陳朝鴻，趙威，吳尉民，李方祺，王浩州

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650200）

0 前言

近年來因電纜故障導(dǎo)致的停電事件呈現(xiàn)出逐年增多的趨勢(shì)[1]，電纜中間接頭和電纜終端引發(fā)的問題尤其突出。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)查表明，電纜中間接頭及終端頭絕緣事故率占45%[2-4]。相對(duì)于電纜本體，電纜終端和中間接頭由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生電場(chǎng)集中現(xiàn)象，且存在絕緣界面，安裝過程中對(duì)施工人員和環(huán)境的要求高，任何安裝不當(dāng)均有可能在電纜附件中形成絕緣薄弱點(diǎn)，進(jìn)而引發(fā)絕緣擊穿，因此電纜終端和中間接頭是電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

在電纜終端安裝過程中，因施工質(zhì)量不到位，在電纜絕緣表面會(huì)留下深淺不一的軸向和縱向刀痕氣隙，根據(jù)近年來對(duì)電纜缺陷的分析表明，這類氣隙的存在會(huì)導(dǎo)致電纜長(zhǎng)期發(fā)生局放，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。本文針對(duì)一起35 kV電纜絕緣擊穿事故案例，通過加速缺陷老化試驗(yàn)、局放測(cè)試、微觀觀察等手段研究了電纜終端絕緣刀痕氣隙缺陷局放的發(fā)展規(guī)律，并進(jìn)行了有限元電場(chǎng)仿真分析，就刀痕氣隙缺陷導(dǎo)致局放和絕緣擊穿的原因進(jìn)行了分析。

1 典型缺陷案例

某35 kV變電站35 kV#1主變比率差動(dòng)、差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，301、001斷路器跳閘?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)35 kV1號(hào)主變低壓側(cè)套管出線電纜頭B、C相燒蝕炸裂，A相絕緣燒傷。

經(jīng)后期解體檢查發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)位于B、C相電纜終端屏蔽層斷口區(qū)域。B相主絕緣層大面積燒穿，C相有較大絕緣擊穿孔。在A、C相電纜終端主絕緣靠近半導(dǎo)屏蔽層斷口處有明顯徑向劃痕，傷口較深，應(yīng)為制作電纜頭時(shí)刀痕。

通過解體檢查，推斷是由于刀痕的存在導(dǎo)致了電纜長(zhǎng)期發(fā)生局放，隨著局放的發(fā)展導(dǎo)致了電纜最終絕緣擊穿。為了驗(yàn)證該推斷，進(jìn)行了試驗(yàn)研究和電場(chǎng)有限元仿真分析。

2 試驗(yàn)研究分析

2.1 試驗(yàn)樣本制作

為了研究刀痕氣隙對(duì)電纜終端絕緣的影響，制作了如圖1所示的氣隙缺陷，氣隙長(zhǎng)度20 cm，深度1 mm，氣隙缺陷連接到外半導(dǎo)電層。缺陷制作好后，用冷縮終端嚴(yán)格按照施工工藝制作好電纜終端。

圖1 實(shí)驗(yàn)終端內(nèi)部的氣隙缺陷設(shè)計(jì)

2.2 電熱協(xié)同老化平臺(tái)

為了模擬工況下電纜終端內(nèi)部缺陷在電壓和電流作用下缺陷的發(fā)展及局放情況，搭建了電熱協(xié)同老化平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)終端電熱老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖

該平臺(tái)主要包括以下部分：

1）實(shí)驗(yàn)終端回路：由實(shí)驗(yàn)終端與連接電纜串聯(lián)形成實(shí)驗(yàn)回路。35 kV電纜終端老化平臺(tái)由于實(shí)驗(yàn)電壓較高，半導(dǎo)電層截?cái)帱c(diǎn)在運(yùn)行電壓下就會(huì)發(fā)生放電，為了避免對(duì)實(shí)驗(yàn)終端放電測(cè)試的干擾，將電纜另一端插入電纜PD實(shí)驗(yàn)油終端中；

2）電壓引入單元：通過工頻試驗(yàn)變壓器為實(shí)驗(yàn)終端回路引入電老化所需實(shí)驗(yàn)電壓；

3）電流引入單元：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過感應(yīng)耦合的方式在實(shí)驗(yàn)回路中產(chǎn)生足以模擬真實(shí)情況的負(fù)荷電流，通過電流互感器感應(yīng)產(chǎn)生負(fù)荷電流。通過這種方法可以在實(shí)驗(yàn)回路中施加最大約300 A的負(fù)荷電流。

