高壓XLPE電纜中電樹枝生長的局部放電檢測

孫國繁，陳建杰，張世魁

(山西省電力公司運城供電分公司，山西 運城 044000)

1 前言

近年來，XLPE電力電纜作為電力電纜的主流產品已經廣泛應用于高壓和超高輸電線路中。據不完全統計，已投入運行的110kV及以上的高壓電纜線路達數百公里，最高電壓等級已達500kV以上［1］。電樹枝化是電纜本體老化的主要因素，它是一種出現在XLPE中的電致裂紋現象，由于電纜中雜質、氣泡等缺陷造成局部電場集中，電場集中處會發生電子的注入－抽出現象，造成XLPE分子鏈的斷裂，宏觀上表現為絕緣中的局部放電。一旦在電纜本體中產生電樹枝，樹枝通道會迅速發展直到絕緣擊穿，直接威脅高壓和超高壓電纜線路穩定長期運行［2，3］。因此，對絕緣電樹枝化嚴重程度前期預警，是防止高壓電纜突發性事故，確保電力系統正常運行的重要手段。

國內外的專家學者以及IEEE、CIGRE等國際電力權威機構組織一致認為局部放電試驗是XLPE電纜絕緣狀況評價的最佳方法，為了利用局部放電技術對高壓XLPE電力電纜中電樹枝化嚴重程度進行狀態評估，需要建立局部放電特征量與電樹枝生長之間的關系，通過電纜中局部放電特征量的變化評估電樹枝的嚴重程度［4－6］。本文搭建了電樹枝生長及局部放電在線檢測試驗系統，通過觀察實際110kV XLPE電纜切片中電樹枝的發展情況與所得的局部放電特征量進行對比，分析電樹枝的生長與局部放電特征量的變化規律，以找到能有效表征電樹枝發展程度的局部放電特征量［7－9］。

2 實驗系統

2.1 試樣及制備

本實驗中，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，經過專門的表面打磨技術使切片表面光滑、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，針板電極間距離為4～4.5mm，其中XLPE長度為3～3.5mm，電纜切片的內半導電層厚度為1.5mm。

2.2 系統搭建

采用圖2所示系統對試樣連續加壓，并實時采集電樹枝圖像及局部放電數據。將試樣浸在變壓器油中以防止試樣發生沿面閃絡［10］，工頻實驗變壓器在45kV空載電壓下沒有發現變壓器內部放電現象，顯微鏡采集到的圖像經CCD成像后遠距離傳輸至工控機，信號放大器頻帶為3～50MHz，積分電阻為無感電阻，空載試驗下背景噪聲小于100mV，經放電量標定，噪聲信號放電量小于50pc。

圖1 實驗系統和試樣示意圖

相同條件下對每次實驗重復2～3次，發現重復性實驗結果較為一致，可作為規律性實驗結果。

3 實驗結果及分析

3.1 電樹枝生長特性

3.1.1 不同電壓對電樹枝生長的影響

均勻升壓的情況下，對試樣分別施加9kV、12kV、18kV電壓，連續觀察電樹枝生長情況，不同電壓下樹枝生長情況各不相同。電壓有低到高的情況下電樹枝形狀如圖3所示依次為枝狀，叢林－狀和叢林狀電樹枝。其中紅線長度為0.2mm。

圖2

9kV和12kV下生成的電樹枝，有一條通道貫穿XLPE材料后，由于內半導電帶的存在，電纜切片沒有馬上擊穿，其它通道在絕緣中繼續發展，XLPE中的電樹枝面積增大，叢林－枝狀電樹所在切片在幾十min以后擊穿，純枝狀電樹的擊穿時間會更長。叢林狀電樹枝在XLPE中生長速度最慢，但是當有一枝放電通道貫穿XLPE后，電纜切片會在1～2min內擊穿，因此，叢林狀電樹枝的電聯切片擊穿時間最短。圖3中電樹枝長度為最長電樹枝的長度。

