10 kV XLPE电缆接头典型绝缘缺陷的局部放电特征分析

2020-12-07胡丽斌李陈莹

绝缘材料 2020年8期

夏睿，谭笑，陈杰，刘洋，胡丽斌，李陈莹，王伟

（1.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 211106；2.江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏南京 210036；3.华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京 102206）

0 引言

交联聚乙烯电力电缆在我国电力建设中，尤其是电网的发展与改造中得到了广泛使用，随之而来的是各种电缆缺陷故障的产生[1-5]，这些问题对电网的安全运行产生了较大的影响，因此，对电缆绝缘进行状态检测具有重要的实际意义。由于局部放电（PD）既是引发电缆故障的重要原因，同时也能够较全面灵敏地反映电气设备的绝缘状态[6-7]，国际电力权威组织一致建议采用局部放电检测来评估电缆的绝缘状态[8-14]。

国内外许多研究者针对10 kV XLPE电缆常见的典型缺陷进行了模型的制作和局部放电的研究。常文治等[15]在10 kV电缆上预设了中间接头导体接管处错缠绝缘胶带、端部针尖、本体外半导电层破损、端部悬浮等典型缺陷，并对缺陷施加电压，测量分析了多种缺陷在不同严重程度下的相位统计特征。龙红星[16]制作了XLPE电缆的几种典型缺陷模型，包括应力锥搭接过长、高电位金属尖端、外半导电层气隙、外半导电层尖端，获取局部放电信号之后使用时频分析法对数据进行了分析。王亚军[17]依据10 kV交联聚乙烯电缆在运行过程中容易出现的典型缺陷，制作了外半导电层尖端、外半导电层气隙、高电位金属尖端、应力锥搭接过长等4种中间接头缺陷模型，开展了缺陷的特征提取和识别方法的研究。周凯等[18]设计了电缆终端的两种常见刀痕缺陷，通过电缆附件老化平台模拟真实工况并加速老化，使电缆终端缺陷的局部放电特征更为明显，并对缺陷的局部放电特征进行了分析。WU J等[19]制作了10 kV电缆附件的人为缺陷，并研究了工频叠加脉冲电压作用下的局部放电现象。V BADMERA等[20]制作了半导电尖刺、刀痕缺陷电缆，并对该电缆进行局部放电测试来分析局部放电量的变化。C H LEE等[21]设置了应力锥错位、气隙、遗留物和针刺模型，试图对各种缺陷的放电特征进行分离识别。

对比上述文献中的缺陷局部放电谱图，虽然放电点的相位和放电点的数量有所差别，但对这些缺陷进行分类仍然需要通过专家或者经验来判断，尚未形成统一的标准来区分各种缺陷的类型。

本研究首先对10 kV XLPE电缆制作了5种典型缺陷，然后搭建高频电流传感器局部放电检测系统来获得局部放电数据[22]，并进一步生成PRPD谱图和时频（TF）谱图，最后通过比较PRPD谱图和TF谱图的差异，选择TF谱图对电缆缺陷进行分类。

1 高频电流传感器（HFCT）局部放电检测原理及试验系统

1.1 高频电流法基本原理

高频电流法是一种广泛使用的非接触式局部放电检测手段，目前在电缆、GIS、变压器等电力设备上均有使用。其对放电脉冲信号的检测频率范围广（kHz～MHz），灵敏度高，适用性好[23-24]。

高频电流传感器（HFCT）利用电磁感应的原理来测量局部放电信号。当脉冲电流信号穿过传感器磁芯时，交变电场在磁芯线圈上产生感应电压经由积分电阻输出，HFCT传感器结构原理如图1所示。

图1 高频电流传感器结构原理图Fig.1 Structural schematic diagram of high frequency current sensor

