全绝缘管型母线振荡波检测技术试验研究*

李义鹏

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

全绝缘管型母线(以下简称绝缘管母)以铜管作为导体、并在铜管上包覆绝缘材料，是一种密封全绝缘的新型绝缘母线。由于载流量大、机械强度高、结构紧凑，且电气绝缘性能较强，绝缘管母在长期挂网运行中表现稳定可靠，很好地发挥了安全绝缘、载流能力强、排布紧凑节省空间且耐候性强等突出优势[1-2]。但绝缘管母产品种类和绝缘材料繁多，结构设计和生产工艺各异，产品质量和运行效果参差不齐，在投入运行后逐步暴露出绝缘层断层、烧蚀、破损等各类隐患。这些隐患缺陷能诱发绝缘管母局部放电，使其长期承受局部放电作用而导致绝缘层加速老化，最终造成击穿引发停电事故[3-5]。此类事故在电力系统屡见不鲜。南方电网对某公司10 kV绝缘管母的统计结果显示，2013—2016年间该公司778套设备共发生绝缘类故障35起。

局部放电是指当外施电压在电气设备中产生的场强大到足以使其绝缘部分区域产生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的放电现象。随着局部放电的持续进行，设备内部的绝缘缺陷会在局部放电作用下逐渐劣化，从而诱发更加严重的局部放电，加速设备绝缘的劣化和失效，最终引发绝缘击穿事故，造成大面积停电，带来重大经济损失[6]。局部放电是绝缘管母发生绝缘类故障的前兆，提前发现绝缘管母出现的局部放电信号并采取措施，可有效避免该类事故的发生。绝缘管母主要采用绕包、浇注、挤出3种生产工艺[7]，本文以10 kV挤出式绝缘管母为研究对象，制作绝缘管母缺陷试验模型，搭建测试系统，开展试验测试与研究。

1 绝缘管母绝缘类故障原因分析

挤出式绝缘管母因其结构与电缆类似又被称为管型电缆，是以高分子聚合物作为绝缘材料，将特定形状的螺杆在加热的机筒中旋转，使高分子聚合物向前挤压并均匀塑化(即熔融)，通过机头和不同形状的模具挤压成连续性的塑料层并挤包在铜管上而成。造成挤出式绝缘管母故障的主要原因如下。

a) 绝缘水平低。绝缘管母绝缘不够，在长期运行中易发生绝缘击穿。绝缘管母的绝缘要求不能简单套用金属封闭母线的标准。

b) 导体温升高。夏季，发电厂和变压站工作环境温度达50 ℃，太阳直晒部位可达60 ℃，当导体温升50 K时，母线的运行温度高达110℃，造成绝缘材料因老化而发生击穿。

c) 主绝缘制作工艺不良。在主绝缘制作过程中，引入金属碎屑、水分等。

d) 中间接头部位安装质量缺陷。中间接头安装过程中引入水气、金属碎屑，或因安装操作不当导致半导电层结构受损。

e) 半导电层加工工艺不良。加工工艺粗糙，导致半导电层出现凸起或分层。

f) 端部结构不合理。在长时间运行中，外护套表面长期积污，形成导电通道。

g) 密封工艺不良。绝缘管母因密封不良导致受潮或进水，当绝缘表面湿度加大时会产生爬电或形成树枝状放电，从而引发烧损。

2 绝缘管母缺陷试验模型制作

根据绝缘管母故障的主要原因，总结出绝缘管母常见的绝缘缺陷有以下6类：半导电层分层缺陷、绝缘层金属碎屑、绝缘层水分侵入、中间接头包覆半导体层破损、中间接头金属尖端、母线端部绝缘护套严重污秽。为研究绝缘管母的状态检测方法，设计加工了6段长度为2 m的绝缘管母缺陷模型，如图1所示。此外还制作了1段无缺陷的正常管母，用以开展局部放电对比试验。

图1 绝缘管母缺陷试验模型

3 绝缘管母局部放电量测试

使用DTJF-Ⅲ局部放电检测仪，在环境条件为26～34 ℃、相对湿度为67%～75%条件下，根据DL/T 1658—2016《35 kV及以下固体绝缘管型母线》的相关要求开展局部放电测试。10 kV挤出式绝缘管母额定电压UN为6 kV，进行局部放电试验时，试验电压逐渐升高至2UN并保持10 s，然后缓慢降至1.73UN，其局部放电量不应超过10 pC。该测试方法主要用于绝缘管母的出厂测试，试验结果见表1。

