XLPE電纜中間接頭局部放電特征氣體及光特性檢測技術(shù)研究

趙法強, 肖艷霞，陸林

(1.深圳供電局有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518001；2. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

隨著經(jīng)濟和城市的不斷發(fā)展，城市配電網(wǎng)的電纜覆蓋率大大提高，交聯(lián)聚乙烯(cross-linked poly-ethylene，XLPE)電纜載流量大、敷設(shè)方便，是目前電網(wǎng)中普遍采用的主要電纜材料[1-2]。由電纜組成的傳輸電網(wǎng)主要部分包括電纜和電纜中間接頭，其性能和可靠性直接影響電網(wǎng)安全。其中，電纜中間接頭安裝便利、絕緣性能好、耐高溫及酸堿，是配電網(wǎng)電纜連接的主要方式[3-4];然而，在電纜材料、施工、安裝質(zhì)量和運行維護等方面存在問題，嚴(yán)重影響了電纜的可靠性，造成的電纜故障問題也比較突出[5-10]。因此，開發(fā)有效的技術(shù)手段，實現(xiàn)電纜全壽命安全監(jiān)測，是保證電網(wǎng)安全的關(guān)鍵。局部放電(簡稱“局放”)是造成XLPE電纜絕緣性被破壞的主要原因，局放及其變化能夠較為全面、靈敏地反映電氣設(shè)備的絕緣狀況[11-13]。通過交聯(lián)改性制作的XLPE材料，彌補了聚乙烯材料熔點低、耐熱性差、存在蠕變等方面的不足。由XLPE制成的絕緣電纜能在90 ℃條件下長期工作，短時間允許過載溫度達到130 ℃，這使得XLPE成為目前應(yīng)用最廣泛、最理想的絕緣材料。揭示這種材料在應(yīng)用過程中(如局放條件)的特性和劣化機理，進而提出有效的監(jiān)測和預(yù)測方法及技術(shù)，一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究重點和焦點。

通常XLPE電纜的工作壽命為30 a，但在其運行過程中的故障會導(dǎo)致工作壽命變短。主要導(dǎo)致電纜出現(xiàn)故障而縮短壽命的原因有以下幾點：機械損傷、絕緣老化、過電壓、電纜制作材料存在缺陷或設(shè)計工藝不足等。這些問題通常會使電力電纜及其中間接頭絕緣層的薄弱部位，在強電場的作用下發(fā)生局放，盡管一般情況不會直接引起絕緣的穿透性擊穿，但會導(dǎo)致電介質(zhì)的局部損壞，若存在長期的局放，將最終會導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿，造成事故。因此，開發(fā)有效的技術(shù)手段，實現(xiàn)電纜絕緣能力的安全監(jiān)測，是保證電網(wǎng)安全的關(guān)鍵。局放與電纜的絕緣性直接相關(guān)，能夠較為全面、靈敏地反映電氣設(shè)備的絕緣狀況，是衡量電纜工作狀態(tài)是否正常的重要依據(jù)。采用局放檢測技術(shù)來判斷電纜絕緣特性的方法已經(jīng)得到國內(nèi)外專家和IEEE協(xié)會的一致認(rèn)可。局放會產(chǎn)生電弧，同時伴隨有光、熱、聲、電磁輻射或引起電流突增、突降等。利用這些特征實現(xiàn)局放監(jiān)測是目前的主流技術(shù)[14-20]。應(yīng)用較為廣泛的有超聲波法、特高頻法及脈沖電流法等。但是這些技術(shù)一般很難用于檢測電纜溝內(nèi)由局放引起的電纜絕緣劣化。實際上，局放除了伴隨光、熱、聲及電磁輻射等現(xiàn)象外，還會在電纜中產(chǎn)生高溫和分解出氣體，同樣能反映電纜的絕緣性及可靠性。此外，已有的局放監(jiān)測技術(shù)大都基于電量檢測，很難實現(xiàn)XLPE電纜局放的在線監(jiān)測，迫切需要研究和開發(fā)非電量的檢測理論和技術(shù)。

