常文治　閻春雨　李成榕　畢建剛　葛振東

（1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院　北京　100192

2. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）　北京　102206

3. 國(guó)網(wǎng)北京市電力公司　北京　100031）

硅橡膠/膠聯(lián)聚乙烯界面金屬顆粒沿面放電嚴(yán)重程度的評(píng)估

常文治1閻春雨1李成榕2畢建剛1葛振東3

（1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院北京100192

2. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）北京102206

3. 國(guó)網(wǎng)北京市電力公司北京100031）

硅橡膠絕緣預(yù)制型電纜接頭由于制作工藝問題在硅橡膠/膠聯(lián)聚乙烯界面上形成半導(dǎo)電或金屬顆粒缺陷最終導(dǎo)致沿面擊穿的故障時(shí)有發(fā)生。探尋硅橡膠/膠聯(lián)聚乙烯界面金屬顆粒沿面絕緣缺陷局部放電的發(fā)展過程，可為電纜中間接頭放電嚴(yán)重程度的評(píng)估提供依據(jù)。在35kV電纜中間接頭硅橡膠/XLPE界面上設(shè)置金屬顆粒缺陷，通過逐級(jí)升高電壓激發(fā)出局部放電信號(hào)并加速缺陷發(fā)展。測(cè)量了局部放電起始直至絕緣擊穿全過程中的局部放電信號(hào)，生成了單位時(shí)間內(nèi)局部放電平均能量、總能量及放電次數(shù)共計(jì)三個(gè)表征參量隨時(shí)間的變化曲線?；谇€的發(fā)展變化規(guī)律，將局部放電發(fā)展全過程劃分為四個(gè)階段，得到了表征各階段局部放電重復(fù)率及平均放電量相位分布特征的φ-n、φ-qave二維譜圖以及灰度圖，從中提取了兩個(gè)能夠表征各階段局部放電統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特征量。研究結(jié)果表明，在預(yù)設(shè)缺陷局部放電的發(fā)展過程中，局部放電相位譜圖的形貌特征發(fā)生變化，從相位譜圖中提取的兩個(gè)局部放電特征量均呈現(xiàn)單一增大的趨勢(shì)，且在放電后期增長(zhǎng)速率加快?；趯?duì)局部放電相位分布特征及特征量變化趨勢(shì)的綜合分析，提出了一種硅橡膠/膠聯(lián)聚乙烯界面金屬顆粒沿面放電嚴(yán)重程度的評(píng)估方法。

電纜接頭硅橡膠/XLPE界面局部放電發(fā)展過程嚴(yán)重程度

0　引言

預(yù)制式電纜接頭在使用過程中以一定的過盈量（為保持一定的面壓）緊密包覆電纜絕緣，形成硅橡膠/交聯(lián)聚乙烯（XLPE）雙層介質(zhì)的復(fù)合界面。統(tǒng)計(jì)資料表明，硅橡膠/XLPE復(fù)合介質(zhì)界面是預(yù)制式接頭絕緣的薄弱點(diǎn)[1,2]，因多層復(fù)合介質(zhì)沿面放電導(dǎo)致接頭擊穿的故障約占電纜接頭故障總數(shù)的97%[3]。預(yù)制式接頭需要在現(xiàn)場(chǎng)條件下安裝成型，且容易在硅橡膠/XLPE界面上遺留金屬或半導(dǎo)電物顆粒，在高壓作用下產(chǎn)生沿面放電最終引發(fā)沿面擊穿事故[4,5]。探尋硅橡膠/XLPE復(fù)合介質(zhì)界面導(dǎo)電顆粒沿面放電的發(fā)展過程，建立其嚴(yán)重程度的評(píng)估方法，有助于及早排除電纜接頭沿面擊穿故障、提高電纜線路運(yùn)行可靠性，具有理論和實(shí)踐價(jià)值。

