直流电压下10 kV 交联聚乙烯电缆气隙缺陷局部放电特性研究

杜 浩，关弘路，玉林威，陈向荣，石广森，钟 涵

（1．浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室（浙江大学），杭州 310027；2．杭州龙源电力有限公司，杭州 311606）

0 引言

HVDC（高压直流输电）输电线路与交流输电相比具有载流量大、绝缘厚度薄、安装简易等特点，在远距离、大容量输电情况下具有明显的优势[1-2]。高压直流电缆是HVDC 输电的主要形式之一[3]。随着VSC-HVDC（柔性高压直流输电）技术的进步，直流电缆的电压等级和输送容量不断升高，直流电缆的绝缘状态监测问题越来越突出。 目前国内外所采用的直流电缆材料通常为XLPE（交联聚乙烯）。XLPE 电缆在制作、安装和运行中易形成微小气隙，可能会在较高的运行电压下发生局部放电现象。电缆的局部放电检测量与其绝缘状况密切相关，分析直流下XLPE 电缆局部放电的发展过程及其放电特征具有重要的科学研究和工程应用价值。

局部放电作为一种绝缘检测手段，目前已成功应用于高压交流XLPE 电缆的绝缘状况评估[2]。但由于局部放电引发机理的不同和直流电压相位信息的缺失，交流电缆的局部放电研究成果不能应用于直流电缆的状态评估。国外学者对于直流局部放电的研究始于20 世纪60 年代。U．Fromm等人提出了直流电压下内部气隙放电的三电容等效电路，在此基础上利用时间等待恢复模型解释了直流局部放电的随机性[4-7]，并在进一步的研究中指出相邻放电脉冲的时间间隔Δt 可以用来代替交流电压下的相角φ。Peter H．F．Morshuis 与Johan J．Smit 于2005 年总结了代尔夫特理工大学在直流局部放电机理、检测及模式识别技术方面的研究，并构建了新型三维谱图H（q，Δt）实现了直流局部放电不同放电类型的模式分析识别[8]。代尔夫特理工大学学者的优秀工作奠定了直流局部放电的研究基础[9-13]，此后世界各地关于直流局部放电的探索基本以此为框架，但其方向主要集中于换流站用油纸绝缘典型缺陷模型的直流局部放电特性等基础性研究。

国内学者对直流局部放电的研究始于1998年，于钦学等对油纸绝缘的直流局部放电规律进行了研究，实验结果表明放电重复率随温度、电压的增加而增加[14]；自2008 年开始，司文荣、李彦明等利用所组建的直流局部放电宽带检测系统，研究了直流电压下油纸绝缘系统的局部放电重复率、脉冲单个波形以及脉冲幅值-时间序列等局部放电特性[15-18]；周远翔、沙彦超等对典型油纸绝缘缺陷模型在80℃环境下进行了200 h 直流耐压试验，并根据统计特征图谱Q-Δtpre将直流局部放电发展过程划分为5 个阶段，分析了不同阶段的理化特性和介电性能变化规律，为实现多信息融合的直流局部放电发展预测奠定了基础[19-21]；徐征宇、汪珂等人同样利用油纸绝缘进行直流局部放电实验，发现了直流局部放电发展过程的潜伏期特性[22]。

国内外学者对直流局部放电的研究已有了一定的成果，但关于直流局部放电的研究对象多为换流站用油纸绝缘，对于直流XLPE 输电电缆面临的相似问题却未能得到同等关注，相应的研究较少。 国内仅杨丰源等人使用恒压法对4 种XLPE 典型缺陷进行了长时间直流局部放电测量实验[23]。但直流电压下XLPE 电缆典型缺陷的局部放电特性研究仍然十分匮乏。

因此，为了丰富直流电压下XLPE 电缆局部放电的研究，本文利用YJV22-8．7/10-3×240 mm2XLPE 电缆制作了电缆绝缘内部气隙缺陷模型，建立了直流电压下局部放电测量系统， 进行了XLPE 电缆气隙缺陷的局部放电测量实验，分析了该缺陷随外施电压升高的局部放电发展过程和统计特征，为直流XLPE 输电电缆的局部放电研究提供了数据基础和理论分析依据。

