不同工頻電壓下110kV級X L P E電纜絕緣中電樹枝生長情況與局放特征

喻巖瓏，吳延坤，陳廣輝，王偉，隋恒，馬樂

（1.華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206；2.聊城市供電局，山東聊城252000；3.青海超高壓運行檢修公司，青海西寧810000）

不同工頻電壓下110kV級X L P E電纜絕緣中電樹枝生長情況與局放特征

喻巖瓏1，吳延坤1，陳廣輝1，王偉1，隋恒2，馬樂3

（1.華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206；2.聊城市供電局，山東聊城252000；3.青海超高壓運行檢修公司，青海西寧810000）

The National Basic Research Program of China（2009CB-724506）。

電力電纜是電力系統輸變電的非常重要的設備，對電力負荷安全，電力可靠傳輸具有不可或缺的作用，不完全統計表明，已投入運行的高壓電纜線路中，最高電壓等級已達500kV，110kV及以上的高壓電纜線路達數百km。XLPE電纜絕緣中的缺陷主要有毛刺、雜質和氣隙，這些存在的缺陷極易引發電樹枝并迅速生長，并將對電纜以及電力系統的安全運行構成嚴重的威脅[1-2]。因此，電樹枝已成為制約高壓XLPE電纜運行壽命與可靠性的主要因素。為了防止高壓電纜事故的突發，確保電力系統的正常穩定運行，對絕緣電樹枝化嚴重程度前期預警是非常有必要的[3-5]。

局部放電試驗已經被GIGRE、IEEE等國際電力權威機構以及國內外的專家學者公認為，是XLPE電纜絕緣狀況評價的最佳方法[6-7]，因此，我們搭建了基于電樹枝生長及局部放電的電纜切片在線監測測試系統，一方面在工頻不同電壓等級下，觀察實際110kV XLPE電纜切片中電樹枝的發展情況，另一方面，測局部放電特征量，對比分析二者的變化規律，發現對于叢林狀電樹，一些局放特征量與其生長有較好的一致性，可作為電樹發展程度預測的參考依據[8-9]。

1 試驗系統

1.1 試驗試樣與制作

該實驗中，電極采用典型的針-板電極，其中的針電極為奧氏體不銹鋼針，曲率半徑為6±1μm，試樣采用實際的110kV XLPE電纜切片，切片厚度為3mm，內半導電層厚度約為1.5mm，通過表面打磨使切片表面光滑、透明，以便于觀察其內部的電樹枝現象，通過加熱針電極使針尖緩慢插入絕緣中，避免在針尖處產生氣隙，針板電極間距離控制為4～4.5mm，其中交聯聚乙烯絕緣長度約為3～3.5mm，電纜切片的內半導電層厚度約為1.5mm。

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。利用該系統對切片持續加壓，同時對電樹枝的圖像及局部放電的數據進行實時采集。為了限制高壓下切片發生閃絡以及外部放電，我們選擇將試樣浸在變壓器油中，電樹枝發展圖像先通過顯微鏡采集，然后通過CCD成像，最后遠距離傳輸到工控機處理。局部放電信號測量是用積分電阻經信號放大器傳至示波器觀測，并將信號用工控機程序采集保存，信號放大器頻帶為3～50MHz，積分電阻為0.5Ω無感電阻。

圖1 試驗系統Fig.1 Test systems

首先，將針電極浸入變壓器油中，此時沒有放入電纜切片，將電壓均勻緩慢升高，我們升至45kV也沒檢測到局部放電，說明變壓器在45kV的空載電壓下沒用內部放電，能滿足我們的試驗要求。空載時，背景噪聲低于100mV，噪聲信號放電量通過標定后小于50pC。若每次試驗條件相同，則重復性實驗（每次試驗重復5～10次）結果較為一致，因此可作為規律性實驗結果。

2 試驗結果

2.1 不同電壓下電樹枝生長特性

我們擬對試樣分別施加9kV、12kV、18kV電壓，實時觀察電樹枝生長情況，發現不同電壓下樹枝生長情況各不相同。電壓由低到高的情況下電樹枝形狀如圖2所示（圖中紅線長度為0.2mm）依次為枝狀、稠密枝狀和叢林狀電樹枝。其中枝狀電樹枝的樹枝顏色最淺，而叢林狀電樹枝的樹枝顏色最深，按樹枝通道的導電特性，可以將電樹枝分為導電型和非導電型。一般來說導電型電樹枝顏色較深，非導電型電樹枝顏色較淺。說明3種電樹枝通道內的腐蝕程度存在很大的差異，生長機理也不同。

圖2 不同電壓下電樹枝形態Fig.2 Electric tree shape on different voltage

作出不同電壓下電樹枝的生長長度曲線，如圖3所示，3條曲線分別對應3個電壓下的電樹枝生長曲線，其中9kV下枝狀電樹枝的生長速度最快，稠密枝型電樹枝的生長速度其次，叢林狀電樹枝的生長速度最慢。

