电缆终端安装刀痕缺陷的局部放电特性分析

周 凯，李旭涛，黄华勇，魏长明，杨 可

（1．四川大学电气信息学院，四川 成都 610065；2．重庆市电力公司永川供电局，重庆 402160）

0 引言

电缆终端是电缆线路的薄弱环节和运行故障多发部位。电力电缆线路运行与试验的实践经验证明：除外力破坏等原因，电缆线路敷设过程中电缆附件的制造与安装质量问题已成为电缆线路发生运行故障的主要原因[1]。由于电缆附件安装过程中产生的缺陷通常由现场的操作疏忽造成，这类缺陷一般较细微，在耐压试验时难以被发现，因而存在微小缺陷的电缆终端往往能够顺利通过耐压试验。然而，绝缘缺陷在线路投运后几周至几个月的时间里会迅 速发展，最终造成绝缘击穿甚至终端爆炸等事故。如何在安装后发现并评估缺陷，避免事故发生是一个值得关注的问题。

目前在交联聚乙烯(XLPE)电缆线路上已得到应用的状态检测技术有局部放电(PD)检测技术、红外成像测温(IR)技术、光纤分布式测温(DTS)技术等[2-4]，这些方法各有优点。而PD 测量拥有丰富的检测方法和经验，目前国内外专家普遍认为PD 检测是电缆线路早期绝缘状态评价的有效方法[4-7]。对PD 的放电特征进行分析，根据不同类型放电的特性进行电缆运行状态的评估，已成为电缆线路状态检修的重要内容[8-13]。

过去对于电缆附件PD 特性的研究重点关注单个缺陷（如气隙、毛刺、导电颗粒或尖端等绝缘杂质）模型下的放电特性[8-10,12-13]，缺陷模型经过特别设计且放电类型较为单一，而对于典型的安装缺陷，如剥离半导电层产生的刀痕缺陷（这类缺陷在现场施工中极为常见）研究较少，而绝缘杂质产生的电场畸变比刀痕要大许多，因此，使用绝缘杂质做缺陷难以模拟现场安装过程中造成的绝缘损伤。通常刀痕缺陷的PD 是在电缆终端投运一段时间后才表现出来的，而现场的耐压或局部放电试验并不能检测出新装终端中的此类缺陷，这就需要对刀痕缺陷的发展过程和放电特征进行分析，一方面可为状态检修中识别刀痕缺陷提供理论依据，从而在设备投运初期发现安全隐患；同时，通过研究不同刀痕缺陷对绝缘破坏的影响，可为改进电缆终端安装工艺提供参考，并帮助改进现场试验方法（比如是否应在投运一段时间后再次测量局部放电）等。实事上，造成刀痕缺陷PD 发展的原因主要包括电场和温度场两方面作用，过去主要关注电场的影响，而忽视了温度场的影响，实际上负荷的波动对缺陷PD 的发展也有影响，需要有模拟实际工况的实验研究平台，以更好地了解实际运行情况下缺陷的发展规律，而这方面的研究也鲜有报导。

为此，本文根据近年来电缆终端运行的故障统计数据，选取两种常见的刀痕缺陷，分别制作在两个电缆终端内。利用电缆附件老化平台模拟运行工况，使缺陷表现出明显的局部放电，再通过统计分析手段研究两种刀痕局部放电的时域和频域特征，从而对比分析不同刀痕缺陷的放电特征。

1 电缆终端典型刀痕缺陷设计

预制式电缆附件在中压电网中被广泛使用[14]。应力锥是预制式电缆附件的关键组成部分，直接套装在电缆主绝缘和外半导电层截断处的过渡面上，如图1所示。其具有均匀半导电层截断处电场的重要作用，可以大大缓解该位置的电场畸变。所以，外半导电层剥离处理的质量好坏将直接影响该位置局部电场的强度，进而可能影响电缆终端投运后的运行质量。

通过分析近年来电缆终端的运行故障报告发现，在许多案例中，即使在满足现场耐压试验要求的情况下，电缆终端在投运一段时间后依然发生了故障，而其中由半导电层截断处的环切刀痕与纵向刀痕引起的绝缘故障较为普遍，如图2、图3所示。

