陆云才(1982),男,硕士,高级工程师,从事高电压技术研究及设备状态评价工作(E-mail:
丁毅(1995),男,硕士在读,研究方向为局部放电
陶风波(1982),男,博士,研究员级高级工程师,从事超特高压输变电系统电磁暂态计算及输变电设备状态诊断技术研究工作
交联聚乙烯(XLPE)电缆中电树枝的生长伴随局部放电(PD)的产生,二者间存在一定关联。XLPE材料绝缘强度较高,其中发生的PD在超高频(SHF,3~30 GHz)频段的信号幅值相对较高。文中采用基于针-板电极结构和XLPE绝缘材料的试样,在不同温度和电压下对电树枝生长过程中的形态和PD的SHF信号进行同步检测,分析了电压与温度条件对二者的影响,并研究了二者间的特征关系。研究表明XLPE中电树枝的长与宽和温度与电压呈正相关,电压较低时对分形维数较低,较高时分形维数无明显变化。SHF信号幅值也与温度和电压呈正相关关系,电压较高时,信号幅值呈现先增大再减小至平缓趋势,频率在电压较低时信号有一定程度下降。电树枝生长情况和SHF信号的幅值呈正相关关系,且当电树枝生长速度较快时,SHF信号的频率也会升高。
The growth of electrical tree in cross-linked polyethylene (XLPE) cables is accompanied by the generation of partial discharges (PD), and there is a correlation between the both. The rise time of the PD signal in XLPE with high dielectric strength is short, so the signal amplitude in the super high frequency (SHF, 3~30 GHz) band is large. In this paper, the defect sample based on needle-plate electrode structure and XLPE insulation material is applied. The morphological of electrical tree and SHF PD signals are detected synchronously during the growth of electrical tree at different temperatures and voltages. The effects of voltage and temperature on the growth of electrical tree and SHF PD signals are analyzed and the characteristic correlation between the morphological of electrical tree and SHF PD signals in XLPE is studied. The results indicate that there is a positive correlation between the length and width of electrical tree in XLPE and temperature or voltage. The fractal dimension is usually lower at a lower voltage while it is not significantly changed with higher voltage. There is also a positive correlation between SHF PD signal amplitudes and temperature or voltage. Higher voltage leads to the trend that the amplitude of SHF signal increase firstly and then decreases to a plateau. The frequency of the signal decreases to a certain extent at a lower voltage. A positive correlation between the growth of electrical tree and the amplitude of SHF PD signals is acquired. The frequency of SHF signals also increases with a faster speed of the growth of electrical tree.
