交联聚乙烯电缆局部放电与电缆老化关系研究

张晗

摘   要：局部放电既是电气设备绝缘劣化的征兆，又是造成绝缘劣化的关键性因素。因此，局部放电检测可以有效发现其潜伏性放电故障，从而提高供电系统的安全性和可靠性。本研究以经过热老化处理后带有缺陷的10 kV交联聚乙烯高压电缆为试样，进行针电极实验，并通过超高频局部放电检测系统，采集电缆发出的局部放电信号，得到不同缺陷类型的电缆样品中电树枝发展、绝缘老化与局部放电的关系。

关键词：电树枝;交联聚乙烯;局部放电;直流高压;热老化

随着城市和现代工业的迅速发展，各类电缆得到了越来越多的应用。交联聚乙烯（XLPE）电缆因为其良好的电气特性、机械性能、绝缘性能和耐热性，被广泛地应用于高压及超高压线路中。因此，研究XLPE电缆的绝缘击穿特性对保障输电系统的安全性和可靠性具有重要的意义和价值。国内外众多专家学者[1]普遍认为XLPE电缆绝缘劣化绝大部分原因归结于电缆绝缘中形成的绝缘较弱区域，使电场分布不均匀，形成了局部高场强，最终导致绝缘击穿。

绝缘介质内部由于制造工艺、机械破坏等因素影响，会存在一些微小的气隙、尖刺等缺陷，引起绝缘介质内部场强畸变[2]，使局部电场强度高于介质的击穿场强，形成局部电场集中，最终发生局部放电。在初期阶段，短暂的局部放电并不会对设备造成严重的影响，但是随着电缆的长期运行和绝缘的不断老化，局部放电的频率增加，局部电场集中区域的XLPE电缆绝缘中就会形成气隙。气隙逐渐生长成细丝状电腐蚀通道并呈现出树枝状结构，即电树枝[3]。在高压电缆中，局部放电会促进电树枝的生长，最终导致绝缘击穿甚至事故的发生。

近些年来，高压直流输电技术在不断发展，远距离直流输电已逐渐成为主流趋势。在交流电压下，局部放电的危害是电缆绝缘劣化中众所周知的。同理，XLPE直流電缆运行过程中，绝缘材料电导率随着温度梯度变化和直流电场下空间电荷的累积，也会导致绝缘层内部电场畸变和绝缘老化[4]。所以，局部放电量较大能表明电缆中存在明显的绝缘弱点，并对绝缘造成损坏。由此证明，局部放电是绝缘层电气击穿的起始点，因此，检测直流电压激励下的介质局部放电是非常有必要的。

1    实验系统

实验的设计思路主要来自于电缆在实际运行情况中老化的原因。随着运行时长的增加，绝缘层长时间处于一个较高温度的环境下会加速其老化。本文根据电缆的实际运行环境，首先，将不同缺陷程度的XLPE电缆样品进行热老化处理，其次，设计了相应的直流高压对照实验进行检测。以针尖模拟电场应力的集中，模拟了介质内部缺陷和电树枝发展情况。实验系统如图1所示。

实验中，分别将未作缺陷处理的完好缆芯和在电缆中间处于不同程度缺陷的两组缆芯作为3组对照组[5]。以每周为一个时间节点，统计热老化停止时间节点来得到包括10种不同老化时间的XLPE电缆。使用这10种不同情况的电缆进行针板电树枝化实验。设计前，剥去铠装等保护层的10 kV XLPE电缆缆芯，然后将缆芯放入鼓风恒温干燥箱中进行超过其正常运行额定温度的加速热老化。分别在3组热老化的电缆和切削电缆的一端使其露出线芯。取skd11不锈钢针沿电缆径向插入XLPE电缆绝缘层模拟针尖局部放电。

将切割好的电缆样品放置于充满硅油的器皿中，然后在样品中刺入针尖来模拟绝缘中的缺陷，并且在针的一端施加直流高场强引起局部电场集中，使其发生局部放电。通过局部放电检测装置检测电树枝的发展，以检测到局部放电信号的特征值作为测试的结束条件，结束实验的运行。实验中通过超高频的检测方式来检测局部放电信号，并且采集实验数据传输到系统平台上进行对比，通过局部放电信息来分析XLPE电缆的绝缘状态。

2    分析与讨论

2.1  直流高压下局部放电脉冲波形与老化时长的关系

在实验样品的电树枝发展过程中，通过检测局部放电信号来获得电缆老化时间、电树枝生长趋势等数据信息。实验中测得的局部放电脉冲信号如图2所示。

在绝缘层的缺陷处，如果直流电压已经加压到击穿电压且初始放电电荷已经累积到一定量时，就会发生局部放电现象[6]。因为局部放电的初始放电电荷需要一个逐渐累积的过程，而且根据绝缘缺陷的不断发展，击穿电压也随之发生变化，这就导致直流电压下局部放电的时间间隔与放电幅值的不同，也同样说明了直流电压下的电缆绝缘层局部放电并不是一个连续的放电过程，放电现象呈分散型。由图2可知，放电频率逐渐增加，放电幅值也在一定程度上升高，说明电缆的绝缘缺陷越来越明显。所以，实时监测电缆的局部放电对检测电缆绝缘热老化是非常有必要的。

