10 kV XLPE电缆接头典型安装缺陷的工频局部放电特征对比研究

郝艳捧，肖佳朋，黄韬，陈云，陈彦文，阳林，王超，吴春芳

(1．华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2．广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000)

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene，XLPE)电缆具有优良的电气、力学和理化性能，广泛应用于输配电系统中[1-4]。附件在电缆线路中绝缘结构最薄弱，最容易发生运行故障[5]。中间接头用封闭式绝缘结构一般在电缆安装现场完成，如安装工艺不良会造成接头内部绝缘电应力集中，引发放电微通道，若不及时处理，极易演化至击穿甚至爆炸，造成停电等事故[6-7]。电缆接头常见安装缺陷有：①制作时一般使用玻璃或电工刀剥离主绝缘外的绝缘屏蔽层，可能剥切过深，划伤主绝缘，形成主绝缘刀痕缺陷[8]；②安装时若电缆铜导体压接用连接器表面未处理光滑，存在金属毛刺、尖端或棱角，会形成连接管尖端缺陷[9]；③制作过程中因屏蔽层剥除导致屏蔽层末端电场畸变，使用预制式应力锥降低屏蔽层电场畸变程度,现场安装应力锥应与外半导电层断口紧密压接，要求尺寸精准，否则会出现不同程度的应力锥与绝缘屏蔽层安装错位缺陷[10]。

局部放电检测被国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)、电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)和国际大电网会议(International Council on Large Electric systems，CIGRE)等推荐为评估XLPE电缆绝缘缺陷的最佳方法，并已在工程中大量应用[11]。局部放电产生脉冲电流、电磁波等电信号和声、热、光等非电信号[11-15]。电缆局部放电检测/监测常用超高频(ultra high frequency，UHF)法、高频电流传感器(high frequency current transducer，HFCT)和声发射(acoustic emission，AE)法。HFCT利用电磁感应原理测量局部放电脉冲电流信号，只需将线圈式传感器卡装在电缆或附件的金属屏蔽层、接地线等位置，应用广泛[11-12]。局部放电检测的任务是区分局部放电和噪声及干扰、识别导致局部放电的缺陷类型、评估检测到的局部放电的危害程度[16]。识别导致局部放电的缺陷类型是局部放电检测的关键技术之一，不同类型局部放电对电气绝缘系统的危害不完全相同[16]。

关于不同类型电缆接头典型安装缺陷局部放电特征已有相关研究。姜芸等[9]制作了复合绝缘界面导电颗粒、主绝缘切向气隙、外半导电层断口半导电尖端、预制件安装错位和高电位尖端5种缺陷的110 kV电缆接头，用电容耦合法研究放电量相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)谱图和单次放电脉冲时域波形的3阶、4阶特征参量，发现差异很大。彭发东等[10]制作了应力锥错位10 kV电缆接头进行试验研究，结果表明阻尼振荡波电压法、工频耐压试验和局部放电带电检测均可有效检测该缺陷。常文治等[17-18]记录并分析接头尖刺缺陷、接头硅橡胶/XLPE界面金属颗粒缺陷劣化至绝缘失效全过程的放电信号，基于局部放电能量的发展将全过程划分为不同阶段，在各阶段局部放电相位谱图上提取3个特征量，提出可以更加准确评估2种缺陷放电严重程度的方法。王有元等[19]制作了4种10 kV XLPE电缆中间接头人工缺陷模型，对比振荡波电压和工频电压下的局部放电特性，研究表明同种缺陷的局部放电三维统计谱图在振荡波电压与工频电压下基本一致，不同缺陷的局部放电三维统计谱图区别明显。赵学风等[20]制作了接头尖刺、主绝缘划伤、终端应力锥错位3种缺陷电缆接头，用PD Base测量研究局部放电特征，分析放电次数相位分布谱图、放电最大幅值相位分布谱图和放电幅值分布谱图3种统计特征。杨帆等[6]结合有限元软件对电缆接头绝缘材料内部气隙放电过程进行仿真，发现随着电缆接头内部气隙增加，放电信号相位、放电脉冲次数以及放电幅值具有明显区别，电缆接头放电过程可划分为初始阶段、发展阶段、预击穿阶段。夏睿等[8]制作了主绝缘刀痕、外半导电尖刺、半导电遗留物、主绝缘气泡和导电通道5种缺陷电缆接头，用HFCT研究局部放电PRPD、时频谱图，发现PRPD能识别半导电遗留物、导电通道2种接头缺陷，其余3种接头缺陷需要结合时频谱图进行识别。目前，放电谱图与缺陷类型的关系仍是电缆制造、安装缺陷局部放电检测研究的重点[11]。