2.3 局放測(cè)試

將制作了刀痕氣隙缺陷的電纜終端安裝于電流電熱老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行電熱老化實(shí)驗(yàn)。對(duì)電纜施加額定電壓并同時(shí)通300 A電流，加速終端老化。老化期間，定期進(jìn)行局放測(cè)試，統(tǒng)計(jì)250 h內(nèi)的PD能量趨勢(shì)，能量統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)為當(dāng)次分析時(shí)間100個(gè)工頻周期內(nèi)采集的PD數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示，圖中實(shí)線表示單位時(shí)間內(nèi)平均放電量的計(jì)算值，虛線為曲線擬合值。

圖3 持續(xù)老化過程中的放電能量趨勢(shì)變化

如圖所示，持續(xù)電熱老化過程中的PD放電量逐漸增加，放電釋放的電場(chǎng)能量也隨之增加。盡管不同老化時(shí)間PD的放電能量是波動(dòng)變化的，但不難看出，其總體趨勢(shì)表現(xiàn)為階段增長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為：老化前期(約0 h～150 h)，放電能量平緩增大；老化后期(約150 h～250 h)，放電能量迅速增大。進(jìn)一步細(xì)分，終端運(yùn)行后(0 h～50 h)，逐漸表現(xiàn)出放電現(xiàn)象但放電量很小，次數(shù)少，因此將0 h～50 h劃分為老化初期；而在50 h～150 h時(shí)，放電量大量增加，但放電次數(shù)變化較小，導(dǎo)致能量小幅增長(zhǎng)，因此將50 h～150 h劃分為老化中期。

2.3.1 老化初期的不對(duì)稱放電

圖4 老化50 h的不對(duì)稱放電

持續(xù)老化50 h時(shí)PRPD譜圖結(jié)果如圖4所示，從相位分布而言：老化初期的放電脈沖出現(xiàn)在第一和第三象限，此時(shí)的放電表現(xiàn)出極不對(duì)稱性，第一象限在10°～40°范圍內(nèi)有放電脈沖，而第三象限的放電出現(xiàn)在190°～270°范圍內(nèi)；從平均放電量和放電次數(shù)而言：在工頻電壓的第一象限，平均放電量數(shù)值約8 pC～10 pC，但放電次數(shù)卻很少，在工頻電壓的第三象限，每個(gè)相位上的放電量比較均勻，平均數(shù)值約3 pC～4 pC，但這個(gè)半周內(nèi)的放電重復(fù)率高，218°位置甚至出現(xiàn)了195次放電。

此時(shí)放電的PRPD譜圖表現(xiàn)出典型的表面放電特征。

2.3.2 老化中期的對(duì)稱放電

繼續(xù)進(jìn)行電熱老化至150 h時(shí)，PRPD譜圖結(jié)果如圖5所示。從相位分布而言：此時(shí)的放電脈沖比較對(duì)稱地分布在工頻電壓的第一和第三象限，且兩個(gè)區(qū)間基本都有放電分布。從平均放電量和放電次數(shù)而言：工頻電壓一三象限內(nèi)的平均放電量都超過10 pC，放電量和放電次數(shù)在兩個(gè)象限的中間位置(約40°和220°)達(dá)到最大值。

圖5 老化150 h的對(duì)稱放電

此時(shí)的PRPD譜圖表明這時(shí)的PD以典型的內(nèi)部放電為主。

2.3.3 老化后期的不對(duì)稱放電

在老化至250 h時(shí)，PRPD譜圖結(jié)果如圖6所示。從相位分布而言：此時(shí)的放電分布更為廣闊，區(qū)間基本對(duì)稱，第一象限的放電出現(xiàn)在0°～75°范圍內(nèi)，第三象限的放電出現(xiàn)在180°～270°，第四象限內(nèi)甚至也出現(xiàn)了2次約40 pC的放電。從平均放電量和放電次數(shù)而言：老化后期的放電卻表現(xiàn)出不對(duì)稱性，第一象限內(nèi)的平均放電量約為50 pC～100 pC，超過150 pC的放電出現(xiàn)在19°～21°范圍內(nèi)，放電量大但次數(shù)少；第三象限在195°～200°及234°～246°兩個(gè)區(qū)間上出現(xiàn)了平均放電量大、重復(fù)率高的放電，平均放電量超過150 pC，放電次數(shù)都超過35次，除了這兩個(gè)區(qū)間外的相位區(qū)間與第一象限相位對(duì)稱，因此，此時(shí)的放電總體表現(xiàn)為不對(duì)稱放電。