文獻(xiàn)[6-9]使用階升電壓法對(duì)變壓器油/紙板界面上的沿面放電特性進(jìn)行了研究，測(cè)量并分析了升壓條件下從局部放電發(fā)生到沿面閃絡(luò)貫穿形成整個(gè)過程中局部放電譜圖、放電量、放電頻率及放電脈沖的變化情況，劃分了局部放電的發(fā)展階段，給出了各階段放電的特征，提出了油紙絕緣沿面放電嚴(yán)重程度的診斷方法。文獻(xiàn)[10,11]在真實(shí)GIS設(shè)備的盆式絕緣子表面設(shè)置典型缺陷，測(cè)量并觀察了升壓條件下盆式絕緣子/SF6界面缺陷引發(fā)局部放電直至沿面閃絡(luò)全過程的局部放電信號(hào)和物理現(xiàn)象，揭示了多種物理量變化趨勢(shì)之間的內(nèi)在關(guān)系，提出了基于放電相位分布特點(diǎn)以及多種統(tǒng)計(jì)譜圖形貌評(píng)估放電嚴(yán)重程度的方法。文獻(xiàn)[12-17]在不同直流電場(chǎng)、溫度梯度下，采用電聲脈沖法測(cè)量并分析了硅橡膠界面上空間電荷的分布特性，給出了界面電荷的定量計(jì)算公式[14]，指出高場(chǎng)強(qiáng)下空間電荷的不穩(wěn)定性可作為硅橡膠擊穿的征兆，且在介質(zhì)界面上涂抹硅脂可有效地降低界面上的電場(chǎng)強(qiáng)度[17]。文獻(xiàn)[18]研究了半結(jié)晶聚合物交聯(lián)聚乙烯的聚集態(tài)和陷阱等對(duì)真空沿面閃絡(luò)特性的影響，提出可以通過控制半結(jié)晶聚合物的聚集態(tài)和缺陷結(jié)構(gòu)提高其真空沿面閃絡(luò)性能。文獻(xiàn)[19-23]研究了界面壓力、粗糙度、劃傷、微導(dǎo)電屑和硅脂等因素對(duì)界面放電發(fā)光、炭化和電痕破壞的影響，得到了放電光分布和炭化分布之間的相互關(guān)系以及電痕破壞的規(guī)律。文獻(xiàn)[24]制備了硅橡膠/XLPE界面缺陷試品，實(shí)驗(yàn)得到了不同界面缺陷試品的沿面放電電壓，分析了預(yù)制式硅橡膠電纜接頭多層固體復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)的沿面放電機(jī)理，指出保證界面壓強(qiáng)是預(yù)防電纜附件沿面擊穿的主要措施。

綜上，目前針對(duì)電纜接頭硅橡膠/XLPE界面絕緣特性的研究多是對(duì)空間電荷、電痕等物理量的變化特征研究或是對(duì)材料的介電特性分析，這些測(cè)量及分析方法無法實(shí)時(shí)獲取電纜接頭的絕緣信息，對(duì)于電纜接頭硅橡膠/XLPE復(fù)合介質(zhì)沿面放電的早期診斷和評(píng)估無能為力。復(fù)合介質(zhì)的沿面擊穿多是由于介質(zhì)交界面上的流注不斷發(fā)展而形成的，其外在表現(xiàn)是局部放電的產(chǎn)生及發(fā)展[25]，因此可以通過局部放電的發(fā)展過程對(duì)復(fù)合介質(zhì)界面的絕緣狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)、有效的評(píng)估，預(yù)防可能發(fā)生的沿面擊穿。目前針對(duì)變壓器、GIS主要絕緣結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)界面沿面局部放電發(fā)展過程的研究成果較多，但是關(guān)于電纜接頭硅橡膠/XLPE復(fù)合介質(zhì)界面沿面放電發(fā)展過程的相關(guān)研究尚未見報(bào)道?？紤]到硅橡膠/XLPE復(fù)合介質(zhì)界面上金屬顆粒缺陷是引發(fā)電纜接頭復(fù)合介質(zhì)沿面放電的重要原因，本文在35kV電纜中間接頭XLPE/硅橡膠界面上置入金屬顆粒，在逐級(jí)升壓過程中測(cè)量沿面放電起始直至沿面擊穿全過程的局部放電信號(hào)，劃分局部放電的發(fā)展階段，提取能夠有效表征局部放電發(fā)展過程的特征量，基于特征量的變化規(guī)律建立一種硅橡膠/XLPE沿面放電嚴(yán)重程度的評(píng)估方法。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1缺陷模擬

設(shè)計(jì)合理的缺陷模擬試品，是保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提。試品缺陷一方面應(yīng)當(dāng)能夠反映實(shí)際的缺陷原理；另一方面還需要在實(shí)驗(yàn)室條件下產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的放電信號(hào)。由于電纜運(yùn)行工況的復(fù)雜性遠(yuǎn)非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境能夠比擬，因此為得到缺陷引發(fā)放電起始直至沿面擊穿全過程中的放電數(shù)據(jù)，必須在體現(xiàn)實(shí)際缺陷原理的基礎(chǔ)上增加試品缺陷的嚴(yán)重程度，以達(dá)到加速實(shí)驗(yàn)的目的。

為在實(shí)驗(yàn)室條件下盡可能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)電纜接頭沿面放電的真實(shí)信息，本文采用真實(shí)35kV電纜和硅橡膠絕緣預(yù)制式中間接頭作為試品，通過一個(gè)單芯預(yù)制式中間接頭連接兩段35kV單芯電纜，電纜型號(hào)為YJV-26/35kV-1×50。

電纜預(yù)制式中間接頭安裝前，被接頭硅橡膠主絕緣覆蓋的兩段待連接電纜本體需要去除半導(dǎo)電層和金屬屏蔽層，露出XLPE絕緣。本文在一段XLPE絕緣表面粘貼若干厚度0.05mm、邊長(zhǎng)5～10mm的不規(guī)則銅片，如圖1a所示，然后在XLPE表面均勻涂抹硅脂，依照規(guī)程[26]完成預(yù)制式中間接頭的安裝。缺陷設(shè)計(jì)示意圖如圖1b所示。