1 局部放电试验系统

1.1 局部放电测量电路

试验线路如图1 所示，其中T1为调压器，T2为YDTW-25/100 型100 kV/50 Hz 无局放试验变压器，D 为高压硅堆，C0为100 kV/1．5 nF 的滤波电容，D 与C0组成半波整流电路，将交流电压转换成直流电压，波纹系数为2．5%。R1和R2构成1 000:1 的电阻分压器，R0为10 kΩ 保护电阻，Ck为100 kV/1 000 pF 的耦合电容，用于耦合试品局部放电时产生的脉冲电流信号，Z 为检测阻抗。局部放电测试仪采用Omicron MPD-600，中心频率fCenter=250 kHz，检测带宽Δf=300 kHz。试验系统符合IEC 60270 标准。试验前对整个试验系统进行耐压及局部放电测试，在±50 kV 试验电压作用下，背景噪声水平低于15 pC。

1.2 电缆缺陷模型

电力电缆运行故障主要原因可分为外力破坏、电缆附件缺陷、电缆敷设安装质量和电缆本体制造质量四大类型[3]，本文分析了电缆安装、施工及运行过程中常见的绝缘缺陷，设计了绝缘气隙缺陷模型，该缺陷模型常见于电缆挤出过程中，气体副产品在柔软的XLPE 中形成的气泡残留或绝缘材料内部出现裂纹的情况。本文采用10 kV电压等级交流配电网中应用较多的3 芯XLPE 绝缘电缆，其型号为YJV22-8．7/10-3×240 mm2，导体半径为9．3 mm，XLPE 绝缘厚度为6．0 mm。模型电缆结构如图2 所示，长度为25 cm，制作时首先将电缆两端外半导电层剥除3．5 cm 裸露出XLPE 绝缘，然后将其两端的XLPE 绝缘层去除2 cm，露出导体以便套入均压球。XLPE 绝缘层切面需打磨光滑以避免沿面放电。

图1 试验线路

图2 模型电缆示意

典型气隙缺陷如图3 所示，制作过程如下：在电缆模型中部位置半导电层表面制作直径为10 mm 和深度为4 mm 的圆孔，孔口使用半导电层覆盖，周围用树脂均匀涂抹密封。

图3 气隙缺陷示意

1.3 试验过程

试验时电缆导体线芯一端连接电压源，一端套入均压球以防止电晕放电，模型电缆外屏蔽层可靠接地。为防止接头电晕放电及半导电层边缘爬电，试验时模型电缆被完全浸没在变压器油中。正式试验之前，使用无缺陷模型电缆进行加压测试，结果显示无缺陷模型电缆在±50 kV 直流电压作用2 h 下，其背景噪声始终低于15 pC（见图4），表明电源系统及接线良好，试验系统无局放源。随后将无缺陷模型电缆按照前一节的方法制作内部气隙缺陷，接入系统进行试验。为了保证试验结果的一致性，本次试验统一施加负极性直流电压。

图4 无缺陷电缆局部放电发展过程

试验时首先确定气隙缺陷在直流电压下的PDIV（局部放电起始电压）。关于PDIV 常见的定义有2 种：一是IEC 60270:2000 中规定，在试品上首次观察到重复放电时所施加的电压为局部放电起始电压，该规定广泛应用于交流电压下局部放电起始电压的判定；二是ASTM-D-1868 中规定，试验中出现每分钟超过一次的重复放电时所施加的电压为局部放电起始电压。结合上述两种规定，本文采用如下方法确定缺陷电缆的PDIV：参考文献[22]中提到的阶梯升压法（图5）进行加压过程，首先缓慢升高电压至U0=-10 kV，然后以升压步长ΔU=0．5 kV，耐压时间t=10 min 升高电压直至在10 min 内出现10 次以上放电量大于20 pC（测试系统设定阈值）的脉冲，此时的电压水平记录为局部放电起始电压。