本文用10 kV电缆分别制作连接管尖端、应力锥错位、主绝缘沿面轴切刀痕和环切刀痕4种典型安装缺陷的接头，进行工频局部放电试验，用HFCT采集局部放电信号，研究局部放电起始电压(partial discharge inception voltage，PDIV)、单脉冲时域和频域特性、平均放电量qave、放电重复率n、PRPD谱图及其统计参数、时频谱图，试验对比研究电缆接头常见安装缺陷的局部放电特征，为通过局部放电识别电缆接头安装和运行早期的缺陷类型提供技术依据。

1 试验

1.1 缺陷接头

制作4种10 kV电缆缺陷接头：连接管尖端、应力锥错位、主绝缘沿面轴切刀痕和环切刀痕。电缆型号为ZRC-YJV22-8.7/15 kV-3×70 mm2，主绝缘厚4.5 mm，各接头试样长2 m，接头位于中间位置，试样两端安装预制式终端，除设置特定缺陷外试样无其他缺陷。10 kV电缆接头如图1(a)所示。

图1 电缆接头示意图和缺陷接头实物图Fig.1 Cable joint diagram and physical drawing of defective joint samples

连接管尖端——在连接管末端设置直径1 mm、长度6 mm(以主绝缘平齐的平面为基准)的铜尖端，屏蔽管标称厚度2.5 mm，尖端刺穿屏蔽管进入接头硅橡胶绝缘，如图1(b)所示。

应力锥错位——正常安装电缆接头时应力锥与绝缘屏蔽层应搭接25 mm，应力锥错位缺陷接头设置为55 mm，错位30 mm，如图1(c)所示。

主绝缘沿面轴切刀痕——在距绝缘屏蔽层断口5 mm处，用工具刀制作长20 mm、宽1 mm、深1 mm的轴切刀痕，如图1(d)所示。

主绝缘沿面环切刀痕——在距绝缘屏蔽层断口5 mm处，用工具刀制作宽1 mm、深1 mm的环切刀痕，如图1(e)所示。

1.2 局部放电试验

本文局部放电测试系统包括调压器、变压器、保护电阻、HFCT、局部放电测试仪，如图2所示。变压器型号为YDW-10/50，保护电阻15 kΩ。HFCT带宽为2～60 MHz，局部放电测试仪为意大利产Techimp PD Base II。环境温度为(293±5) K，背景噪声低于5 pC。

图2 10 kV电缆接头缺陷局部放电测试系统接线图Fig.2 Wiring diagram of partial discharge test system for defect of 10 kV cable joint

用校准器校准局部放电试验系统。分别将试样接入系统，以0.2 kV/s速度升压，试验中当局部放电量大于10 pC(2倍背景噪声)时，认为产生局部放电，此时电压为PDIV。继续以1 kV步长逐级升压至14 kV、15 kV和16 kV，其中15 kV为1.73U0(U0为额定工作电压)，是标准规定的局部放电试验电压[21]。每级电压耐压2 min，利用统计参数研究缺陷电缆接头局部放电。

1.3 局部放电参数

本文利用PDIV、单脉冲时域和频域特性、平均放电量qave、放电重复率n、PRPD谱图及其统计参数(正、负半周平均放电量qave+、qave-，正、负半周放电相位区间及宽度，正、负半周偏斜度Sk+、Sk-)、时频谱图来研究各类安装缺陷电缆接头的局部放电特征。

为表征放电量PRPD谱图的形状特征，统计谱图正、负半周平均放电量qave+、qave-(仅考虑大于10 pC脉冲)，正、负半周相位区间及其宽度，正、负半周的偏斜度Sk+、Sk-。正、负半周相位区间是将大于10 pC脉冲的相位段作为局部放电相位区间，并计算其宽度φtotal+、φtotal-。偏斜度Sk描述统计数据分布偏斜方向及程度：Sk>0，分布函数右偏态；Sk=0，分布函数均值完全对称；Sk<0，分布函数左偏态。Sk的计算公式为

(1)

式中：N为半周期内的相位窗数；xi为第i个相位窗的相位；将PRPD谱图轮廓看成概率密度分布图，f(xi) 为相位窗xi内的事件出现的概率；μ为相位均值；σ为标准差。

