10 kV XLPE電纜接頭典型安裝缺陷的工頻局部放電特征對比研究

郝艷捧，肖佳朋，黃韜，陳云，陳彥文，陽林，王超，吳春芳

(1．華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641；2．廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門 529000)

交聯聚乙烯(crosslinked polyethylene，XLPE)電纜具有優良的電氣、力學和理化性能，廣泛應用于輸配電系統中[1-4]。附件在電纜線路中絕緣結構最薄弱，最容易發生運行故障[5]。中間接頭用封閉式絕緣結構一般在電纜安裝現場完成，如安裝工藝不良會造成接頭內部絕緣電應力集中，引發放電微通道，若不及時處理，極易演化至擊穿甚至爆炸，造成停電等事故[6-7]。電纜接頭常見安裝缺陷有：①制作時一般使用玻璃或電工刀剝離主絕緣外的絕緣屏蔽層，可能剝切過深，劃傷主絕緣，形成主絕緣刀痕缺陷[8]；②安裝時若電纜銅導體壓接用連接器表面未處理光滑，存在金屬毛刺、尖端或棱角，會形成連接管尖端缺陷[9]；③制作過程中因屏蔽層剝除導致屏蔽層末端電場畸變，使用預制式應力錐降低屏蔽層電場畸變程度,現場安裝應力錐應與外半導電層斷口緊密壓接，要求尺寸精準，否則會出現不同程度的應力錐與絕緣屏蔽層安裝錯位缺陷[10]。

局部放電檢測被國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)、電氣與電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)和國際大電網會議(International Council on Large Electric systems，CIGRE)等推薦為評估XLPE電纜絕緣缺陷的最佳方法，并已在工程中大量應用[11]。局部放電產生脈沖電流、電磁波等電信號和聲、熱、光等非電信號[11-15]。電纜局部放電檢測/監測常用超高頻(ultra high frequency，UHF)法、高頻電流傳感器(high frequency current transducer，HFCT)和聲發射(acoustic emission，AE)法。HFCT利用電磁感應原理測量局部放電脈沖電流信號，只需將線圈式傳感器卡裝在電纜或附件的金屬屏蔽層、接地線等位置，應用廣泛[11-12]。局部放電檢測的任務是區分局部放電和噪聲及干擾、識別導致局部放電的缺陷類型、評估檢測到的局部放電的危害程度[16]。識別導致局部放電的缺陷類型是局部放電檢測的關鍵技術之一，不同類型局部放電對電氣絕緣系統的危害不完全相同[16]。

關于不同類型電纜接頭典型安裝缺陷局部放電特征已有相關研究。姜蕓等[9]制作了復合絕緣界面導電顆粒、主絕緣切向氣隙、外半導電層斷口半導電尖端、預制件安裝錯位和高電位尖端5種缺陷的110 kV電纜接頭，用電容耦合法研究放電量相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)譜圖和單次放電脈沖時域波形的3階、4階特征參量，發現差異很大。彭發東等[10]制作了應力錐錯位10 kV電纜接頭進行試驗研究，結果表明阻尼振蕩波電壓法、工頻耐壓試驗和局部放電帶電檢測均可有效檢測該缺陷。常文治等[17-18]記錄并分析接頭尖刺缺陷、接頭硅橡膠/XLPE界面金屬顆粒缺陷劣化至絕緣失效全過程的放電信號，基于局部放電能量的發展將全過程劃分為不同階段，在各階段局部放電相位譜圖上提取3個特征量，提出可以更加準確評估2種缺陷放電嚴重程度的方法。王有元等[19]制作了4種10 kV XLPE電纜中間接頭人工缺陷模型，對比振蕩波電壓和工頻電壓下的局部放電特性，研究表明同種缺陷的局部放電三維統計譜圖在振蕩波電壓與工頻電壓下基本一致，不同缺陷的局部放電三維統計譜圖區別明顯。趙學風等[20]制作了接頭尖刺、主絕緣劃傷、終端應力錐錯位3種缺陷電纜接頭，用PD Base測量研究局部放電特征，分析放電次數相位分布譜圖、放電最大幅值相位分布譜圖和放電幅值分布譜圖3種統計特征。楊帆等[6]結合有限元軟件對電纜接頭絕緣材料內部氣隙放電過程進行仿真，發現隨著電纜接頭內部氣隙增加，放電信號相位、放電脈沖次數以及放電幅值具有明顯區別，電纜接頭放電過程可劃分為初始階段、發展階段、預擊穿階段。夏睿等[8]制作了主絕緣刀痕、外半導電尖刺、半導電遺留物、主絕緣氣泡和導電通道5種缺陷電纜接頭，用HFCT研究局部放電PRPD、時頻譜圖，發現PRPD能識別半導電遺留物、導電通道2種接頭缺陷，其余3種接頭缺陷需要結合時頻譜圖進行識別。目前，放電譜圖與缺陷類型的關系仍是電纜制造、安裝缺陷局部放電檢測研究的重點[11]。