此外，根据现场调研结果，在剥离外半导电层的工作中，目前普遍采用的做法是：首先在外半导电层截断处（图1所示）进行环形切割，再使用刀具沿轴向对外半导电层进行剖切，最后将外半导电层整体剥离。但是，由于进刀深度难以控制，在实际剥离半导电层的过程中，环切与纵切刀痕成为了刀痕缺陷的主要来源。

图1 电缆终端及应力锥处的电场分布Fig.1 Cable termination &electric field of the stress cone

图2 环切刀痕及其导致的绝缘击穿Fig.2 Ring-cutting defect and the breakdown caused by it

图3 纵向刀痕及其导致的爬电击穿Fig.3 Slitting defect and the breakdown caused by it

因此，在综合考虑典型故障案例与电缆终端安装工艺特点之后，本文以半导电层截断处的环切刀痕，以及电缆末端与半导电层截断处之间的纵向刀痕作为研究对象，将两种刀痕缺陷分别制作在不同的电缆终端内，并在终端安装后对其进行了耐压试验与局部放电试验[15]。试验结果表明，包含两种缺陷的电缆终端都能顺利通过耐压试验；但在局部放电试验中未检测到明显的放电信号，说明IEC 的PD试验方法并不能在电缆终端新安装后检测出刀痕缺陷。为了排除偶然因素的影响，笔者在多个电缆终端中试制了不同严重程度的上述两种刀痕缺陷，得出的试验结果与以上结果类似。因此，为了研究不同缺陷的局部放电特性，需要模拟电缆线路的运行工况，对电缆终端绝缘进行老化，使PD 特征随着绝缘的老化而表现出来。

2 电热老化实验装置及PD 测量

本文用于实验的电缆为26/35 kV 单芯 XLPE绝缘电缆，电缆终端为26/35 kV 预制式冷缩电缆终端。采用能够同时施加高电压(产生电场)和大电流(形成温度场)的电缆附件老化平台[16]，使电缆终端处于电场与温度场的协同作用下，从而模拟线路运行工况。

老化实验平台接线如图4所示，电压由变压器高压端经保护电阻连接到电缆试验(充油)终端的接线端子，输入额定运行电压到回路中；两只电缆终端与电缆试验终端及连接电缆依次串联形成电流回路，电流由文献[16]中所述方法通过CT 耦合到实验回路中，回路电流为200 A。

图4 电缆附件老化实验平台Fig.4 The aging platform for cable accessories

由于基于IEC60270 标准的检测阻抗法在实际试验中存在抗干扰能力差、测量结果易受接线回路影响、以及不能进行在线测试等问题，同时考虑到电缆终端的结构特点及线路运行中的实际测量环境，本文使用为电缆终端设计的罗氏线圈作为PD检测传感器。由于检测对象是电缆终端处的局部放电，本文将传感器安装在终端接地线上进行PD 测量，为防止地线环流产生干扰，减小地线对放电波形的影响，实验回路采取一点接地。此外，为了减小来自设备、接线端子等的干扰，进行PD 检测时须将老化回路拆开，单独检测每只电缆终端的放电。

根据文献[7]的研究结果，本文中罗氏线圈采用镍锌铁芯制成，其具有良好的高频响应特性（在2～80 MHz 频带范围内具有最佳响应特性）。检测中使用RIGOL-DS6104 数字示波器(1 GHz 带宽，5 GSa/s 采样率，最大存储深度140 M 采样点)观测并采集放电信号；使用RIGOL-DSA1030A 频谱仪(9 k～3 GHz 带宽，10 Hz 最小分辨率)对放电信号进行频谱分析。PD 检测在1.5U0试验电压下进行。

3 局部放电测试与分析

3.1 电热老化对局部放电的影响

在老化实验平台上对电缆终端进行120 h 老化后，检测到放电信号，但放电幅值较小且放电重复率较低，不利于进行数据统计与分析。因而继续老化至240 h，两只电缆终端都表现出明显的放电特征。实验结果表明，刀痕缺陷的PD 在模拟工况的老化下发展迅速，进而可以推断在实际运行中刀痕缺陷PD 对绝缘的破坏速度也是很快的。

在PD 检测中同时发现，不同刀痕缺陷的放电特征有所不同，下面分别对两种缺陷的放电特性进行分析。为便于比较说明，以下均采用老化240 h后电缆终端的PD 检测数据。

