周 凱，李旭濤，黃華勇，魏長明，楊 可

（1．四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；2．重慶市電力公司永川供電局，重慶 402160）

0 引言

電纜終端是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)和運行故障多發(fā)部位。電力電纜線路運行與試驗的實踐經(jīng)驗證明：除外力破壞等原因，電纜線路敷設(shè)過程中電纜附件的制造與安裝質(zhì)量問題已成為電纜線路發(fā)生運行故障的主要原因[1]。由于電纜附件安裝過程中產(chǎn)生的缺陷通常由現(xiàn)場的操作疏忽造成，這類缺陷一般較細(xì)微，在耐壓試驗時難以被發(fā)現(xiàn)，因而存在微小缺陷的電纜終端往往能夠順利通過耐壓試驗。然而，絕緣缺陷在線路投運后幾周至幾個月的時間里會迅 速發(fā)展，最終造成絕緣擊穿甚至終端爆炸等事故。如何在安裝后發(fā)現(xiàn)并評估缺陷，避免事故發(fā)生是一個值得關(guān)注的問題。

目前在交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜線路上已得到應(yīng)用的狀態(tài)檢測技術(shù)有局部放電(PD)檢測技術(shù)、紅外成像測溫(IR)技術(shù)、光纖分布式測溫(DTS)技術(shù)等[2-4]，這些方法各有優(yōu)點。而PD 測量擁有豐富的檢測方法和經(jīng)驗，目前國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為PD 檢測是電纜線路早期絕緣狀態(tài)評價的有效方法[4-7]。對PD 的放電特征進(jìn)行分析，根據(jù)不同類型放電的特性進(jìn)行電纜運行狀態(tài)的評估，已成為電纜線路狀態(tài)檢修的重要內(nèi)容[8-13]。

過去對于電纜附件PD 特性的研究重點關(guān)注單個缺陷（如氣隙、毛刺、導(dǎo)電顆?；蚣舛说冉^緣雜質(zhì)）模型下的放電特性[8-10,12-13]，缺陷模型經(jīng)過特別設(shè)計且放電類型較為單一，而對于典型的安裝缺陷，如剝離半導(dǎo)電層產(chǎn)生的刀痕缺陷（這類缺陷在現(xiàn)場施工中極為常見）研究較少，而絕緣雜質(zhì)產(chǎn)生的電場畸變比刀痕要大許多，因此，使用絕緣雜質(zhì)做缺陷難以模擬現(xiàn)場安裝過程中造成的絕緣損傷。通常刀痕缺陷的PD 是在電纜終端投運一段時間后才表現(xiàn)出來的，而現(xiàn)場的耐壓或局部放電試驗并不能檢測出新裝終端中的此類缺陷，這就需要對刀痕缺陷的發(fā)展過程和放電特征進(jìn)行分析，一方面可為狀態(tài)檢修中識別刀痕缺陷提供理論依據(jù)，從而在設(shè)備投運初期發(fā)現(xiàn)安全隱患；同時，通過研究不同刀痕缺陷對絕緣破壞的影響，可為改進(jìn)電纜終端安裝工藝提供參考，并幫助改進(jìn)現(xiàn)場試驗方法（比如是否應(yīng)在投運一段時間后再次測量局部放電）等。實事上，造成刀痕缺陷PD 發(fā)展的原因主要包括電場和溫度場兩方面作用，過去主要關(guān)注電場的影響，而忽視了溫度場的影響，實際上負(fù)荷的波動對缺陷PD 的發(fā)展也有影響，需要有模擬實際工況的實驗研究平臺，以更好地了解實際運行情況下缺陷的發(fā)展規(guī)律，而這方面的研究也鮮有報導(dǎo)。

為此，本文根據(jù)近年來電纜終端運行的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選取兩種常見的刀痕缺陷，分別制作在兩個電纜終端內(nèi)。利用電纜附件老化平臺模擬運行工況，使缺陷表現(xiàn)出明顯的局部放電，再通過統(tǒng)計分析手段研究兩種刀痕局部放電的時域和頻域特征，從而對比分析不同刀痕缺陷的放電特征。

