隨著柔性直流輸電技術(VSC–HVDC)的發(fā)展，將現(xiàn)役交流配電網(wǎng)電纜改為直流運行已被實踐證明可以顯著提升電纜系統(tǒng)的輸送容量。目前國內(nèi)交流配電網(wǎng)中大多采用交聯(lián)聚乙烯(XLPE)輸電電纜。XLPE電纜在制作、安裝和運行中會不可避免地形成絕緣缺陷，這些絕緣薄弱處可能在較高的運行電壓下發(fā)生局部放電現(xiàn)象(PD)。長期局部放電的累積效應是引起高壓直流電纜絕緣劣化和老化的主要原因，電纜的局部放電檢測量與其絕緣狀況和故障類型密切相關。因此，深入研究XLPE電纜典型缺陷的直流局部放電發(fā)展過程及放電特征，對配電網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測具有重要的參考價值。
電力電纜運行故障主要原因可分為外力破壞、電纜附件制造質(zhì)量、電纜敷設安裝質(zhì)量和電纜本體制造質(zhì)量4大類。本文分析了電纜安裝、施工及運行過程中常見的絕緣缺陷，設計了3種絕緣缺陷模型：
(1)絕緣內(nèi)部氣隙，常見于電纜擠出過程中，氣體副產(chǎn)品在柔軟的XLPE中形成氣泡殘留或絕緣材料內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，記為“氣隙缺陷”；
(2)尖刺缺陷，電纜本體在生產(chǎn)和安裝過程中，不可避免地存在雜質(zhì)或半導電層尖端突起等現(xiàn)象，記為“尖刺缺陷”；
(3)外半導電層斷口處臺階氣隙，常見于電纜接頭的制作中，未在半導電層斷口處做出符合要求的坡口或應力錐安裝錯位的情況，記為“斷口缺陷”。
△電纜典型缺陷示意圖
本文采用10kV電壓等級配電網(wǎng)中應用較多的3芯XLPE絕緣電纜，其型號為YJV22−8.7/10−3×240mm²，導體半徑為9.3mm，XLPE絕緣厚度為6.0mm。模型電纜長度為25cm，制作時首先將電纜兩端外半導電層剝除3.5cm裸露出XLPE絕緣，然后將其兩端的XLPE絕緣層去除2cm，露出導體，以便套入均壓球。XLPE絕緣層切面打磨光滑以避免沿面放電。
相關研究表明，不同電壓極性下直流局部放電表現(xiàn)出的放電特性存在一定差異。為使局部放電在較低電壓水平下發(fā)生，本次試驗統(tǒng)一施加負極性直流電壓。試驗時模型電纜導體線芯一端連接高壓，一端套入均壓球防止電暈放電，同時模型電纜外屏蔽層可靠接地。正式實驗前，使用同規(guī)格無缺陷模型電纜進行加壓測試，結果顯示無缺陷模型電纜在±50kV直流電壓作用2h下，其背景噪聲始終低于15pC，表明電源系統(tǒng)及接線良好，試驗系統(tǒng)無局放源。試驗時首先確定缺陷電纜在直流電壓下的局部放電起始電壓(PDIV)。ASTM−D−1868規(guī)定試驗中出現(xiàn)每分鐘超過一次的重復放電時施加的電壓為直流局部放電起始電壓。本文參考此規(guī)定采用如下方法確定缺陷電纜的PDIV：使用階梯升壓法進行加壓過程，首先緩慢升高電壓至U0=−5kV，然后以升壓步長ΔU=0.5kV，耐壓時間Δt=10min升高電壓，直至在10 min內(nèi)出現(xiàn)10次以上放電量大于20pC(測試系統(tǒng)設定閾值)的脈沖信號，此時的電壓水平記錄為缺陷電纜局部放電起始電壓。局部放電起始電壓確定后，撤去電壓，將缺陷電纜靜置一段時間，等待缺陷電纜內(nèi)部的空間電荷消散。長時間加壓可以使XLPE電纜內(nèi)部空間電荷和電導率特性達到穩(wěn)定，更符合工程實踐，因此本文參考IEC 61378–2，使用恒壓法進行試驗，在缺陷電纜兩端施加電壓值為1.1倍PDIV的恒定電壓，持續(xù)時間為120min。在此期間全程記錄各缺陷。（一）依據(jù)本文缺陷制作方法和試驗過程的條件，尖刺缺陷的直流局部放電起始電壓在3種缺陷模型電纜中最低，為–7kV；斷口缺陷模型電纜局部放電起始電壓最高，為–18.5kV。（二）氣隙缺陷局部放電Q–t圖譜呈“山丘狀”，在放電發(fā)展過程中存在“放電死區(qū)”，這與正電荷在氣隙XLPE表面的積累與消散過程有關；尖刺缺陷模型電纜在放電初期有大量幅值較大的放電，隨后放電活動逐漸消失，這與直流電樹枝的形成和空間電荷的積累有關；斷口缺陷放電次數(shù)最多，放電發(fā)展過程中放電量逐漸增大，放電重復率先增加后減小，這與放電區(qū)域擴展和局部過熱使尖端部分曲率半徑增大有關。（三）分別繪制了3種缺陷的H(q)、H(Δt)、Qsuc–q和Δtsuc–q等統(tǒng)計特征圖譜，發(fā)現(xiàn)尖刺缺陷與斷口缺陷相鄰2次放電之間放電量存在相關性，放電之間存在記憶效應；而氣隙缺陷與尖刺缺陷放電本次放電量q與后一次放電時間間隔均值Δt存在相關性。
（四）在2h的持續(xù)加壓下，尖刺缺陷的放電幅值在3種缺陷中最大，斷口缺陷的放電次數(shù)在3種缺陷中最多。氣隙缺陷H(q)圖譜的偏斜度與峰度在3類缺陷中最大，斷口缺陷H(Δt)圖譜的偏斜度與峰度在3類缺陷中最大。（中國線纜網(wǎng)）
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