本文用10 kV電纜分別制作連接管尖端、應力錐錯位、主絕緣沿面軸切刀痕和環切刀痕4種典型安裝缺陷的接頭，進行工頻局部放電試驗，用HFCT采集局部放電信號，研究局部放電起始電壓(partial discharge inception voltage，PDIV)、單脈沖時域和頻域特性、平均放電量qave、放電重復率n、PRPD譜圖及其統計參數、時頻譜圖，試驗對比研究電纜接頭常見安裝缺陷的局部放電特征，為通過局部放電識別電纜接頭安裝和運行早期的缺陷類型提供技術依據。

1 試驗

1.1 缺陷接頭

制作4種10 kV電纜缺陷接頭：連接管尖端、應力錐錯位、主絕緣沿面軸切刀痕和環切刀痕。電纜型號為ZRC-YJV22-8.7/15 kV-3×70 mm2，主絕緣厚4.5 mm，各接頭試樣長2 m，接頭位于中間位置，試樣兩端安裝預制式終端，除設置特定缺陷外試樣無其他缺陷。10 kV電纜接頭如圖1(a)所示。

圖1 電纜接頭示意圖和缺陷接頭實物圖Fig.1 Cable joint diagram and physical drawing of defective joint samples

連接管尖端——在連接管末端設置直徑1 mm、長度6 mm(以主絕緣平齊的平面為基準)的銅尖端，屏蔽管標稱厚度2.5 mm，尖端刺穿屏蔽管進入接頭硅橡膠絕緣，如圖1(b)所示。

應力錐錯位——正常安裝電纜接頭時應力錐與絕緣屏蔽層應搭接25 mm，應力錐錯位缺陷接頭設置為55 mm，錯位30 mm，如圖1(c)所示。

主絕緣沿面軸切刀痕——在距絕緣屏蔽層斷口5 mm處，用工具刀制作長20 mm、寬1 mm、深1 mm的軸切刀痕，如圖1(d)所示。

主絕緣沿面環切刀痕——在距絕緣屏蔽層斷口5 mm處，用工具刀制作寬1 mm、深1 mm的環切刀痕，如圖1(e)所示。

1.2 局部放電試驗

本文局部放電測試系統包括調壓器、變壓器、保護電阻、HFCT、局部放電測試儀，如圖2所示。變壓器型號為YDW-10/50，保護電阻15 kΩ。HFCT帶寬為2～60 MHz，局部放電測試儀為意大利產Techimp PD Base II。環境溫度為(293±5) K，背景噪聲低于5 pC。

圖2 10 kV電纜接頭缺陷局部放電測試系統接線圖Fig.2 Wiring diagram of partial discharge test system for defect of 10 kV cable joint