1 電纜終端典型刀痕缺陷設(shè)計

預(yù)制式電纜附件在中壓電網(wǎng)中被廣泛使用[14]。應(yīng)力錐是預(yù)制式電纜附件的關(guān)鍵組成部分，直接套裝在電纜主絕緣和外半導(dǎo)電層截斷處的過渡面上，如圖1所示。其具有均勻半導(dǎo)電層截斷處電場的重要作用，可以大大緩解該位置的電場畸變。所以，外半導(dǎo)電層剝離處理的質(zhì)量好壞將直接影響該位置局部電場的強(qiáng)度，進(jìn)而可能影響電纜終端投運后的運行質(zhì)量。

通過分析近年來電纜終端的運行故障報告發(fā)現(xiàn)，在許多案例中，即使在滿足現(xiàn)場耐壓試驗要求的情況下，電纜終端在投運一段時間后依然發(fā)生了故障，而其中由半導(dǎo)電層截斷處的環(huán)切刀痕與縱向刀痕引起的絕緣故障較為普遍，如圖2、圖3所示。

此外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，在剝離外半導(dǎo)電層的工作中，目前普遍采用的做法是：首先在外半導(dǎo)電層截斷處（圖1所示）進(jìn)行環(huán)形切割，再使用刀具沿軸向?qū)ν獍雽?dǎo)電層進(jìn)行剖切，最后將外半導(dǎo)電層整體剝離。但是，由于進(jìn)刀深度難以控制，在實際剝離半導(dǎo)電層的過程中，環(huán)切與縱切刀痕成為了刀痕缺陷的主要來源。

圖1 電纜終端及應(yīng)力錐處的電場分布Fig.1 Cable termination &electric field of the stress cone

圖2 環(huán)切刀痕及其導(dǎo)致的絕緣擊穿Fig.2 Ring-cutting defect and the breakdown caused by it

圖3 縱向刀痕及其導(dǎo)致的爬電擊穿Fig.3 Slitting defect and the breakdown caused by it

因此，在綜合考慮典型故障案例與電纜終端安裝工藝特點之后，本文以半導(dǎo)電層截斷處的環(huán)切刀痕，以及電纜末端與半導(dǎo)電層截斷處之間的縱向刀痕作為研究對象，將兩種刀痕缺陷分別制作在不同的電纜終端內(nèi)，并在終端安裝后對其進(jìn)行了耐壓試驗與局部放電試驗[15]。試驗結(jié)果表明，包含兩種缺陷的電纜終端都能順利通過耐壓試驗；但在局部放電試驗中未檢測到明顯的放電信號，說明IEC 的PD試驗方法并不能在電纜終端新安裝后檢測出刀痕缺陷。為了排除偶然因素的影響，筆者在多個電纜終端中試制了不同嚴(yán)重程度的上述兩種刀痕缺陷，得出的試驗結(jié)果與以上結(jié)果類似。因此，為了研究不同缺陷的局部放電特性，需要模擬電纜線路的運行工況，對電纜終端絕緣進(jìn)行老化，使PD 特征隨著絕緣的老化而表現(xiàn)出來。

2 電熱老化實驗裝置及PD 測量

本文用于實驗的電纜為26/35 kV 單芯 XLPE絕緣電纜，電纜終端為26/35 kV 預(yù)制式冷縮電纜終端。采用能夠同時施加高電壓(產(chǎn)生電場)和大電流(形成溫度場)的電纜附件老化平臺[16]，使電纜終端處于電場與溫度場的協(xié)同作用下，從而模擬線路運行工況。

老化實驗平臺接線如圖4所示，電壓由變壓器高壓端經(jīng)保護(hù)電阻連接到電纜試驗(充油)終端的接線端子，輸入額定運行電壓到回路中；兩只電纜終端與電纜試驗終端及連接電纜依次串聯(lián)形成電流回路，電流由文獻(xiàn)[16]中所述方法通過CT 耦合到實驗回路中，回路電流為200 A。