3.2 环切刀痕的局部放电

从单次放电波形、放电频谱和工频相位下的PD相位分布(即局部放电相位分析，PRPD)等方面对PD 进行分析，可为绝缘缺陷的识别提供参考依据。

本文使用DS6104数字示波器在5 GSa/s采样率下，以单次触发方式对每种缺陷的单次放电进行了数千次波形记录。通过对比波形发现，同一缺陷放电单次波形的上升时间、持续时间及振荡形式等特征基本保持稳定，放电的随机性主要体现在脉冲幅值的波动上。因此，在研究中重点关注影响PD 频率特性的上升时间、持续时间及振荡形式等特征，而将放电幅值作为PD 强弱的参考量。

图5 为环切刀痕缺陷的单次放电波形，图中每100 个采样点的记录时长为20 ns。放电首脉冲上升时间约为2.5～3.0 ns，次脉冲上升时间约为1.0～1.5 ns。波形为多峰振荡形式，放电持续总时长超过120 ns，衰减速度较慢。由于放电波形为多峰振荡且每个脉冲的上升时间不同，所以环切刀痕放电包含的频率成分较为丰富。

图5 环切刀痕的单次放电脉冲波形Fig.5 Waveform of single discharge pulse of the ring-cutting defect

为进一步确定放电的频率分布特性，使用DSA1030A 频谱仪对PD 进行频谱采样。由图6 可知，环切刀痕缺陷放电的频率分布较分散且分布范围较广，除在局部范围（300～330 MHz、330～370 MHz）有较宽频带的集中分布外，其他频率位置都呈窄带分布，因而单次放电波形反复振荡且衰减缓慢。此外，450 MHz 以上区域出现的多个高幅度频率分布使放电波形表现为多峰波形。

图6 环切刀痕的局部放电频谱Fig.6 Partial discharge frequency spectrum of the ring-cutting defect

事实上，时域分析手段很难将混叠在一起的不同信号的特征进行分离，然而从频域的角度来看，无论是某种放电现象（内部放电、表面放电或电晕放电）还是干扰源，相同类型信号源的频率分布特性是相似的，而不同信号在频域特征上的差异表现为频域分布的区域性，利用这一特点对采样信号的统计数据进行频域聚类分析，可以将检测数据中不同类型的信号加以区分[17]。

在检测中，直接测量获得的采样数据中既包含PD 信号，又含有噪声信号，这些信号在频域上分布在不同区域内，通过聚类分析可以将信号的全部特征标记为多个子集分类[17-18]，其中除了噪声信号的分类外，其余为放电信号的分类。而噪声信号的频域聚类集合是可以预先进行记录的，例如，在不加压或电压低于PDIV（起始放电电压）时将采样所得背景噪声信号进行统计聚类，此时由于未发生PD，获得的数据集合即为噪声的频域聚类特征。

图7 为环切刀痕缺陷终端处测得的信号频域分类图，其中(a)、(b)区域为噪声，(c)、(d)区域为PD，虽然噪声信号的统计次数高出PD 信号一个数量级以上，但噪声的频域分布非常集中，而PD 信号的随机性很高，分布范围很广。此外，PD 分布在(c)、(d)两个区域说明环切刀痕处可能包含有两种类型的放电。

使用前文所述的频域聚类方法将噪声信号剔除，经过频域去噪后，再利用PRPD 方法对除去噪声后的信号进行时域分析，一方面降低了时域分析中降噪的困难性，同时也使PD 信号特征得到最大程度的保留。

图7 包含环切刀痕的终端处信号的频域分类Fig.7 Frequency domain classification map of the cable termination with ring-cutting defect

时域分析中，本文以工频电压信号作为触发信号，统计并绘制局部放电PRPD 二维（相位-幅值）谱图。由图8所示的环切刀痕PD 二维统计谱图可知，环切刀痕缺陷放电的相位广泛分布在0°～105°及180°～275°范围内，在20°～60°和200°～235°范围内放电最强。放电相位分布范围较广且较为发散，正负半周的放电近似对称分布。

