作者特稿｜直流交联聚乙烯电缆泄漏电流试验特性研究
黄光磊 李喆 杨丰源 盛戈皞 江秀臣
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180075
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导语
泄漏电流是表征交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘性能的重要参量，一般在对电缆进行直流耐压试验时进行测量。然而有关直流电缆泄漏电流的特性，特别是关于XLPE电缆典型缺陷泄漏电流的规律特征探索仍不充分。本文基于XLPE电缆实际运行中常见的缺陷类型设计并制作了电缆缺陷模型，通过对绝缘中的电场和电导率分布进行了仿真分析，采用阶梯升压法在直流电压下进行泄漏电流试验，讨论了稳态泄漏电流与电压关系并分析了泄漏电流-时间曲线波形特征。
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研究背景
电力电缆在出厂和交接时需要进行相关的例行试验和电气试验，以检验设备绝缘中是否存在缺陷或损伤，其中，泄漏电流是一项重要的检测项目，GB/50150-2016中对交联电缆进行直流耐压试验和泄漏电流测量作出了一般性规定。然而，相比交流电场下的电缆，直流电场下电缆的泄漏电流规律特征目前国内的研究极少。如何利用泄漏电流数据检测直流电缆中潜伏的绝缘缺陷，合理评估电缆的绝缘状态，是保障直流电缆安全稳定运行亟待解决的重大技术问题，具有重要的实际意义。
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论文所解决的问题及意义
本文通过理论分析与试验测试相结合的技术途径深入研究直流电缆绝缘缺陷的泄漏电流机理性特征，分析泄漏电流幅值、波形特征变化规律与绝缘缺陷的相关性，作为实现对直流电缆状态进行有效判断的基础。
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论文的方法及创新点
基于XLPE电缆实际运行中常见的缺陷类型，使用YJV-120mm2电缆，设计并制作了绝缘内部气隙、主绝缘外表面划伤、导体毛刺、外半导电层残留4种绝缘缺陷模型，并使用Comsol Multiphysics软件研究了各类缺陷绝缘中的电场分布。为量化不同绝缘缺陷下电场分布特征差异，作出各类缺陷沿缺陷、非缺陷径向的电场、电导率分布如图1所示。
（a）绝缘表面划伤
（b）导体毛刺
（c）绝缘内部气隙
（d）外半导电层残留
图1 直流下含缺陷XLPE电缆电场与电导率分布
由图1可知畸变主要发生在缺陷处。划伤缺陷如图1a所示，绝缘内部电场与电导率在靠近外半导电层处发生畸变；导体毛刺缺陷如图1b所示，由于导体与绝缘内的电场与电导率差异较大，只给出了缺陷尖端至绝缘外表面的电场与电导率分布，可以看到绝缘内部电场与电导率在靠近毛刺尖端处的畸变严重；绝缘内部气隙如图1c所示，电场强度与电导率在气隙周围及内部发生畸变；外半导电层残留如图1d所示，电场强度与电导率畸变不明显。
搭建了高压直流电缆泄漏电流实验平台，在阶跃电压下对各类缺陷模型进行泄漏电流实验，研究了XLPE电缆绝缘缺陷下泄漏电流的稳态泄漏电流与电压关系，并基于小波包能量分析了泄漏电流的波形特征。
以外施电压500s后所检测到泄漏电流数据的平均值作为对应电压下泄漏电流的稳态值，以此得到的泄漏电流-电压对比关系如图2所示。图2中散点为试验所获取的实际数据，各点对应的横坐标为外施电压值，纵坐标为对应电压下的泄漏电流稳态值，实线为根据试验数据拟合所得到的曲线。
图2 典型缺陷电缆稳态泄漏电流-电压曲线
交流聚乙烯电缆在外施直流电压下的泄漏电流会出现波动现象，然而不同缺陷电缆的泄漏电流波动特征不明显。为分析不同缺陷下XLPE电缆泄漏电流的波形特征，本文基于小波包理论对泄漏电流进行多时间尺度波形特征分析。对典型绝缘缺陷在不同电压下试验获取的泄漏电流数据使用db5小波函数进行3层小波包分解，得到各缺陷节点能量平均值如图3所示。
图3 各类型缺陷泄漏电流节点能量平均值
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结论
本文对4种XLPE电缆缺陷模型在直流电压下进行了仿真与泄漏电流实验研究，得出如下结论：
1）导体毛刺缺陷电导率与电场畸变最严重，划伤缺陷与气隙缺陷畸变程度一般，外半导电层残留缺陷畸变最小。
2）导体毛刺缺陷泄漏电流随电压上升的非线性程度最大，气隙缺陷和外半导电层残留缺陷非线性程度较小，划痕缺陷非线性程度最小。
3）主绝缘表面划伤缺陷泄漏电流波动程度明显大于其他缺陷，划伤缺陷和导体毛刺缺陷在电压升至一定大小后其泄漏电流波动程度有所下降。
4）对泄漏电流进行小波包分解并提取各频带信号能量，不同缺陷的节点能量存在一定差异，可作为特征提取和分类的依据。
本文关于直流XLPE电缆泄漏电流的相关研究为实验室的条件中进行，如何在现场实际中应用仍需要在后续深入研究。
黄光磊, 李喆, 杨丰源, 盛戈皞, 江秀臣. 直流交联聚乙烯电缆泄漏电流试验特性研究[J]. 电工技术学报, 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.
团队介绍
江秀臣
上海交通大学电气工程系教授，博士生导师，国家能源智能电网（上海）研发中心主任，上海交通大学信息技术与电气工程研究院副院长，国家科技部863智能电网重大专项总体专家组副组长，教育部科学技术委员会能源与交通学部委员，国际能源署智能电网行动联盟（ISGAN）中国联络办公室主任，教育部新世纪优秀人才，长期从事输变电设备状态监测与高电压技术的研究。研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖4项。
盛戈皞
上海交通大学电气工程系教授，博士生导师，智能输配电研究所副所长，主要从事电力设备状态监测与故障诊断、电力大数据分析等方面的研究工作。主持国家自然科学基金2项目、973、863及国家重点研发计划项目等子课题4项、上海市科技攻关项目2项及多项电网公司项目。在国内外重要学术刊物发表SCI/EI收录论文120余篇，其中SCI收录40篇，出版专著和教材各1部，授权发明专利40余项。研究成果获省部级科学技术奖一等奖3项，二等奖4项，上海交通大学晨星青年学者奖励计划优秀青年教师一等奖。
上海交通大学智能输配电研究所依托国家能源智能电网（上海）研发中心，目前拥有教授3人，副教授3人，讲师6人，专职科研人员及研究生60余人，长期致力于电力设备状态检测与故障诊断的基础理论研究及高新技术产品开发。近年来，在相关领域承担国家自然科学基金项目11项，973、863、国家重点研发计划、国际合作项目等国家级科技项目10余项以及电网公司重点科技项目数十项，多次参与撰写行业和电网公司相关标准和培训教材。研究成果获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖5项，其他省部级科技奖励10余项。