圖4 電纜附件老化實驗平臺Fig.4 The aging platform for cable accessories

由于基于IEC60270 標(biāo)準(zhǔn)的檢測阻抗法在實際試驗中存在抗干擾能力差、測量結(jié)果易受接線回路影響、以及不能進(jìn)行在線測試等問題，同時考慮到電纜終端的結(jié)構(gòu)特點及線路運行中的實際測量環(huán)境，本文使用為電纜終端設(shè)計的羅氏線圈作為PD檢測傳感器。由于檢測對象是電纜終端處的局部放電，本文將傳感器安裝在終端接地線上進(jìn)行PD 測量，為防止地線環(huán)流產(chǎn)生干擾，減小地線對放電波形的影響，實驗回路采取一點接地。此外，為了減小來自設(shè)備、接線端子等的干擾，進(jìn)行PD 檢測時須將老化回路拆開，單獨檢測每只電纜終端的放電。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果，本文中羅氏線圈采用鎳鋅鐵芯制成，其具有良好的高頻響應(yīng)特性（在2～80 MHz 頻帶范圍內(nèi)具有最佳響應(yīng)特性）。檢測中使用RIGOL-DS6104 數(shù)字示波器(1 GHz 帶寬，5 GSa/s 采樣率，最大存儲深度140 M 采樣點)觀測并采集放電信號；使用RIGOL-DSA1030A 頻譜儀(9 k～3 GHz 帶寬，10 Hz 最小分辨率)對放電信號進(jìn)行頻譜分析。PD 檢測在1.5U0試驗電壓下進(jìn)行。

3 局部放電測試與分析

3.1 電熱老化對局部放電的影響

在老化實驗平臺上對電纜終端進(jìn)行120 h 老化后，檢測到放電信號，但放電幅值較小且放電重復(fù)率較低，不利于進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。因而繼續(xù)老化至240 h，兩只電纜終端都表現(xiàn)出明顯的放電特征。實驗結(jié)果表明，刀痕缺陷的PD 在模擬工況的老化下發(fā)展迅速，進(jìn)而可以推斷在實際運行中刀痕缺陷PD 對絕緣的破壞速度也是很快的。

在PD 檢測中同時發(fā)現(xiàn)，不同刀痕缺陷的放電特征有所不同，下面分別對兩種缺陷的放電特性進(jìn)行分析。為便于比較說明，以下均采用老化240 h后電纜終端的PD 檢測數(shù)據(jù)。

3.2 環(huán)切刀痕的局部放電

從單次放電波形、放電頻譜和工頻相位下的PD相位分布(即局部放電相位分析，PRPD)等方面對PD 進(jìn)行分析，可為絕緣缺陷的識別提供參考依據(jù)。

本文使用DS6104數(shù)字示波器在5 GSa/s采樣率下，以單次觸發(fā)方式對每種缺陷的單次放電進(jìn)行了數(shù)千次波形記錄。通過對比波形發(fā)現(xiàn)，同一缺陷放電單次波形的上升時間、持續(xù)時間及振蕩形式等特征基本保持穩(wěn)定，放電的隨機(jī)性主要體現(xiàn)在脈沖幅值的波動上。因此，在研究中重點關(guān)注影響PD 頻率特性的上升時間、持續(xù)時間及振蕩形式等特征，而將放電幅值作為PD 強(qiáng)弱的參考量。

圖5 為環(huán)切刀痕缺陷的單次放電波形，圖中每100 個采樣點的記錄時長為20 ns。放電首脈沖上升時間約為2.5～3.0 ns，次脈沖上升時間約為1.0～1.5 ns。波形為多峰振蕩形式，放電持續(xù)總時長超過120 ns，衰減速度較慢。由于放電波形為多峰振蕩且每個脈沖的上升時間不同，所以環(huán)切刀痕放電包含的頻率成分較為豐富。

圖5 環(huán)切刀痕的單次放電脈沖波形Fig.5 Waveform of single discharge pulse of the ring-cutting defect

為進(jìn)一步確定放電的頻率分布特性，使用DSA1030A 頻譜儀對PD 進(jìn)行頻譜采樣。由圖6 可知，環(huán)切刀痕缺陷放電的頻率分布較分散且分布范圍較廣，除在局部范圍（300～330 MHz、330～370 MHz）有較寬頻帶的集中分布外，其他頻率位置都呈窄帶分布，因而單次放電波形反復(fù)振蕩且衰減緩慢。此外，450 MHz 以上區(qū)域出現(xiàn)的多個高幅度頻率分布使放電波形表現(xiàn)為多峰波形。