表1 绝缘管母局部放电量测试 pC

试验数据表明，只有正常绝缘管母的局部放电量小于10 pC，满足标准要求，其他缺陷模型局部放电量均超过了10 pC，证明上述6类缺陷模型有效。此外，中间接头金属尖端及中间接头包覆半导体层破损2类缺陷模型具有较高的放电量。

4 绝缘管母振荡波测试

红外、高频电流等局部放电方法已被应用于绝缘管母局部放电检测，并取得了一定的效果[8-11]，但主要适用于绝缘缺陷较严重的情形。鉴于挤出式绝缘管母与电缆有着极其相似的特性，而振荡波检测技术在电缆局部放电检测上面取得了良好的效果，本文尝试将振荡波检测技术应用于绝缘管母局部放电检测并开展试验研究。

振荡波试验系统目前在国际上应用比较广泛，能够有效检测和定位配电电缆局部放电位置，且检测本身不会对电缆造成伤害。国内多家电缆运行、试验单位已陆续从国外引进该测试系统，应用于配网中压电缆线路测试中，现场发现并解剖验证了因制造、敷设、安装引起的各类缺陷，取得了不错的效果[12-17]。

绝缘管母振荡波法检测试验系统主要包括10 kV振荡波系统、绝缘管母缺陷模型、降频器等，试验原理如图2所示。依据DL/T 1576—2016《6 kV-35 kV电缆振荡波局部放电测试方法》的相关要求，在绝缘管母缺陷模型上施加振荡波信号，研究绝缘管母的状态检测方法。

图2 绝缘管母振荡波测试原理

4.1 降频器的应用

受场地限制，绝缘管母的安装长度有很大的差异，目前已安装的最长绝缘管母单相最长1 500 m左右，但大多数绝缘管母一般只有几十米。

根据振荡波原理，当绝缘管母长度较短时可通过其与电容器并联的形式，达到产生振荡波电压的目的。电容器的引入降低了系统的频率，因此该电容器也被称为降频器。振荡波电压频率完全由回路总电感量与回路总电容量决定，且在相同频率下，电感量与电容量成反比[18-19]。电容器的加入改变了测试回路中的电气参数，从而实现在绝缘管母上施加满足标准要求的振荡波信号。

4.2 试验结果

10 kV绝缘管母峰值电压U0为8.7 kV，试验电压峰值如表2所示。

表2 振荡波试验施加电压 kV

试验得到绝缘管母在不同电压下的加压图谱。中间接头包覆半导电层破损缺陷类型的绝缘管母在13.05 kV下的加压图谱如图3所示。

图3 中间接头包覆半导电层破损的绝缘管母振荡波图谱

不同试验类型绝缘管母的放电量趋势如图4所示。

图4 绝缘管母局部放电量趋势

4.3 试验结果分析

绝缘管母起始放电电压试验结果见表3。

表3 绝缘管母振荡波电压下的局部放电量

分析试验数据可以得到以下结论：

a) 正常绝缘管母的起始放电电压远高于有缺陷的绝缘管母。正常绝缘管母在1.7U0即14.79 kV时开始出现局部放电信号，而有缺陷的绝缘管母的起始放电电压皆小于等于1.3U0即11.3 kV。

b) 中间接头包覆半导电层破损、绝缘层水分入侵及绝缘层金属碎屑3类缺陷模型在U0电压下即可发现局部放电信号；与其他试验模型相比，中间接头包覆半导电层破损的试验模型具有较高的局部放电量。

c) 在1.5U0即13.05 kV电压下，各缺陷模型的局部放电量皆超过200 pC；与出厂局部放电量测试一样，中间接头金属尖端及中间接头包覆半导体层破损2类缺陷模型具有较高的放电量。

5 结论

依据标准DL/T 1576—2016《6 kV-35 kV电缆振荡波局部放电测试方法》，通过试验研究了振荡波检测技术在10 kV绝缘管母缺陷识别上的应用。试验结果表明，可以通过该技术发现绝缘管母存在的缺陷，在1.5U0即13.05 kV电压下，当绝缘管母线局部放电量超过200 pC时，可以认为绝缘管母存在绝缘缺陷。该研究结果为10 kV绝缘管母的故障排查提出了新的技术手段。但对较短的绝缘管母，设备构成需增加与绝缘管母并联的降频器，同时本试验只在较短绝缘管母上进行了测试，尚不具备缺陷定位功能。