圖1　沿面金屬顆粒缺陷Fig.1　Metal particles defect on the silicone rubber/XLPE interface

在缺陷試品的制作過程中，由于XLPE表面粘貼的銅片厚度很小，而接頭安裝后硅橡膠/XLPE界面的壓力很大，且XLPE表面涂抹的硅脂具有很好的填充作用，因此XLPE表面粘貼銅片后不會(huì)在硅橡膠/XLPE界面上產(chǎn)生氣隙，從而保證了本文設(shè)計(jì)的缺陷屬于單一類型的硅橡膠/XLPE界面金屬顆粒缺陷。

本文共制作了兩套帶有上述缺陷的接頭試品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，兩套試品缺陷銅片分布的區(qū)域、大小及密集程度均保持基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后使用相同方法對(duì)局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)局部放電的起始放電電壓、擊穿電壓和持續(xù)時(shí)間等指標(biāo)不盡相同，但局部放電的整體發(fā)展趨勢(shì)及變化規(guī)律基本一致。本文重點(diǎn)研究缺陷引發(fā)放電起始直至擊穿全過程局部放電的發(fā)展過程，因此對(duì)其中一次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1.2實(shí)驗(yàn)回路

由于電纜兩端電應(yīng)力集中，為防止加壓過程中電纜兩端產(chǎn)生電暈而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)在電纜兩段安裝油杯型終端，終端內(nèi)注入25#變壓器油，電纜線芯通過油杯型終端接入實(shí)驗(yàn)變壓器，電纜試品外屏蔽層良好接地。實(shí)驗(yàn)回路如圖2所示，自耦調(diào)壓器、變壓器、10kΩ保護(hù)電阻和800pF耦合電容組成50kV工頻無暈的電源系統(tǒng)。局部放電測(cè)量使用ZST-4型局部放電檢測(cè)儀，采用并聯(lián)測(cè)試回路，利用NI PXI-5114高速數(shù)字化儀（兩個(gè)采集通道，帶寬125MHz，最高采樣率250MS/s）對(duì)局部放電檢測(cè)儀調(diào)理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行20ms連續(xù)采樣并保存，同時(shí)通過變壓器測(cè)量繞組獲取工頻電壓信號(hào)的相位信息。

圖2　試驗(yàn)回路示意圖Fig.2　Diagram of the experimental circuit

實(shí)驗(yàn)前對(duì)整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行耐壓及局部放電測(cè)試，在45kV最高實(shí)驗(yàn)電壓作用下，背景干擾水平不大于3pC，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片如圖3所示。

1.3加壓方法

一切準(zhǔn)備工作就緒后開始加壓實(shí)驗(yàn)，加壓過程中緩慢升高電壓直至出現(xiàn)穩(wěn)定的局部放電信號(hào)，通過升壓法加速缺陷劣化，劣化嚴(yán)重后對(duì)試品施加恒定電壓，為深入研究絕緣瀕臨失效時(shí)的局部放電特征，在絕緣瀕臨擊穿時(shí)適當(dāng)降低電壓，保持該電壓不變直至絕緣失效。本文預(yù)設(shè)缺陷在外施電壓達(dá)到8kV時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定的局部放電信號(hào)，然后以4kV加壓步長(zhǎng)逐級(jí)升高電壓直至40kV，每個(gè)電壓等級(jí)保持2h，當(dāng)外施電壓達(dá)到40kV后觀察發(fā)現(xiàn)放電強(qiáng)度明顯提高，因此40kV保持2h后降壓至38kV，保持1h24min后絕緣擊穿，累計(jì)加壓時(shí)間約19h24min。

圖3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3　Photo of the experimental system

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)外施電壓達(dá)到36kV時(shí)，局部放電檢測(cè)儀測(cè)量到的局部放電信號(hào)幅值明顯增大以致超出信號(hào)采集量程，及時(shí)調(diào)整儀器增益以保證測(cè)量準(zhǔn)確度。在后續(xù)數(shù)據(jù)分析過程中，對(duì)不同增益下測(cè)量的信號(hào)分別進(jìn)行視在放電量校正。在臨近擊穿前約20min，聽到接頭內(nèi)每隔2min左右持續(xù)發(fā)出沉悶的“砰…砰”聲，該狀態(tài)持續(xù)約20min后絕緣擊穿。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將試品從缺陷置入位置沿電纜軸向剖開，觀察缺陷擊穿后對(duì)界面絕緣的破壞現(xiàn)象，解體照片如圖4所示，其中圖4a為XLPE表面的破壞現(xiàn)象，圖4b為接頭硅橡膠絕緣內(nèi)表面的破壞現(xiàn)象。

從圖4中可以看出，電纜本體XLPE表面和接頭硅橡膠內(nèi)表面均有明顯的黑色炭痕，炭痕分布在懸浮銅片之間，炭痕通道和銅片在電纜XLPE表面形成了軸向貫通于電纜線芯和外半導(dǎo)電層之間的導(dǎo)電通道?；谶@樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象簡(jiǎn)單分析中間接頭XLPE/硅橡膠界面懸浮金屬顆粒引發(fā)絕緣故障的可能過程。