用校準器校準局部放電試驗系統。分別將試樣接入系統，以0.2 kV/s速度升壓，試驗中當局部放電量大于10 pC(2倍背景噪聲)時，認為產生局部放電，此時電壓為PDIV。繼續以1 kV步長逐級升壓至14 kV、15 kV和16 kV，其中15 kV為1.73U0(U0為額定工作電壓)，是標準規定的局部放電試驗電壓[21]。每級電壓耐壓2 min，利用統計參數研究缺陷電纜接頭局部放電。

1.3 局部放電參數

本文利用PDIV、單脈沖時域和頻域特性、平均放電量qave、放電重復率n、PRPD譜圖及其統計參數(正、負半周平均放電量qave+、qave-，正、負半周放電相位區間及寬度，正、負半周偏斜度Sk+、Sk-)、時頻譜圖來研究各類安裝缺陷電纜接頭的局部放電特征。

為表征放電量PRPD譜圖的形狀特征，統計譜圖正、負半周平均放電量qave+、qave-(僅考慮大于10 pC脈沖)，正、負半周相位區間及其寬度，正、負半周的偏斜度Sk+、Sk-。正、負半周相位區間是將大于10 pC脈沖的相位段作為局部放電相位區間，并計算其寬度φtotal+、φtotal-。偏斜度Sk描述統計數據分布偏斜方向及程度：Sk>0，分布函數右偏態；Sk=0，分布函數均值完全對稱；Sk<0，分布函數左偏態。Sk的計算公式為

(1)

式中：N為半周期內的相位窗數；xi為第i個相位窗的相位；將PRPD譜圖輪廓看成概率密度分布圖，f(xi) 為相位窗xi內的事件出現的概率；μ為相位均值；σ為標準差。

時頻譜圖是將采集的脈沖信號在時域和頻域進行變換，計算每個脈沖的等效時間T和等效頻寬F，將其投影到二維平面，保留局部放電脈沖信號的波長時間和頻率信息[22-23]。設某脈沖信號的時域表達式為s(t)、頻域表達式為S(f)，脈沖時間長度為L，對s(t)歸一化得到si(t)[16]，即

(2)

歸一化后脈沖的時間重心

(3)

最后計算等效時間T和等效頻寬F分別為：

(4)

(5)

式中Si(f)為si(t)的傅里葉變換函數。

2 試驗結果與分析

2.1 PDIV

連接管尖端、應力錐錯位、軸切刀痕和環切刀痕接頭的PDIV見表1。由表1可知，連接管尖端缺陷電纜接頭的PDIV最高。

表1 10 kV電纜接頭典型安裝缺陷PDIVTab.1 PDIV for typical installation defects of 10 kV cable joints

2.2 局部放電單脈沖特性

各缺陷電纜接頭單個局部放電脈沖時域波形和頻譜分別如圖3、4所示。

圖3 10 kV電纜接頭典型安裝缺陷的單個放電脈沖波形Fig.3 Single discharge pulse waveforms of typical installation defects of 10 kV cable joints

圖4 10 kV電纜接頭典型安裝缺陷的單個放電脈沖頻譜Fig.4 Single discharge pulse spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints

由圖3可知：連接管尖端、應力錐錯位和軸切刀痕的放電脈沖時域波形波峰較少；環切刀痕的放電脈沖時域波形為多峰振蕩形式。

由圖4可知各種缺陷接頭頻譜存在大波峰的數目不同：連接管尖端、軸切刀痕1個波峰，在11 MHz；應力錐錯位2個大波峰，分別在8 MHz、11 MHz；環切刀痕3個大波峰，分別在8 MHz、17 MHz、45 MHz。同時，各種缺陷接頭頻譜均在32 MHz存在波谷。

觀察各缺陷接頭放電量頻譜圖，發現高頻段衰減嚴重，75 MHz以上占比小于1%，可忽略不計。為區分各缺陷頻譜中的波峰，分別提取0～15 MHz、15～32 MHz和32～75 MHz能量占比，如圖5所示。

