一起耐壓試驗發生局部放電的原因分析及技術探討

摘 要：通過對一起220kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜（簡稱XLPE電纜）耐壓試驗發生局部放電故障的原因分析，提出XLPE電纜例行試驗及竣工試驗實施更為嚴格標準要求的技術探討和建議。

關鍵詞：XLPE電纜；局部放電；耐壓試驗；定位；波形

隨著我國電力工業的發展，XLPE電纜以其優越的電氣性能和機械物理性能得到了突飛猛進的發展。局部放電試驗及耐壓試驗是XLPE電纜主要的例行試驗項目。

局部放電是指在電場作用下，電纜絕緣的部分區域發生放電短路的現象。局部放電可以發生在絕緣結構內部氣隙、導體屏蔽與絕緣的交界面、導體（電極）的邊緣（毛刺）或絕緣與絕緣屏蔽交界面上，但在電極之間不形成通道。如圖1所示為氣隙中的局部放電過程。

局部放電的危害有：一、電的作用，亦既帶電粒子（電子、離子等）的直接轟擊作用，導致高分子固體介質的分子主鍵斷裂而分解成低分子，使介質溫度升高發生熱降解，還在介質表面形成凹坑且不斷加深，最后導致介質擊穿；二、熱的作用，局部放電使介質溫度升高，有可能引起介質的熱溶解或化學分解。同時，局部放電產生的光作用（主要在紫外線范圍），還能使塑料有機介質發生光老化、龜裂等現象；三、化學作用，由于局部放電產生的受激分子或因二次生成物的作用，介質受到侵蝕的可能比電、熱的作用更大，其所生成的氧離子、受激的氧分子或氧原子使曝露在外的介質表面發生氧化。而二次生成的臭氧O3、NO則與聚乙烯反應生產羰基化合物，特別是O3與空氣和水分作用所產生的硝酸和亞硝酸等硝基化合物，不僅對介質有強烈的腐蝕破壞作用，而且對金屬材料如銅導體，能在其表面形成銅綠及硝酸銅粉末等不良后果。因此，準確地檢測局部放電，并找出放電位置和原因，采取措施，徹底消除缺陷，是提高XLPE電纜質量的重要保證措施之一。

1 耐壓試驗發生局部放電的現象

對于XLPE電纜，在IEC及國家標準，對于局部放電試驗規定了試驗電壓下的放電量考核指標，比如，在220kV電纜國家標準GB/Z18890-2002中規定，在靈敏度優于或等于5pC時，試驗電壓升壓至1.75 U0（222kV）10秒鐘，然后降至1.5 U0（190kV），在190kV下被試品應無可檢測出的放電。對于耐壓試驗規定了在試驗電壓和時間條件下，絕緣不發生擊穿，比如，在220kV電纜國家標準GB/Z18890-2002中規定，試驗電壓升至2.5 U0（318kV），并保持30min，絕緣應不發生擊穿。

筆者曾在對220kV電纜進行例行試驗時遇到過下列現象：2011年1月在對一盤長為471米，型號規格為YJLW02-Z 127/220 1×1000的電纜進行例行試驗，試驗背景噪聲為1pC，根據GB/T3048.12，試驗靈敏度應為背景噪聲的2倍，即靈敏度為2pC。局部放電試驗，在190kV下無可見放電量，如圖2所示，但在進行主絕緣耐壓試驗，升壓至318kV時，發生了較大放電量，約為50pC（從270kV開始產生放電，并隨電壓增加而增大），如圖3所示。這是一種異常情況，因此，我們立即停止了試驗。

根據放電圖形初步判斷為電纜本體放電，由于IEC及國家標準均未對耐壓試驗時電纜的局部放電量進行規定，因此，造成檢驗人員對該盤電纜質量的判斷存在很大困擾，是否合格沒了標準依據，如果放行則存在較大風險，經討論分析決定，必須對發生局部放電的位置進行準確定位，并查找和分析具體原因，徹底消除缺陷。

2 局部放電的故障定位和原因分析

對于局部放電的定位目前切實可行可靠的方法是行波法，其工作原理是，電纜缺陷點在一定電壓下產生局部放電脈沖，該脈沖以一定的傳播速度沿電纜長度傳播，并在末端發生反射，反射后繼續傳播。如圖4所示，假定在距離遠端X處有一個放電點，此放電點將向兩端同時發出兩個脈沖，1號脈沖和2號脈沖。當2號脈沖到達遠端時，1號脈沖到達距離遠端2X的地方，然后2號脈沖在遠端發生反射，與1號脈沖相差2X的距離共同向近端（測量端）運行，在定位示波器上，首先收到的是1號脈沖信號，隨后，2號脈沖也被接收到。當1號脈沖到達近端后發生反射，我們稱為3號脈沖，3號脈沖又在電纜上運行了兩倍電纜長度2L后又回到近端，被定位示波器再次接收到。以此類推，在示波器上將得到一系列波形。