為此，以探索XLPE電纜非電量局放監(jiān)測技術(shù)為目的，本文設(shè)計并制作了XLPE電纜局部放電實驗裝置，以收集不同放電條件下局放生成的氣體(以下簡稱“局放氣體”)，同時采用電磁不敏感的光纖光柵溫度傳感器實時監(jiān)測局放區(qū)域溫度。通過分析收集氣體樣本的成分和濃度，發(fā)現(xiàn)局放強度、放電區(qū)溫度和產(chǎn)生的氣體成分及濃度均成正比例關(guān)系，提出了基于氣體吸收光譜和熒光光譜2種非電量局放檢測技術(shù)，并對其中的熒光光譜檢測手段進行了實驗驗證。將熒光材料安裝在放電腔中，在線測試了熒光材料在局放氣體長期作用下的熒光譜，發(fā)現(xiàn)隨著時間增加，局放氣體作用會導(dǎo)致熒光譜峰值藍(lán)移。本文為基于熒光探測技術(shù)的XLPE電纜局部放電非電量監(jiān)測和絕緣狀態(tài)預(yù)估提供新的思路，也為XLPE電纜長期工作狀態(tài)的在線監(jiān)測和實效評估提供了理論和實驗基礎(chǔ)。

1 XLPE電纜局放氣體采集實驗裝置

XLPE電纜中間接頭內(nèi)部在出現(xiàn)缺陷發(fā)生局放時，會分解破壞局放點周圍絕緣材料，釋放出一定的氣體，通過對這些氣體的檢測，能評估XLPE電纜中間接頭的工作狀態(tài)。為模擬XLPE電纜中間接頭的局放情況，制作了XLPE局放氣體采集實驗裝置，如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為后續(xù)進行熒光材料光譜實驗時另加的實驗裝置。

由定制的玻璃管和2個玻璃塞形成密閉的放電腔，放電電極安裝在玻璃塞上，用環(huán)氧膠固定，密封玻璃管用V形槽支撐。XLPE樣品片為直接從高壓電纜上取下的絕緣套制成的圓片(中心打孔)，放電電極對稱安裝，與其中心孔共軸。在形成放電的情況下，使電弧有效作用于XLPE樣品，通過直接燒蝕和加溫樣品釋放氣體，以模擬實際的局放狀態(tài)。為監(jiān)測放電過程中放電位置的溫度變化，采用了新型的光纖光柵溫度傳感器。光纖光柵基于光波調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)溫度測量，具有電磁不敏感、精度高、測量范圍大的優(yōu)點。測試時，將光纖光柵溫度傳感器安裝在接近XLPE樣片放電位置的小孔中，傳輸光纖連接光纖光柵解調(diào)儀(SM125)，由光纖光柵解調(diào)儀采集和記錄溫度信號。放電需要的高電壓由專用的高電壓發(fā)生裝置產(chǎn)生，通過改變放電電流的大小實現(xiàn)放電強度的調(diào)節(jié)。為了真實模擬XLPE電纜及其中間接頭的工作狀況，在玻璃塞2上制作了出氣孔，在放電之前，先連接真空泵，將密閉玻璃腔內(nèi)空氣抽出，盡可能保證其與電纜及中間接頭密封工作條件一致。在放電形成足夠多氣體后，出氣孔連接氣體采樣注射器，由注射器抽取放電產(chǎn)生的氣體樣品。改變放電條件，可獲得不同放電狀態(tài)的放電氣體。采用氣相色譜儀(GCMS-QP2010)測量放電氣體成分和濃度，能準(zhǔn)確獲得放電氣體中主要氣體成分及其在不同放電條件下的演變情況。通過相關(guān)性分析，可確定XLPE局放特征氣體成分及其演變規(guī)律。

圖1 XLPE電纜局放氣體采集實驗裝置Fig.1 XLPE cable partial discharge gas collection setup

在本實驗中，采用了新型的光纖光柵溫度傳感器[21]取代了熱敏電阻進行溫度測量。這種溫度傳感器為本征型光纖傳感器，具有尺寸微小、電磁不敏感、可遠(yuǎn)程測量的特點，特別適合復(fù)雜電磁環(huán)境的溫度測量。光纖光柵本質(zhì)上是一種光纖纖芯內(nèi)的位相光柵，其形成機理為空間周期性分布的紫外或紅外激光照射到纖芯時，芯內(nèi)摻雜物質(zhì)吸收光子能量發(fā)生狀態(tài)改變，并根據(jù)入射紫外或紅外光的周期沿光纖軸向進行重新分布，最終表現(xiàn)為纖芯內(nèi)出現(xiàn)周期性的折射率調(diào)制，該調(diào)制會引起2個相互匹配相位的光纖本征模式之間的耦合，這種耦合會導(dǎo)致特定波長的入射光基本被反射，其他波長的入射光則可以正常通過。

圖 2為光纖光柵的傳感原理示意圖，入射光為寬譜光源，當(dāng)其經(jīng)過光柵后，反射光通過光纖耦合器進入光譜儀，反射光光譜中只有波長為λB的窄線寬光譜成分，透射光譜中則會出現(xiàn)波長對應(yīng)的波谷。

反射光波長

λB=2neffΛ.