圖5 10 kV電纜接頭典型安裝缺陷的局部放電頻譜能量占比Fig.5 Partial discharge pulse spectrum energy’s proportion of typical installation defects of 10 kV cable joints

由圖5可知，4種缺陷中環切刀痕缺陷在0～15 MHz能量占比最少，3個頻段各占約三分之一。分析可知，應力錐錯位和環切刀痕的電場分布為中心對稱，為圓環多點放電，導致連續放電脈沖增多，在一定頻率范圍內的能量譜增加，因此包含的頻率成分較豐富，且環切刀痕增加了高頻成分。軸切刀痕缺陷最大場強位于距離絕緣屏蔽層斷口最近處，連接管尖端缺陷最大場強位于尖端處，放電由最大場強點開始，放電點少，放電頻譜單一[24]。

2.3 平均放電量和放電重復率

連接管尖端、應力錐錯位、軸切刀痕和環切刀痕缺陷接頭的平均放電量qave和放電重復率n隨外加電壓發展趨勢如圖6所示。

圖6 10 kV電纜接頭安裝缺陷的平均放電量和放電重復率Fig.6 Average discharge capacity and discharge repetition rates of typical installation defects of 10 kV cable joints

由圖6(a)可知，應力錐錯位、軸切刀痕缺陷的平均放電量qave隨電壓增大而遞增，環切刀痕則不變。這與靠近絕緣屏蔽層斷口的刀痕電場較強有關，刀痕場強沿電纜軸向遞減[25]，環切刀痕軸向距離短，內部場強相差不大，放電量與施加電壓相關性較弱。

由圖6(b)可知，除軸切刀痕外其余缺陷放電重復率n均隨電壓單調遞增。

2.4 放電量PRPD譜圖

10 kV電纜接頭連接管尖端、應力錐錯位、軸切刀痕和環切刀痕等安裝缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放電量PRPD譜圖如圖7所示。

由圖7可知：

a)連接管尖端的正半周放電隨著電壓升高向“尖刺”形發展，且電壓峰值處偶發大幅值放電，負半周放電與正半周相比較均勻。

b)應力錐錯位的正半周放電譜圖呈“元寶”形，大幅值放電從電壓峰值向過零點擴展；負半周譜圖呈不規則的“△”形，小幅值時放電逐漸稀疏、大幅值放電逐漸密集，相位區間變窄；正、負半周譜圖存在空穴特征。

c)軸切刀痕的正半周放電譜圖呈“豎長條+橫長條”的T形，該特征隨電壓升高不變；負半周相位分布較均勻。正、負半周均存在大、小幅值放電，中等幅值放電相對較少。

圖7 10 kV電纜接頭典型安裝缺陷在不同電壓下的PRPD譜圖Fig.7 PRPD spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints under different voltages

d)環切刀痕的譜圖正、負半周放電分別聚成一團且正、負半周較為對稱，隨電壓升高，正、負半周譜圖由“豎長條”形逐漸展寬向“橫長條”形發展。這可能是由于較高試驗電壓(16 kV)下，正、負半周偶發大幅值放電。

2.4.1 正、負半周平均放電量qave+、qave-

10 kV電纜接頭連接管尖端、應力錐錯位、軸切刀痕和環切刀痕等安裝缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放電量PRPD譜圖的正、負半周平均放電量qave+、qave-如圖8所示。

圖8 10 kV電纜接頭典型安裝缺陷在不同電壓下的PRPD譜圖正、負半周平均放電量Fig.8 Positive and negative half cycle average discharge of PRPD spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints under different voltages