圖4　解體照片F(xiàn)ig.4　Disintegration photos of the test sample

正常工藝制作的預(yù)制式中間接頭，電纜本體XLPE和接頭硅橡膠形成固-固復(fù)合介質(zhì)界面，由于XLPE、硅橡膠兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差別較小，復(fù)合介質(zhì)中工頻電壓按介電常數(shù)分布，界面電場(chǎng)分布比較均勻，同時(shí)由于硅橡膠材料有很好的彈性，界面壓強(qiáng)大，且在界面上涂抹有硅脂，使得界面接觸緊密，限制導(dǎo)電粒子激發(fā)界面沿面放電。而且硅脂分子在極性物質(zhì)分子中起到壁壘作用，進(jìn)一步阻礙了導(dǎo)電粒子激發(fā)的沿面放電的形成，宏觀表現(xiàn)出界面沿面放電電壓值較高[24]。但是當(dāng)硅橡膠/XLPE界面上存在懸浮金屬顆粒時(shí)，界面電場(chǎng)分布及電氣結(jié)構(gòu)將發(fā)生明顯變化，破壞了硅橡膠/XLPE界面的固有電場(chǎng)分布及絕緣特性。為便于分析，本文將工頻下存在大量懸浮金屬顆粒的硅橡膠/XLPE界面等效為一系列電氣單元串聯(lián)而成的電路網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)電氣單元由電阻、電容的串、并聯(lián)支路組成，其中電阻表示硅橡膠/XLPE界面電阻，電容表示相鄰金屬顆粒及硅脂構(gòu)成的空間電容，如圖5所示。

圖5　硅橡膠/XLPE界面存在金屬顆粒時(shí)的等效電路Fig.5　Equivalent circuit of the silicone rubber/XLPE interface with metal particles

圖5中，當(dāng)外施電壓升高后，金屬顆粒上產(chǎn)生懸浮電位，界面電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，界面電阻下降，由顆粒形成的空間電容兩端產(chǎn)生電壓差。隨著外施電壓的繼續(xù)升高，電容兩端壓差越來越大并最終將電容擊穿，產(chǎn)生大量的導(dǎo)電粒子，激發(fā)界面沿面放電，由于界面端部電場(chǎng)最為集中，因此局部擊穿位置和局部放電首先從端部發(fā)生。在放電產(chǎn)生的局部高溫和帶電粒子對(duì)材料轟擊的聯(lián)合作用下，被擊穿的電容處析出碳元素，形成炭化導(dǎo)電通道，隨著炭化導(dǎo)電通道的延伸，界面電極間距離不斷減小，加強(qiáng)了其余未被擊穿的空間電容兩端的電壓差并最終將其逐一擊穿。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，界面上形成的炭化導(dǎo)電通道愈來愈長(zhǎng)，當(dāng)其發(fā)展至對(duì)面電極，硅橡膠/XLPE界面將被徹底擊穿，形成圖4所示的金屬顆粒與炭化痕跡的聯(lián)合導(dǎo)電通道。在實(shí)驗(yàn)后期聽到接頭內(nèi)部發(fā)出沉悶的“砰…砰”聲，分析原因在于當(dāng)時(shí)導(dǎo)電通道已延伸至對(duì)面電極附近，導(dǎo)電通道端部和對(duì)面電極之間產(chǎn)生不連續(xù)的電弧放電，原本清脆的電弧放電聲音經(jīng)過密閉的硅橡膠絕緣材料傳出，變?yōu)槌翋灥摹芭椤椤甭暋?/p>

2.2局部放電的發(fā)展趨勢(shì)

以10min為單位時(shí)間，統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)局部放電的放電次數(shù)N、放電平均能量Wave以及放電總能量Wtotal，繪制出這三個(gè)局部放電表征量隨時(shí)間發(fā)展變化的二維曲線如圖6所示。圖6中，S1～S4為局部放電發(fā)展的4個(gè)階段。

圖6　三個(gè)局部放電表征量隨時(shí)間的變化曲線Fig.6　Curve of 3 PD characterization parameter

從圖6中可以看出，從起始放電開始，N、Wave和Wtotal三個(gè)表征參量在經(jīng)過約20min的平穩(wěn)發(fā)展期后突然增大，然后進(jìn)入更高幅值的平穩(wěn)發(fā)展階段；持續(xù)時(shí)間約250min，期間Wave、Wtotal曲線的幅值振蕩很小，N曲線表現(xiàn)出輕微振蕩的發(fā)展態(tài)勢(shì)。之后Wave、Wtotal曲線幅值表現(xiàn)出低位振蕩減小的趨勢(shì)，N曲線幅值表現(xiàn)出低位振蕩上揚(yáng)的趨勢(shì)；持續(xù)約352min后，Wave、Wtotal曲線分三次振蕩式快速上揚(yáng)，N曲線幅值則振蕩式減?。怀掷m(xù)約204min后，Wave、Wtotal曲線進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的階段，Wave曲線幅值穩(wěn)中有降，Wtotal曲線穩(wěn)中有升，期間N曲線振蕩式上揚(yáng)，幅值變化速度遠(yuǎn)大于Wave、Wtotal曲線，持續(xù)約240min后試品擊穿。基于N、Wave和Wtotal三個(gè)表征參量在時(shí)間序列上的這種振蕩式發(fā)展特點(diǎn)，以三個(gè)參量曲線前、后兩次不同趨勢(shì)間的拐點(diǎn)時(shí)刻來劃分局部放電的發(fā)展階段?；谶@樣的階段劃分原則，將沿面金屬顆粒局部放電的發(fā)展過程劃分為1～4共計(jì)四個(gè)發(fā)展階段，各階段持續(xù)時(shí)間及外施電壓見表1。