图8 环切刀痕的二维PRPD 谱图Fig.8 2D PRPD pattern of the ring-cutting defect

3.3 纵向刀痕的局部放电

图9 为纵向刀痕的单次放电波形，放电波形为单峰振荡衰减。放电脉冲上升时间约为2.5～3.0 ns，放电持续时间为45～55 ns，持续时间较短且波尾衰减迅速。类似地，利用频谱仪对放电的频谱特征进行记录，如图10所示，纵向刀痕放电的频率分布范围较集中，主要分布在300 MHz 以下和490～550 MHz 附近区域，因而单次放电为单脉冲波形，且波尾为单峰衰减的形式。

采用与环切刀痕处测量时相同的采样次数，对纵向刀痕处信号进行频域聚类分析结果如图11所示，与环切刀痕不同，纵向刀痕处的PD 信号聚类仅有(c)区，而没有图7 中的(d)区子集。同时，由于是在相同实验环境下，两种刀痕处信号的频域聚类中噪声分类子集的分布是相同的，都在(a)、(b)两个区域。

图9 纵向刀痕的单次放电波形Fig.9 Waveform of single discharge from the slitting defect

图10 纵向刀痕的局部放电频谱Fig.10 Partial discharge frequency spectrum of the slitting defect

图11 包含纵切刀痕的终端处信号的频域分类Fig.11 Frequency domain classification map of the cable termination with slitting defect

与前文方法类似，纵向刀痕的二维PRPD 统计表示在图12 中，如图所示，放电集中分布在7°～82°和188°～280°，正负半周放电呈明显对称分布。此外还发现，正负半周局部放电的相位分布分别集中于两段不同的相位区间内：正半周7°～32°和32°～ 82°，以及负半周188°～223°和223°～280°的位置。

图12 纵向刀痕的二维PRPD 谱图Fig.12 2D PRPD pattern of the slitting defect

3.4 两种刀痕缺陷的对比分析

单独讨论每一种刀痕缺陷的PD 特性难以深入了解缺陷与放电的关系。因此，通过对比两种缺陷下PD 特征的差异，对放电特性做进一步分析。

对于运行初期的电缆终端，相同时间老化后的环切刀痕比纵向刀痕更容易发生局部放电：环切刀痕缺陷的起始放电电压为25 kV，而纵向刀痕缺陷的起始放电电压为26.5 kV。

在相同试验电压下，环切刀痕缺陷的放电强度要大于纵向刀痕。通过对比图6、图10 两种缺陷放电的频谱特性发现，环切刀痕的放电中包含更多的高频成分，频率分布范围更广泛且分散；而纵向刀痕的频率分布有明显的高、低频段之分，纵向刀痕的放电点可能是在靠近半导电层处的局部区域先开始放电，放电点少（通常表现为单点放电），而且电场也相对较小，因此放电幅度较小且放电频谱单一。另外，经过频域聚类发现，图7 与图11 中的(c)区位置基本吻合，表征为同一类型的放电，结合PRPD的分析结果可判断(c)区为内部放电[9,11,17]；而图7中(d)区位置的放电信号则未出现在图11 中，频域特征上的差异说明环切刀痕处包含不止一种类型的放电，这主要因为环切刀痕靠近半导电层截断处，电场强，可能含有多个放电点甚至出现表面放电，因此放电频谱宽、幅度大。

此外，从两种缺陷放电的PRPD 谱图（图8、图12）来看，环切刀痕缺陷的放电在放电量、放电密度及放电重复率上都高于纵向刀痕，因此不论在放电活跃性还是放电能量上，环切刀痕缺陷的局部放电都更强，从而对绝缘的破坏速度更快。

4 结论

本文制作了含有两种典型安装刀痕缺陷的电缆终端，利用电缆附件老化与检测实验平台，对缺陷的局部放电特征进行了统计分析，结论如下：

(1) 两种刀痕缺陷的局部放电信号在时域、频域特征上存在明显差异，这些特征可为刀痕缺陷的诊断与识别提供依据。

(2) 纵向刀痕放电特征与内部放电特征相吻合，而环切刀痕放电中包含多种类型的放电，对绝缘材料的烧蚀作用更强。

(3) 在安装工艺上需特别注意环切刀痕的产生，此外，缺陷对绝缘的破坏需要时间，在安装投运一定时间后进行PD检测才可能检查出刀痕类缺陷。

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