35kV电缆终端常温下两种刀痕的局部放电特性

高元生，赵庆杰，杨利彬，陈强，吴科，周凯

（1.国网达州供电公司，四川 达州 635000；2.四川大学 电气信息学院，成都 610065）

0 引 言

随着用电负荷的不断增加，电力电缆电压等级也在不断地升高，35 kV交联聚乙烯电力电缆在城市配电网中具有广泛的应用，其中电缆终端是电缆系统在实际运行过程中最容易出现故障的环节和高发部位［1-3］。目前在电缆线路运行故障中，由电缆及其附件局部放电引起的故障约为70%［4］。但电缆附件安装过程中产生的安装缺陷通常是由现场的操作引起的，这些细微的缺陷在耐压试验中几乎并不影响当时整体绝缘物的击穿电压且往往能顺利通过耐压试验，但电缆终端的局部放电检测及绝缘评估一直备受供电部门的重视，其中，电缆终端主绝缘气隙缺陷是导致运行故障的重要原因之一，因此电缆终端局部放电检测及绝缘状态评估对电缆可靠、安全、稳定运行具有重要意义。

目前国内外交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的局部放电检测技术有电测法和非电测法两种，电测法主要有脉冲电流法、电磁耦合法、超高频法、OWTS振荡波法和暂态对地电流法（TEV），非电检测方法主要有紫外成像技术、超声波技术和化学分析等技术方法［5-6］。电磁耦合法检测技术目前已经成功应用到现场测量中并成为电力电缆在线检的方向［7-11］。通过检测终端屏蔽层不连续地方泄漏出的高频PD信号在向大地传播过程中对地产生的短暂电压脉冲信号，具有优良的抗电磁干扰能力。过去重点关注的是开关柜、变压器表面或内部所产生的局部放电和电缆单个缺陷如在制作过程中包含分散性的异物如各种杂质、水分、小气泡等这方面的研究，而对于刀痕缺陷，特别是不同类型刀痕缺陷特征分析及表征方法上的研究报道较少。

为此，本文根据在实际中比较常见的纵切和环切两种典型的安装刀痕缺陷，对比分析这两种刀痕缺陷的PRPD图谱、单次放电波形、放电量、起始放电电压、电场仿真及时频特性等特征，研究了在不同缺陷类型下的放电特性，这对于研究包含气隙缺陷的终端绝缘失效机理以及评估绝缘状态的优劣具有非常重要的意义。

1 终端仿真模型及分析

根据35 kV电缆终端的结构图，按1∶1比例建立轴对称仿真模型，气隙设置为空气，仿真模型如图1所示。

图1 35 kV电缆终端气隙缺陷仿真模型Fig.1 Air gap defect simulation model of 35 kV cable termination

通过电场有限元分析法可以得知，终端内的电场是起于终端线芯高电位，止于地低电位，电介质的电场强度分布与相对介电常数εr成反比，空气εr≈1，XLPE的介电常数约为2.3，故当XLPE层内部存在气隙时，导致介电常数突变，从而使电场发生畸变，并且越靠近半导电层切断的位置，电场越强，电场仿真分布如图2所示。

图2 气隙缺陷电场仿真分布图Fig.2 Electric field distribution diagram of the air gap defect

2 样品及实验

2.1 样品

选取YJV26/35型XLPE单芯电缆，电缆一端做成终端，采用冷缩电缆终端附件，而另一端将其放置于实验油终端，其中，实验油终端的作用时为了排除电缆端部的电晕干扰、使电缆绝缘屏蔽处电场分布均匀、电缆终端电性能稳定。

终端T1的绝缘层设计如图3所示的气隙缺陷，其缺陷深度为绝缘层厚度的1/5，同时，终端T1和T2进行对比。

图3 终端T1绝缘气隙缺陷Fig.3 Air gap defect of T1 cable termination

终端试样制备过程如下：（1）截取60cm～65 cm长的电缆制作样本，两端各剥除15 cm的外半导电层；（2）终端主绝缘刀痕缺陷刀痕深度为2 mm；（3）主绝缘表面涂抹硅脂后加装一层热缩管，通过铜带将电缆终端外半导电层接地。