3　局部放電統(tǒng)計(jì)特征分析

在基于N、Wave和Wtotal三個(gè)表征參量隨時(shí)間變化曲線的特點(diǎn)劃分局部放電發(fā)展階段的基礎(chǔ)上，對(duì)各階段局部放電信號(hào)進(jìn)行相位統(tǒng)計(jì)分析。構(gòu)建1～4各階段局部放電的φ-n和φ-qave二維譜圖及灰度圖。φ-n和φ-qave二維譜圖分別表征局部放電重復(fù)率和平均放電量在工頻相位區(qū)間上的分布規(guī)律，本文將工頻相位φ 在0°～360°范圍內(nèi)等分為128個(gè)小區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)各小區(qū)間內(nèi)的放電重復(fù)率和平均放電量。灰度圖能夠綜合表征放電重復(fù)率及放電量在工頻相位上的分布特征。本文首先對(duì)放電量q進(jìn)行歸一化處理，將歸一化處理后的結(jié)果用qnorm表示，建立φ-qnorm平面，再將φ-qnorm平面劃分成128×128個(gè)小區(qū)間，依次統(tǒng)計(jì)各小區(qū)間內(nèi)的放電重復(fù)率。根據(jù)放電量q歸一化方法的不同，灰度圖可分為極差歸一化及最大值歸一化兩種灰度圖，前者能夠清晰描述各階段局部放電的細(xì)節(jié)特征，后者便于不同階段之間局部放電特征的比較。上述三類局部放電譜圖的具體構(gòu)建方法參見文獻(xiàn)[27]。

3.1第1階段

第1階段持續(xù)時(shí)間270min，外施電壓分別為8kV、12kV和16kV，給出局部放電φ-n、φ-qave及灰度圖如圖7所示。

圖7　第1階段相位特征譜圖Fig.7　Phase characteristics spectrograms at stage 1

從圖7a和圖7b的φ-n、φ-qave二維譜圖可以看出，正半周局部放電主要集中在38°～140°之間，負(fù)半周局部放電主要集中在207°～311°。正半周放電重復(fù)率略小于負(fù)半周，正半周平均放電量與負(fù)半周基本持平。正、負(fù)半周的放電重復(fù)率和平均放電量均在外施電壓峰附近取得最大值。正半周φ-n譜圖的形貌特征呈雙峰結(jié)構(gòu)，負(fù)半周φ-n譜圖的形貌特征呈單峰結(jié)構(gòu)。正、負(fù)半周φ-qave譜圖的形貌特征均呈現(xiàn)上下起伏的波浪形結(jié)構(gòu)。從極差歸一化灰度圖來看，正半周灰度圖大、小幅值放電點(diǎn)的聚集區(qū)域相對(duì)分離，兩個(gè)分布區(qū)域之間放電點(diǎn)分布非常稀疏，且大幅值放電的分布密度及分布區(qū)域明顯大于小幅值放電。負(fù)半周灰度圖中幅值較低的區(qū)域基本沒有放電點(diǎn)分布，幅值較大區(qū)域的放電點(diǎn)分布整體較為均勻，且放電主要集中在外施電壓反向增大階段，在外施電壓峰值處放電點(diǎn)幅值達(dá)到最大。最大值歸一化灰度圖中正、負(fù)半周放電點(diǎn)在幅值坐標(biāo)軸上均被壓縮在很小的范圍內(nèi)，無法分辨其形貌特征。