通過以上分析可以看到，此時(shí)的PRPD譜圖相位分布對(duì)稱，但因第三象限穩(wěn)定出現(xiàn)了放電量大的PD脈沖而表現(xiàn)出不對(duì)稱性，此時(shí)的PD可能含多個(gè)放電源的混疊，既包括典型的內(nèi)部放電，還包括高重復(fù)率的表面放電。

圖6 老化250 h的不對(duì)稱放電

2.4 微觀觀察

取終端老化前后氣隙缺陷的XLPE絕緣介質(zhì)進(jìn)行切片，切片觀察位置如圖7所示，位于應(yīng)力錐內(nèi)側(cè)的PD集中區(qū)域。為了全面觀察氣隙微觀結(jié)構(gòu)，從終端的橫截面和軸截面兩個(gè)方向觀察老化前后的氣隙結(jié)構(gòu)。

圖7 氣隙缺陷微觀結(jié)構(gòu)分析位置示意圖

通過顯微鏡觀察氣隙沿電纜徑向斷面的微觀結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)160倍，可以看到老化實(shí)驗(yàn)前后氣隙位置的物理結(jié)構(gòu)如圖8所示。

全新XLPE介質(zhì)內(nèi)部的氣隙表面存在大量如圖10(a)所示的毛刺，這些毛刺因?yàn)榈毒邤D壓而產(chǎn)生，大量粗糙的氣隙XLPE斷口毛刺填充在氣隙內(nèi)部，減小了氣隙區(qū)域；而經(jīng)過運(yùn)行老化后，終端氣隙缺陷內(nèi)部的XLPE毛刺變得短而平滑，氣隙區(qū)域也更為開闊。

圖8 終端老化前后橫截面上的氣隙結(jié)構(gòu)形態(tài)

綜上所述，電纜終端安裝過程中，使用刀具剖切在絕緣表面留下了氣隙缺陷，但此時(shí)的氣隙內(nèi)部并非完全是空氣區(qū)域，其內(nèi)壁殘留著大量XLPE絕緣介質(zhì)的末端毛刺，這些毛刺填充在氣隙內(nèi)使空氣區(qū)域縮小。由于XLPE材料的相對(duì)介電常數(shù)εr相比空氣更大，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更高，PD只發(fā)生在毛刺周圍狹小的空氣區(qū)域。這些狹窄的空氣區(qū)域等效電容小，發(fā)生PD放電時(shí)引起的回路脈沖電流變化小，傳感器檢測(cè)到的放電量也小。在終端剛投入運(yùn)行時(shí)，氣隙中毛刺多，空氣區(qū)域也最為狹小，導(dǎo)致放電量小，甚至達(dá)不到傳感器檢測(cè)精度。然而，這些小氣隙電場(chǎng)將更加集中，盡管放電量小，但放電次數(shù)多，隨著運(yùn)行老化，毛刺周圍的微小氣隙重復(fù)發(fā)生小放電量的PD，不斷燒蝕周圍的毛刺，毛刺區(qū)域逐漸碳化形成更大空氣區(qū)域。隨著空氣區(qū)域的變化，PD特征也隨之發(fā)生變化，出現(xiàn)PD的階段特征。

實(shí)驗(yàn)終端在運(yùn)行過程中表現(xiàn)出PD發(fā)展特征，這與氣隙結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系密切。為此，通過掃描電鏡觀察終端氣隙軸截面上的微觀結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為2000倍和10000倍，結(jié)果如圖9所示。為了防止觸傷鏡頭，電鏡掃描前氣隙斷面需要經(jīng)過表面碎屑清洗處理，因而處理后的氣隙表面不再有XLPE毛刺。

圖9 終端老化前后軸截面上的氣隙結(jié)構(gòu)形態(tài)