圖3 電樹枝生長長度和加壓時間的關系Fig.3 The relationship between growth length of electric tree and the voltage applied time

經過數次的相同試驗，我們發現9kV和12kV下生成的電樹枝，當有一條樹枝通道貫穿XLPE絕緣后（樹枝達到內半導電層），由于內半導電帶的存在，電纜切片沒有馬上擊穿，而是其他樹枝通道在絕緣中繼續發展，XLPE絕緣中的電樹枝面積不斷增大，稠密枝狀電樹切片（12kV下）大約會在幾十分鐘以后擊穿，純枝狀電樹（9kV下）的擊穿時間會更長大約幾h甚至十幾h。叢林狀電樹枝在XLPE絕緣中生長速度最慢，但是當有一枝放電通道貫穿XLPE絕緣后，電纜切片會在1～2min內擊穿，因此，叢林狀電樹枝的電纜切片樹枝貫穿通道到擊穿時間最短。如圖4所示，圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別是9kV、12kV、18kV時電樹枝發展和擊穿情況。

圖4 不同電壓下電樹枝形態Fig.4Electric tree shape under different applied voltages

因為電樹枝在其尖端的電場強度很大，所以在樹枝生長的初始階段，一般會先出現出生長速度很快的樹狀電樹枝。在針板電極的距離較大，電樹枝不能很快發展到板極而引發擊穿的條件下，若所施電壓較低，則放電的破壞性不大，樹枝從根部發展較慢，且其形狀在較長時間內可維持樹狀；若所施電壓較高，則放電的破壞性較大，樹枝從根部的發展較快，且可以在很短時間形成叢狀。因此，在樹枝生長早期，其形狀隨著電壓的升高可以由樹狀發展為叢狀。所以電纜切片上施加電壓為9kV或12kV時，針電極處場強較18kV小，針電極每次注入和抽出的電子能量較為微弱，針電極注入的電子到達樹枝尖端處時對XLPE分子鏈的撞擊能力減弱，此時的電樹枝通道中碳化率較低，即生長為非導電型電樹枝，即使樹枝通道貫穿主絕緣后，電纜切片中不會立即發生擊穿，隨著局部放電的發展，枝狀通道中碳化率逐漸增大，導電率增大，電樹枝尖端處電場也逐漸增大，電子對XLPE分子鏈的破壞能力增加，直至最后擊穿。相對來講，對于18kV時，電樹枝的發展相對簡單，由于針電極處場強較大，針電極處注入的電子對XLPE分子鏈的破壞能力要大得多，加壓開始后較短時間內即出現濃密的樹枝通道，且樹枝碳化嚴重，形成的電樹顏色很深，為導電型的電樹，叢林電樹相互抑制生長緩慢，當有一個或數個電樹通道貫穿絕緣后，電纜切片立即擊穿。

2.2 不同電壓下電樹枝生長時的局部放電特征

電樹枝的生長過程非常復雜，要受到很多因素的影響，如局部放電，電場，空間電荷分布，通道電導，氣體壓力，機械應力，材料形態等，特別是像交聯聚乙烯這樣的高壓電氣設備中的聚合物絕緣介質，情況更要復雜[10-12]，電樹枝引發之后就伴隨著局部放電，我們著手研究，希望通過一些局放特征來反映電樹枝生長情況。

試驗中我們每個采樣段采集100個工頻周期的局放數據，在電樹枝從引發到擊穿不同的發展階段，我們都采集若干局放數據用作統計規律的研究，對每個采樣段的100個工頻周期的數據處理。選取以下3個特征量：

1）Umax為100個工頻周期中局部放電最大幅值的絕對值；

2）Uav為100個工頻周期中平均每個周期內的局部放電幅值的絕對值之和；

3）Nav為100個工頻周期中平均每個周期內局部放電次數。

它們分別表征一個放電采樣段中的最大放電量，放電總量和一個工頻周期的平均放電次數。不同電壓下Umax，Uav和Nav隨時間變化趨勢如圖5所示。

可以看出，在3個電壓下，整個電樹枝生長過程放電量和放電次數都有相似的變化規律，9kV時電樹枝生長過程中有一段時間局部放電熄滅，整個過程的最大的放電量在電樹枝生長的前期階段；12kV時電樹枝生長過程中局部放電特征量存在一個衰減期，但最大的放電量在生長末期；18kV時局放特征量都有平穩緩慢增長趨勢。