利用前三個波形的時間差之比，就可以得到故障點距離遠端的距離，設定1號脈沖到達近端被示波器測到的時間為T1，2號脈沖為T2，3號脈沖為T3。則X為：

局部放電定位：給電纜施加試驗電壓318kV，采用行波法對局部放電故障進行定位，波形如圖5所示。該盤電纜長度為471米，從定位儀讀取T3與T1之的時間差為約5.88ms，T2與T1的時間差約2.94ms，根據以上計算公式X=[（T2-T1）/（T3-T1）]·L，得出X=235.5米，因此初步判定發生局部放電的位置為電纜的中間段位置。根據經驗，局部放電可以會出現多點放電的情形，如果就此判定局部放電在電纜的中間而對電纜進行分切處理可能存在較大風險。因此，我們對行波定位的波形和可能產生類似波形的情形進行深入分析，得出如果出現兩個試驗水終端或其附近位置的電纜本體同時存在局部放電點，其波形與局部放電發生在電纜本體的中間點基本一致，為了驗證這種分析，我們分別在近端的試驗水終端（高壓輸入側）和遠端的試驗水終端分別施加50pC的標準放電信號，觀察放電波形（如圖6所示），然后在近端和遠端的試驗水終端同時施加50pC的標準放電信號，再觀察放電波形（如圖6所示），結果與圖5的定位波形基本一致，驗證了上述分析。

根據驗證結果，我們把該盤試驗電纜拆下，分別對兩個試驗水終端施加電壓測試放電量，發現近端的試驗水終端在施加190kV和318kV電壓時均未發現放電，遠端的試驗水終端在190kV時無可檢出放電量，在318kV時放電量約20pC左右（如圖7所示）

根據以上試驗結果，判定可能出現了試驗水終端和電纜本體存在同時放電的現象，而且電纜本體的放電位置應該在近端的電纜試驗端頭，因此我們對遠端的試驗終端和近端的電纜試驗端頭進行細仔檢查，結果發現近端的電纜試驗端頭外屏有損傷，而遠端的試驗水終端在更換環氧樹脂絕緣套管時均壓環螺栓連接不良。為了把故障原因分析更徹底，首先我們重新安裝遠端的試驗水終端并不帶電纜加壓，檢測水終端無可出的放電后再對該盤電纜進行耐壓試驗，以檢測外屏損傷處的放電量，檢測結果如圖8所示，在318kV時放電量約10pC。然后把近端有外屏損傷的電纜切除，再進行耐壓試驗，此時局部放電消失，從而驗證了上述原因分析是完全正確和可靠的。

3 對局部放電試驗標準的探討

由上述事例說明，按照IEC和國家標準的規定，在1.5U0（8.7/10kV電纜為1.73 U0）試驗電壓下電纜的局部放電量的檢測存在一定局限性。有些缺陷在1.5U0試驗電壓下可能未能達到起始放電電壓或缺陷位置在1.75U0電壓下10s充能不足而不產生放電，或放電量很小，無法檢測到量值，但隨著施加電壓的升高或者充能時間的加長，開始產生放電，并隨電壓增大而增大。據日本的研究報道，8.7/10kV 電纜在1.5U0下的局部放電量，微孔尺寸200μm 時為0.4pC，400μm 時為3.4pC，700μm 時為20pC。如按舊標準1.5U0下局部放電量為20pC的出廠試驗指標考核，就可能將含700μm 微孔的電纜作為合格品出廠。由此可見，在1.5U0下局放檢測指標對檢測<200μm 的微孔并不靈敏。對于高壓和超高壓電纜，標準規定微孔≤50μm，根據上述報道，高壓和超高壓電纜微孔超標，在1.5U0試驗電壓下局放試驗可能無檢測出來。這種情形筆者有深刻認識，曾經筆者在對一次因供電線路故障停電造成交聯生產線停機而無法進行保壓后硫化和冷卻的110kV電纜進行研究試驗時，發現電纜在96kV下進行局部放電試驗時未檢測到放電，160kV耐壓試驗過程也未檢測到放電，但當試驗進行到20分鐘時主絕緣發生了擊穿，經解剖分析發現絕緣層有清晰可見的微孔。由此也證明了局部放電試驗的考核標準具有一定局限性，標準規定在1.5U0試驗電壓下進行局部放電檢測的可靠性需進一步探討，在一些先進國家（德國、瑞士） 的局放試驗指標達到2U0下<5pC ，美國達到3U0下<5pC，4U0下<10pC等，更為嚴格的標準應該規定在1.5U0和2.5U0 試驗電壓下，被試品的局部放電量。

4 結論與建議

4.1 局部放電試驗是一種有效的XLPE電纜缺陷檢測方法，但存在一定的局限性，標準只規定在1.5U0試驗電壓下進行局部放電檢測的要求還不夠嚴格。作為產品質量放行的依據還必須結合耐壓試驗過程的放電量來進行判定。嚴格來講，對于高壓和超高壓電纜應該規定在1.5U0和2.5U0 試驗電壓下，被試品的局部放電量。例行試驗過程中任何超標的放電量都應被重視。

4.2 由于施工過程可能對電纜造成損傷，同時接頭和終端是線路電氣性能最薄弱的部位，易產生放電。在線路竣工試驗時，可能耐壓試驗通過，但存在局部放電給線路的運行埋下隱患。因此，建議進行竣工耐壓試驗（2U0/1h）的同時測量局部放電，并制定考核標準。

參考文獻

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[2] 楊榮凱《XLPE 電纜線路局部放電量指標的分析》 高電壓技術 2005年第2期

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