圖6 環(huán)切刀痕的局部放電頻譜Fig.6 Partial discharge frequency spectrum of the ring-cutting defect

事實上，時域分析手段很難將混疊在一起的不同信號的特征進(jìn)行分離，然而從頻域的角度來看，無論是某種放電現(xiàn)象（內(nèi)部放電、表面放電或電暈放電）還是干擾源，相同類型信號源的頻率分布特性是相似的，而不同信號在頻域特征上的差異表現(xiàn)為頻域分布的區(qū)域性，利用這一特點對采樣信號的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域聚類分析，可以將檢測數(shù)據(jù)中不同類型的信號加以區(qū)分[17]。

在檢測中，直接測量獲得的采樣數(shù)據(jù)中既包含PD 信號，又含有噪聲信號，這些信號在頻域上分布在不同區(qū)域內(nèi)，通過聚類分析可以將信號的全部特征標(biāo)記為多個子集分類[17-18]，其中除了噪聲信號的分類外，其余為放電信號的分類。而噪聲信號的頻域聚類集合是可以預(yù)先進(jìn)行記錄的，例如，在不加壓或電壓低于PDIV（起始放電電壓）時將采樣所得背景噪聲信號進(jìn)行統(tǒng)計聚類，此時由于未發(fā)生PD，獲得的數(shù)據(jù)集合即為噪聲的頻域聚類特征。

圖7 為環(huán)切刀痕缺陷終端處測得的信號頻域分類圖，其中(a)、(b)區(qū)域為噪聲，(c)、(d)區(qū)域為PD，雖然噪聲信號的統(tǒng)計次數(shù)高出PD 信號一個數(shù)量級以上，但噪聲的頻域分布非常集中，而PD 信號的隨機(jī)性很高，分布范圍很廣。此外，PD 分布在(c)、(d)兩個區(qū)域說明環(huán)切刀痕處可能包含有兩種類型的放電。

使用前文所述的頻域聚類方法將噪聲信號剔除，經(jīng)過頻域去噪后，再利用PRPD 方法對除去噪聲后的信號進(jìn)行時域分析，一方面降低了時域分析中降噪的困難性，同時也使PD 信號特征得到最大程度的保留。

圖7 包含環(huán)切刀痕的終端處信號的頻域分類Fig.7 Frequency domain classification map of the cable termination with ring-cutting defect

時域分析中，本文以工頻電壓信號作為觸發(fā)信號，統(tǒng)計并繪制局部放電PRPD 二維（相位-幅值）譜圖。由圖8所示的環(huán)切刀痕PD 二維統(tǒng)計譜圖可知，環(huán)切刀痕缺陷放電的相位廣泛分布在0°～105°及180°～275°范圍內(nèi)，在20°～60°和200°～235°范圍內(nèi)放電最強(qiáng)。放電相位分布范圍較廣且較為發(fā)散，正負(fù)半周的放電近似對稱分布。

圖8 環(huán)切刀痕的二維PRPD 譜圖Fig.8 2D PRPD pattern of the ring-cutting defect

3.3 縱向刀痕的局部放電

圖9 為縱向刀痕的單次放電波形，放電波形為單峰振蕩衰減。放電脈沖上升時間約為2.5～3.0 ns，放電持續(xù)時間為45～55 ns，持續(xù)時間較短且波尾衰減迅速。類似地，利用頻譜儀對放電的頻譜特征進(jìn)行記錄，如圖10所示，縱向刀痕放電的頻率分布范圍較集中，主要分布在300 MHz 以下和490～550 MHz 附近區(qū)域，因而單次放電為單脈沖波形，且波尾為單峰衰減的形式。

采用與環(huán)切刀痕處測量時相同的采樣次數(shù)，對縱向刀痕處信號進(jìn)行頻域聚類分析結(jié)果如圖11所示，與環(huán)切刀痕不同，縱向刀痕處的PD 信號聚類僅有(c)區(qū)，而沒有圖7 中的(d)區(qū)子集。同時，由于是在相同實驗環(huán)境下，兩種刀痕處信號的頻域聚類中噪聲分類子集的分布是相同的，都在(a)、(b)兩個區(qū)域。