3.2第2階段

第2階段持續(xù)時(shí)間356min，外施電壓分別為16kV、20kV、24kV和28kV，給出局部放電φ-n、φ-qave及灰度圖如圖8所示。

圖8　第2階段相位特征譜圖Fig.8　Phase characteristics spectrograms at stage 2

從圖8a和圖8b給出的φ-n、φ-qave二維譜圖可以看出，正半周放電主要集中在30°～146°之間，負(fù)半周放電主要集中在205°～337°之間，正、負(fù)半周放電分布的相位寬度均較第1階段有所增大。正、負(fù)半周φ-n譜圖均呈現(xiàn)出明顯的雙尖峰結(jié)構(gòu)，且正半周放電重復(fù)率略大于負(fù)半周。正、負(fù)半周φ-qave均呈現(xiàn)出高低起伏的波浪形結(jié)構(gòu)，正半周平均放電量略大于負(fù)半周。從極差歸一化灰度圖可以看出，正半周灰度圖中相對(duì)幅值在0.2以下的小幅值放電分布密集程度遠(yuǎn)大于相對(duì)幅值0.2以上的大幅值放電，總體來看放電分布密度隨幅值增大而減小。負(fù)半周灰度圖中相對(duì)幅值小于0.2的區(qū)域放電點(diǎn)分布非常密集，相對(duì)幅值在0.2～0.4之間的區(qū)域放電點(diǎn)分布明顯變得稀疏，相對(duì)幅值大于0.4的區(qū)域放電分布相對(duì)密集且呈現(xiàn)凹形結(jié)構(gòu)，負(fù)半周灰度圖的形貌以270°為軸呈現(xiàn)出較好的軸對(duì)稱特性?？傮w來看正、負(fù)半周灰度圖的形貌特征較為一致，最大值歸一化灰度圖中放電分布區(qū)域被壓縮，無法觀察到具體的形貌特征。

3.3第3階段

第3階段持續(xù)時(shí)間206min，外施電壓分別為28kV和32kV，給出局部放電φ-n、φ-qave及灰度圖如圖9所示。

圖9　第3階段相位特征譜圖Fig.9　Phase characteristics spectrograms at stage 3

從圖9a和圖9b給出的φ-n、φ-qave二維譜圖可以看出，正半周放電主要集中在19°～162°之間，負(fù)半周放電主要集中在202°～338°之間，放電的相位寬度與第2階段持平。正、負(fù)半周的φ-n譜圖呈現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu)，與第2階段的雙峰結(jié)構(gòu)有明顯變化，正、負(fù)半周的放電重復(fù)率基本一致。φ-qave譜圖輪廓仍然呈高低起伏的波浪形，與第1、2階段較為類似，正、負(fù)半周的平均放電量基本一致。從極差歸一化灰度圖來看，正、負(fù)半周灰度圖的形貌特征非常相似，放電點(diǎn)均主要集中在外施電壓的上升階段，相對(duì)幅值0.2以下的區(qū)域放電點(diǎn)分布非常稀疏。最大值歸一化灰度圖中能夠比較明顯的觀察點(diǎn)到放電點(diǎn)的分布區(qū)域，放電點(diǎn)較第1、2階段明顯向大幅值區(qū)域發(fā)展。

3.4第4階段

第4階段持續(xù)時(shí)間240min，外施電壓分別為32kV、36kV、40kV和38kV，給出局部放電φ-n、φ-qave及灰度圖如圖10所示。

圖10　第4階段相位特征譜圖Fig.10　Phase characteristics spectrograms at stage 4

從圖10a和圖10b給出的φ-n、φ-qave二維譜圖可見，放電點(diǎn)在0°～360°相位區(qū)間上都有分布，在外施電壓過零點(diǎn)處分布較為稀疏，在外施電壓上升階段放電重復(fù)率較大，在外施電壓達(dá)到峰值時(shí)平均放電量達(dá)到最大值。正、負(fù)半周φ-n譜圖的形貌特征較為相似，且輪廓邊緣的上升沿、下降沿較為陡峭，輪廓均為陡峭的雙峰結(jié)構(gòu)，與第3階段的單峰結(jié)構(gòu)有明顯差別，正半周放電重復(fù)率略大約負(fù)半周。正、負(fù)半周φ-qave譜圖的形貌特征較為相似，且輪廓邊緣的上升、下降較為平緩，呈現(xiàn)出平緩的單峰結(jié)構(gòu)，正半周平均放電量小于負(fù)半周。極差歸一化灰度圖和最大值歸一化灰度圖的形貌特征基本一致，且正、負(fù)半周灰度圖的形貌特征相似度很高。以正半周灰度圖為例，放電均主要集中在外施電壓的上升階段，相對(duì)幅值0.2以下的灰度圖區(qū)域放電分布非常密集，且在低幅值區(qū)域的一段相位區(qū)間內(nèi)放電分布較為稀疏，在密集放電點(diǎn)密集分布的區(qū)域內(nèi)形成了一條橫向條形裂紋結(jié)構(gòu)。在相對(duì)幅值0.2以上的灰度圖區(qū)域中，放電點(diǎn)分布稀疏且分布區(qū)域呈現(xiàn)近似的“△”形，正、負(fù)半周灰度圖基本關(guān)于180°線軸對(duì)稱分布。對(duì)比第3、4兩階段灰度圖的形貌特征，第4階段灰度圖在第3階段灰度圖放電點(diǎn)分布的基礎(chǔ)上，一方面在低幅值區(qū)域產(chǎn)生一條呈橫條形密集分布的放電區(qū)域，另一方面第3階段放電密集分布的區(qū)域在第4階段向大幅值區(qū)域密集發(fā)展且相位寬度明顯增大，在更大幅值區(qū)域出現(xiàn)大量稀疏分布的放電點(diǎn)。從灰度圖中放電點(diǎn)的分布來看，第3階段灰度圖放電區(qū)域可以看作是第4階段灰度圖放電區(qū)域的子集。另外，在第4階段灰度圖中出現(xiàn)細(xì)橫條形整齊分布的放電帶，這是由于在加壓過程中放電幅值過大超出采集量程而導(dǎo)致的，后將信號(hào)調(diào)理器增益降低，采集恢復(fù)正常。