(1)

式中：neff為纖芯等效折射率；Λ為纖芯折射率調(diào)制的周期。當(dāng)外界溫度作用在光纖光柵上時，neff和Λ都會發(fā)生對應(yīng)的變化：當(dāng)溫度升高時，熱光效應(yīng)會使得纖芯等效折射率變大，熱膨脹效應(yīng)使得纖芯折射率調(diào)制的周期變大，從而引起反射波長λB的增加；溫度降低時，則反射波長減小。光纖光柵溫度測量模型為

(2)

式中：ΔλB為溫度引起的反射波長變化量；?neff/?T為由于溫度導(dǎo)致的纖芯等效折射率的變化；?Λ/?T為由于溫度變化導(dǎo)致的光柵周期變化；ΔT為溫度變化量。利用光纖光柵解調(diào)儀能準(zhǔn)確測量反射波長及其變化，進而實現(xiàn)溫度的測量。本文實驗中使用Micro Optics (MOI)公司生產(chǎn)的SM125光纖光柵解調(diào)儀實現(xiàn)反射波長和溫度的測量，溫度測量精度為0.3 ℃，溫度分辨率為0.1 ℃。

圖2 光纖光柵傳感原理示意圖Fig.2 Principle of fiber Bragg grating sensing

2 實驗結(jié)果和分析

在進行實驗之前，首先按照圖1所示連接好實驗裝置，之后將XLPE樣片放入實驗裝置中，靜置2 h后，抽取室溫下XLPE絕緣材料的自然揮發(fā)氣體樣品；繼而切換到真空泵，將玻璃管內(nèi)氣體抽空，關(guān)閉閥門，調(diào)節(jié)放電電流，啟動放電，記錄光纖光柵溫度傳感器測量的放電區(qū)電纜溫度，直到溫度到達80 ℃附近穩(wěn)定，在此溫度點間歇放電約15 min，保證XLPE樣片能夠釋放出足夠多的氣體;之后將閥門切換到取樣注射器，使用注射器收集放電氣體待測，改變放電強度重復(fù)上述過程，完成110 ℃、140 ℃、170 ℃溫度點附近放電氣體樣品采集；最后，用氣相色譜儀分別測試分析采集的5種樣品包含的氣體成分和濃度，取每種放電條件下的平均溫度為電纜放電溫度，上述放電狀態(tài)和溫度下實驗所收集的氣體色譜如圖3所示。

提取其中含量較大的前5項氣體作為特征氣體，通過與NIST庫氣體進行查詢比對，可確定其名稱，表1中列出了5種氣體的特征參數(shù)。

從圖3可以直接看出，當(dāng)電纜溫度處于室溫時，釋放氣體濃度基本都在色譜儀器測量分辨率以下，表明電纜絕緣狀態(tài)穩(wěn)定。但電纜放電時，隨著放電強度增加，電纜溫度升高，釋放氣體成分增加，對應(yīng)氣體濃度也明顯增加，電纜絕緣狀態(tài)發(fā)生變化。表2列出了從色譜圖上積分計算出的樣品氣體的峰面積(代表氣體濃度)。圖4為各氣體成分濃度與溫度的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯S著電纜溫度的升高，各種特征氣體的濃度幾乎線性增加，因此可用如式(3)所示的線性模型來描述。

圖3 局放特征氣體氣相色譜測量曲線Fig.3 Gas chromatographic measurement curves of characteristic gas of partial discharge

表1 特征氣體的種類Tab.1 Characteristic gas varieties

序號時間/min分子式名稱11.640C6H12O2-甲基戊醛21.950C4H6O異丁烯醛32.099C4H8O丁醛416.149C9H7NO3N-羥甲基鄰苯二甲酰亞胺516.878C12H14O4酞酸二乙酯

表2 特征氣體峰面積Tab.2 Peak area of characteristic gas

圖4 各氣體成分濃度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between gas concentration and temperature

(3)

式中：y為氣體峰面積；T為溫度；a、b為模型參數(shù)。通過計算，得到5種氣體的模型參數(shù)，見表3。

表3 特征氣體峰面積溫度模型參數(shù)Tab.3 Temperature model parameters of peak area of characteristic gas

