基于常规和宽带脉冲电流法的高压XLPE电缆模拟缺陷试验研究

李光茂，熊 俊，谢剑翔，刘建成，陆国俊，易满成

(广州供电局有限公司电力试验研究院，广东 广州510410)

0 引言

由于具有介电性能好、耐热性好、传输容量大、重量轻、电缆附件结构简单、安装敷设方便等优点，交联聚乙烯(XLPE)电缆在电力系统中所占的比重日益增加。但在XLPE电缆生产、运输、敷设、安装过程中不可避免地会产生各种缺陷［1］，引发局部放电，成为电力系统安全运行的隐患。局部放电往往潜伏期较长，一旦高压电缆发生故障，会造成巨大的经济损失和严重的社会影响，所以，当高压电缆产生局部放电后，往往需要运行单位长时间跟踪测量。电缆本体电场分布较均匀，只要生产工艺控制良好，其在运行中很少出现局部放电。但对于电缆附件，其本身结构导致的电场不均匀性、现场安装时带来的质量问题等原因都会导致局部放电。

本文搭建了一段110 kV XLPE电缆，在电缆应力锥里面设置悬浮、滑闪两种缺陷，采用阶梯升压法研究两种放电类型的发展过程［2-5］。

1 XLPE模拟缺陷试验平台

1.1 模拟缺陷

模拟缺陷高压电缆为一段长约3 m的电缆，高压电缆两端预制应力锥，缺陷模型预制在靠近电源侧的应力锥当中。图1为悬浮、滑闪缺陷的示意图。其中，悬浮模型是在电缆XLPE绝缘与应力锥之间放置一圆形金属电极，电极直径10 mm，厚度0.2 mm;滑闪模型是在制作电缆终端时，先从中心导体引出细长铜丝，然后将铜丝固定在主绝缘与应力锥结合面模拟滑闪通道，铜丝在应力锥中的长度为60 mm。

1.2 局部放电检测系统

局部放电检测系统包括两种，常规脉冲电流检测系统、宽带脉冲电流检测系统。

图1 模拟缺陷示意图

常规脉冲电流检测系统由检测阻抗、校正方波发生器和局部放电测试仪组成。其中局部放电测试仪是由中国电力科学研究院伏安公司生产的DST-4型局放仪，检测频带40～80 kHz，其检测灵敏度5 pC，调谐电容范围400－1 500－6 000 pF。

宽带脉冲电流检测系统前端为一个宽带电流传感器，带宽16 kHz～30 MHz，传感器频率特性如图2所示。其主要安装于电缆终端或中间接头的接地线上，通过检测接地线上的脉冲电流进而检测局部放电信号。

图2 宽带电流传感器的频率特性

2 模拟缺陷局部放电试验研究

试验时两种检测系统前端探头的安装位置如图3所示。在高压电缆的首端(靠近电源侧)和末端均采取了防电晕措施，50 kV下局部放电量小于50 pC。采用阶梯升压法，利用两种检测系统同时检测局部放电。

图3 试验回路

2.1 典型缺陷的放电量与电压的关系

利用常规脉冲电流法测得的悬浮、滑闪放电量与电压的关系如图4、图5所示。

图4 悬浮模型放电量与电压的关系

图5 滑闪模型放电量与电压的关系

从图4、图5可以看出，随着电压增加，悬浮模型放电量增加趋势明显，而滑闪模型放电量未出现增加趋势。

2.2 典型缺陷单周期特征

两种模型单周期的放电特征如图6、图7所示，其中1通道为常规脉冲电流法输出，2通道为宽频脉冲电流法输出，4通道为相位信息，经校正，其滞后于实际电压相位54°。从图6、图7可以看出，悬浮模型单周期放电次数较少，滑闪模型单周期放电次数多。

图6 悬浮模型单周期放电特征(33 kV)

2.3 典型缺陷的时频域特征

利用宽带脉冲电流检测系统采集一定时间的放电波形，悬浮、滑闪模型测得的典型图谱如图8、图9所示。

将图8、图9的典型图谱转化为时频图如图10、图11所示。在时频图上，悬浮、滑闪放电均可分为1、2、3簇。

图7 滑闪模型单周期放电特征(16.4 kV)

图9 滑闪模型典型图谱(16.4 kV)

图10 悬浮模型时频图(33 kV)

利用专家系统对不同簇放电进行模式识别，结果表明悬浮模型第1簇为放电信号，表现为表面放电特征，其他簇为干扰信号;滑闪模型第1、2、3簇均为放电信号，随着电压的增加，第1簇信号放电模式表现为从电晕放电、表面放电到内部放电的转变，第2簇表现为电晕放电，第3簇放电表现为从电晕放电到内部放电的变化。

图11 滑闪模型时频图(16.4 kV)

悬浮模型第1簇放电还原到幅值相位图(PRPD)如图12所示。

图12 不同电压下放电发展过程

从图12可以看出，随着电压的增加，悬浮放电的放电次数越来越多，但根据幅值相位图谱的模式识别结果表明，悬浮放电放电模式单一，始终表现为表面放电类型。

滑闪模型第1簇放电还原到幅值相位图如图13所示。

图13 不同电压下第1簇放电发展过程

从图13可以看出，随着电压的增加，第1簇信号由一开始的电晕放电特征逐渐转化为表面放电特征，并且，随着电压的升高，逐渐出现了大量的内部放电，内部放电幅值比表面放电幅值要大、单次脉冲频率要高。

3 结论

对悬浮和滑闪两种典型电缆缺陷研究结果表明:

(1)随着电压的升高，悬浮模型放电量增加明显，滑闪模型放电量未出现增长趋势;

(2)悬浮模型单周期放电次数少，滑闪模型单周期放电次数多;

(3)随着电压的增加，悬浮放电次数越来越多，并且放电模式单一，始终表现为表面放电类型;滑闪放电放电模式较多，存在着多种放电同时发生的情况，随着电压的增加，放电模式会发生改变，逐渐由频率成分较低的电晕放电脉冲转变成频率成分较高内部放电脉冲。

实际中，由于制造、运输、安装等带来的高压电缆潜在缺陷错综复杂，有必要进一步研究多种缺陷的放电特征及其发展过程，形成高压电缆缺陷图谱库，为高压电缆现场局放带电测试及其缺陷诊断提供指导。

［1］罗俊华，邱毓昌，杨黎明.10 kV及以上电力电缆运行故障统计分析［J］.高电压技术，2003，29(6):14-16.

［2］王洪新，张水平，程树康，等.XLPE电树老化过程中局放特性［J］.高电压技术，2003(6):19-21.

［3］郑晓泉，Chen G，Davies A E.交联聚乙烯电缆绝缘中的导电和非导电型电树枝［J］.中国电机工程学报，2004，24(3):140-144.

［4］陈小林，成永红，谢小军，等.XLPE绝缘电老化中局放特性试验研究［J］.高电压技术，2006，32(4):22-24.

［5］段乃欣，马翠姣，邱毓昌，等.交联聚乙烯电缆敷设后的局部放电检测［J］.供用电，2001，18(4):12-14.