XLPE电缆半导电层对局部放电传播特性的影响分析

XLPE电缆半导电层对局部放电传播特性的影响分析
杜荣林;李明德;王瑞琪;黄海;赵雨晴
【摘要】In the current online monitoring method of power cable partial discharge(PD), the PD pulse propagation property is inaccurate caused by the semiconducting layer. An improved PD pulse generating circuit and a cable body model are proposed in this paper. Firstly, considering the inner semiconducting layer, the improved five-capacitance PD generating circuit was established, and the influences of the semiconducting layer's resistivity, relative permittivity and thickness on PD pulse rising edge were studied. Secondly, the inner semiconducting layer was divided into an equivalent conductor layer and an equivalent insulation layer, and the virtual layer is added to the both sides of the equivalent layer. The single-phase 500 kV XLPE cable model was set up. Finally, based on the simulation results, the influences casued by the thickness of equivalent conductor and equivalent insulation within the inner semiconducting layer on PD propagation velocity and attenuation coefficient was studied. The simulation results show that the proposed model is reasonable and can be used to obtain more accurate pulse propagation property.%目前电力电缆局部放电在线监测研究中,很少考虑半导电层导致的局部放电(PD)脉冲传播特性研究不准确的问题.研制一种改进型PD发生电路和电缆本体模型,首先,在考虑电缆内半导电层的条件下,搭建改进型五电容PD发生电路,研究内半导电层电阻率、介电常数及厚度对PD脉冲上升沿的影响;然后,把内半导电层分为等效导体层和等效绝缘层,并在等效层两边各引入虚拟层,建立电缆本体模型;最后,对单相500 kV XLPE电缆系统模型进行仿
真,研究内半导电层的等效导体厚度和等效绝缘厚度对PD传播速度和衰减系数的影响.仿真结果验证了内半导电层对PD信号具有影响,所提出的改进型PD发生电路与电缆本体模型结合之后,用于研究PD传播特性更合理,且能得到更准确的PD 脉冲传播特性.
【期刊名称】《电力科学与技术学报》
【年(卷),期】2017(032)002
【总页数】6页(P152-157)
【关键词】半导电层;局部放电;传播特性;XLPE电缆
【作者】杜荣林;李明德;王瑞琪;黄海;赵雨晴
【作者单位】长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙 410004;衡阳市产商品质量监督检验所,湖南衡阳 421001;金杯电工衡阳电缆有限公司,湖南衡阳 421001;衡阳市产商品质量监督检验所,湖南衡阳 421001;长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙 410004
【正文语种】中文
【中图分类】TM34
近几年，国内110 kV及以上电压等级的电力电缆尤其是交联聚乙烯（XLPE）电缆在电网中的用量越来越大，其可靠运行对于提高供电系统的可靠性和改进供电质量至关重要。

国内外运行经验和研究成果表明：XLPE电力电缆绝缘性能取决于其绝缘介质的树枝状老化，而局部放电测量是定量分析树枝状劣化程度的有效方法之一[1-2]。

因此，XLPE电力电缆绝缘的局部放电检测对电力系统的安全稳定运行有着重要意义。

为了更准确监测PD信号，有必要掌握其在XLPE电缆中的传播特性。

XLPE电缆
中PD信号的高频分量随着传播距离的增加会严重衰减[3]，此外，XLPE电缆的结构远比架空输电线路复杂，主要包括线芯、内外半导电层、绝缘层等，而半导电层对高频信号的传播有严重的衰减和色散作用[4]。

因此，国内外已有学者对电缆PD 传播特性进行了理论和实验研究，总结了一些规律[5-6]。

另由于仿真程序EMTP-ATP中的电缆模型未考虑XLPE电缆的半导电层，已有相关文献进行了改进研究。

文献[7]通过数学方法建立了基于Maxwell方程的电缆精确模型，但是否能在ATP 中实现还有待验证；文献[8]在电缆模型中引入新的导体层，改善了PD衰减特性，但不能调节其参数变化；文献[9-10]用等效的厚度和等效的介电常数来代替原有绝缘层的设置参数，间接考虑半导电层的参数，改善了PD传播速度，但PD的衰减特性没有改变，在高频时还不够精确。

因此，精确地建立电缆PD发生电路和本体模型，研究PD脉冲在电缆中的传播规律十分重要。

笔者首先对传统的PD三电容电路进行改进，得到PD五电容电路模型，再在ATP 仿真软件中建立500 kV单相电缆本体模型，将PD发生电路应用于电缆本体模型中。

最后通过实验验证可知，该模型能够更精确地得到单相高压XLPE电缆中PD
传播规律。

常规的工频电缆模型极少考虑内外半导电屏蔽层对信号传输的影响，而该文对存在微孔缺陷的XLPE电缆主绝缘进行PD发生电路建模，考虑了半导电层这个重要因素。

为研究方便，暂只考虑内半导电层。

文献[11]已提出 PD发生电路基准模型，即根据存在微孔的主绝缘建立集中参数三电容电路模型，如图 1所示，其中，PD源为电缆绝缘中的 1个微孔，参数 Cc表示微孔的等效电容，Rc为相应的等效电阻；Cs表示包含微孔部分的正常绝缘等效电容，Rs表示相应的绝缘电阻；Cp表示除微孔区域之外的电缆绝缘等效电容，
Rp表示相应的绝缘电阻。

