交联聚乙烯电缆可分离连接器对振荡波局部放电测试的影响

2021-07-08林劝立叶建区张桂凯

山东电力技术 2021年6期

林劝立，叶建区，张桂凯

（广东电网广州供电局，广东广州 510620）

0 引言

交联聚乙烯（Cross⁃Linked Polyethylene，XLPE）电缆以其工艺简单、结构合理、敷设方便和电气性能优良等优点被广泛应用在35 kV 及以下的城市配电网中［1］。然而，目前大部分电缆运行年限已经超过15 年，有的甚至超过20 年，逐渐进入“老龄化”，运行可靠性迅速下降，导致电缆线路故障频发［2-3］。研究表明，局部放电是电缆绝缘老化的表现形式之一，也是绝缘进一步劣化并导致失效的主要原因［4］。因此，实施有效的局部放电检测有助于及时发现隐患并实施修复，对保障电缆线路乃至整个电力系统的安全运行有重要意义［5］。

XLPE 电缆较长，等效电容较大，局部放电测量对试验电源容量要求也较高［6］。一般来说，它的交接试验或预防性试验通常采用工频、变频谐振、0.1 Hz 超低频或振荡波电压作为试验电源［7-8］，其中振荡波电压具有作用时间短、对电缆绝缘损伤小的优点，在XLPE电缆局部放电的现场测量中得到广泛应用，并形成相应行业标准［9］。

目前，对XLPE电缆振荡波局部放电试验的研究主要针对电缆附件中应力锥错位、导体尖刺、金属颗粒等典型缺陷的电场仿真［10-11］，放电特性和放电图谱等的对比分析［12-13］，或者更进一步地选择合适的人工智能算法对试验数据进行故障分类和识别［14］。这些研究结果的有效性基于通过统一、合理、规范试验操作流程而获取的准确数据。然而，在接线时涉及电缆可分离连接器的不同处理方式对试验结果的影响未见报道，但从现场经验来看仍值得深入讨论。

电缆可分离连接器通常也叫电缆终端头或插拔头，它是将电缆连接至开关柜、电缆分接箱、变压器等设备以构成电力网络的附件。试验时要求将被测电缆与其他设备断开，但对可分离连接器是否需要拆卸没有明确要求，所以在现场试验时也分为拆除或保留可分离连接器两种试验接线方式，这会影响试验结果甚至损伤电缆附件。

鉴于此，着重研究上述两种试验接线方式对电缆振荡波局部放电测量的影响，首先明确XLPE电缆振荡波局部放电测量原理和试验步骤，接着对试验接线中涉及可分离连接器的不同处理方式进行分析，最后通过现场试验验证分析结果，以期为现场试验总结经验，为试验指引和标准的修订提供依据。

1 振荡波局部放电测试

1.1 测试原理

利用振荡波进行XLPE 电缆局部放电检测的原理是基于电感和电缆等效电容的串联谐振，其测试系统如图1所示。

图1 电缆振荡波局部放电测试系统

测试系统的工作过程分成2个阶段：第1阶段是充电，由直流高压电源对被测电缆充电至预定电压；接着由微机触发快速闭合高压开关，进入第2 阶段即轻阻尼交流谐振，这时，由被测电缆等效电容C与设备内置电感L产生轻阻尼串联谐振，产生振荡频率的谐振电压，该电压在被测电缆绝缘缺陷处激发出局部放电信号，通过局放耦合器捕获，再经放大、滤波和数据处理后显示在计算机上。

1.2 试验步骤

电缆振荡波局部放电试验是离线进行的，当被测电缆断电停运、充分放电、拆除与其他设备之间的连接、端部悬空、非试验相短路接地后，一般遵循以下试验步骤：

1）测量绝缘电阻，当阻值大于30 MΩ 时，方可进行局部放电试验；

2）使用低压时域反射仪确定电缆长度和中间接头位置；

3）校准局部放电量；

4）按表1分步加压［9］进行局部放电测试，其中U0为电缆运行的额定电压，新投运电缆为敷设时间小于1 年且未经过大修的电缆，其他情形按已投运电缆考虑；

表1 振荡波局部放电试验中各测试电压对应的测试次数

5）根据试验结果分析被测电缆绝缘状态。

2 可分离连接器的影响分析

2.1 可分离连接器

可分离连接器按外形可分成外锥式和内锥式，其中外锥式又可分为肘型、直型和T 型可分离连接器3 类；按接口尺寸标准还可分成欧式（满足欧洲标准EN50180［15］或EN50181［16］）和美式（满足美国标准IEEE386［17］）。目前，国内城市中压配电网大多使用满足欧洲标准的外锥式可分离连接器。

常见的肘型可分离连接器与XLPE 电缆装配前后的结构如图2 所示。预制式橡胶绝缘应力锥与电缆本体的连接是影响绝缘性能的关键位置，它一般采用过盈配合，即应力锥向绝缘本体施加一定的弹力。正常使用时，插拔头主体内表面均匀涂抹一层硅脂后，再套入预先制作好的电缆适配器上，经由螺栓连接至环网柜等电气设备上，即可将电缆接入电力网络并投入运行。以下将重点关注此类可分离连接器对振荡波局部放电试验的影响，涉及其他类型的可分离连接器的相关试验可参考本文所得结论。