圖3 不同電壓下電樹枝生長圖像

圖4 9kV、12kV、18kV下XLPE中電樹枝生長曲線

電壓為9kV和12kV時，由于針板電極間電場較弱，針電極注入的電子能量較小，當有通道到達內半導電層時，電纜切片沒有馬上擊穿，其它樹枝通道在絕緣中繼續發展，XLPE中的電樹枝面積增大，經過一段時間后，隨著電子對XLPE分子的不斷撞擊，樹枝通道導電率增高，逐漸形成導電性通道，絕緣擊穿。叢林－枝狀電樹所在切片的樹枝通道貫穿XLPE幾十min以后擊穿，純枝狀電樹的擊穿時間更長。

由于電樹枝通道之間的相互抑制(有研究認為還有空間電荷的屏蔽作用)，叢林狀電樹枝在XLPE中生長速度最慢，但是針電極向絕緣材料中注入的電子具有更大的能量，破壞XLPE分子鏈的能力更強，當有一條放電通道貫穿XLPE后，劇烈的電子撞擊使此通道導電率迅速增大，電纜切片會在1～2min內擊穿，因此，叢林狀電樹枝的電纜切片擊穿時間最短。

3.1.2 二次加壓對電樹枝生長的影響

18kV下老化切片，60min后將電壓將為0，10min后重新加壓，觀察電樹枝的生長情況。

圖5 二次加壓以后電樹枝生長圖像

圖6 二次加壓與持續加壓電樹枝生長曲線

由圖5，6可發現，二次加壓后電樹枝的生長速度明顯加快，且樹枝生長呈現出枝狀特征，場強較大處樹枝通道迅速生長，最終貫穿XLPE并且立即擊穿絕緣。

3.2 電樹枝的局部放電特征

分析電樹枝生長各階段局部放電數據，對每個時間點的100個工頻周期的數據處理。選取以下3個特征量:

Umax，100個工頻周期中局部放電最大幅值的絕對值;

Uav，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;

Nav，100個工頻周期中平均每個周期內局部放電次數。

不同電壓下Umax、Uav和Nav隨時間變化趨勢如圖7所示。

圖 7 9kV，12kV，18kV 下 Umax，Uav，Nav變化曲線

通過比較發現Uav與Nav具有相似的變化趨勢，比較Nav，電樹枝長度L的變化趨勢如圖8所示。

可見，叢林狀電樹枝長度發展趨勢與局部放電每工頻周期內局部放電量和放電次數的大小發展較為吻合，Uav和Nav隨時間單調發展，且在電樹枝開始生長、樹枝生長速度延緩和樹枝長度突然增加即絕緣臨近擊穿時，這兩個特征量也隨之有相似變化，說明較高電場下XLPE中局部放電的劇烈程度隨著電樹枝的生長而增大，Uav和Nav能較好的反映電樹枝的生長情況。枝狀和叢林－枝狀電樹生長過程中局部放電存在一個衰減期，此時的局部放電量很小，被背景噪聲淹沒。

對經過二次加壓的電樹枝做同樣的數據分析，其結果如圖9所示。

可以看出二次施壓以后Uav，Nav與電樹枝長度L依然有及其相似的發展規律。

由于高壓電纜特別是110kV及以上等級電纜線路的電壓幅值較高，電場集中處場強較高，其電纜本體中叢林狀電樹枝出現概率較大，因此，以每周期局部放電幅值的絕對值之和Uav和放電次數Nav作為高壓電纜中電樹枝發展嚴重程度指標更為有效。

圖8 9kV、12kV、18kV下Uav，Nav與電樹枝長度L化趨勢圖

圖9 18kV下二次施壓Uav，Nav與電樹枝長度L變化趨勢圖

4 結論

(1)在電壓由高到低的作用下，電樹枝形狀依次表現為枝狀，叢林－枝狀，叢林狀，電極間的電場強度決定了電樹枝的生長和絕緣擊穿特性。

(2)二次加壓加速叢林狀電樹的生長，并使其形狀出現明顯的枝狀特征。

(3)叢林狀電樹枝發展過程中，工頻周期內放電幅值之和Nav以及放電次數Nav與電樹枝長度L變化規律相似，即使二次加壓后依然符合這個變化趨勢，有效地表征了電壓等級較高的XLPE電纜切片中電樹枝從出現到擊穿絕緣這一電劣化現象的發展程度。

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