时频谱图是将采集的脉冲信号在时域和频域进行变换，计算每个脉冲的等效时间T和等效频宽F，将其投影到二维平面，保留局部放电脉冲信号的波长时间和频率信息[22-23]。设某脉冲信号的时域表达式为s(t)、频域表达式为S(f)，脉冲时间长度为L，对s(t)归一化得到si(t)[16]，即

(2)

归一化后脉冲的时间重心

(3)

最后计算等效时间T和等效频宽F分别为：

(4)

(5)

式中Si(f)为si(t)的傅里叶变换函数。

2 试验结果与分析

2.1 PDIV

连接管尖端、应力锥错位、轴切刀痕和环切刀痕接头的PDIV见表1。由表1可知，连接管尖端缺陷电缆接头的PDIV最高。

表1 10 kV电缆接头典型安装缺陷PDIVTab.1 PDIV for typical installation defects of 10 kV cable joints

2.2 局部放电单脉冲特性

各缺陷电缆接头单个局部放电脉冲时域波形和频谱分别如图3、4所示。

图3 10 kV电缆接头典型安装缺陷的单个放电脉冲波形Fig.3 Single discharge pulse waveforms of typical installation defects of 10 kV cable joints

图4 10 kV电缆接头典型安装缺陷的单个放电脉冲频谱Fig.4 Single discharge pulse spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints

由图3可知：连接管尖端、应力锥错位和轴切刀痕的放电脉冲时域波形波峰较少；环切刀痕的放电脉冲时域波形为多峰振荡形式。

由图4可知各种缺陷接头频谱存在大波峰的数目不同：连接管尖端、轴切刀痕1个波峰，在11 MHz；应力锥错位2个大波峰，分别在8 MHz、11 MHz；环切刀痕3个大波峰，分别在8 MHz、17 MHz、45 MHz。同时，各种缺陷接头频谱均在32 MHz存在波谷。

观察各缺陷接头放电量频谱图，发现高频段衰减严重，75 MHz以上占比小于1%，可忽略不计。为区分各缺陷频谱中的波峰，分别提取0～15 MHz、15～32 MHz和32～75 MHz能量占比，如图5所示。

图5 10 kV电缆接头典型安装缺陷的局部放电频谱能量占比Fig.5 Partial discharge pulse spectrum energy’s proportion of typical installation defects of 10 kV cable joints

由图5可知，4种缺陷中环切刀痕缺陷在0～15 MHz能量占比最少，3个频段各占约三分之一。分析可知，应力锥错位和环切刀痕的电场分布为中心对称，为圆环多点放电，导致连续放电脉冲增多，在一定频率范围内的能量谱增加，因此包含的频率成分较丰富，且环切刀痕增加了高频成分。轴切刀痕缺陷最大场强位于距离绝缘屏蔽层断口最近处，连接管尖端缺陷最大场强位于尖端处，放电由最大场强点开始，放电点少，放电频谱单一[24]。

2.3 平均放电量和放电重复率

连接管尖端、应力锥错位、轴切刀痕和环切刀痕缺陷接头的平均放电量qave和放电重复率n随外加电压发展趋势如图6所示。

图6 10 kV电缆接头安装缺陷的平均放电量和放电重复率Fig.6 Average discharge capacity and discharge repetition rates of typical installation defects of 10 kV cable joints

由图6(a)可知，应力锥错位、轴切刀痕缺陷的平均放电量qave随电压增大而递增，环切刀痕则不变。这与靠近绝缘屏蔽层断口的刀痕电场较强有关，刀痕场强沿电缆轴向递减[25]，环切刀痕轴向距离短，内部场强相差不大，放电量与施加电压相关性较弱。

由图6(b)可知，除轴切刀痕外其余缺陷放电重复率n均随电压单调递增。

2.4 放电量PRPD谱图

10 kV电缆接头连接管尖端、应力锥错位、轴切刀痕和环切刀痕等安装缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放电量PRPD谱图如图7所示。