2.2  初始放电电压与电缆老化时间的关系

随着热老化时长的增加，整体放电电压幅值也在逐渐增大。电树枝的引发和发展过程中伴随着局部放电现象。实验中，统计不同热老化时长下电树枝的初始局部放电电压，可以研究热老化时间长短对直流电树枝的影响。热老化时长与引发电树枝的初始电压值之间的关系如图3所示。

图3显示，在0～500 h时间段内，初始放电电压反而随着时间的增大而减小。因为XLPE在初始高温热裂解过程中，结晶度上升，分子链的束缚力反而增强，所以，此阶段更不易发生放电现象。但是随着热老化的时间增长，原本分离的分子迅速同氧原子结合，形成大量的极性分子，使其放电电压迅速上升。

对比3组样品的实验结果可得，电缆的极浅缺陷在热老化的过程中并没有对电缆造成深度的破坏，对整个电缆的电树枝化放电影响并不大，与无缺陷的电缆对比只有较微弱的影响。第3组实验数据中可以明显地看到，随着老化时长的增加，较深缺陷的电缆初始放电电压逐渐增加，而且增加趋势越来越大，说明较深的缺陷对电缆老化起了较大的促进作用。

2.3  初始放电时场强与电树枝引发的关系

击穿强度通常用来表征检测和使用过程中的绝缘材料状态和质量。交联聚乙烯击穿强度受热老化的影响较大。随着热老化时长的增加，电缆本身的绝缘状态逐步下降。实验中的现象为当未老化的电缆直接做电树枝实验时，可能有较长时间没有放电现象。经过对4个老化时间的电缆分别做了10次电树枝实验，得到了10次可以在实验100 min以内放电的个数，即在10次实验中，不同老化时长下的放电频率。表1为交联聚乙烯击穿强度与老化时间的关系。

由表1可知，电缆初始未老化时的击穿场强大概为1 014.12 kV/mm，经过第一个老化周期后，击穿强度很明显，下降为845.11 kV/mm，降低了16%;第二老化周期后，击穿强度下降为802.85 kV/mm，降低了21%;而第四个老化时间点时，击穿强度最小值为507.06 kV/mm，降低为初始击穿场强的50%。因此可知，随着热老化时长的增加，电缆电树枝引发的条件越低，即引起局部放电所需的电场强度也越低，放电频率也逐渐增加。随着电缆使用时间的增加，事故产生的条件就越低，所以，对于运行时间较长的电纜，有必要进行各项检测来保证电网的安全运行。

3    结语

本研究结合现有的热老化与电树枝实验平台，通过对电树枝发生与生长时产生的局部放电的检测系统，分析了XLPE电力电缆绝缘中的热老化与电树枝化现象并设计了不同条件下的电树枝化对照实验，分析了缺陷类型、热老化时长对电树枝引发时间与放电信号的影响，得到以下结论。

（1）随着时间的增加，电缆的绝缘性能逐渐下降。不同缺陷下的热老化实验中，发现较浅缺陷与无缺陷两组的电缆损耗相差不大，而较深缺陷组样品的绝缘性能下降较快。由此可见，热老化对电缆电树枝的引发有促进作用。

（2）随着缺陷的加深，绝缘层更易产生电树枝，并且局部放电信号也在增大。有较大缺陷的电缆样品组初始放电电压一直都比对照组电缆高，其中最高差距达到12.1 mV，比无缺陷样品组高出了23.5%，并且从数据上看，差距还在逐渐拉大。在初始放电时间的对比上发现较大缺陷样品中发生局部放电的时间更早，最大差距比对照组提前11 min发生放电。由此可见，绝缘层中的缺陷对电缆的正常运行影响是巨大的，而且缺陷越深影响越大，电缆的绝缘层也越容易出现问题。

实验表明，根据电缆绝缘层的树枝化放电的特征分析，可以更好地判断电缆的绝缘劣化程度。所以，及时地检测且发现电缆绝缘损坏故障，对提高供电安全性与可靠性具有重要意义。

[参考文献]

[1]鲍明辉.交联聚乙烯中电树枝的生长特性研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[2]黄  开，张  铮，黄  阳，等.硅橡胶电树枝老化过程的实验及模拟研究[J].物理实验，2017（5）：44-49.

[3]常文治，阎春雨，毕建刚，等.硅橡胶中局部放电发展与电树枝生长的关系研究[J].中国电机工程学报，2014（15）：2493-2501.

[4]刘贺晨.高压直流电缆绝缘老化对空间电荷特性的影响及其电树枝特性研究[D].北京：华北电力大学，2017.

[5]高  源.基于超高频-超声波的电缆电树枝老化特性研究[D].石家庄：河北科技大学，2018.

[6]杜伯学，韩晨磊，李  进，等.高压直流电缆聚乙烯绝缘材料研究现状[J].电工技术学报，2019（1）：179-191.