图5 阶梯升压法

局部放电起始电压确定后，撤去电压，缺陷电缆静置一段时间，等待气隙内部的空间电荷消散。IEC 61378—2 中对换流变压器直流耐压测试规定[24]，所施加的电压应在1 min 内升至试验水平并且该电压下应保持120 min。参考此标准，本文在缺陷电缆两端依次施加1．0PDIV，1．1PDIV和1．2PDIV 的电压，持续时间为120 min，分别记录各电压水平下的局部放电图谱和放电数据。

2 试验结果及分析

对气隙缺陷XPLE 电缆进行加压试验，最终确定缺陷电缆的局部放电起始电压为-14．5 kV，即PDIV=-14．5 kV。由于直流电压下局部放电信号缺少相位信息，因此放电量Q、放电时刻t 和放电重复率N 是试验数据中最为关键的3 个参数。本试验分别记录了在外施电压1．0PDIV，1．1PDIV和1．2PDIV 下120 min 内放电量Q 和放电重复率N 随时间t 变化的图谱，并以此为基础提取出放电量密度直方图H（q）和放电时间间隔密度直方图H（Δt）两类典型统计特征图谱[4-5，8]，采用偏斜度Sk 和峰度Ku 2 个参数[4，25]表征统计图谱的形态特征，综合分析了XLPE 电缆气隙缺陷随外施电压升高直流局部放电的演化过程。

2.1 不同外施电压下气隙缺陷放电过程对比

缺陷电缆在外施电压U=1．0PDIV 下局部放电发展过程如图6 所示。 在120 min 的检测时间内，共有7 908 次放电被记录。集中放电过程持续时间大约为90 min，在90～120 min 内，缺陷电缆仅发生几次放电。由图6（a）可知，其Q-t 图谱的形貌呈现“山丘状”：在施加电压初期，放电量约为60 pC，但随着放电过程的进行，放电量逐渐减小到约20 pC；在经历短暂的小幅值放电后，放电量又逐步升高直到60 pC。上述过程在实验期间重复出现了4 次，加压时间90 min 时、放电量降为20 pC 左右后，集中放电现象消失，放电信号呈偶发性。 同时，从图6（a）中还可以看出，放电量下降区间中的放电次数明显大于放电量上升区间的放电次数。图6（b）表明整个放电过程中缺陷电缆直流局部放电的放电重复率存在起伏，其图谱形貌基本与Q-t 图谱一致，且在加压后35 min 时缺陷电缆放电最为密集。在整个施压期间，放电重复率基本位于200 min 以下。

图6 缺陷电缆局部放电发展过程（U=1.0PDIV）

缺陷电缆在外施电压U=1．1PDIV 下局部放电发展过程如图7 所示。在120 min 的检测时间内，共有10 767 次放电被记录，约为外施电压U=1．0PDIV 的1．3 倍。由图7（a）可知，该电压下缺陷电缆的放电过程呈现出间歇性簇状放电的特点，即在2 次集中放电之间，存在短暂的放电空隙。除此之外，整个记录过程放电现象稳定，直至实验结束。缺陷电缆Q-t 图谱形貌同样为“山丘状”，放电量下降区间的放电次数同样大于放电量上升区间的放电次数，但其放电量最大幅值约为80 pC，放电量基本分布在20～80 pC，其中小幅值放电较多。图7（b）表明放电重复率随时间的变化规律基本与放电量一致，在60～70 min时，放电现象最为密集。与U=1．0PDIV 时相比，放电重复率增加较为明显。在整个施压期间，放电重复率基本位于250 min 以下。

缺陷电缆在外施电压U=1．2PDIV 下局部放电发展过程如图8 所示。在120 min 的检测时间内，共有23 747 次放电被记录，放电次数明显增加，约为U=1．1PDIV 的2 倍。由图8（a）可知，该电压下缺陷电缆的放电过程虽然有簇状放电的特点，却不存在任何的放电空隙，整个记录过程中放电现象稳定，直到实验结束。缺陷电缆Q-t 图谱形貌同样为“山丘状”，但“山丘”较前两种情况更加陡峭，放电量上升阶段与下降阶段持续时间较短。放电量下降区间的放电次数同样大于放电量上升区间的放电次数，其放电量最大幅值约为95 pC，放电量基本分布在20～95 pC，大幅值放电明显占多数。随着实验的进行，放电量幅值基本趋于稳定。图8（b）显示，初期放电最为密集，随着加压时间的增加，放电重复率整体呈现下降趋势。与U=1．1PDIV 时相比，放电重复率明显升高。在整个施压期间，放电重复率基本位于400 min 以下。