由图7可知：

a)连接管尖端的正半周放电随着电压升高向“尖刺”形发展，且电压峰值处偶发大幅值放电，负半周放电与正半周相比较均匀。

b)应力锥错位的正半周放电谱图呈“元宝”形，大幅值放电从电压峰值向过零点扩展；负半周谱图呈不规则的“△”形，小幅值时放电逐渐稀疏、大幅值放电逐渐密集，相位区间变窄；正、负半周谱图存在空穴特征。

c)轴切刀痕的正半周放电谱图呈“竖长条+横长条”的T形，该特征随电压升高不变；负半周相位分布较均匀。正、负半周均存在大、小幅值放电，中等幅值放电相对较少。

图7 10 kV电缆接头典型安装缺陷在不同电压下的PRPD谱图Fig.7 PRPD spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints under different voltages

d)环切刀痕的谱图正、负半周放电分别聚成一团且正、负半周较为对称，随电压升高，正、负半周谱图由“竖长条”形逐渐展宽向“横长条”形发展。这可能是由于较高试验电压(16 kV)下，正、负半周偶发大幅值放电。

2.4.1 正、负半周平均放电量qave+、qave-

10 kV电缆接头连接管尖端、应力锥错位、轴切刀痕和环切刀痕等安装缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放电量PRPD谱图的正、负半周平均放电量qave+、qave-如图8所示。

图8 10 kV电缆接头典型安装缺陷在不同电压下的PRPD谱图正、负半周平均放电量Fig.8 Positive and negative half cycle average discharge of PRPD spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints under different voltages

由图8可知：

a)连接管尖端的qave+、qave-随电压升高先上升后下降，且qave-逐渐超过qave+。文献[9]发现接头高电位尖端放电类似于空气中的电晕型放电，在270°附近放电强度最大，试验中随着电压升高，负半周的放电幅值增大；本文文结果与该特征一致。

b)应力锥错位的qave+远大于qave-，且qave+、qave-随电压升高明显增大。文献[9]发现接头应力锥错位缺陷随电压升高正、负半周放电量剧烈增大，正半周放电量明显大于负半周；本文结果与该特征一致。

c)轴切刀痕的各电压下qave+、qave-相当，且qave+、qave-随电压升高均明显增大。

d)环切刀痕的qave+、qave-相等且随电压升高几乎无变化。

2.4.2 正、负半周放电相位区间及宽度

10 kV电缆接头连接管尖端、应力锥错位、轴切刀痕和环切刀痕等安装缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放电量PRPD谱图的正、负半周相位区间及φtotal+、φtotal-如图9所示。

注：横线上数字为φtotal+或φtotal-，横线下数字为该值的分布区间。

由图9可知：

a)连接管尖端负半周放电分布约在200°～300°，φtotal-约为100°，均不随电压变化；较高试验电压下正半周放电向0°方向靠近。文献[9]发现接头高电位尖端放电脉冲集中在240°～300°，与本文相近，但负半周放电分布相位随着电压升高而增大，与本文不一致，其原因是文献[9]的试验对象是110 kV电缆接头，而本文试验对象是10 kV电缆接头。且本文连接管尖端缺陷制作方法与文献[9]不同：文献[9]在连接管外部的导体线芯上用铜丝捆扎形成尖端，同时电缆导体附近的绝缘退至接头内高压屏蔽之外；本文并未将绝缘退后，而是在连接管末端压接铜丝尖端，使其刺穿屏蔽管进入接头硅橡胶绝缘，这与现场电缆接头安装时产生的连接管尖端更为类似。

b)应力锥错位的φtotal+与φtotal-相等，在各种缺陷中最大，均大于120°；负半周放电总是起始于180°,正半周放电随电压升高缓慢向180°靠近。文献[9]发现接头应力锥错位缺陷正、负半周相位分布最广，本文结果与该特征一致；相位区间相近，文献[9]在20°～120°、190°～300°。

c)轴切刀痕的φtotal+比φtotal-约大10°，且随电压升高基本不变。文献[8]发现主绝缘刀痕缺陷的局部放电相位区间为10°～100°、190°～280°，本文中轴切刀痕缺陷较文献[8]放电相位分布更宽，原因是：文献[8]中缺陷尺寸为长80 mm、宽2.4 mm、深2.5 mm，本文缺陷刀痕更小，电场畸变更严重；文献[8]试验电压为PDIV，本文试验电压15 kV，为标准规定的局部放电试验电压。文献[20]发现气隙划痕起始放电在工频电压绝对值上升沿部分，与本文十分相似，但随着电压升高，放电相位变宽且逐渐向峰值移动，而本文未发现此现象，原因是文献[20]缺陷更接近连接管，而本文轴切刀痕在距绝缘屏蔽层断口5 mm处，因此PDIV不同，且文献[20]试验电压分别是8.6 kV和10.5 kV，低于标准规定的局部放电试验电压。

d)环切刀痕的φtotal+比φtotal-约小10°以上，且随电压升高φtotal+、φtotal-均增大。

2.4.3 正、负半周偏斜度Sk+、Sk-

10 kV电缆接头连接管尖端、应力锥错位、轴切刀痕和环切刀痕等安装缺陷在14 kV、15 kV和16 kV下放电量PRPD谱图的正、负半周偏斜度Sk+、Sk-如图10所示。