4　局部放電發(fā)展過程特征量的提取

在對(duì)沿面金屬顆粒缺陷從起始放電到沿面擊穿全過程局部放電劃分階段的基礎(chǔ)上，提取能夠有效表征各階段局部放電特點(diǎn)及規(guī)律的特征量。通過對(duì)1～4階段局部放電特征譜圖的分析，提取放電相位寬度φtotal、φ-n和φ-qave二維譜圖以及極差歸一化灰度圖，正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)cc作為局部放電特征量。

4.1局部放電相位寬度

從1～4各階段φ-qave譜圖中測(cè)量局部放電分布的相位區(qū)間，測(cè)量時(shí)將平均放電量qave＞10pC的相位段作為有局部放電分布的相位區(qū)間。

表2中給出各階段局部放電分布的相位區(qū)間，圖11中給出各階段局部放電在正、負(fù)半周分布的相位寬度總和（定義為φtotal，單位為°）。可見隨著局部放電的發(fā)展，正半周局部放電分布的相位區(qū)間逐漸向0°方向擴(kuò)寬，負(fù)半周則向180°方向發(fā)展，第4階段正、負(fù)半周放電連成一片。

表2　各階段局部放電相位寬度Tab.2　Statistics of PD phase width from stage 1 to stage 5

圖11中給出1～4階段放電分布相位寬度的變化曲線，從中可以看出，沿面金屬顆粒局部放電分布的相位寬度，在1～3階段連續(xù)增加，3～4階段增加速度明顯大于前三個(gè)階段。

圖11　局部放電相位寬度的變化曲線Fig.11　Trend of PD phase width from stage 1 to stage 5

4.2局部放電特征譜圖正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)

互相關(guān)系數(shù)cc的計(jì)算公式如下

根據(jù)式（1）計(jì)算出各階段局部放電φ-n、φ-qave二維譜圖及極差歸一化灰度圖正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)cc，繪制cc在局部放電發(fā)展各階段的變化曲線如圖12所示。

圖12　各階段特征譜圖相似度cc變化曲線Fig.12　Trend of cc of each stage

從圖12中可以看出，三種局部放電特征譜圖正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)cc隨著局部放電的發(fā)展逐漸增大，在1～3階段增長(zhǎng)速率較為緩慢，3～4階段的增長(zhǎng)速率明顯大于前三個(gè)階段。

5　局部放電嚴(yán)重程度的評(píng)估方法

通過上述分析可見，在沿面金屬顆粒局部放電的發(fā)展過程中，從φ-n、φ-qave二維譜圖及灰度圖中提取的特征量（局部放電相位寬度φtotal、三種特征譜圖正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)cc）呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的規(guī)律，且在局部放電發(fā)展后期明顯增大。因此這三個(gè)特征量可以較好地表征接頭沿面金屬顆粒局部放電的發(fā)展過程，可以用于評(píng)估該類缺陷局部放電的嚴(yán)重程度。

將沿面金屬顆粒局部放電的嚴(yán)重程度劃分為三個(gè)級(jí)別：

（1）局部放電起始階段。該階段對(duì)應(yīng)于本文分析的第1階段，硅橡膠/XLPE界面上金屬顆粒產(chǎn)生懸浮電位，破壞了界面固有的絕緣結(jié)構(gòu)，在界面端部電場(chǎng)最集中區(qū)域的金屬顆粒引發(fā)局部放電。該階段局部放電的統(tǒng)計(jì)特征滿足3.1節(jié)的分析，三個(gè)局部放電表征參量（放電次數(shù)N、放電平均能量Wave以及放電總能量Wtotal）曲線在經(jīng)過很短一段時(shí)間后突然增大并維持相對(duì)穩(wěn)定的幅值。此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)局部放電監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步掌握局部放電的發(fā)展變化情況。

（2）局部放電發(fā)展階段。該階段對(duì)應(yīng)于本文分析的第2、3階段，局部放電統(tǒng)計(jì)特征滿足3.2節(jié)和3.3節(jié)的分析。在此過程中，三個(gè)表征參量曲線幅值變化劇烈，呈現(xiàn)出顯著的振蕩態(tài)勢(shì)，放電分布相位不斷擴(kuò)寬，φ-n、φ-qave二維譜圖及灰度圖正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)cc不斷增大。該階段隨著端部金屬顆粒引發(fā)的局部界面擊穿，在硅橡膠/XLPE界面上引發(fā)爬電，此時(shí)應(yīng)在進(jìn)一步監(jiān)測(cè)局部放電的基礎(chǔ)上提前制定合理的維修策略。