交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆在运行过程中,绝缘层中电树枝的引发和生长会导致材料老化和介电性能下降,是引起故障的重要原因[
目前国内外对影响电树枝生长因素的研究包括空间电荷、实验温度、外施电压和材料结构等。李光道等[
PD的检测方法众多,电缆运行环境中往往包含大量电磁干扰,检测方法需要有较强抗干扰能力。PD产生过程中伴随空间电荷的迁移,绝缘材料中存在结构陷阱,电荷入陷过程会产生能量,部分能量以高频电磁波形式向外辐射。材料绝缘强度越大,内部所产生PD的脉冲信号上升时间会越短,从傅里叶变换可知,非周期单脉冲信号的频谱是连续谱,脉冲上升时间越短,宽度越窄,包含的高频谐波成分越多。日本Hiroki Shibata等人研究发现变压器油中PD信号可达10 GHz[
文中采用基于针-板电极结构和XLPE材料的绝缘缺陷试样,在不同温度和电压下,对电树枝生长过程中的形态和SHF局部放电信号进行同步检测,分析电压和温度变化对电树枝生长与SHF PD信号的影响,研究XLPE绝缘材料电树枝生长过程中形态与SHF局部放电信号的特征关系。
文中所用XLPE型号为4258,针-板电极缺陷样品的具体制作过程为:将颗粒状XLPE放入烘箱内,抽真空后温度设70 ℃,保持加热7~8 h,放置20~24 h以去除水分;在转矩流变仪中混料后置于压片机中,模具尺寸为120 mm×120 mm×5 mm,温度设为105 ℃,逐渐加压,待压力为20 MPa时,升温至180 ℃并维持15 min,待样品冷却后取出,打磨平整后切割成40 mm×20 mm×5 mm规格。再利用细砂纸,将直径1 mm,长度35 mm的锰钢针针尖的曲率半径打磨至5 μm左右(用显微镜和观察测量),擦拭干净后利用气动插针装置,将锰钢针依次插入样片中,针尖距离样片底部3 mm。最后放入90 ℃的真空烘箱内保持加热7~8 h,并放置20~24 h后取出,以消除插针过程中在样片中产生的机械应力。样品示意如
电树枝样品示意
Schematic of electric tree sample
实验样片固定在接地铝板上,铝板电极平放在方形容器中,铝板、容器外壳和地保证有效电连接,构成针-板电极系统,针上部插入带孔导电铜球,实现有效电连接(具有均压作用),如
针-板电极结构
Structure of needle-plate electrode
实验过程中为清晰判断电树枝形态随时间的生长状况,需进行实时观测。文中用光源、带有显微镜头的CCD工业相机如
显微镜系统
Microscope system
电树枝实时观测系统
Electric tree real-time observation system
SHF检测法是利用高频传感器采集局部放电信号中辐射出来的SHF电磁波信号[
SHF局部放电测试系统
SHF partial discharge test system
基于
局部放电的SHF信号属微小信号,需低噪声运算放大器对信号进行放大,同时天线对干扰信号存在一定衰减幅度不够,且考虑放大器的噪声干扰,需添加截止频率3 GHz以上的滤波器,对环境干扰和放大器噪声进行衰减。考虑到滤波器的增益曲线在截止频率处呈非阶跃变化,而呈一定斜率变化,固选择截止频率稍高于3 GHz的无源滤波器。综合上述因素,选择带宽50~6 GHz射频低噪声放大器,其在4~5 GHz频率下增益约20 dB;选择带宽为4.25~10 GHz的无源滤波器。
所用示波器带宽8 GHz、采样率20 GS/s,有4个模拟通道且每通道配备50 Mpts存储器。天线用绝缘膜严密包裹,并用绝缘胶带密封,再将天线伸入槽内,待油灌满后用绝缘胶带固定在距离样品5 cm处,避免流动的绝缘油晃动天线。
通常绝缘为4.5 mm电缆的额定电压为10 kV(电缆中均方根平均电场约为2.22 kV/mm),文中样品模拟电缆中金属毛刺缺陷,电极间距3 mm,且由于针板电极相对集中,故实验电压设为7 kV。此外,考虑到聚乙烯电缆的正常工作温度为70 ℃,允许的工作温度不得超过90 ℃[
软件采集的电树枝实时照片需要进行信息提取。由于电树枝形状具有极强的随机性,一般采用“分形维数”来描述电树枝生长特性。文中使用盒记数法计算分形维数,利用线段、圆形或者正方形等图形去近似表示分形图形[
盒记数法示意
Schematic diagram of box notation
首先需要对电树枝图像进行灰度调整、模式识别、特征测试或频谱分析等处理,将图像的中心区域提取出来,并通过Labview软件对提取的图像进行滤波灰黑二值化处理,转变为黑白位图。改变方盒边长
结合分形维数与电树枝形态特征,枝状电树枝的分形维数一般小于1.45,丛状电树枝的分形维数一般大于1.65,而混合状电树枝的分形维数介于[1.45, 1.65]之间。在电树枝生长过程中分形维数都会随着时间而变化,电树枝停滞生长时分形维数趋于稳定[
局部放电特征量的提取和检测方法有关,脉冲电流法以视在放电量(单位pC)和相位等作为特征量[
