電纜中間接頭受潮時界面放電試驗研究

杜 偉，汪 超，張 帆，郭振斌

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇淮安 223001）

引言

為了解電纜在實際應用中受潮的具體情況，對南方某供電局進行了采訪調研。該供電局的電纜主要采用冷縮式的附件，所以具有較強的參考意義。根據調研和統計，了解到電纜敷設方式主要是電纜溝和排管，大多數電纜使用年限未超過15 年，該供電局幾乎所有的電纜都采用XLPE 絕緣，而帶有電纜的線路故障占總故障數的98.4%，其中純電纜電路占比達到23.5%。作為線路薄弱環節的電纜附件中，中間接頭負責聯系線路兩端，所以數量上遠超電纜終端，占附件總數的88.5%。在電纜事故中，有22%直接由中間接頭引起，導致中間接頭故障的原因主要是絕緣損壞，而受潮是導致絕緣損壞的重要原因之一[1-3]。

由于主絕緣外的復合界面結構相對復雜，且呼吸效應導致其密封性較差，所以接頭受潮后水分主要集中在復合界面處。通過對受潮界面的電場分析，可以了解水分對接頭絕緣的危害程度，但為了掌握實際線路受潮時的表現特征，則需要進行界面放電試驗[4-7]。在一定的外施電壓下，復合界面缺陷處電場畸變程度超過放電場強的臨界值時便會發生界面放電，文獻[8,9]指出復合絕緣結構中兩種材料的界面比材料本體更容易積累空間電荷，因而成為整個絕緣系統的薄弱環節，而電纜的中間接頭和終端就是典型的例子。本研究以低密度聚乙烯和乙丙橡膠組成的雙介質層為研究對象，討論了雙層介質界面空間電荷形成機制和影響因素，最后發現復合界面的空間電荷是由極化電荷和陰極注入電子電荷共同組成。文獻[10,11]通過研究表面粗糙度和界面壓力對固-固界面切向放電強度的影響，發現固-固界面是電氣設備絕緣較脆弱的部分，表面越粗糙，界面壓力越小，則復合界面越容易被擊穿，因此建議通過引入更光滑的界面并保持足夠大的界面壓力來改善復合界面的性能。

本研究搭建工頻交流沿面放電試驗平臺，對不同受潮程度的復合界面試樣進行沿面放電試驗。對試樣逐漸加壓，記錄放電和閃絡過程中的電壓、電流數據，并通過MATLAB 軟件將數據繪制成電壓、電流波形圖進行分析，同時拍攝閃絡后的電痕，記錄不同情況下的界面受損程度。

1 界面放電相關理論

1.1 界面放電機理

當電纜接頭內因受潮產生水膜時，由于水膜與夾層內其他絕緣材料擁有不同的介電性能，電荷易在缺陷周圍集中，進而誘發界面的放電。當外施電壓達到一定值時，界面開始放電，電能轉化為光能和內能導致電介質老化加速，壽命降低。以下對界面放電的機理進行理論分析。

當某一位置電場強度增大到超過介質的擊穿場強時，就會在局部范圍內發生放電。這種放電會造成局部介質的短路橋接，但不會形成自持的導電通道。界面放電時頻率增加，高能電子沖擊電介質，引起多種物理和化學反應，使電介質的分子組成發生變化，材料發生劣化，使接頭的絕緣裕度降低。而材料劣化又使擊穿場強進一步降低，使接頭更容易發生局部放電。

當電纜接頭受潮較嚴重時，復合界面會產生水膜，水膜的存在極易誘發界面的局部放電，此時復合界面的等效電路如圖1所示。

圖1 中，Cg和為Rg為水膜的等效電容和電阻，Cb和Rb為與水膜串聯的復合界面上的電容和電阻，Cm和Rm為其他電介質的電容和電阻。一般情況下，單次局部放電的時間在10-9～10-7s 范圍內，故局部放電時等效電路上的電位分布主要由其電容決定，局部放電的等效電路可簡化為圖2所示電路。此時系統的總電容為：

當電纜運行時，等效電路兩端會出現交流電壓，U=Umcosωt，此時水膜上的電壓為：

當Ug超過局部的擊穿電壓Uk時，便會出現放電現象。放電的瞬間Ug迅速降低，當電壓降低至UR時，放電停止，此時的UR被稱為剩余電壓，系統完成一次放電。每次放電前后，水膜上的電壓差為：

以水分電容兩端作為參考節點，系統的總電容為：

由式（2,3）和式（2,4）可知，每一次放電的電荷量為：

設在時間t內，局部放電總量為Q(t)，由式（2）、（3）和（5）可知：

不難看出：

根據式（5）和（7）可知單次放電也可表示為：

由于界面局部受潮時，水分的介電常數很高，根據C=εS/d，水膜電容Cg遠大于串聯界面電容Cb，在放電結束后UR≈0，則可得：

由式（5）可得單次放電的能量損失為：

由于Cg＞＞Cb，UR≈0，式(10)可表達為：

在放電前后，界面的電壓差為：

聯立式（5）和（12）可得：

由式（5）、（11）和（13）可得：

當UR≈0時，界面放電釋放能量為：

1.2 界面閃絡過程

當界面開始放電后，對界面兩端繼續加壓，最終會導致界面由非自持性放電轉變為自持性放電，即發生閃絡。目前，界面的閃絡還沒有一個準確的理論能夠解釋，但根據界面的閃絡現象可大致將閃絡過程分為以下幾個階段。