（3）局部放電嚴(yán)重階段。該階段對(duì)應(yīng)于本文分析的第4階段，放電統(tǒng)計(jì)特征滿足3.4節(jié)的分析。在此過程中，三個(gè)表征參量曲線不再出現(xiàn)劇烈振蕩，N曲線及Wtotal曲線近似線性增大，且N曲線增長(zhǎng)率明顯大于Wtotal曲線。放電相位寬度增大的趨勢(shì)較之前則更加明顯，φ-n、φ-qave二維譜圖及灰度圖正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)cc迅速增大，在其變化曲線上出現(xiàn)較為明顯的拐點(diǎn)。該階段硅橡膠/XLPE界面上金屬顆粒之間的空間電容被逐一擊穿，形成炭化痕跡，和金屬顆粒連成導(dǎo)電通道，導(dǎo)電通道前端與對(duì)面半導(dǎo)電層之間的距離越來越小，此時(shí)硅橡膠/ XLPE界面瀕臨擊穿，應(yīng)立即更換接頭。

應(yīng)當(dāng)指出，本文基于實(shí)驗(yàn)室條件下獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一種評(píng)估硅橡膠/XLPE界面金屬顆粒沿面放電嚴(yán)重程度的方法，但由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與實(shí)際電纜運(yùn)行工況之間、試品缺陷與真實(shí)缺陷結(jié)構(gòu)之間均存在一定差異，因此本文研究成果多限于理論探索層面，下一階段工作需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)本文的研究成果進(jìn)行完善，逐步實(shí)現(xiàn)電纜接頭沿面放電嚴(yán)重程度評(píng)估的工程應(yīng)用。

6　結(jié)論

（1）硅橡膠/XLPE界面金屬顆粒缺陷局部放電發(fā)展過程中，單位時(shí)間內(nèi)局部放電的放電次數(shù)N、放電平均能量Wave以及放電總能量Wtotal三個(gè)表征參量呈現(xiàn)同步的階段性變化規(guī)律，據(jù)此將硅橡膠/ XLPE界面金屬顆粒缺陷局部放電起始直至擊穿的全過程劃分為四個(gè)發(fā)展階段，各階段局部放電相位譜圖模式存在差異。

（2）硅橡膠/XLPE界面金屬顆粒缺陷局部放電正、負(fù)半周放電分布的相位寬度φtotal不斷增大，且3～4階段的增長(zhǎng)率大于1～3階段。

（3）硅橡膠/XLPE界面金屬顆粒缺陷局部放電三種局部放電特征譜圖正、負(fù)半周輪廓的互相關(guān)系數(shù)cc隨著局部放電的發(fā)展逐漸增大，在1～3階段增長(zhǎng)速率較為緩慢，3～4階段的增長(zhǎng)速率明顯大于前三個(gè)階段。

（4）各階段局部放電相位特征譜圖形貌特征的差異結(jié)合譜圖特征量的變化趨勢(shì)，可以評(píng)估電纜中間接頭硅橡膠/XLPE界面金屬顆粒缺陷局部放電的嚴(yán)重程度。

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Assessment of Creeping Discharge Initiated by Metal Particles on the Silicone Rubber/XLPE Interface in Cable Joints

Chang Wenzhi1Yan Chunyu1Li Chengrong2Bi Jiangang1Ge Zhendong2
(1. China Electric Power Research InstituteBeijing100192China
2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China
3. State Grid Beijing Electric Power CompanyBeijing100031China)

Creeping breakdown caused by metal particles on the silicone rubber/XLPE interface of silicon rubber prefabricated cable joints often happens. Study on the development process of such insulation defect-led partial discharge (PD) can serve as a basis for the assessment of its severity level. In this paper, metal particles were sandwiched on the rubber/XLPE interface of a 35kV prefabricated cable joint so as to simulate a creeping defect. The applied voltage on the test object was raised step by step to initiate the partial discharge and accelerate the degradation of the failure, where PD signals in the whole process were all measured. PD average energy, whole energy and PD number per unit time were chosen as the characterization parameters. The developing trends of these characterization parameters versus discharge time were then obtained. According to the developing trends, the entiredeveloping process of PD was classified into four developing stages. For each stage, two-dimensional histograms of φ-n and φ-qaverelationships as well as the grey-scale maps were generated, from which the phase distribution of PD repetition rate and PD average amount can be observed. Two features for the PD process were extracted from these-phase characteristic spectra. The experiment results showed that visual differences between the phase characteristics spectra of each stage exist. The extracted features monotonically increase as the PD aggravates, and the growth rate increases in the late PD development. Based on the morphology of phase characteristic spectra and the variation of each PD development stage, the severity of creeping discharge arising from metal particle defect on silicone rubber/XLPE interface can be assessed.

Cable joints, silicone rubber/XLPE interface, partial discharge, development process, severity

TM855; TM21

常文治男，1983年生，博士，工程師，研究方向?yàn)闋顟B(tài)檢修與故障診斷技術(shù)。

2014-04-28改稿日期 2014-07-29

閻春雨男，1960年生，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)闋顟B(tài)檢修與故障診斷技術(shù)。