电流激励信号i1(t)和磁环感应信号e(t)之间具有式（1）所示关系。

式（1）中，M为互感值，其表达式为式（2）。

式（2）中：N为次级线圈匝数；S为磁心截面；l为磁路长度。

HFCT传感器等效电路如图2所示，其中，L为线圈自感，RL为线圈电阻，Ro为采样电阻。

图2 HFCT等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of HFCT

传感器感应信号e(t)与电路中各元件的关系如式（3）所示，其中线圈自感L由式（4）计算。

当满足一定关系时[24-25]，可近似认为高频电流传感器输出电压为式（5）。

从式（5）中可以看出，当选定硬件后，Ro/N是一个固定值，在输入电流不使磁环饱和的情况下，可认为高频电流法的灵敏度不受电容值的影响。

1.2 高频电流局部放电检测系统构成

基于高频电流传感器的局部放电检测系统由变压器、分压器单元、高频电流传感器、采集卡、上位机等设备组成，系统接线如图3所示。其中高频电流传感器的检测频带为100 kHz～100 MHz，最低检测信号为2 pC；高速百兆实时采集卡的采样率为100 MS/s。

图3 高频电流法系统接线图Fig.3 Connection diagram of high frequency current method system

2 典型缺陷电缆的制作

去除外力破坏电缆结构的情况，电缆附件缺陷及电缆敷设安装过程中造成的缺陷故障占总缺陷故障的39%[1]。为了提取电缆缺陷放电特征，制作了5种最常见的电缆中间接头缺陷：主绝缘刀痕、外半导电尖刺、半导电遗留物、主绝缘气泡、导电通道缺陷。

电缆接头制作过程中由于需要剥离主绝缘外的半导电层，一般使用玻璃或者电工刀等工具进行操作，在这个过程中可能会剖切过深划伤主绝缘，从而形成主绝缘的刀痕缺陷；半导电层与主绝缘粘结紧密，可能剥离不干净，若残留的半导电层在根部，即形成半导电尖刺缺陷；若残留的半导电层为附着于主绝缘上的小块或颗粒，则形成半导电遗留物缺陷；挤包电缆有可能在生产过程中产生小气泡，即为主绝缘气泡缺陷；电缆长期运行过程中会发展形成电树，从而形成导电通道缺陷。这5种缺陷是电缆最易出现的缺陷，同时制作这些缺陷也较为方便。

在实验室制作了上述5种典型绝缘缺陷的10 kV交联聚乙烯电缆试样，制备方法如表1所示，制备好的电缆典型缺陷外观如图4所示。

表1 10 kV典型绝缘缺陷的真型电缆试样Tab.1 The 10 kV real cable samples with typical insulation defects

典型电缆缺陷局部放电试验按照下列步骤进行：①使用校准源对电缆测试系统进行校准；②从控制台缓慢升高电压，直至采集系统采集到局部放电脉冲信号；③待放电平稳后记录5 000个脉冲信号；④降压、放电，试验完毕；⑤更换带有缺陷的电缆，重复上述试验步骤。

3 试验结果与分析

图5 典型绝缘缺陷电缆PRPD谱图Fig.5 PRPD of cable with typical insulation defects

图5为工频电压下激发5种缺陷模型局部放电时测得的PRPD谱图，图中噪声阈值取9 pC，正弦波峰值对应激发局部放电时的工频电压峰值。

对5种缺陷电缆的PRPD谱图按局部放电相位区间与最大局部放电量进行分类，得到典型缺陷的放电特征，如表2所示。

表2 典型绝缘缺陷电缆局部放电特征Tab.2 Partial discharge characteristics of cables with typical insulation defects

从PRPD谱图中无法清晰具体地用形状、分布特征等参数来区分5种缺陷。而5种缺陷的最大局部放电量也不相同，最大局部放电量这一参数也不足以用来作为区别上述缺陷电缆的有效指标。

