直流電壓下10 kV 交聯聚乙烯電纜氣隙缺陷局部放電特性研究

杜 浩，關弘路，玉林威，陳向榮，石廣森，鐘 涵

（1．浙江省電機系統智能控制與變流技術重點實驗室（浙江大學），杭州 310027；2．杭州龍源電力有限公司，杭州 311606）

0 引言

HVDC（高壓直流輸電）輸電線路與交流輸電相比具有載流量大、絕緣厚度薄、安裝簡易等特點，在遠距離、大容量輸電情況下具有明顯的優勢[1-2]。高壓直流電纜是HVDC 輸電的主要形式之一[3]。隨著VSC-HVDC（柔性高壓直流輸電）技術的進步，直流電纜的電壓等級和輸送容量不斷升高，直流電纜的絕緣狀態監測問題越來越突出。 目前國內外所采用的直流電纜材料通常為XLPE（交聯聚乙烯）。XLPE 電纜在制作、安裝和運行中易形成微小氣隙，可能會在較高的運行電壓下發生局部放電現象。電纜的局部放電檢測量與其絕緣狀況密切相關，分析直流下XLPE 電纜局部放電的發展過程及其放電特征具有重要的科學研究和工程應用價值。

局部放電作為一種絕緣檢測手段，目前已成功應用于高壓交流XLPE 電纜的絕緣狀況評估[2]。但由于局部放電引發機理的不同和直流電壓相位信息的缺失，交流電纜的局部放電研究成果不能應用于直流電纜的狀態評估。國外學者對于直流局部放電的研究始于20 世紀60 年代。U．Fromm等人提出了直流電壓下內部氣隙放電的三電容等效電路，在此基礎上利用時間等待恢復模型解釋了直流局部放電的隨機性[4-7]，并在進一步的研究中指出相鄰放電脈沖的時間間隔Δt 可以用來代替交流電壓下的相角φ。Peter H．F．Morshuis 與Johan J．Smit 于2005 年總結了代爾夫特理工大學在直流局部放電機理、檢測及模式識別技術方面的研究，并構建了新型三維譜圖H（q，Δt）實現了直流局部放電不同放電類型的模式分析識別[8]。代爾夫特理工大學學者的優秀工作奠定了直流局部放電的研究基礎[9-13]，此后世界各地關于直流局部放電的探索基本以此為框架，但其方向主要集中于換流站用油紙絕緣典型缺陷模型的直流局部放電特性等基礎性研究。

國內學者對直流局部放電的研究始于1998年，于欽學等對油紙絕緣的直流局部放電規律進行了研究，實驗結果表明放電重復率隨溫度、電壓的增加而增加[14]；自2008 年開始，司文榮、李彥明等利用所組建的直流局部放電寬帶檢測系統，研究了直流電壓下油紙絕緣系統的局部放電重復率、脈沖單個波形以及脈沖幅值-時間序列等局部放電特性[15-18]；周遠翔、沙彥超等對典型油紙絕緣缺陷模型在80℃環境下進行了200 h 直流耐壓試驗，并根據統計特征圖譜Q-Δtpre將直流局部放電發展過程劃分為5 個階段，分析了不同階段的理化特性和介電性能變化規律，為實現多信息融合的直流局部放電發展預測奠定了基礎[19-21]；徐征宇、汪珂等人同樣利用油紙絕緣進行直流局部放電實驗，發現了直流局部放電發展過程的潛伏期特性[22]。

國內外學者對直流局部放電的研究已有了一定的成果，但關于直流局部放電的研究對象多為換流站用油紙絕緣，對于直流XLPE 輸電電纜面臨的相似問題卻未能得到同等關注，相應的研究較少。 國內僅楊豐源等人使用恒壓法對4 種XLPE 典型缺陷進行了長時間直流局部放電測量實驗[23]。但直流電壓下XLPE 電纜典型缺陷的局部放電特性研究仍然十分匱乏。

因此，為了豐富直流電壓下XLPE 電纜局部放電的研究，本文利用YJV22-8．7/10-3×240 mm2XLPE 電纜制作了電纜絕緣內部氣隙缺陷模型，建立了直流電壓下局部放電測量系統， 進行了XLPE 電纜氣隙缺陷的局部放電測量實驗，分析了該缺陷隨外施電壓升高的局部放電發展過程和統計特征，為直流XLPE 輸電電纜的局部放電研究提供了數據基礎和理論分析依據。

