導(dǎo)語(yǔ)

泄漏電流是表征交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜絕緣性能的重要參量，一般在對(duì)電纜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行測(cè)量。然而有關(guān)直流電纜泄漏電流的特性，特別是關(guān)于XLPE電纜典型缺陷泄漏電流的規(guī)律特征探索仍不充分。本文基于XLPE電纜實(shí)際運(yùn)行中常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型設(shè)計(jì)并制作了電纜缺陷模型，通過(guò)對(duì)絕緣中的電場(chǎng)和電導(dǎo)率分布進(jìn)行了仿真分析，采用階梯升壓法在直流電壓下進(jìn)行泄漏電流試驗(yàn)，討論了穩(wěn)態(tài)泄漏電流與電壓關(guān)系并分析了泄漏電流-時(shí)間曲線波形特征。

研究背景

電力電纜在出廠和交接時(shí)需要進(jìn)行相關(guān)的例行試驗(yàn)和電氣試驗(yàn)，以檢驗(yàn)設(shè)備絕緣中是否存在缺陷或損傷，其中，泄漏電流是一項(xiàng)重要的檢測(cè)項(xiàng)目，GB/50150-2016中對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)和泄漏電流測(cè)量作出了一般性規(guī)定。然而，相比交流電場(chǎng)下的電纜，直流電場(chǎng)下電纜的泄漏電流規(guī)律特征目前國(guó)內(nèi)的研究極少。如何利用泄漏電流數(shù)據(jù)檢測(cè)直流電纜中潛伏的絕緣缺陷，合理評(píng)估電纜的絕緣狀態(tài)，是保障直流電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行亟待解決的重大技術(shù)問(wèn)題，具有重要的實(shí)際意義。

論文所解決的問(wèn)題及意義

本文通過(guò)理論分析與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的技術(shù)途徑深入研究直流電纜絕緣缺陷的泄漏電流機(jī)理性特征，分析泄漏電流幅值、波形特征變化規(guī)律與絕緣缺陷的相關(guān)性，作為實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電纜狀態(tài)進(jìn)行有效判斷的基礎(chǔ)。

論文的方法及創(chuàng)新點(diǎn)

基于XLPE電纜實(shí)際運(yùn)行中常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型，使用YJV-120mm²電纜，設(shè)計(jì)并制作了絕緣內(nèi)部氣隙、主絕緣外表面劃傷、導(dǎo)體毛刺、外半導(dǎo)電層殘留4種絕緣缺陷模型，并使用Comsol Multiphysics軟件研究了各類(lèi)缺陷絕緣中的電場(chǎng)分布。為量化不同絕緣缺陷下電場(chǎng)分布特征差異，作出各類(lèi)缺陷沿缺陷、非缺陷徑向的電場(chǎng)、電導(dǎo)率分布如圖1所示。

（a）絕緣表面劃傷

（b）導(dǎo)體毛刺

（c）絕緣內(nèi)部氣隙

（d）外半導(dǎo)電層殘留

圖1 直流下含缺陷XLPE電纜電場(chǎng)與電導(dǎo)率分布

由圖1可知畸變主要發(fā)生在缺陷處。劃傷缺陷如圖1a所示，絕緣內(nèi)部電場(chǎng)與電導(dǎo)率在靠近外半導(dǎo)電層處發(fā)生畸變；導(dǎo)體毛刺缺陷如圖1b所示，由于導(dǎo)體與絕緣內(nèi)的電場(chǎng)與電導(dǎo)率差異較大，只給出了缺陷尖端至絕緣外表面的電場(chǎng)與電導(dǎo)率分布，可以看到絕緣內(nèi)部電場(chǎng)與電導(dǎo)率在靠近毛刺尖端處的畸變嚴(yán)重；絕緣內(nèi)部氣隙如圖1c所示，電場(chǎng)強(qiáng)度與電導(dǎo)率在氣隙周?chē)皟?nèi)部發(fā)生畸變；外半導(dǎo)電層殘留如圖1d所示，電場(chǎng)強(qiáng)度與電導(dǎo)率畸變不明顯。

搭建了高壓直流電纜泄漏電流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在階躍電壓下對(duì)各類(lèi)缺陷模型進(jìn)行泄漏電流實(shí)驗(yàn)，研究了XLPE電纜絕緣缺陷下泄漏電流的穩(wěn)態(tài)泄漏電流與電壓關(guān)系，并基于小波包能量分析了泄漏電流的波形特征。

以外施電壓500s后所檢測(cè)到泄漏電流數(shù)據(jù)的平均值作為對(duì)應(yīng)電壓下泄漏電流的穩(wěn)態(tài)值，以此得到的泄漏電流-電壓對(duì)比關(guān)系如圖2所示。圖2中散點(diǎn)為試驗(yàn)所獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為外施電壓值，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)電壓下的泄漏電流穩(wěn)態(tài)值，實(shí)線為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合所得到的曲線。