图10 10 kV电缆接头典型安装缺陷在不同电压下的PRPD谱图正、负半周偏斜度Fig.10 Positive and negative half cycle skewness of PRPD spectrum of typical installation defects of 10 kV cable joints under different voltages

由图10可知：

a)连接管尖端在15 kV时的Sk+和Sk-均为负，绝对值分别大于和接近1，明显不同于较低、较高试验电压下的绝对值较小。

b)应力锥错位在标准规定的15 kV局部放电试验电压下Sk+为正且值较大，明显不同于较低和较高试验电压下的Sk+为负。

c)轴切刀痕的Sk+和Sk-均小于0，且16 kV时绝对值明显较大。

d)环切刀痕在14 kV和15 kV时的Sk+、Sk-略小于0，16 kV时的Sk+、Sk-分别为4.67和5.78，正、负半周谱图右侧拉长，分布重心明显右偏。

2.5 时频谱图

10 kV电缆接头连接管尖端、应力锥错位、轴切刀痕和环切刀痕等安装缺陷在15 kV(标准规定的局部放电试验电压)下的时频谱图如图11所示。

由图11可知：

a)连接管尖端的时频谱图呈“横长条”形，等效频宽和等效时间区间分别集中在12～13.5 MHz、56～100 ns，存在少量发散放电信号。

b)应力锥错位的时频谱图呈“竖长条”形，等效频宽和等效时间区间分别集中在13～15.5 MHz、58～300 ns。

c)轴切刀痕的时频谱图呈“点+圆”形，等效频宽和等效时间区间分别集中在12.6～14 MHz、46～100 ns，圆形的放电分散较大。

d)环切刀痕的时频谱图呈“准圆”形，等效频宽和等效时间区间分别集中在17.4～20 MHz、67～300 ns。

观察4种缺陷各电压下的时频谱图，发现放电等效时间随电压有轻微变化，但等效频宽基本不变。随着电压升高，连接管尖端和环切刀痕谱图特征较稳定，应力锥错位谱图从长条形逐渐压缩向集中的一簇发展，轴切刀痕谱图中分散的放电信号逐渐减少。

3 结论

本文分别制作10 kV XLPE电缆接头的4种典型安装缺陷——连接管尖端、应力锥错位、主绝缘沿面轴切刀痕和环切刀痕，用HFCT进行不同电压下的局部放电试验，对比研究电缆接头典型安装缺陷的局部放电特征，得到以下结论：

a)连接管尖端的电缆接头局部放电特征为：PDIV较高；平均放电量qave随电压增大先升后降；单脉冲频谱有1个大波峰；PRPD谱图中正半周放电随着电压升高向“尖刺”形发展；负半周放电分布约在200°～300°，φtotal-约为100°不随电压变化，较高电压下正半周放电向0°方向靠近；标准局部放电试验电压下的时频谱图呈“横长条”形。

b)应力锥错位的电缆接头局部放电特征为：平均放电量qave随电压增大逐渐增大；单脉冲频谱有2个大波峰，PRPD谱图中正半周呈“元宝”形，负半周谱图呈不规则的“△”形，正、负半周谱图均有空穴特征；在各电压下qave+均大于qave-；φtotal+、φtotal-相等，在各种缺陷中最大，均大于120°；负半周放电总是起始于180°,正半周放电随电压升高缓慢向180°靠近；标准局部放电试验电压下时频谱图呈“竖长条”形。

c)轴切刀痕的电缆接头局部放电特征为：单脉冲频谱有1个大波峰；PRPD谱图中正半周呈“竖长条+横长条”的T形，且随电压升高不变；负半周相位分布较均匀，φtotal+比φtotal-约大10°；标准局部放电试验电压下时频谱图呈“点+圆”形。

d)环切刀痕的电缆接头局部放电特征为：单脉冲频谱有3个大波峰，0～15 MHz、15～32 MHz和32～75 MHz频段能量各约三分之一；平均放电量qave随电压增大不变；Sk+、Sk-在较高电压(16 kV)下明显不同于较低电压；标准局部放电试验电压下时频谱图呈“准圆”形。