两种刀痕缺陷的实物图形如图4所示。

图4 环切刀痕与纵切刀痕Fig.4 Ring-cutting defect and the slitting-cutting defect

2.2 工作原理

本实验平台主要有以下三个部分构成：实验回路单元、升压单元及电流调节单元。终端经电缆和金具连接构成回路。该实验装置的原理图见图5［12-13］。

图5 电缆附件老化实验平台Fig.5 Aging experimental platform for cable accessories

如图5所示，在常温20℃时PD检测所加电压为1.5U0即31.5 kV，所加正常运行电流为260 A，模拟实际运行工况［12］。

2.3 局部放电检测

PD检测中所加电压及电流是单独加上，电压通过调压器经变压器和水阻加到电缆上，其中水阻的作用主要是为了保护实验变压器，具有限流保护的作用。电缆实验终端与电缆连接电缆串联形成电流回路，回路穿过电流互感器（CT）中间，形成磁路耦合，CT通过电磁感应原理在回路中耦合产生大的电流，所以实验回路既能施加对地的高电压又能在回路中通很大的电流。试验中所用的电流互感器是Rogowski线圈型的宽频带电流互感器，具有良好的高频响应特性［14-15］。为降低电缆终端局部放电检测过程中来自设备、接线端子等因素的干扰，终端进行局部放电检测时需将老化回路拆开［16］，单独提取实验终端的局部放电信号。

3 实验结果

3.1 环切刀痕单次放电图形及PRPD谱图

实验通过分析35kV电缆终端局部放电的单次放电波形、局部放电相位分布（PRPD）方面来为刀痕缺陷的识别及由此导致的绝缘性能的变化提供参考条件。实验利用DS6104数字型示波器对环切刀痕单次放电波形数据进行采集，其图形变化如下图6所示。

图6 电缆终端环切刀痕单次放电脉冲波形Fig.6 Waveform of single discharge pulse of the ring-cutting defect for cable termination

从图6中可以看出，每200个采样点的记录时间为45 ns，放电的首脉冲上升时间大约为2 ns～2.5 ns，而次级脉冲上升时间大约为0.5 ns～1 ns，环形刀痕放电总持续时长约为112 ns，放电持续时间相对比较长，放电波形为多峰振荡形式，则其频率成分比较复杂。通过对单次放电脉冲波形的分析可以判断环切刀痕局部放电的强弱的大小。

图7为电缆终端环切刀痕缺陷的幅值—相位谱图，通过该谱图可以看出在不同的相位角的情况下环切刀痕缺陷放电强弱的分布。

图7 电缆终端环切刀痕缺陷的PRPD图谱Fig.7 PRPD pattern of the ring-cutting defect for cable termination

通过对环切刀痕的二维PRPD谱图可知环切刀痕的局部放电的相位分布广泛分布在18°～100°及200°～272°范围内，在20°～54°和205°～252°范围内放电最强，放电范围基本在一、三象限并且正半周与负半周的放电对称性比较好。

3.2 纵切刀痕单次放电图形及PRPD谱图

图8为电缆终端纵切刀痕的局部放电单次放电脉冲波形，从图8中可以看出每200个采样点的记录时间为30 ns，放电的首脉冲上升时间约为2 ns～2.5 ns，而次级脉冲上升时间为0.5 ns～1 ns，放电总持续时间约为100 ns，持续时间相对于电缆终端环切刀痕缺陷放电时间要短且波尾衰减比较迅速。

图8 电缆纵切刀痕单次放电脉冲波形Fig.8 Waveform of single discharge pulse of the slitting defect for cable termination

图9为纵切刀痕缺陷的幅值—相位谱图，通过该谱图可以看出在不同的相位角的情况下纵切刀痕缺陷放电的强弱分布。

图9 电缆终端纵切刀痕缺陷的PRPD图谱Fig.9 PRPD pattern of the slitting defect for cable termination

通过对纵切刀痕的二维PRPD图谱可知纵切刀痕的局部放电的相位分布广泛分布在15°～72°及204°～264°范围内，放电范围基本在一、三象限且通过图形可以看出正负半周放电同环切刀痕一样也具有明显的对称性。

3.3 起始放电电压

电缆终端的起始放电电压（PDIV）是表征局部放电发展趋势及终端绝缘状态的重要参数之一。在终端T1和T2的老化过程中，随着时间的延长PDIV表现如图10所示。

图10 终端起始放电电压Fig.10 Initial discharge voltage of termination

由终端起始放电电压图形可知，纵切刀痕缺陷的PDIV要高于环切刀痕缺陷，并且随着老化时间的延长，两种刀痕缺陷的PDIV都有所下降，但环切缺陷下降趋势要明显高于纵切缺陷，两者最终趋向于稳定状态。

