導(dǎo)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(jìn)行直流耐壓試驗時進(jìn)行測量。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電纜實際運行中常見的缺陷類型設(shè)計并制作了電纜缺陷模型，通過對絕緣中的電場和電導(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，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(jìn)行相關(guān)的例行試驗和電氣試驗，以檢驗設(shè)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(jìn)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(shù)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(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，作為實現(xiàn)對直流電纜狀態(tài)進(jìn)行有效判斷的基礎(chǔ)。

論文的方法及創(chuàng)新點

基于XLPE電纜實際運行中常見的缺陷類型，使用YJV-120mm²電纜，設(shè)計并制作了絕緣內(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(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與電導(dǎo)率分布，可以看到絕緣內(nèi)部電場與電導(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，電場強度與電導(dǎo)率在氣隙周圍及內(nèi)部發(fā)生畸變；外半導(dǎo)電層殘留如圖1d所示，電場強度與電導(dǎo)率畸變不明顯。

搭建了高壓直流電纜泄漏電流實驗平臺，在階躍電壓下對各類缺陷模型進(jìn)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(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后所檢測到泄漏電流數(shù)據(jù)的平均值作為對應(yīng)電壓下泄漏電流的穩(wěn)態(tài)值，以此得到的泄漏電流-電壓對比關(guān)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(yīng)的橫坐標(biāo)為外施電壓值，縱坐標(biāo)為對應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jié)論

本文對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驗研究，得出如下結(jié)論：

• 1）導(dǎo)體毛刺缺陷電導(dǎo)率與電場畸變最嚴(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程度有所下降。
• 4）對泄漏電流進(jìn)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(guān)于直流XLPE電纜泄漏電流的相關(guān)研究為實驗室的條件中進(jìn)行，如何在現(xiàn)場實際中應(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特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)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(xué)電氣工程系教授，博士生導(dǎo)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(xué)信息技術(shù)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(xué)技術(shù)委員會能源與交通學(xué)部委員，國際能源署智能電網(wǎng)行動聯(lián)盟（ISGAN）中國聯(lián)絡(luò)辦公室主任，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，長期從事輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與高電壓技術(shù)的研究。研究成果獲國家科技進(jìn)步二等獎1項，省部級一等獎4項。

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，主要從事電力設(shè)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(xué)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(guān)項目2項及多項電網(wǎng)公司項目。在國內(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，出版專著和教材各1部，授權(quán)發(fā)明專利40余項。研究成果獲省部級科學(xué)技術(shù)獎一等獎3項，二等獎4項，上海交通大學(xué)晨星青年學(xué)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(xué)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(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷的基礎(chǔ)理論研究及高新技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)。近年來，在相關(guān)領(lǐng)域承擔(dān)國家自然科學(xué)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)教材。研究成果獲國家科技進(jìn)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。