文中检测的PD信号在3 GHz以上,且不需放电模式识别,结合使用检测系统和SHF信号的产生机理,以放电信号的SHF频段频率和幅值作为放电提取的特征量。以70 ℃,7 kV下XLPE样品某次SHF局部放电信号为例,波形如
SHF局部放电信号波形
SHF partial discharge signal
通过显微镜观测得到在施加电压7 kV,不同温度下电树枝的最终发展情况如
不同温度下电树枝的最终发展情况
The final development of electric tree branches at different temperatures
不同温度电树枝特征量随时间变化
Electrical tree feature quantity changes with time at different temperature
由
经采集和结果筛选统计,不同温度下SHF局部放电信号的特征量参数如
不同温度SHF局放信号特征量随时间变化
SHF PD feature quantity changes with time at different temperature
不同温度下PD信号幅值和频率的平均值如
不同温度SHF PD信号特征量平均值
SHF PD feature quantity average value at different temperature
温度/℃ | 放电信号幅值/mV | 脉冲频率/GHz |
50 | 117.29 | 4.13 |
70 | 143.19 | 4.35 |
90 | 292.16 | 4.38 |
根据
通过显微镜观测得到在70℃,不同电压下电树枝的最终发展情况如
不同电压下电树枝的最终发展情况
The final development of electric tree branches at different voltages
不同电压电树枝特征量随时间变化
Electrical tree feature quantity changes with time under different voltages
结合
经采集和结果筛选统计,温度70 ℃,不同电压下SHF局部放电信号特征量变化如
不同电压SHF PD信号特征量随时间变化
SHF PD feature quantity changes with time under different voltages
不同电压下PD信号幅值和频率的平均值如
不同电压SHF PD信号特征量平均值
SHF PD feature quantity average value under different voltages
电压/kV | 放电信号幅值/mV | 脉冲频率/GHz |
5 | 31.06 | 4.03 |
7 | 143.19 | 4.35 |
9 | 310.11 | 4.50 |
对比
有研究表明,外施电场越强,电荷注入越多[
文中对局部放电的研究着重于温度和电压的影响对其SHF信号幅值和频率影响。从数学角度分析,SHF信号是非周期脉冲,其频谱为全频域的连续谱,脉冲越窄,d
式中:
由式(2)可知,天线接收的辐射强度和电流幅值成正比。由文中实验可知,电流幅值和电荷量及移动速度呈正相关。温度升高会激发更多热电子,电荷注入浓度升高,主要增大了PD产生过程中的迁移电荷量,
SHF信号的频率随温度和电压变化趋势尽管不十分明显,但从式(2)中辐射信号的角频率
根据不同条件下实验结果,温度和电压的升高都会促进电荷的注入,增加电荷量和电荷的移动速度,从而增大PD的SHF信号幅值,也促使电树枝的延伸,长宽增加。对于XLPE绝缘材料而言,随着加压时间的延长,针尖附件的材料逐渐老化,随着电树的生长,更多的XLPE分子链被打断,断裂而形成H·和·CH3游离自由基,游离自由基的积聚会促进空间电荷的积累[
文中对XLPE绝缘材料在不同温度和电压下进行电树枝和SHF局部放电实验,通过电树枝形态实时监测系统和SHF局部放电检测系统,对电树枝生长过程中形态变化与SHF局部放电信号进行监测和采集,经处理获得电树枝长度、宽度和分形维数及SHF信号的幅值和频率,综合分析温度与电压的影响和二者的特征关系,得到如下结论:
(1) 相同电压下,温度升高,电树枝的长度、宽度呈现上升趋势,分形维数变化较小;温度较高时SHF局部放电信号的幅值增加较明显,频率变化较小;
(2) 相同温度下,电压升高,电树枝的长度、宽度增加,电压越高增加越明显,电压较低时分形维数较小;SHF局部放电信号的幅值随电压升高显著增加,且温度越高增加幅度越大;
(3) 电树枝生长的长度、宽度与SHF局部放电信号的幅值呈正相关关系,且电树枝生长速度较快时SHF信号的频率也有所提升。
通过上述研究发现用SHF法检测XLPE绝缘中电树枝引发和生长过程中的PD信号有较高的灵敏度,同时由于所测频段高,能够避开常见电磁干扰,有望成为XLPE绝缘电力电缆PD在线监测的一种有效技术。
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