從圖9(a)可以看到，全新XLPE介質(zhì)內(nèi)部的氣隙表面呈現(xiàn)出典型的高分子聚合物絮狀斷面特征。

從圖9(b)可以看到，經(jīng)過老化后的氣隙斷面散落著大量顆粒物，放大10000倍觀察表面形態(tài)圓潤(rùn)，表現(xiàn)出層疊堆積的外觀形態(tài)，通過化學(xué)成分確認(rèn)為氣隙毛刺經(jīng)過放電燒蝕后堆疊的碳顆粒。這表明老化過程中，氣隙內(nèi)部發(fā)生了激烈的PD現(xiàn)象，氣隙內(nèi)部的毛刺經(jīng)過放電燒蝕逐漸形成碳顆粒，從而打開了氣隙通道，PD脈沖幅值增大。這些碳顆粒在高壓電場(chǎng)下甚至可能形成針尖電極，導(dǎo)致氣隙內(nèi)部的電場(chǎng)進(jìn)一步畸變。

3 電場(chǎng)仿真分析

以35 kV電纜終端結(jié)構(gòu)建立與實(shí)際大小1:1的物理模型，沿電纜軸向制作20 cm的刀痕氣隙，一直延展到半導(dǎo)電層交界面處，研究終端電纜軸向的電場(chǎng)分布情況。

圖10 電纜終端的仿真模型與有限元網(wǎng)格剖分圖

仿真中的電位參數(shù)：XLPE絕緣層內(nèi)邊界為運(yùn)行電壓(U0≈20 kV)，半導(dǎo)電層接地側(cè)以及大于終端尺寸10倍距離外的平面為接地電位[8-9]，材料的相對(duì)介電常數(shù)εr設(shè)置如表1所示。

表1 電纜終端仿真中的材料相對(duì)介電常數(shù)εr

通過有限元計(jì)算得出電場(chǎng)結(jié)果后，使用后處理顯示結(jié)果，如圖11所示。圖中包含電場(chǎng)線的分布圖和電場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖，曲線為電場(chǎng)線的走向分布，而終端結(jié)構(gòu)中的填充圖為電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。

從電場(chǎng)線的分布可知，電場(chǎng)線起于電纜終端線芯的高電位邊界，止于地電位邊界。在氣隙缺陷與外半導(dǎo)電層環(huán)形切面處電場(chǎng)線分布最為密集，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值Emax出現(xiàn)在氣隙缺陷內(nèi)部，在這一區(qū)域形成了約5 cm長(zhǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度超過3 kV/mm的高場(chǎng)區(qū)；當(dāng)沒有氣隙缺陷時(shí)，終端絕緣結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)不超過1.8 kV/mm。由于氣隙的存在導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，由于氣隙內(nèi)部是空氣，空氣的游離強(qiáng)度比周圍的絕緣材料低得多，電場(chǎng)強(qiáng)度超過空氣的放電強(qiáng)度就會(huì)引發(fā)放電，隨著放電的長(zhǎng)期發(fā)展，放電區(qū)域絕緣燒蝕使氣隙缺陷擴(kuò)張，進(jìn)一步促進(jìn)局放的發(fā)展，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致絕緣燒蝕度和局放量逐漸增加，最終發(fā)展到一定程度在運(yùn)行電壓下絕緣擊穿。

圖11 電纜終端的電場(chǎng)線與電場(chǎng)強(qiáng)度分布

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)電纜終端絕緣擊穿事故案例的分析，結(jié)合加速缺陷老化試驗(yàn)、局放測(cè)試、微觀觀察及有限元電場(chǎng)仿真分析，說明了電纜終端在制作過程中留下的刀痕氣隙缺陷會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)畸變，并引發(fā)刀痕氣隙發(fā)生局放，雖然局放發(fā)展過程緩慢，但是隨著局放長(zhǎng)期存在，導(dǎo)致氣隙缺陷變化，進(jìn)一步促進(jìn)局放的發(fā)展，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致絕緣燒蝕度和局放量逐漸增加，最終發(fā)展到一定程度在運(yùn)行電壓下絕緣擊穿。因此，在電纜終端和中間接頭制作過程中一定要嚴(yán)守質(zhì)量關(guān)，防止絕緣表面出現(xiàn)刀痕等缺陷。