從表2、圖3、圖4還可以看出：2-甲基戊醛隨溫度變化的速率最快，且在常溫下濃度很低。以這種氣體為局放檢測的特征氣體，有希望實現(xiàn)電纜局放的高靈敏度檢測?？筛鶕?jù)不同氣體在不同放電條件(或不同溫度)下釋放氣體速率不同，監(jiān)測長時間氣體成分的變化，來確定電纜長時間內(nèi)放電情況；并可借助收集長期的釋放氣體數(shù)據(jù)建立模型，進行電纜的絕緣狀況預(yù)估。

3 XLPE電纜局放非電量檢測技術(shù)

為探索XLPE電纜局放非電量氣體檢測方法，提出了分別基于氣體吸收光譜和熒光光譜的局放檢測技術(shù)?；跉怏w吸收光譜的局放檢測系統(tǒng)如圖5所示。

該系統(tǒng)由顯示器、CPU信號控制及信號處理系統(tǒng)、可調(diào)激光光源、光譜吸收系統(tǒng)、光纖、反光鏡、測量氣室組成。通過CPU控制系統(tǒng)調(diào)諧可調(diào)激光光源，將發(fā)射的激光波長調(diào)至特征氣體敏感的波長范圍。發(fā)射光經(jīng)由傳光光纖進入到充滿局放產(chǎn)生氣體的測量氣室。光纖出射的激光在氣室中與局放氣體相互作用后，通過調(diào)整好位置與角度的反光鏡，反射到接收光纖中，進入光譜接收系統(tǒng)；然后由信號檢測系統(tǒng)對接收光的光譜進行檢測分析，將結(jié)果顯示到顯示器上。激光在測量氣室中會受到局放特征氣體的吸收影響，部分波長會被氣體吸收，導(dǎo)致強度降低，光譜發(fā)生變化，信號接收分析系統(tǒng)對光譜的變化進行分析量化；每一種氣體都有其對應(yīng)的吸收峰，通過實驗可以得到特征氣體濃度與光譜強度以及光譜的變化存在的比例關(guān)系，從而可以檢測特征氣體的濃度，分析電纜中間接頭的局放狀態(tài)和XLPE電纜的老化程度，實現(xiàn)局放的非電量測量。

圖5 氣體吸收光譜局放氣體檢測系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of spectrum partial discharge gas detection system based on gas absorption

另外，基于熒光光譜原理，進行了電纜局放氣體對有機熒光材料熒光光譜的影響實驗。實驗所用材料為較常用的有機熒光材料。在圖1的基礎(chǔ)上，加入熒光測試單元，形成熒光實驗裝置，如圖1虛線框所示。熒光測試單元由熒光探頭、紫外激勵激光器和光譜儀組成。其中熒光探頭包含傳光光纖和多孔陶瓷管及填充的有機熒光材料。紫外激勵激光波長約為395 nm，光譜儀為海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的固態(tài)光譜儀USB2000+。實驗過程中，由于局放氣體對熒光材料的光譜影響較弱，須調(diào)節(jié)放電強度，使放電區(qū)域溫度穩(wěn)定在110 ℃，通過間隙放電的方式保證XLPE樣片能夠釋放足夠多的氣體，獲得高濃度并保持相對的穩(wěn)定，這種高溫和高濃度實驗條件，可以加速實驗過程。每3 d記錄一次熒光光譜，圖6為經(jīng)過12 d的實際實驗光譜，測試時，紫外激勵激光的強度、波長保持不變，保證測量得到的熒光光譜的產(chǎn)生條件是一致的。可以看出在電纜局放氣體作用下，隨著熒光材料的熒光強度減小，熒光譜峰值波長變短，并發(fā)生藍(lán)移。

基于圖6光譜，可積分計算熒光強度，提取光譜的峰值波長。計算和提取的熒光強度和峰值波長如圖7所示，在穩(wěn)定的局放氣體作用下，有機熒光材料的熒光強度和峰值波長均呈單調(diào)變化。圖7中熒光光強和峰值波長2組數(shù)據(jù)在第9日出現(xiàn)分離，并無特殊含義，僅為熒光強度測量存在誤差所致。實驗結(jié)果表明，通過檢測有機熒光材料在XLPE樣片局放氣體長時間作用下的熒光光譜中功率和波長變化均可以實現(xiàn)XLPE電纜局放強度和長期作用的監(jiān)測。

圖6 XLPE局放氣體長期作用下的熒光光譜Fig.6 Spectrum of luminescence light under long-term partial discharge gases in XLPE