图2 肘型可分离连接器

2.2 试验接线方式分析

XLPE 电缆振荡波局部放电的交接试验或预防性试验在接线时，涉及可分离连接器通常有以下3种处理方式：

方式1，拆除插拔头主体，试验电源通过鳄鱼夹与接线端子的连接接入，如图3（a）所示；

方式2，安装或保留插拔头主体，利用长螺栓将接线端子延长至插拔头外，再经鳄鱼夹连接接入试验电源，如图3（b）所示；

方式3，安装或保留插拔头主体，试验电源经过特制连接杆接入，连接杆形状与插拔头主体适配并敷设足够厚度的绝缘层，如图3（c）所示。

图3 试验连接方式

较于方式3，方式1 和2 在现场中更为常见。但它们的试验效果各有不同：

方式1 相当于把电缆适配器当作临时户外终端，试验仅能检测被测电缆的绝缘性能，无法对插拔头主体的绝缘性能进行电气检测。现场在试验通过后常经常将插拔头主体安装回电缆适配器便投入运行，这种处理方式并未将电缆完整终端头的局部放电状态纳入考量，因此该方式有相当大的风险，试验时应避免使用。

方式2 相当于把电缆和可分离连接器当成整个系统进行测试，对被测电缆和插拔头主体同时进行有效检测，但当首末两端出现局部放电时，无法区分是插拔头主体还是电缆适配器的问题。另外，尽管试验现场常采用方式2，但这种方式极不正规，在插拔头主体内部狭小空间内很难保证长螺栓与接线端子之间的可靠连接，因此该方式在连接部位有诱发局部放电的可能，试验时不建议使用。

方式3 是方式2 的一种优化形式。该方式既能有效检测电缆和插拔头主体的绝缘状态，也不易诱发局部放电，因此试验时推荐使用这种接线方式。

除试验效果外，3种处理方式在现场使用时仍有问题值得注意。

方式1 在拆卸或安装插拔头主体时易造成应力锥错位。一般来说，应力锥在应力体内通过冷缩或热缩实现与XLPE电缆半导电带的紧密连接，起到改善电场分布、避免电应力集中的效果。然而，由于电缆附件质量、长时间运行等问题，应力体的握紧力逐渐下降，加之拆装插拔头手法粗暴，应力锥错位现象时有发生。有统计报告指出，有约25%的电缆终端在拆装插拔头时造成损伤，进而诱发局部放电，甚至是发生击穿故障。

方式2 的延长螺杆易造成对插拔头主体外表面产生持续放电，从而导致试验失败。为了保证人身安全，插拔头主体的外表面通过接地引线直接接地，因此插拔头主体外表面为零电位，试验时接线端子的延长螺杆为高电位。当螺杆偏离轴心则易在最靠近插拔头外表面的位置产生持续放电，从而导致试验失败。通过比较图4的仿真结果可清晰解释这一现象，当螺杆位于轴心时，电场分布从内至外均匀降低，电场强度最大值出现在螺杆外表面，通常不会超过空气击穿场强；当螺杆偏离轴心后，电场分布严重畸变，在靠近插拔头外表面的位置处场强达到最大，试验电压足够大时可发生持续电弧放电，从而致使试验失败。

图4 螺杆正常与偏离轴心时的电场分布

方式3 的连接杆无法适配不同类型的插拔头主体。为了保证连接杆与接线端子可靠连接，连接杆外形与插拔头腔体适配，这种接线方式较为完备，但通用性较差。

3 现场试验验证

为了验证以上分析结果，现场对广州地区一条全长为228 m 的10 kV 三芯XLPE 电缆的A 相实施振荡波局部放电测试。经测量，该电缆在95 m 的位置处有一个中间接头。

XLPE 电缆末端保留插拔头主体，首端依次设置成图3 所示的3 种连接方式，其他条件不变，进行振荡波局部放电测试，局部放电定位结果分别记作L1、L2 和L3，如图5（a）所示。当在电缆末端实施振荡波局部放电试验，首端仍然按相同设置采用3 种连接方式，其测量结果如图5（b）所示。电缆首端和中间接头处的局部放电相位分析（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）谱图如图6所示。

图5 局部放电定位

图6 局部放电PRPD谱图

结果显示，3种连接方式均可准确测量电缆中间接头的局部放电，连接方式只影响首末两端局部放电试验结果。另外，图6 显示可根据放电次数对不同位置的放电信号进行区分，其中首端放电次数更多，但放电量差别不大。

相对方式2 和3，按方式1 进行试验时在首端电缆适配器位置发生局部放电，经解剖发现，应力锥错位是引发该放电的直接原因；相对于方式1 和3，按方式2 进行试验，施加1.7U0时延长螺杆与插拔头主体外表面发生持续电弧放电，导致试验失败，进一步使用绝缘护套隔离后试验可正常进行；按方式3 进行试验可准确测得中间接头的局部放电信号，且不会出现方式1和方式2的问题。

现场试验结果与前文分析一致，但仍需指出，电缆交接试验和预防性试验的目的是尽可能模拟正常运行情况来评估绝缘状态。XLPE 电缆的终端和中间接头是其绝缘性能的薄弱点，为了更好检测绝缘状态，把电缆及终端附件当成一个系统看待是一种更加合理的试验选择，而且还能避免多次拆装造成应力锥错位的风险。当然采用这种方式时，试验人员需要通过恰当的延长装置将接线端子引出以便高压电源接入，引出时要注意保持与插拔头主体表面的绝缘距离，有条件情况下建议使用方式3 所用的连接杆。