圖2 典型缺陷電纜穩(wěn)態(tài)泄漏電流-電壓曲線

交流聚乙烯電纜在外施直流電壓下的泄漏電流會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，然而不同缺陷電纜的泄漏電流波動(dòng)特征不明顯。為分析不同缺陷下XLPE電纜泄漏電流的波形特征，本文基于小波包理論對(duì)泄漏電流進(jìn)行多時(shí)間尺度波形特征分析。對(duì)典型絕緣缺陷在不同電壓下試驗(yàn)獲取的泄漏電流數(shù)據(jù)使用db5小波函數(shù)進(jìn)行3層小波包分解，得到各缺陷節(jié)點(diǎn)能量平均值如圖3所示。

圖3 各類(lèi)型缺陷泄漏電流節(jié)點(diǎn)能量平均值

結(jié)論

本文對(duì)4種XLPE電纜缺陷模型在直流電壓下進(jìn)行了仿真與泄漏電流實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

• 1）導(dǎo)體毛刺缺陷電導(dǎo)率與電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重，劃傷缺陷與氣隙缺陷畸變程度一般，外半導(dǎo)電層殘留缺陷畸變最小。
• 2）導(dǎo)體毛刺缺陷泄漏電流隨電壓上升的非線性程度最大，氣隙缺陷和外半導(dǎo)電層殘留缺陷非線性程度較小，劃痕缺陷非線性程度最小。
• 3）主絕緣表面劃傷缺陷泄漏電流波動(dòng)程度明顯大于其他缺陷，劃傷缺陷和導(dǎo)體毛刺缺陷在電壓升至一定大小后其泄漏電流波動(dòng)程度有所下降。
• 4）對(duì)泄漏電流進(jìn)行小波包分解并提取各頻帶信號(hào)能量，不同缺陷的節(jié)點(diǎn)能量存在一定差異，可作為特征提取和分類(lèi)的依據(jù)。

本文關(guān)于直流XLPE電纜泄漏電流的相關(guān)研究為實(shí)驗(yàn)室的條件中進(jìn)行，如何在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中應(yīng)用仍需要在后續(xù)深入研究。

引用本文

黃光磊, 李喆, 楊豐源, 盛戈皞, 江秀臣. 直流交聯(lián)聚乙烯電纜泄漏電流試驗(yàn)特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(1): 192-201.

Huang Guanglei, Li Zhe, Yang Fengyuan, Sheng Gehao, Jiang Xiuchen. Experimental Research on Leakage Current of DC Cross Linked Polyethylene Cable. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(1): 192-201.

團(tuán)隊(duì)介紹

江秀臣

上海交通大學(xué)電氣工程系教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心主任，上海交通大學(xué)信息技術(shù)與電氣工程研究院副院長(zhǎng)，國(guó)家科技部863智能電網(wǎng)重大專(zhuān)項(xiàng)總體專(zhuān)家組副組長(zhǎng)，教育部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)能源與交通學(xué)部委員，國(guó)際能源署智能電網(wǎng)行動(dòng)聯(lián)盟（ISGAN）中國(guó)聯(lián)絡(luò)辦公室主任，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，長(zhǎng)期從事輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與高電壓技術(shù)的研究。研究成果獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)。

盛戈皞

上海交通大學(xué)電氣工程系教授，博士生導(dǎo)師，智能輸配電研究所副所長(zhǎng)，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、電力大數(shù)據(jù)分析等方面的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)目、973、863及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等子課題4項(xiàng)、上海市科技攻關(guān)項(xiàng)目2項(xiàng)及多項(xiàng)電網(wǎng)公司項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表SCI/EI收錄論文120余篇，其中SCI收錄40篇，出版專(zhuān)著和教材各1部，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利40余項(xiàng)。研究成果獲省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，上海交通大學(xué)晨星青年學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃優(yōu)秀青年教師一等獎(jiǎng)。

研究團(tuán)隊(duì)合影

上海交通大學(xué)智能輸配電研究所依托國(guó)家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心，目前擁有教授3人，副教授3人，講師6人，專(zhuān)職科研人員及研究生60余人，長(zhǎng)期致力于電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷的基礎(chǔ)理論研究及高新技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，在相關(guān)領(lǐng)域承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目11項(xiàng)，973、863、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)際合作項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)科技項(xiàng)目10余項(xiàng)以及電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目數(shù)十項(xiàng)，多次參與撰寫(xiě)行業(yè)和電網(wǎng)公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)教材。研究成果獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)5項(xiàng)，其他省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)。