同一个局部放电源产生的信号是十分相似的，通常采集数据中包含的信号来源不止一个。使用一种数据处理方法将不同局部放电源的信号进行分离，则可对不同放电源进行分别处理。采集到的放电信号同时具有时域、频域特征，通过时频分析算法对局部放电脉冲信号进行处理，提取每一个信号的等效时长T、等效频宽F作为信号源分离的依据。T、F的定义与信号处理方法如下[26-29]：

设脉冲信号的时域表达式为S(t)，定义一个时域脉冲的时间重心为N，则其表达式为式（6）。

对时域脉冲信号进行归一化，得到SN(t)如式（7）所示。

取归一化后的时域信号波形求取其时间重心（平均时间），如式（8）所示。

定义脉冲的等效时长为T，如式（9）所示。

等效时长将脉冲信号的持续时间以一个数值进行表示，虽然在将脉冲转化为等效时长的过程中失去了信号的波形信息，但这种转化能够方便地描述时域信号集中于其重心的程度。

（2）等效频宽F

脉冲信号的频域包含的信息很丰富，通过等效频宽的转换可以使其便于分类。时域波形S(t)经过FFT变换之后得到S(ω)，然后对频域波形进行归一化处理，之后参照时间重心的定义方法定义频率重心，如式（10）～（11）所示。

得到频域重心之后，与时域的处理方法类似，定义脉冲的等效频宽为F，如式（12）所示。

等效频宽将脉冲信号的频域信息以一个数值进行表示，虽然在将脉冲转化为等效频宽的过程中失去了信号的频域波形信息，但这种转化能够方便地描述信号频域信息集中于其重心的程度。

1) 经洋山港东支航道和金山航道的内支线过往船舶较多，日均286艘次，船舶类型较为复杂，速度差别较大。

图6为5种缺陷电缆局部放电信号的TF谱图。从图6可以看出，通过局部放电信号的TF谱图可以清晰地区别这5种缺陷电缆的局部放电信号。

图6 典型绝缘缺陷电缆局部放电TF谱图Fig.6 TF map of cable with typical insulation defects

主绝缘刀痕缺陷电缆的TF图中放电点集中分布，只有一簇，说明该缺陷电缆中只激发出了一种放电，且只有单一局部放电源。

外半导电尖刺缺陷电缆的TF谱图中放电点分布较为复杂，可能是多种放电形式叠加所成。由于电缆缺陷模型制作复杂，可能导致在某激发电压下同时产生数种放电，造成放电复合过程比较复杂。

半导电遗留物缺陷电缆的TF谱图中放电点分布于两簇，说明该电缆激发出了两个放电源，并且由于簇分布特征不同，可以推断这是两种不同类型的放电。

主绝缘气泡缺陷电缆的TF图中放电点集中分布，只有一簇，说明该缺陷电缆中只激发出了一种放电，且只有单一局部放电源。其放电与主绝缘刀痕缺陷类似，说明两者都属于电缆内的气隙放电。

导电通道缺陷电缆的TF谱图中放电点分布较为复杂，可能是多种放电形式叠加所成。由于导电通道的形成具有随机性，其放电属于多种放电的复合。

4 典型缺陷的特征和识别方法

10 kV等级典型绝缘缺陷的局部放电特征如表3所示，工程应用中可综合使用PRPD与TF谱图对不同类型的接头缺陷放电进行区分。首先，从PRPD谱图中能较清晰地辨别出半导电遗留物与导电通道的放电特征，其中半导电遗留物放电集中在第一、第三象限，放电团簇分为两团，类似羽翼形状，导电通道放电主要发生在第一象限，谱图呈三角形。而其余3种缺陷的放电仅依靠PRPD谱图不足以完成识别，应结合TF谱图进行区分。以主绝缘刀痕缺陷为例，其放电集中在第一、第三象限，其中第三象限放电幅值大、次数多，谱图呈山峰团簇状。该缺陷的PRPD与气泡缺陷、外半导电尖刺缺陷相似，但一旦结合TF谱图，则这3种放电的特征足够分化，易于识别。外半导电尖刺放电、气泡放电可按表3中的特征进行区分。