分布較寬,50 Hz電壓相比0.1 Hz電壓出現(xiàn)了明顯的“兔耳”分布特征。圖9為夾層污染缺陷在0.1 Hz和50 Hz電壓下的PRPD圖譜,兩種電壓下放電脈沖分布相位范圍較為相似,但0.1 Hz下過零點(diǎn)處的幅值分布陡度相比50 Hz下的陡度更大,且過零點(diǎn)前后區(qū)域放電分布較為密集。
圖8 絕緣劃痕缺陷PRPD圖譜(1.5PDIV)
圖9 夾層污染缺陷PRPD圖譜(1.5PDIV)
圖10為半導(dǎo)電層殘留缺陷在兩種電壓下的PRPD圖譜,半導(dǎo)電層殘留使得夾層中出現(xiàn)封閉氣隙,兩種電壓下放電分布均呈現(xiàn)與絕緣內(nèi)部氣泡放電相類似的包絡(luò)輪廓特征,0.1 Hz電壓下幅值分布相比50 Hz電壓較為稀疏。
圖10 半導(dǎo)電層殘留缺陷PRPD圖譜(1.5PDIV)
通過上述對比分析可知,雖然四種典型缺陷在兩種電壓下的PRPD分布輪廓有相似之處,但兩者在幅值和相位分布密度上存在明顯差異,在實(shí)際應(yīng)用0.1 Hz電壓下PRPD圖譜進(jìn)行放電識別時,存在與50 Hz電壓下PRPD圖譜識別規(guī)則不一致的情況,若直接應(yīng)用50 Hz電壓下PRPD圖譜識別規(guī)則來指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際,可能會導(dǎo)致誤判或失效等問題,因此需要積累更多0.1 Hz電壓下的典型缺陷PRPD圖譜。
針對單一類型的局部放電脈沖分析,它幅值分布的累積概率分布與兩參數(shù)的Weibull分布相符合。其具體分布函數(shù)F(qi)與概率密度函數(shù)f(qi)如式(2)所示:
(2)
式中,qm為所測放電信號;qs為測量儀器靈敏度;α為形狀參數(shù),決定分布密度曲線的基本形狀;β為尺度參數(shù),起放大或縮小曲線的作用。
本節(jié)以此為基礎(chǔ)完成放電脈沖時序特征的對比,來分析0.1 Hz和50 Hz電壓對局部放電時延的影響,并進(jìn)一步說明造成兩者放電活躍性差異的原因,同時也為0.1 Hz電壓下局部放電診斷提供參考。
圖11為0.1 Hz電壓和50 Hz電壓下四種典型缺陷在起始放電階段的放電脈沖時間間隔的Weibull概率分布。由圖11可知,四種典型缺陷在0.1 Hz和50 Hz兩種電壓下的放電脈沖時間間隔具有顯著差異,而四種典型缺陷在相同電壓下的脈沖間隔也差距明顯。總體而言,前者放電脈沖時延間隔明顯高于后者,四類缺陷中,絕緣劃痕缺陷的放電時延間隔差距最小(在0.1 Hz下,Δt=26.23 ms;在50 Hz下,Δt=9.17 ms),而半導(dǎo)電層殘留缺陷的放電時延間隔差距最為顯著(在0.1 Hz下,Δt=49.34 ms;在50 Hz下,Δt=5.37 ms)。該結(jié)果進(jìn)一步說明了3.2節(jié)中0.1 Hz電壓下局部放電頻次相對較低是由放電時延較長所導(dǎo)致的,但對于0.1 Hz電壓單位工頻周期內(nèi)的放電脈沖頻次而言,其統(tǒng)計結(jié)果遠(yuǎn)高于50 Hz電壓。
圖11 0.1 Hz電壓和50 Hz電壓下四種典型缺陷局部放電脈沖間隔時間Weibull概率分布
表4中對比了四種典型缺陷在兩種電壓下其放電脈沖的63.2% Weibull概率統(tǒng)計時延。造成上述結(jié)果的主要原因是50 Hz電壓下缺陷內(nèi)部電場變化率和翻轉(zhuǎn)速率較高,更有利于放電電荷消散和電場恢復(fù),從而在單位時間內(nèi)的多個周期產(chǎn)生更為密集的放電,而0.1 Hz電壓下電場變化率低,放電記憶效應(yīng)顯著,其放電電荷形成的反向電場與施加電場相抵消,從而延長了臨界電場的恢復(fù)時間。
表4 0.1 Hz和50 Hz電壓下四種典型缺陷局部放電脈沖間隔時長
本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了超低頻(0.1 Hz)和工頻(50 Hz)電壓下XLPE電纜接頭四類典型缺陷的局部放電實(shí)驗(yàn),從局部放電電壓特征、放電活躍性、相基統(tǒng)計特征和放電統(tǒng)計時延四個方面開展了對比分析研究,相關(guān)結(jié)論如下:
(1)本文中四種典型缺陷的kPDIV均小于1,說明在0.1 Hz電壓激發(fā)下電纜缺陷更易產(chǎn)生局部放電,且對于斷口不齊和夾層污染兩類缺陷的激發(fā)效率最高,而主絕緣劃痕缺陷與50 Hz電壓較為接近。
(2)兩類電壓下四種缺陷的局部放電活躍性均與電壓呈正相關(guān)性,且兩類電壓下局部放電平均視在放電量趨近一致,但0.1 Hz電壓下的放電頻次明顯低于后者,而單位周期內(nèi)的放電數(shù)量遠(yuǎn)高于后者。
(3)四種缺陷在兩類電壓下的PRPD分布在幅值和相位分布密度上存在明顯差異,在實(shí)際應(yīng)用0.1 Hz電壓下PRPD圖譜進(jìn)行放電識別時,直接采用50 Hz電壓的圖譜識別規(guī)則可能會導(dǎo)致誤判或失效等問題。為了提升超低頻電纜局部放電檢測技術(shù)的準(zhǔn)確度,需要積累更多典型缺陷PRPD圖譜來指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。
(4)四種典型缺陷在0.1 Hz電壓下的放電時間間隔明顯高于50 Hz電壓下的結(jié)果,其主要原因是50 Hz電壓下電場變化率較高,更有利于放電電荷消散和電場恢復(fù),在單位時間內(nèi)產(chǎn)生更為密集的放電;而0.1 Hz電壓下電場變化率低,放電記憶效應(yīng)更為顯著,其放電電荷形成的反向電場與施加電場相抵消,從而延長了臨界電場的恢復(fù)時間。