圖7 XLPE局放氣體長期作用下熒光光譜峰值波長和功率曲線Fig.7 Peak wavelength and power of luminescence light under long-term partial discharge gases in XLPE

基于熒光光譜原理，制作了小型的檢測儀，根據(jù)熒光光譜的變化可以計算出XLPE材料的相對放電量。對3種不同實際工況下XLPE電纜中間接頭的放電情況進行了檢測，實驗現(xiàn)場照片如圖8所示。3種工況的中間接頭用膠帶顏色區(qū)分，白色膠帶標(biāo)識的是可以正常工作的正常相中間接頭，黃色膠帶標(biāo)識的是有局放缺陷的缺陷相中間接頭，紅色膠帶標(biāo)識的是短路接地的故障相中間接頭。

將3根熒光光纖傳感探頭分別安裝在3個中間接頭中，并將熒光探頭接入檢測儀，3個中間接頭分別接入高壓供電裝置中。加壓過程為從10 kV加壓至50 kV，加壓間隔為10 kV，每個電壓值保持5 min。從加電起每隔5 min對每個中間接頭的當(dāng)前放電量進行一次檢測并記錄。實驗系統(tǒng)如圖9所示。

圖8 3種不同工況的XLPE電纜中間接頭現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.8 Photo of XLPE cable intermediate joint under three different working conditions

圖9 工況檢測實驗系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of working condition experimental system

實驗結(jié)果如圖10所示。當(dāng)所加電壓低于20 kV時，3種工況的中間接頭都沒有出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所加電壓超過30 kV時，接地故障相的中間接頭首先出現(xiàn)了放電現(xiàn)象，所加電壓升高時，相對放電量也呈現(xiàn)增長；當(dāng)所加電壓超過50 kV時，局放缺陷相出現(xiàn)了放電現(xiàn)象，且局放缺陷相在相同加載電壓下的相對放電量均小于接地故障相；正常相則始終未出現(xiàn)放電現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明，基于熒光光譜的非電量檢測手段能夠良好地區(qū)分不同工況下的XLPE電纜中間接頭。

熒光光譜局放檢測手段在實際電纜局放檢測應(yīng)用中，可以在電網(wǎng)容易出現(xiàn)局放現(xiàn)象的關(guān)鍵部分(如中間接頭)布置光纖傳感探頭。當(dāng)這些關(guān)鍵部分出現(xiàn)局放釋放氣體時，檢測終端即可發(fā)現(xiàn)電纜異常工況，從而避免重大事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

為確定XLPE絕緣電纜絕緣層在放電條件下的放電氣體特征，本文模擬XLPE電纜的局放狀態(tài)，設(shè)計制作了XLPE電纜絕緣材料局放氣體產(chǎn)生和收集裝置，用電磁不敏感的光纖光柵溫度傳感器監(jiān)測放電區(qū)域XLPE絕緣電纜材料的溫度，并用氣相色譜儀分析了不同放電條件下XLPE絕緣電纜產(chǎn)生的特征氣體成分和濃度。通過分析確認(rèn)了被測試的XLPE絕緣電纜材料5種局放特征氣體，以及其濃度與電纜局放時溫度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣電纜中局放氣體具有明顯的特征，主要氣體成分濃度隨放電條件和溫度的變化呈較好的線性關(guān)系。隨后，將一種有機高分子熒光材料安裝在實驗腔中，進行了加速實驗，在線測試了有機熒光材料在局放氣體長期作用下的熒光光譜，發(fā)現(xiàn)隨著時間增加，局放氣體作用會導(dǎo)致熒光光譜的峰值藍(lán)移，有機熒光材料的熒光強度和峰值波長均呈單調(diào)變化。實驗結(jié)果表明，通過檢測有機熒光材料熒光光譜的功率和波長變化均可實現(xiàn)對XLPE電纜局放強度的監(jiān)測。基于該方法對正常相、接地故障相、局放缺陷相3種不同工況的XLPE電纜中間接頭在不同電壓下的放電情況進行了檢測，檢測結(jié)果表明熒光光譜非電量局放檢測手段能夠良好地區(qū)分出不同工況的電纜中間接頭。實驗方法和結(jié)果為XLPE高壓電纜局放特性研究、非電量局放檢測和電纜絕緣狀態(tài)的預(yù)估提供了重要理論和實驗基礎(chǔ)。

圖10 3種不同工況的中間接頭放電檢測結(jié)果Fig.10 Discharge test results of three different working conditions of the intermediate joint