3.4 放电次数

两种缺陷下的放电量分布分别如图11、图12所示。

图11 终端T1放电次数分布图Fig.11 Number of discharge distribution diagram for T1 termination

图12 终端T2放电次数分布图Fig.12 Number of discharge distribution diagram for T2 termination

通过两种缺陷下的放电量分布可知，放电量分布都出现明显的对称现象，分布在一、三象限，但就放电量来看两种缺陷下在第一象限的放电次数要小于第三象限的放电次数，并且T2终端的放电量要高于T1终端。

3.5 时频（T-F）聚类

对于时域分析手段一般很难将不同的信号分离出来，但从频率域的角度来看，由相同的PD信号放电源所表现出来的频率分布式基本相同的。两种缺陷下的时频（T-F）特性分布分别如图13、图14所示。

图13 终端T1时频特性分布图Fig.13 Distribution diagram of T-F characteristics for T1 termination

图14 终端T1时频特性分布图Fig.14 Distribution diagram of T-F characteristics for T2 termination

从两种时频特性图中可以得知，不同缺陷下所表现出来的频率分布是不一样的，通过这种频率分布上的不同从而可以判定缺陷的类型，在现场测试中存在大量的干扰信号，可以通过时频聚类的方式，将不同信号聚合在一起，进而将干扰信号滤除，从而获得所需要的信号。

4 实验结果分析

通过对两种刀痕缺陷的单次放电波形、PRPD谱图、放电量、起始放电电压及时频特性等的不同，可以对这两种刀痕缺陷放电特征做进一步的分析。

首先，由实验分析得出，在常温情况下环切刀痕比纵切刀痕更容易发生局部放电，实验中环切刀痕的起始放电电压要明显低于纵切刀痕的起始放电电压，说明在实验条件一样的情况下环切刀痕缺陷的局部放电现象要比纵切刀痕缺陷的局部放电现象要明显。从两种单次放电波形中可知环切刀痕缺陷的脉冲幅值约为9 mV，而纵切刀痕缺陷的脉冲幅值约为6 mV，说明环切刀痕缺陷的局部放电强度要比纵切刀痕缺陷局部放电强度要强，并从两种波形的放电持续时间上得出环切刀痕的放电持续时间要比纵切刀痕要长并且衰减速度要比纵切刀痕要缓慢。环切刀痕缺陷的放电为多峰振荡且每个放电脉冲的上升时间各有差异，因此环切刀痕放电包含的频率成分比较多［17］。

其次，从这两种缺陷的PRPD谱图中可以看出环切刀痕缺陷在放电重复率和放电强度上要明显高于纵切刀痕缺陷。环切刀痕缺陷下的PDIV要低于纵切刀痕缺陷，并且，随着老化时间的增加，两者的差距越明显，最终趋向于稳定状态。

再次，通过放电量图形的对比分析中可以得出，两者在放电相位分布上一致，并且第三象限上的放电量要高于第一象限，但环切情况下的放电量要高于纵切。

最后，由T-F特性分布可知，不同缺陷类型下的频率分布是不一样的，通过这种频率分布差异的不同可以判定缺陷的类型，通过此种方法还可以将背景噪声信号剔除，从而得到所需要的信号。

5 结束语

本文通过电缆附件局部放电检测实验平台，对比分析了两种典型气隙缺陷（环切与纵切）下的电缆终端PD特征，结论如下：

（1）电缆终端内存在气隙缺陷，由该气隙缺陷导致电场发生畸变，并且在半导电切断处电场畸变最大，也最容易发生局部放电；

（2）通过对两种缺陷下单次放电波形及PRPD谱图的比较可以得知，环切缺陷下的幅值及放电强度与范围要比纵切缺陷下要大；

（3）两种缺陷下放电量图形在相位上都位于一、三象限，两种缺陷下在第三象限的放电量要高于第一象限，但环切缺陷下的放电量要高于纵切缺陷。环切缺陷下的PDIV要低于纵切缺陷，并且随着老化时间的增加两者的PDIV相差比较大，最终趋向于稳定的状态；

（4）两种缺陷下的T-F特性分布表现不同，可以将不同的缺陷类型进行聚类，从而可以剔除背景噪声信号，得到所需要的信号。