第一階段：施加電壓不高，復合界面上的物質在電場的作用下發生極化，帶電質點（電子，離子等）產生位移，界面整體對外顯電性。由于電纜接頭主要工作在50 Hz 的工頻交流電上，極化的形式主要是電子式極化、離子式極化和偶極子極化，此時界面上的電荷分布情況如圖3所示。

圖3 極化

第二階段：隨著電壓的逐級提高，電極表面發生電離，小部分自由電子進入復合界面，并在電極間形成定向運動，如圖4所示。

圖4 電極表面電離

第三階段：當電子的速度加快，其動能大于分子的電離能時，將會產生碰撞電離，碰撞后產生大量新的電子和空穴，如圖5所示。

圖5 碰撞電離

當復合界面上電介質的分子結構正負電荷中心不重合時，便會形成電荷陷阱，電子或空穴在外加電場的作用下產生遷移，在遷移過程中被介質中的陷阱捕獲而形成空間電荷?？臻g電荷的聚集將使局部電場發生變化并達到平衡狀態，此時達到第四階段。如圖6所示。

圖6 平衡狀態

第五階段：隨著電壓的進一步增大，被陷阱捕獲的電荷開始逃逸，水平電場開始畸變，局部場強迅速增大，并帶動大量帶電粒子運動，加劇碰撞電離進程，形成電子崩。局部放電開始頻繁出現。

第六階段：電壓已達到復合界面的擊穿電壓，電流急速增大，放電通道開始拓寬并延伸至兩側電極，界面發生閃絡。當界面存在水分時，由于水的電導率較大，可能會使閃絡電壓降低。

2 試驗思路及方法

2.1 試驗接線原理

接線原理如圖7所示。整個試驗系統主要由電源、調壓器、變壓器、分壓器、試樣、傳感器以及數據采集卡和計算機組成。調壓器和變壓器主要負責將電壓調整至所需的值，數據采集卡連接在分壓器和傳感器上讀取電壓、電流數據并傳輸給計算機處理。

圖7 試驗原理圖

2.2 試驗樣品設計

本試驗要對不同含水量的試樣進行試驗，且要記錄試驗過程中的光學現象，故試樣的設計需考慮方便多組試樣多次試驗且能夠對復合界面進行觀測。采用中間接頭本體不僅不方便復合界面的觀測和多次試驗，成本也較高，故對試樣做了簡化處理。試樣如圖8所示。

圖8 試樣

2.3 閃絡過程

隨著電壓從0 逐漸上升，能聽到試樣發出“吱吱”的噪聲，音量隨著電壓的上升而緩慢提升，在界面發生閃絡的瞬間，音量驟然提高，變得尖銳刺耳。

現將閃絡過程分為3個階段，即起始階段、中期階段和末期階段。界面出現單個電弧，電弧由藍色變為紫色為閃絡的起始階段；由單個電弧變為多個電弧，最終在兩極之間留下明亮寬敞的放電通道的過程為中期階段；當絕緣失效，電極之間完全導通后為末期階段，此后電弧光芒逐漸黯淡，由紫色變為藍色再變為黃色。取其中1份試樣的閃絡圖像如表1所示。

表1 樣品閃絡過程

2.4 絕緣材料受潮閃絡特性

浸水時間分別為4 天、8 天和12 天的試樣各準備了3 份，每種試樣典型電壓、電流波形如圖9所示。

圖9 材料受潮試樣波形

材料浸水后，閃絡電壓相較正常時略微降低，與界面內存在小片水膜時相似，約為15～17 kV，且閃絡電壓與浸水時長呈負相關的關系。閃絡瞬間，電壓波形同樣發生畸變，峰值最大依然達到了50 kV 以上，脈沖電流頻率相較正常試樣有所提高，電流脈沖值達到10 A 以上。浸水試樣閃絡后的電痕如圖10所示。

圖10 材料受潮試樣電痕

絕緣材料受潮試樣閃絡后界面受到較嚴重的破壞，產生較多導電顆粒，與正常試樣的電痕情況類似。

分別對浸水4 天、8 天和12 天的3 組試樣各3 份試樣的閃絡電壓進行統計，如表2所示。

由表2 中的數據可知，浸水試樣閃絡電壓相較正常時略微降低，浸水4 天試樣的平均閃絡電壓為17.4 kV，浸水8 天試樣的平均閃絡電壓為16.3 kV，浸水12 天試樣的平均閃絡電壓為15.8 kV，閃絡電壓降低程度與小片水膜類似。

表2 絕緣材料受潮試樣閃絡電壓

3 結論

本研究搭建了一套界面放電的試驗平臺，制作了應力錐-XLPE 界面試樣，通過在工頻交流電下不斷對試樣加壓，進行界面放電的相關試驗。通過對試驗中的閃絡現象、電壓、電流的波形分析，結論如下：絕緣材料受潮時，硅橡膠-XLPE 界面上的閃絡電壓降低，浸水4 天、8 天和12 天的試樣平均閃絡電壓為正常時的96%、90%和87%。