圖9 縱向刀痕的單次放電波形Fig.9 Waveform of single discharge from the slitting defect

圖10 縱向刀痕的局部放電頻譜Fig.10 Partial discharge frequency spectrum of the slitting defect

圖11 包含縱切刀痕的終端處信號的頻域分類Fig.11 Frequency domain classification map of the cable termination with slitting defect

與前文方法類似，縱向刀痕的二維PRPD 統(tǒng)計表示在圖12 中，如圖所示，放電集中分布在7°～82°和188°～280°，正負(fù)半周放電呈明顯對稱分布。此外還發(fā)現(xiàn)，正負(fù)半周局部放電的相位分布分別集中于兩段不同的相位區(qū)間內(nèi)：正半周7°～32°和32°～ 82°，以及負(fù)半周188°～223°和223°～280°的位置。

圖12 縱向刀痕的二維PRPD 譜圖Fig.12 2D PRPD pattern of the slitting defect

3.4 兩種刀痕缺陷的對比分析

單獨討論每一種刀痕缺陷的PD 特性難以深入了解缺陷與放電的關(guān)系。因此，通過對比兩種缺陷下PD 特征的差異，對放電特性做進(jìn)一步分析。

對于運行初期的電纜終端，相同時間老化后的環(huán)切刀痕比縱向刀痕更容易發(fā)生局部放電：環(huán)切刀痕缺陷的起始放電電壓為25 kV，而縱向刀痕缺陷的起始放電電壓為26.5 kV。

在相同試驗電壓下，環(huán)切刀痕缺陷的放電強(qiáng)度要大于縱向刀痕。通過對比圖6、圖10 兩種缺陷放電的頻譜特性發(fā)現(xiàn)，環(huán)切刀痕的放電中包含更多的高頻成分，頻率分布范圍更廣泛且分散；而縱向刀痕的頻率分布有明顯的高、低頻段之分，縱向刀痕的放電點可能是在靠近半導(dǎo)電層處的局部區(qū)域先開始放電，放電點少（通常表現(xiàn)為單點放電），而且電場也相對較小，因此放電幅度較小且放電頻譜單一。另外，經(jīng)過頻域聚類發(fā)現(xiàn)，圖7 與圖11 中的(c)區(qū)位置基本吻合，表征為同一類型的放電，結(jié)合PRPD的分析結(jié)果可判斷(c)區(qū)為內(nèi)部放電[9,11,17]；而圖7中(d)區(qū)位置的放電信號則未出現(xiàn)在圖11 中，頻域特征上的差異說明環(huán)切刀痕處包含不止一種類型的放電，這主要因為環(huán)切刀痕靠近半導(dǎo)電層截斷處，電場強(qiáng)，可能含有多個放電點甚至出現(xiàn)表面放電，因此放電頻譜寬、幅度大。

此外，從兩種缺陷放電的PRPD 譜圖（圖8、圖12）來看，環(huán)切刀痕缺陷的放電在放電量、放電密度及放電重復(fù)率上都高于縱向刀痕，因此不論在放電活躍性還是放電能量上，環(huán)切刀痕缺陷的局部放電都更強(qiáng)，從而對絕緣的破壞速度更快。

4 結(jié)論

本文制作了含有兩種典型安裝刀痕缺陷的電纜終端，利用電纜附件老化與檢測實驗平臺，對缺陷的局部放電特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)論如下：

(1) 兩種刀痕缺陷的局部放電信號在時域、頻域特征上存在明顯差異，這些特征可為刀痕缺陷的診斷與識別提供依據(jù)。

(2) 縱向刀痕放電特征與內(nèi)部放電特征相吻合，而環(huán)切刀痕放電中包含多種類型的放電，對絕緣材料的燒蝕作用更強(qiáng)。

(3) 在安裝工藝上需特別注意環(huán)切刀痕的產(chǎn)生，此外，缺陷對絕緣的破壞需要時間，在安裝投運一定時間后進(jìn)行PD檢測才可能檢查出刀痕類缺陷。

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