電樹枝長度與Uav，Nav隨時間變化趨勢如圖6所示,可見圖6（c）中當所加的電壓為18kV時，有2種發展趨勢是比較吻合的，他們分別是每個工頻周期中的局放量和放電次數。Uav和Uav隨時間單調發展，并且在電樹枝發展的3個階段（電樹枝初始生長、樹枝發展速度延緩和樹枝長度突然增加到絕緣臨近擊穿），它們也伴隨著相似的變化，即曲線中拐點幾乎一致，說明在電樹枝快速生長階段，由于叢林狀樹枝的碳化率較高，樹枝通道的導電率大，隨著樹枝的生長，樹枝段的場強越來越大，高壓電極注入的電子獲得的能量也越來越大，宏觀上表現為局部放電能力和頻率也越來越大。而9kV和12kV時沒有這樣明顯的特征，說明對于碳化程度高的導電型的電樹枝局放傳播更劇烈，對絕緣的危害更大，即電壓等級越高產生導電型電樹的可能性越大。

圖5 不同電壓下Umax，Uav和Nav隨時間變化圖Fig.5 The figure of Umax，Uavand Navvaried with time under different voltages

對于高壓電纜特別是110kV及以上等級電纜線路的電壓幅值較高，其電纜本體中電樹枝一般為導電型的叢林狀電樹枝，危害很大。因此，對高壓電纜中電樹枝發展嚴重程度進行預警有很好的實際意義，基于得出叢林狀電樹生長與Uav和Nav關系曲線一致，用局放放電每周期局部放電幅值的絕對值之和Uav和放電次數Nav的特征量作為預警指標也是有實際意義的。

圖6 Uav，Nav與電樹枝長度L變化趨勢圖Fig.6 The figure of Uav,Navvaried with electric tree length

3 結論

1）對110kV電纜切片試樣分別施加9kV、12kV、18kV有效值電壓時，電樹依次為枝狀、稠密枝狀和叢林狀。其中枝狀電樹枝的樹枝顏色最淺，而叢林狀電樹枝的樹枝顏色最深。當樹枝到達內半導電層時，最先擊穿的是叢林狀電樹。

2）9 kV時電樹枝生長過程中有一段時間有局部放電熄滅現象，整個過程的最大的放電量在電樹枝生長的前期階段；12kV時電樹枝生長過程中局部放電特征量存在一個衰減期，但最大的放電量在生長末期；18kV時局放特征量都有平穩緩慢增長趨勢。影響這些因素的關鍵在于電樹枝的導電性。

3）當所加的電壓為18kV時，有2種發展趨勢是比較吻合的，他們分別是每個工頻周期中的局放量和放電次數。Uav和Uav隨時間單調發展，并且在電樹枝發展的3個階段（電樹枝初始生長、樹枝發展速度延緩和樹枝長度突然增加到絕緣臨近擊穿），它們也隨之相應變化。

4）基于得出叢林狀電樹生長與Uav和Nav關系曲線一致，對于110kV級以上高壓XLPE電纜用局放放電每周期局部放電幅值的絕對值之和Uav和放電次數Nav的特征量作為電樹發展程度預警指標有很大實際意義。

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Growth Situation and Partial Discharge Characteristics of Electrical Tree in 110kV XLPE Cable Insulation at Different Power Frequency Voltages

YU Yan-long1,WU Yan-kun1，CHEN Guang-hui1,WANG Wei1,SUI Heng2,MA Le3
（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206,China；2.Liaocheng Power Supply Bureau,Liaocheng 252000,Shandong Province,China;3.Qinghai Power EHV Inspection and Repair Company,Xining 810000,Qinghai Province,China）

In the aging process of the 110kv XLPE cable,it is found that the growth characteristics of the electrical tree are differentatdifferentvoltages.By analyzing the growth characteristics and partial discharge at each stage,it is found that the maximum quantity of a partial discharge and frequency of partial discharges within one power frequency cycle are related to the characteristics of the tree growth.Results have proved that certain features of the partial discharge can better reflect severity of the electrical tree.

power frequency voltage；XLPE insulation;electrical tree growth;partial discharge

通過實時觀測110kV電纜切片中電樹枝老化過程，發現在不同電壓等級下電樹枝生長特性各異。將其生長特性與各階段采集到的局部放電數據進行統計分析，發現一個工頻周期內的最大放電量和放電次數與樹枝生長有一定關系，9kV時電樹枝生長過程中有一段時間有局部放電熄滅現象，整個過程的最大放電量在電樹枝生長的前期階段；12kV時電樹枝生長過程中局部放電特征量存在一個衰減期，但最大的放電量在生長末期；18kV時局放特征量都有平穩緩慢增長趨勢。結果表明，通過局部放電某些特征量能較好地反映電樹生長嚴重程度。

工頻電壓；XLPE絕緣；電樹枝生長；局部放電

國家重點基礎研究發展計劃項目（973項目）（2009CB-724506）。

1674-3814（2011）12-0014-05

TM 855

A

2011-03-09。

喻巖瓏（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向為電氣設備狀態檢測與故障診斷。

（編輯 董小兵）