1 局部放電試驗系統

1.1 局部放電測量電路

試驗線路如圖1 所示，其中T1為調壓器，T2為YDTW-25/100 型100 kV/50 Hz 無局放試驗變壓器，D 為高壓硅堆，C0為100 kV/1．5 nF 的濾波電容，D 與C0組成半波整流電路，將交流電壓轉換成直流電壓，波紋系數為2．5%。R1和R2構成1 000:1 的電阻分壓器，R0為10 kΩ 保護電阻，Ck為100 kV/1 000 pF 的耦合電容，用于耦合試品局部放電時產生的脈沖電流信號，Z 為檢測阻抗。局部放電測試儀采用Omicron MPD-600，中心頻率fCenter=250 kHz，檢測帶寬Δf=300 kHz。試驗系統符合IEC 60270 標準。試驗前對整個試驗系統進行耐壓及局部放電測試，在±50 kV 試驗電壓作用下，背景噪聲水平低于15 pC。

1.2 電纜缺陷模型

電力電纜運行故障主要原因可分為外力破壞、電纜附件缺陷、電纜敷設安裝質量和電纜本體制造質量四大類型[3]，本文分析了電纜安裝、施工及運行過程中常見的絕緣缺陷，設計了絕緣氣隙缺陷模型，該缺陷模型常見于電纜擠出過程中，氣體副產品在柔軟的XLPE 中形成的氣泡殘留或絕緣材料內部出現裂紋的情況。本文采用10 kV電壓等級交流配電網中應用較多的3 芯XLPE 絕緣電纜，其型號為YJV22-8．7/10-3×240 mm2，導體半徑為9．3 mm，XLPE 絕緣厚度為6．0 mm。模型電纜結構如圖2 所示，長度為25 cm，制作時首先將電纜兩端外半導電層剝除3．5 cm 裸露出XLPE 絕緣，然后將其兩端的XLPE 絕緣層去除2 cm，露出導體以便套入均壓球。XLPE 絕緣層切面需打磨光滑以避免沿面放電。

圖1 試驗線路

圖2 模型電纜示意

典型氣隙缺陷如圖3 所示，制作過程如下：在電纜模型中部位置半導電層表面制作直徑為10 mm 和深度為4 mm 的圓孔，孔口使用半導電層覆蓋，周圍用樹脂均勻涂抹密封。

圖3 氣隙缺陷示意

1.3 試驗過程

試驗時電纜導體線芯一端連接電壓源，一端套入均壓球以防止電暈放電，模型電纜外屏蔽層可靠接地。為防止接頭電暈放電及半導電層邊緣爬電，試驗時模型電纜被完全浸沒在變壓器油中。正式試驗之前，使用無缺陷模型電纜進行加壓測試，結果顯示無缺陷模型電纜在±50 kV 直流電壓作用2 h 下，其背景噪聲始終低于15 pC（見圖4），表明電源系統及接線良好，試驗系統無局放源。隨后將無缺陷模型電纜按照前一節的方法制作內部氣隙缺陷，接入系統進行試驗。為了保證試驗結果的一致性，本次試驗統一施加負極性直流電壓。

圖4 無缺陷電纜局部放電發展過程

試驗時首先確定氣隙缺陷在直流電壓下的PDIV（局部放電起始電壓）。關于PDIV 常見的定義有2 種：一是IEC 60270:2000 中規定，在試品上首次觀察到重復放電時所施加的電壓為局部放電起始電壓，該規定廣泛應用于交流電壓下局部放電起始電壓的判定；二是ASTM-D-1868 中規定，試驗中出現每分鐘超過一次的重復放電時所施加的電壓為局部放電起始電壓。結合上述兩種規定，本文采用如下方法確定缺陷電纜的PDIV：參考文獻[22]中提到的階梯升壓法（圖5）進行加壓過程，首先緩慢升高電壓至U0=-10 kV，然后以升壓步長ΔU=0．5 kV，耐壓時間t=10 min 升高電壓直至在10 min 內出現10 次以上放電量大于20 pC（測試系統設定閾值）的脈沖，此時的電壓水平記錄為局部放電起始電壓。