由圖8可知：

a)連接管尖端的qave+、qave-隨電壓升高先上升后下降，且qave-逐漸超過qave+。文獻[9]發現接頭高電位尖端放電類似于空氣中的電暈型放電，在270°附近放電強度最大，試驗中隨著電壓升高，負半周的放電幅值增大；本文文結果與該特征一致。

b)應力錐錯位的qave+遠大于qave-，且qave+、qave-隨電壓升高明顯增大。文獻[9]發現接頭應力錐錯位缺陷隨電壓升高正、負半周放電量劇烈增大，正半周放電量明顯大于負半周；本文結果與該特征一致。

c)軸切刀痕的各電壓下qave+、qave-相當，且qave+、qave-隨電壓升高均明顯增大。

d)環切刀痕的qave+、qave-相等且隨電壓升高幾乎無變化。

2.4.2 正、負半周放電相位區間及寬度

10 kV電纜接頭連接管尖端、應力錐錯位、軸切刀痕和環切刀痕等安裝缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放電量PRPD譜圖的正、負半周相位區間及φtotal+、φtotal-如圖9所示。

注：橫線上數字為φtotal+或φtotal-，橫線下數字為該值的分布區間。

由圖9可知：

a)連接管尖端負半周放電分布約在200°～300°，φtotal-約為100°，均不隨電壓變化；較高試驗電壓下正半周放電向0°方向靠近。文獻[9]發現接頭高電位尖端放電脈沖集中在240°～300°，與本文相近，但負半周放電分布相位隨著電壓升高而增大，與本文不一致，其原因是文獻[9]的試驗對象是110 kV電纜接頭，而本文試驗對象是10 kV電纜接頭。且本文連接管尖端缺陷制作方法與文獻[9]不同：文獻[9]在連接管外部的導體線芯上用銅絲捆扎形成尖端，同時電纜導體附近的絕緣退至接頭內高壓屏蔽之外；本文并未將絕緣退后，而是在連接管末端壓接銅絲尖端，使其刺穿屏蔽管進入接頭硅橡膠絕緣，這與現場電纜接頭安裝時產生的連接管尖端更為類似。

b)應力錐錯位的φtotal+與φtotal-相等，在各種缺陷中最大，均大于120°；負半周放電總是起始于180°,正半周放電隨電壓升高緩慢向180°靠近。文獻[9]發現接頭應力錐錯位缺陷正、負半周相位分布最廣，本文結果與該特征一致；相位區間相近，文獻[9]在20°～120°、190°～300°。

c)軸切刀痕的φtotal+比φtotal-約大10°，且隨電壓升高基本不變。文獻[8]發現主絕緣刀痕缺陷的局部放電相位區間為10°～100°、190°～280°，本文中軸切刀痕缺陷較文獻[8]放電相位分布更寬，原因是：文獻[8]中缺陷尺寸為長80 mm、寬2.4 mm、深2.5 mm，本文缺陷刀痕更小，電場畸變更嚴重；文獻[8]試驗電壓為PDIV，本文試驗電壓15 kV，為標準規定的局部放電試驗電壓。文獻[20]發現氣隙劃痕起始放電在工頻電壓絕對值上升沿部分，與本文十分相似，但隨著電壓升高，放電相位變寬且逐漸向峰值移動，而本文未發現此現象，原因是文獻[20]缺陷更接近連接管，而本文軸切刀痕在距絕緣屏蔽層斷口5 mm處，因此PDIV不同，且文獻[20]試驗電壓分別是8.6 kV和10.5 kV，低于標準規定的局部放電試驗電壓。

d)環切刀痕的φtotal+比φtotal-約小10°以上，且隨電壓升高φtotal+、φtotal-均增大。

2.4.3 正、負半周偏斜度Sk+、Sk-

10 kV電纜接頭連接管尖端、應力錐錯位、軸切刀痕和環切刀痕等安裝缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放電量PRPD譜圖的正、負半周偏斜度Sk+、Sk-如圖10所示。

圖10 10 kV電纜接頭典型安裝缺陷在不同電壓下的PRPD譜圖正、負半周偏斜度Fig.10 Positive and negative half cycle skewness of PRPD spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints under different voltages

