10 kV电缆受潮缺陷模拟及其放电特征研究

肖 睿

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266071)

高压电缆在石油化工装置中的应用日益广泛，随着电缆运行年限的增加，部分企业的电缆绝缘劣化问题愈加严重。引起企业电缆绝缘劣化的因素有很多，除了施工损伤和外力破坏之外，电缆的绝缘老化所引起的局部放电是导致电缆停电事故最主要的原因，其中因绝缘水树老化引起的局部放电是电缆绝缘老化和寿命缩短的主要诱因之一[1]。绝缘水树的出现将导致电缆的绝缘水平下降，从而诱发局部放电，加速电缆绝缘的劣化。尤其是当电缆运行环境存在潮湿较大、盐碱度高、腐蚀严重时，电缆绝缘劣化程度更为严重。

1 局部放电机理

在IEC 60270-2000《局部放电测量》中局部放电定义为：“一种导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电。这种放电可以在导体附近发生，也可以不在导体附近发生，一般是由于绝缘体内或绝缘表面的电场特别集中而引起的，通常表现为持续时间小于1 μs的脉冲，但也可以出现连续的形式，比如气体介质中的所谓无脉冲放电”。在高压场强的作用下，电气绝缘当中较为薄弱的部分会发生局部放电，表现为将绝缘内气体、液体及固体掺杂物击穿、在固体介质表面引发沿面放电等，但在局部放电区域内未形成固定的放电通道。

以电缆中的绝缘缺陷为例，其局部放电的等效电路如图1所示。

图1 电缆绝缘缺陷局部放电等效电路

由图1可以得出：

(1)

式中：Cx——等效介质电容，F；

Ca——与缺陷串联的绝缘介质的电容，F；

Cb——存在绝缘缺陷发生局部放电的介质的电容，F；

Cc——电缆绝缘介质的电容，F。

绝缘缺陷上的电压为：

(2)

式中：Ub——绝缘缺陷上的电压，V；

Ut——电极间施加的交流电压，V。

通常情况下电缆绝缘缺陷都很小，Ua≈(Ut)，发生局部放电时，Ub随着Ut的升高而升高，当Ut上升到缺陷处的起始放电电压US时，Cb开始放电，Cb上的电压迅速降到Ur，放电熄灭。设此时的外施电压瞬时值为Uc，则：

(3)

式中：Ur——Cb上的残余电压，V；

Uc——电缆绝缘介质的电压，V。

在Cb放电引起电压变化(Ub-Ur)之间时，可以得出：

(4)

式中：qr——回路放出电荷量，C。

2 试验

2.1 绝缘水树的等效电路

绝缘水树老化后的XLPE电缆电导存在非线性绝缘电阻特性[2-3]，含绝缘水树缺陷的XLPE电缆绝缘层的等效电路如图2所示。

图2 绝缘水树的等效电路

图2中R为绝缘水树的等效非线性电阻；C为含绝缘水树的部分绝缘介质的等效电容；CX为不含绝缘水树的绝缘介质的等效电容。

2.2 试验模型

参考10 kV电压等级的XLPE绝缘电缆，制作电缆模型，由内向外依次由铜芯、内半导电涂层、主绝缘、外半导电涂层和应力锥重叠组成，见图3。

图3 电缆模型结构示意

在电缆模型基础上，制作2种试样：一种是埋入干燥棉线的模型试样；另一种是埋入在浓度为5%的盐水中充分浸泡12 h棉线的模型试样，用于模拟电缆严重受潮而形成绝缘水树枝的情况，见图4。

图4 埋入棉线电缆模型示意

埋线埋入位置位于外半导电层断口与线芯处。利用凡士林半导电性的原理，将外屏蔽层边缘处大面积涂上凡士林，防止这个部位试验过程中发生击穿。

2.3 试验系统

图5中U为220 V电源，T1、T2、T3分别为自耦调压器、隔离变压器和无局放高压试验变压器。T3额定电压UN=100 kV，额定功率SN=10 kVA，100 kV以下放电量小于5 pC。宽带脉冲电流检测系统见图6[4]。

图5 局部放电试验系统

图6 宽带脉冲电流检测系统示意

特高频噪声传感器置于试验电缆模型旁边，收集试验模型空间环境中的特高频噪声信号。宽带脉冲电流传感器卡装于试验电缆接地引下线上，用于耦合电缆模型内部产生的局部放电信号。传感器收集到的信号通过同轴电缆传输到现场采集单元，进行信号的转换、滤波、检波、降噪等一系列调理后，通过USB串口上传至笔记本。笔记本内的局部放电分析软件会对上传的原始数据进行一系列的相位分析、频域分析、时域分析、峰值统计、类型识别、故障诊断、信息保存和数据管理等处理。

3 结果与分析

在实验室条件下，对2种试样进行串联谐振耐压下的局部放电测量，通过调节电抗使谐振频率接近50 Hz，与实际运行工况相接近。根据标准，在1.5U0(U0为10 kV电缆的最高运行相电压有效值，取8.7 kV)下进行局部放电测量，其放电量-放电相位图谱如图7、图8所示。

图7 埋入干燥棉线试样的放电量-放电相位图谱

图8 埋入盐水浸泡棉线试样的放电量-放电相位图谱

通过对比2种模型的放电量-放电相位图谱可知，水树老化后的模型图谱呈现双极性的分布特征，属于沿面放电类型。

此类缺陷随着外施电压的升高，当达到其临界放电电压值时开始放电，放电后界面电压下降，继续充电，当再次达到临界放电电压值时再放电，如此反复，在外施电压峰值过后电压下降放电暂停，直至达到反相临界放电电压值后又开始新一轮的放电。外施电压越高放电幅值越大，因此放电呈现出双极性的分布特征。

4 结语

根据电缆绝缘水树的等效电路，制作了2种电缆模型试样：一种是埋入干燥棉线的模型试样；另一种是埋入在浓度为5%的盐水中充分浸泡12 h棉线的模型试样。对两种试样在试验室进行串联谐振耐压下的局部放电测量，通过脉冲电流法对其放电信号进行检测，获取了典型放电图谱。结果表明埋入盐水浸泡棉线试样的图谱呈现双极性的分布特征，属于沿面放电类型。