圖5 階梯升壓法

局部放電起始電壓確定后，撤去電壓，缺陷電纜靜置一段時間，等待氣隙內部的空間電荷消散。IEC 61378—2 中對換流變壓器直流耐壓測試規定[24]，所施加的電壓應在1 min 內升至試驗水平并且該電壓下應保持120 min。參考此標準，本文在缺陷電纜兩端依次施加1．0PDIV，1．1PDIV和1．2PDIV 的電壓，持續時間為120 min，分別記錄各電壓水平下的局部放電圖譜和放電數據。

2 試驗結果及分析

對氣隙缺陷XPLE 電纜進行加壓試驗，最終確定缺陷電纜的局部放電起始電壓為-14．5 kV，即PDIV=-14．5 kV。由于直流電壓下局部放電信號缺少相位信息，因此放電量Q、放電時刻t 和放電重復率N 是試驗數據中最為關鍵的3 個參數。本試驗分別記錄了在外施電壓1．0PDIV，1．1PDIV和1．2PDIV 下120 min 內放電量Q 和放電重復率N 隨時間t 變化的圖譜，并以此為基礎提取出放電量密度直方圖H（q）和放電時間間隔密度直方圖H（Δt）兩類典型統計特征圖譜[4-5，8]，采用偏斜度Sk 和峰度Ku 2 個參數[4，25]表征統計圖譜的形態特征，綜合分析了XLPE 電纜氣隙缺陷隨外施電壓升高直流局部放電的演化過程。

2.1 不同外施電壓下氣隙缺陷放電過程對比

缺陷電纜在外施電壓U=1．0PDIV 下局部放電發展過程如圖6 所示。 在120 min 的檢測時間內，共有7 908 次放電被記錄。集中放電過程持續時間大約為90 min，在90～120 min 內，缺陷電纜僅發生幾次放電。由圖6（a）可知，其Q-t 圖譜的形貌呈現“山丘狀”：在施加電壓初期，放電量約為60 pC，但隨著放電過程的進行，放電量逐漸減小到約20 pC；在經歷短暫的小幅值放電后，放電量又逐步升高直到60 pC。上述過程在實驗期間重復出現了4 次，加壓時間90 min 時、放電量降為20 pC 左右后，集中放電現象消失，放電信號呈偶發性。 同時，從圖6（a）中還可以看出，放電量下降區間中的放電次數明顯大于放電量上升區間的放電次數。圖6（b）表明整個放電過程中缺陷電纜直流局部放電的放電重復率存在起伏，其圖譜形貌基本與Q-t 圖譜一致，且在加壓后35 min 時缺陷電纜放電最為密集。在整個施壓期間，放電重復率基本位于200 min 以下。

圖6 缺陷電纜局部放電發展過程（U=1.0PDIV）

缺陷電纜在外施電壓U=1．1PDIV 下局部放電發展過程如圖7 所示。在120 min 的檢測時間內，共有10 767 次放電被記錄，約為外施電壓U=1．0PDIV 的1．3 倍。由圖7（a）可知，該電壓下缺陷電纜的放電過程呈現出間歇性簇狀放電的特點，即在2 次集中放電之間，存在短暫的放電空隙。除此之外，整個記錄過程放電現象穩定，直至實驗結束。缺陷電纜Q-t 圖譜形貌同樣為“山丘狀”，放電量下降區間的放電次數同樣大于放電量上升區間的放電次數，但其放電量最大幅值約為80 pC，放電量基本分布在20～80 pC，其中小幅值放電較多。圖7（b）表明放電重復率隨時間的變化規律基本與放電量一致，在60～70 min時，放電現象最為密集。與U=1．0PDIV 時相比，放電重復率增加較為明顯。在整個施壓期間，放電重復率基本位于250 min 以下。

缺陷電纜在外施電壓U=1．2PDIV 下局部放電發展過程如圖8 所示。在120 min 的檢測時間內，共有23 747 次放電被記錄，放電次數明顯增加，約為U=1．1PDIV 的2 倍。由圖8（a）可知，該電壓下缺陷電纜的放電過程雖然有簇狀放電的特點，卻不存在任何的放電空隙，整個記錄過程中放電現象穩定，直到實驗結束。缺陷電纜Q-t 圖譜形貌同樣為“山丘狀”，但“山丘”較前兩種情況更加陡峭，放電量上升階段與下降階段持續時間較短。放電量下降區間的放電次數同樣大于放電量上升區間的放電次數，其放電量最大幅值約為95 pC，放電量基本分布在20～95 pC，大幅值放電明顯占多數。隨著實驗的進行，放電量幅值基本趨于穩定。圖8（b）顯示，初期放電最為密集，隨著加壓時間的增加，放電重復率整體呈現下降趨勢。與U=1．1PDIV 時相比，放電重復率明顯升高。在整個施壓期間，放電重復率基本位于400 min 以下。

