導語

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，一般在對電纜進行直流耐壓試驗時進行測量。然而有關直流電纜泄漏電流的特性，特別是關于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電纜實際運行中常見的缺陷類型設計并制作了電纜缺陷模型，通過對絕緣中的電場和電導率分布進行了仿真分析，采用階梯升壓法在直流電壓下進行泄漏電流試驗，討論了穩(wěn)態(tài)泄漏電流與電壓關系并分析了泄漏電流-時間曲線波形特征。

研究背景

電力電纜在出廠和交接時需要進行相關的例行試驗和電氣試驗，以檢驗設備絕緣中是否存在缺陷或損傷，其中，泄漏電流是一項重要的檢測項目，GB/50150-2016中對交聯(lián)電纜進行直流耐壓試驗和泄漏電流測量作出了一般性規(guī)定。然而，相比交流電場下的電纜，直流電場下電纜的泄漏電流規(guī)律特征目前國內(nèi)的研究極少。如何利用泄漏電流數(shù)據(jù)檢測直流電纜中潛伏的絕緣缺陷，合理評估電纜的絕緣狀態(tài)，是保障直流電纜安全穩(wěn)定運行亟待解決的重大技術問題，具有重要的實際意義。

論文所解決的問題及意義

本文通過理論分析與試驗測試相結合的技術途徑深入研究直流電纜絕緣缺陷的泄漏電流機理性特征，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性，作為實現(xiàn)對直流電纜狀態(tài)進行有效判斷的基礎。

論文的方法及創(chuàng)新點

基于XLPE電纜實際運行中常見的缺陷類型，使用YJV-120mm²電纜，設計并制作了絕緣內(nèi)部氣隙、主絕緣外表面劃傷、導體毛刺、外半導電層殘留4種絕緣缺陷模型，并使用Comsol Multiphysics軟件研究了各類缺陷絕緣中的電場分布。為量化不同絕緣缺陷下電場分布特征差異，作出各類缺陷沿缺陷、非缺陷徑向的電場、電導率分布如圖1所示。

（a）絕緣表面劃傷

（b）導體毛刺

（c）絕緣內(nèi)部氣隙

（d）外半導電層殘留

圖1 直流下含缺陷XLPE電纜電場與電導率分布

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)部電場與電導率在靠近外半導電層處發(fā)生畸變；導體毛刺缺陷如圖1b所示，由于導體與絕緣內(nèi)的電場與電導率差異較大，只給出了缺陷尖端至絕緣外表面的電場與電導率分布，可以看到絕緣內(nèi)部電場與電導率在靠近毛刺尖端處的畸變嚴重；絕緣內(nèi)部氣隙如圖1c所示，電場強度與電導率在氣隙周圍及內(nèi)部發(fā)生畸變；外半導電層殘留如圖1d所示，電場強度與電導率畸變不明顯。

搭建了高壓直流電纜泄漏電流實驗平臺，在階躍電壓下對各類缺陷模型進行泄漏電流實驗，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后所檢測到泄漏電流數(shù)據(jù)的平均值作為對應電壓下泄漏電流的穩(wěn)態(tài)值，以此得到的泄漏電流-電壓對比關系如圖2所示。圖2中散點為試驗所獲取的實際數(shù)據(jù)，各點對應的橫坐標為外施電壓值，縱坐標為對應電壓下的泄漏電流穩(wěn)態(tài)值，實線為根據(jù)試驗數(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出現(xiàn)波動現(xiàn)象，然而不同缺陷電纜的泄漏電流波動特征不明顯。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泄漏電流進行多時間尺度波形特征分析。對典型絕緣缺陷在不同電壓下試驗獲取的泄漏電流數(shù)據(jù)使用db5小波函數(shù)進行3層小波包分解，得到各缺陷節(jié)點能量平均值如圖3所示。

圖3 各類型缺陷泄漏電流節(jié)點能量平均值

結論

本文對4種XLPE電纜缺陷模型在直流電壓下進行了仿真與泄漏電流實驗研究，得出如下結論：

• 1）導體毛刺缺陷電導率與電場畸變最嚴重，劃傷缺陷與氣隙缺陷畸變程度一般，外半導電層殘留缺陷畸變最小。
• 2）導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程度明顯大于其他缺陷，劃傷缺陷和導體毛刺缺陷在電壓升至一定大小后其泄漏電流波動程度有所下降。
• 4）對泄漏電流進行小波包分解并提取各頻帶信號能量，不同缺陷的節(jié)點能量存在一定差異，可作為特征提取和分類的依據(jù)。

本文關于直流XLPE電纜泄漏電流的相關研究為實驗室的條件中進行，如何在現(xiàn)場實際中應用仍需要在后續(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特性研究[J]. 電工技術學報, 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.

團隊介紹

江秀臣

上海交通大學電氣工程系教授，博士生導師，國家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心主任，上海交通大學信息技術與電氣工程研究院副院長，國家科技部863智能電網(wǎng)重大專項總體專家組副組長，教育部科學技術委員會能源與交通學部委員，國際能源署智能電網(wǎng)行動聯(lián)盟（ISGAN）中國聯(lián)絡辦公室主任，教育部新世紀優(yōu)秀人才，長期從事輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測與高電壓技術的研究。研究成果獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎4項。

盛戈皞

上海交通大學電氣工程系教授，博士生導師，智能輸配電研究所副所長，主要從事電力設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、電力大數(shù)據(jù)分析等方面的研究工作。主持國家自然科學基金2項目、973、863及國家重點研發(fā)計劃項目等子課題4項、上海市科技攻關項目2項及多項電網(wǎng)公司項目。在國內(nèi)外重要學術刊物發(fā)表SCI/EI收錄論文120余篇，其中SCI收錄40篇，出版專著和教材各1部，授權發(fā)明專利40余項。研究成果獲省部級科學技術獎一等獎3項，二等獎4項，上海交通大學晨星青年學者獎勵計劃優(yōu)秀青年教師一等獎。

研究團隊合影

上海交通大學智能輸配電研究所依托國家能源智能電網(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，專職科研人員及研究生60余人，長期致力于電力設備狀態(tài)檢測與故障診斷的基礎理論研究及高新技術產(chǎn)品開發(fā)。近年來，在相關領域承擔國家自然科學基金項目11項，973、863、國家重點研發(fā)計劃、國際合作項目等國家級科技項目10余項以及電網(wǎng)公司重點科技項目數(shù)十項，多次參與撰寫行業(yè)和電網(wǎng)公司相關標準和培訓教材。研究成果獲國家科技進步二等獎1項、省部級一等獎5項，其他省部級科技獎勵10余項。