图7 缺陷电缆局部放电发展过程（U=1.1PDIV）

图8 缺陷电缆局部放电发展过程（U=1.2PDIV）

2.2 不同电压下H（q），H（Δt）图谱特征

缺陷电缆在外施电压U=1．0PDIV 下局部放电的H（q），H（Δt）如图9 所示。由图9（a）可知，在外施电压U=1．0PDIV 时缺陷电缆的直流局部放电放电幅值分布整体呈现“钟型”，放电量集中在30～50 pC，其图谱偏斜度Sk=2．14，峰度Ku=38．74。根据图9（b），缺陷电缆的放电时间间隔基本位于0．1～1 s，分布比较集中，其偏斜度Sk=5．34，峰度Ku=43．96。

图9 U=1.0PDIV 下缺陷电缆的H（q），H（Δt）图谱

缺陷电缆在外施电压U=1．1PDIV 下局部放电的H（q），H（Δt）如图10 所示。 由图10（a）可知，在外施电压U=1．1PDIV 时缺陷电缆的直流局部放电放电量集中在20～60 pC，其图谱偏斜度Sk=8．22，峰度Ku=115．64。根据图10（b），缺陷电缆的放电时间间隔多数位于0．2～0．7 s，分布相比U=1．0PDIV 时更为集中，其偏斜度Sk=6．16，峰度Ku=61．82。

缺陷电缆在外施电压U=1．2PDIV 下局部放电的H（q），H（Δt）如图11 所示。 由图11（a）可知，在外施电压U=1．2PDIV 时缺陷电缆的直流局部放电放电量集中在20～80 pC，图谱有2 个峰，少数放电脉冲幅值集中在20 pC 附近，多数放电脉冲幅值集中在50 pC 附近。Q-t 图谱偏斜度Sk=8．22，峰度Ku=115．64。根据图11（b），缺陷电缆的放电时间间隔多数位于0．1～0．4 s，分布最为集中，其偏斜度Sk=9．51，峰度值Ku=143．16。

图10 U=1.1PDIV 下缺陷电缆的H（q），H（Δt）图谱

图11 U=1.2PDIV 下缺陷电缆的H（q），H（Δt）图谱

为了更直观的认识随外施电压升高XLPE 电缆气隙缺陷直流局部放电典型统计图谱的变化过程，分别绘制了H（q）图谱偏斜度Sk 和峰度Ku的变化趋势（见图12）与H（Δt）图谱偏斜度Sk 和峰度Ku 的变化趋势（见图13）。从图中可以看出随外施电压升高，H（q）图谱的偏斜度和峰度均为先上升后下降的趋势，而H（Δt）图谱的偏斜度和峰度则展现为持续升高的趋势，说明放电时间间隔逐渐变小，放电密度有所增加。

图12 H（q）图谱偏斜度Sk 和峰度Ku 的变化趋势

图13 H（Δt）图谱偏斜度Sk 和峰度Ku 的变化趋势

3 结论

本文设计了XLPE 电缆绝缘内部气隙局部放电缺陷模型，进行了直流电压下的局部放电试验，得到了缺陷电缆随外施电压升高局部放电的发展过程及其统计特征图谱。研究结果表明：

（1）在依据本文缺陷制作方法和试验过程的条件下，采用阶梯升压法确定该气隙缺陷模型电缆的局部放电起始电压为-14．5 kV。

（2）缺陷电缆的Q-t 图谱呈“山丘”状，其放电量Q 和放电重复率N 随外施电压升高而升高。

（3）总结了缺陷电缆的特征图谱H（q）和H（Δt），并使用偏斜度Sk 和峰度值Ku 表征了两类图谱随外施电压升高的变化特征，其中H（Δt）的偏斜度和峰度值逐渐增大，表明放电密度随外施电压升高而增加。