圖7 缺陷電纜局部放電發展過程（U=1.1PDIV）

圖8 缺陷電纜局部放電發展過程（U=1.2PDIV）

2.2 不同電壓下H（q），H（Δt）圖譜特征

缺陷電纜在外施電壓U=1．0PDIV 下局部放電的H（q），H（Δt）如圖9 所示。由圖9（a）可知，在外施電壓U=1．0PDIV 時缺陷電纜的直流局部放電放電幅值分布整體呈現“鐘型”，放電量集中在30～50 pC，其圖譜偏斜度Sk=2．14，峰度Ku=38．74。根據圖9（b），缺陷電纜的放電時間間隔基本位于0．1～1 s，分布比較集中，其偏斜度Sk=5．34，峰度Ku=43．96。

圖9 U=1.0PDIV 下缺陷電纜的H（q），H（Δt）圖譜

缺陷電纜在外施電壓U=1．1PDIV 下局部放電的H（q），H（Δt）如圖10 所示。 由圖10（a）可知，在外施電壓U=1．1PDIV 時缺陷電纜的直流局部放電放電量集中在20～60 pC，其圖譜偏斜度Sk=8．22，峰度Ku=115．64。根據圖10（b），缺陷電纜的放電時間間隔多數位于0．2～0．7 s，分布相比U=1．0PDIV 時更為集中，其偏斜度Sk=6．16，峰度Ku=61．82。

缺陷電纜在外施電壓U=1．2PDIV 下局部放電的H（q），H（Δt）如圖11 所示。 由圖11（a）可知，在外施電壓U=1．2PDIV 時缺陷電纜的直流局部放電放電量集中在20～80 pC，圖譜有2 個峰，少數放電脈沖幅值集中在20 pC 附近，多數放電脈沖幅值集中在50 pC 附近。Q-t 圖譜偏斜度Sk=8．22，峰度Ku=115．64。根據圖11（b），缺陷電纜的放電時間間隔多數位于0．1～0．4 s，分布最為集中，其偏斜度Sk=9．51，峰度值Ku=143．16。

圖10 U=1.1PDIV 下缺陷電纜的H（q），H（Δt）圖譜

圖11 U=1.2PDIV 下缺陷電纜的H（q），H（Δt）圖譜

為了更直觀的認識隨外施電壓升高XLPE 電纜氣隙缺陷直流局部放電典型統計圖譜的變化過程，分別繪制了H（q）圖譜偏斜度Sk 和峰度Ku的變化趨勢（見圖12）與H（Δt）圖譜偏斜度Sk 和峰度Ku 的變化趨勢（見圖13）。從圖中可以看出隨外施電壓升高，H（q）圖譜的偏斜度和峰度均為先上升后下降的趨勢，而H（Δt）圖譜的偏斜度和峰度則展現為持續升高的趨勢，說明放電時間間隔逐漸變小，放電密度有所增加。

圖12 H（q）圖譜偏斜度Sk 和峰度Ku 的變化趨勢

圖13 H（Δt）圖譜偏斜度Sk 和峰度Ku 的變化趨勢

3 結論

本文設計了XLPE 電纜絕緣內部氣隙局部放電缺陷模型，進行了直流電壓下的局部放電試驗，得到了缺陷電纜隨外施電壓升高局部放電的發展過程及其統計特征圖譜。研究結果表明：

（1）在依據本文缺陷制作方法和試驗過程的條件下，采用階梯升壓法確定該氣隙缺陷模型電纜的局部放電起始電壓為-14．5 kV。

（2）缺陷電纜的Q-t 圖譜呈“山丘”狀，其放電量Q 和放電重復率N 隨外施電壓升高而升高。

（3）總結了缺陷電纜的特征圖譜H（q）和H（Δt），并使用偏斜度Sk 和峰度值Ku 表征了兩類圖譜隨外施電壓升高的變化特征，其中H（Δt）的偏斜度和峰度值逐漸增大，表明放電密度隨外施電壓升高而增加。