随着柔性直流输电技术(VSC–HVDC)的发展，将现役交流配电网电缆改为直流运行已被实践证明可以显著提升电缆系统的输送容量。目前国内交流配电网中大多采用交联聚乙烯(XLPE)输电电缆。XLPE电缆在制作、安装和运行中会不可避免地形成绝缘缺陷，这些绝缘薄弱处可能在较高的运行电压下发生局部放电现象(PD)。长期局部放电的累积效应是引起高压直流电缆绝缘劣化和老化的主要原因，电缆的局部放电检测量与其绝缘状况和故障类型密切相关。因此，深入研究XLPE电缆典型缺陷的直流局部放电发展过程及放电特征，对配电网的状态监测具有重要的参考价值。
电力电缆运行故障主要原因可分为外力破坏、电缆附件制造质量、电缆敷设安装质量和电缆本体制造质量4大类。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3种绝缘缺陷模型：
(1)绝缘内部气隙，常见于电缆挤出过程中，气体副产品在柔软的XLPE中形成气泡残留或绝缘材料内部出现裂纹，记为“气隙缺陷”；
(2)尖刺缺陷，电缆本体在生产和安装过程中，不可避免地存在杂质或半导电层尖端突起等现象，记为“尖刺缺陷”；
(3)外半导电层断口处台阶气隙，常见于电缆接头的制作中，未在半导电层断口处做出符合要求的坡口或应力锥安装错位的情况，记为“断口缺陷”。
△电缆典型缺陷示意图
本文采用10kV电压等级配电网中应用较多的3芯XLPE绝缘电缆，其型号为YJV22−8.7/10−3×240mm²，导体半径为9.3mm，XLPE绝缘厚度为6.0mm。模型电缆长度为25cm，制作时首先将电缆两端外半导电层剥除3.5cm裸露出XLPE绝缘，然后将其两端的XLPE绝缘层去除2cm，露出导体，以便套入均压球。XLPE绝缘层切面打磨光滑以避免沿面放电。
相关研究表明，不同电压极性下直流局部放电表现出的放电特性存在一定差异。为使局部放电在较低电压水平下发生，本次试验统一施加负极性直流电压。试验时模型电缆导体线芯一端连接高压，一端套入均压球防止电晕放电，同时模型电缆外屏蔽层可靠接地。正式实验前，使用同规格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±50kV直流电压作用2h下，其背景噪声始终低于15pC，表明电源系统及接线良好，试验系统无局放源。试验时首先确定缺陷电缆在直流电压下的局部放电起始电压(PDIV)。ASTM−D−1868规定试验中出现每分钟超过一次的重复放电时施加的电压为直流局部放电起始电压。本文参考此规定采用如下方法确定缺陷电缆的PDIV：使用阶梯升压法进行加压过程，首先缓慢升高电压至U0=−5kV，然后以升压步长ΔU=0.5kV，耐压时间Δt=10min升高电压，直至在10 min内出现10次以上放电量大于20pC(测试系统设定阈值)的脉冲信号，此时的电压水平记录为缺陷电缆局部放电起始电压。局部放电起始电压确定后，撤去电压，将缺陷电缆静置一段时间，等待缺陷电缆内部的空间电荷消散。长时间加压可以使XLPE电缆内部空间电荷和电导率特性达到稳定，更符合工程实践，因此本文参考IEC 61378–2，使用恒压法进行试验，在缺陷电缆两端施加电压值为1.1倍PDIV的恒定电压，持续时间为120min。在此期间全程记录各缺陷。（一）依据本文缺陷制作方法和试验过程的条件，尖刺缺陷的直流局部放电起始电压在3种缺陷模型电缆中最低，为–7kV；断口缺陷模型电缆局部放电起始电压最高，为–18.5kV。（二）气隙缺陷局部放电Q–t图谱呈“山丘状”，在放电发展过程中存在“放电死区”，这与正电荷在气隙XLPE表面的积累与消散过程有关；尖刺缺陷模型电缆在放电初期有大量幅值较大的放电，随后放电活动逐渐消失，这与直流电树枝的形成和空间电荷的积累有关；断口缺陷放电次数最多，放电发展过程中放电量逐渐增大，放电重复率先增加后减小，这与放电区域扩展和局部过热使尖端部分曲率半径增大有关。（三）分别绘制了3种缺陷的H(q)、H(Δt)、Qsuc–q和Δtsuc–q等统计特征图谱，发现尖刺缺陷与断口缺陷相邻2次放电之间放电量存在相关性，放电之间存在记忆效应；而气隙缺陷与尖刺缺陷放电本次放电量q与后一次放电时间间隔均值Δt存在相关性。
（四）在2h的持续加压下，尖刺缺陷的放电幅值在3种缺陷中最大，断口缺陷的放电次数在3种缺陷中最多。气隙缺陷H(q)图谱的偏斜度与峰度在3类缺陷中最大，断口缺陷H(Δt)图谱的偏斜度与峰度在3类缺陷中最大。（中国线缆网）
|
皖公网安备 34011102002471号