由圖10可知：

a)連接管尖端在15 kV時的Sk+和Sk-均為負，絕對值分別大于和接近1，明顯不同于較低、較高試驗電壓下的絕對值較小。

b)應力錐錯位在標準規定的15 kV局部放電試驗電壓下Sk+為正且值較大，明顯不同于較低和較高試驗電壓下的Sk+為負。

c)軸切刀痕的Sk+和Sk-均小于0，且16 kV時絕對值明顯較大。

d)環切刀痕在14 kV和15 kV時的Sk+、Sk-略小于0，16 kV時的Sk+、Sk-分別為4.67和5.78，正、負半周譜圖右側拉長，分布重心明顯右偏。

2.5 時頻譜圖

10 kV電纜接頭連接管尖端、應力錐錯位、軸切刀痕和環切刀痕等安裝缺陷在15 kV(標準規定的局部放電試驗電壓)下的時頻譜圖如圖11所示。

由圖11可知：

a)連接管尖端的時頻譜圖呈“橫長條”形，等效頻寬和等效時間區間分別集中在12～13.5 MHz、56～100 ns，存在少量發散放電信號。

b)應力錐錯位的時頻譜圖呈“豎長條”形，等效頻寬和等效時間區間分別集中在13～15.5 MHz、58～300 ns。

c)軸切刀痕的時頻譜圖呈“點+圓”形，等效頻寬和等效時間區間分別集中在12.6～14 MHz、46～100 ns，圓形的放電分散較大。

d)環切刀痕的時頻譜圖呈“準圓”形，等效頻寬和等效時間區間分別集中在17.4～20 MHz、67～300 ns。

觀察4種缺陷各電壓下的時頻譜圖，發現放電等效時間隨電壓有輕微變化，但等效頻寬基本不變。隨著電壓升高，連接管尖端和環切刀痕譜圖特征較穩定，應力錐錯位譜圖從長條形逐漸壓縮向集中的一簇發展，軸切刀痕譜圖中分散的放電信號逐漸減少。

3 結論

本文分別制作10 kV XLPE電纜接頭的4種典型安裝缺陷——連接管尖端、應力錐錯位、主絕緣沿面軸切刀痕和環切刀痕，用HFCT進行不同電壓下的局部放電試驗，對比研究電纜接頭典型安裝缺陷的局部放電特征，得到以下結論：

a)連接管尖端的電纜接頭局部放電特征為：PDIV較高；平均放電量qave隨電壓增大先升后降；單脈沖頻譜有1個大波峰；PRPD譜圖中正半周放電隨著電壓升高向“尖刺”形發展；負半周放電分布約在200°～300°，φtotal-約為100°不隨電壓變化，較高電壓下正半周放電向0°方向靠近；標準局部放電試驗電壓下的時頻譜圖呈“橫長條”形。

b)應力錐錯位的電纜接頭局部放電特征為：平均放電量qave隨電壓增大逐漸增大；單脈沖頻譜有2個大波峰，PRPD譜圖中正半周呈“元寶”形，負半周譜圖呈不規則的“△”形，正、負半周譜圖均有空穴特征；在各電壓下qave+均大于qave-；φtotal+、φtotal-相等，在各種缺陷中最大，均大于120°；負半周放電總是起始于180°,正半周放電隨電壓升高緩慢向180°靠近；標準局部放電試驗電壓下時頻譜圖呈“豎長條”形。

c)軸切刀痕的電纜接頭局部放電特征為：單脈沖頻譜有1個大波峰；PRPD譜圖中正半周呈“豎長條+橫長條”的T形，且隨電壓升高不變；負半周相位分布較均勻，φtotal+比φtotal-約大10°；標準局部放電試驗電壓下時頻譜圖呈“點+圓”形。

d)環切刀痕的電纜接頭局部放電特征為：單脈沖頻譜有3個大波峰，0～15 MHz、15～32 MHz和32～75 MHz頻段能量各約三分之一；平均放電量qave隨電壓增大不變；Sk+、Sk-在較高電壓(16 kV)下明顯不同于較低電壓；標準局部放電試驗電壓下時頻譜圖呈“準圓”形。