当微孔上的电压超过击穿电压时，发生局部放电，即图
中开关闭合；电压低于剩余电压时，放电消失，即开关断开。

对PD三电容模型进行改进，在电缆线芯和主绝缘之间加上内半导电层，得到PD
五电容模型，如图2所示。

用2个RC电路表示内半导电层；Rpl表示电缆主绝缘正常区域下半导电层等效电阻，Cpl表示相应等效电容；Rsl表示电缆主绝缘存在微孔情况下半导电层等效电阻，Csl表示相应等效电容。

图2中新的参数关系式为
其中，参数a′、a、oε、rε、s、dc及l分别为内半导电层外半径和内半径、真空
介电常数、相对介电常数、电阻率、微孔的直径及电缆长度。

根据改进PD脉冲发生电路模型来研究内半导电层的各种参数（厚度、电阻率及介电常数）对PD首脉冲上升沿的影响。

为此，假设PD脉冲是由该电缆主绝缘中一个球形微孔产生，该微孔直径为1 mm，位于绝缘层的正中间，绝缘厚度设为40.75 mm。

通过ATP仿真得出内半导电层不同参数对PD电流首脉冲上升沿的影响，并与传
统无半导体层的PD三电容电路作比较，得到PD电流脉冲上升沿时域波形，如图3～5所示。

图3表示内半导电层厚度分别为2.2、2.4、2.6 mm时PD信号时域
特性，可以看出，随着厚度的增加 PD脉冲上升时间略微降低，而PD脉冲幅值并没有变化；图4表示内半导电层厚度为2.6 mm不变，在电阻率分别为1、10-3、10-6Ω.m时PD信号的时域特性，可以看出，随着内半导电层电阻率的增加，其
对PD信号上升沿影响越来越小；图 5表示半导电层相对介电常数rε变化时PD
信号的时域特性，可以看出，随着相对介电常数增大，其对PD信号上升沿影响同样减小，在εr=100时内半导电层的影响可忽略不计。

综合以上分析，说明半导电层的各种参数对PD首脉冲上升沿具有一定的影响，因此，由PD五电容电路产生的PD脉冲相比于PD三电容电路更适合用到电缆本体模型中，用于研究PD信号在电缆中的传播情况。

为了建立合理的可用于研究PD脉冲传播特性的电缆本体模型，文献[8]已提出半
导电层可以由导体和绝缘体相结合，如图6所示。

因此，根据半导电层建模的思想，得到包含内半导电层的电缆本体理论模型，如图7所示，半导电层等效为等
效导体和等效绝缘。

然而，ATP仿真软件不能定义2个连续的绝缘层，即不存在
主绝缘和等效绝缘相邻，且线芯和等效导体也不可并联，因此，笔者提出更实用的电缆本体模型，即分别在等效绝缘和等效导体层两边添加虚拟导体和虚拟绝缘层，如图8所示。

在该改进电缆本体模型中，半导电层的已知参数有厚度、电阻率及介电常数，未知参数有4个，即“虚拟导体”、“等效绝缘”、“等效导体”及“虚拟绝缘”的
厚度。

其中，虚拟层的厚度在ATP仿真中都设定为最小有效值，它们主要作用是
分离2个介质，因此仅需要得到合适的等效绝缘和等效导体层厚度。

现以YJV03-290/500 kV-1×2 500 mm2电缆为例建立电缆本体模型，其参数：
线芯半径为30.45 mm，电阻率为1.75× 10-8Ω.m，主绝缘外半径为 71.15 mm，金属护层外半径为 4.80 mm，护层电阻率为2.83× 10-8Ω.m，外护套外半径为81.61 mm，XLPE主绝缘介电常数为2.3，PVC外护套介电常数为4.0。

由图8中改进电缆本体模型结构可知，若能得到适当的等效导体和等效绝缘厚度，便能建立精确的电缆本体模型。

为此，该文与文献[7]中的电缆本体精确数学模型
作比较，且选择单相500 kVXLPE电缆为仿真样本，其内半导电层厚度是2.6 mm，设定内半导体电阻率为1 Ω.m，介电常数为100，进行相关仿真研究。

如图9所示，应用改进PD脉冲发生电路于1 km长电缆模型中间的主绝缘位置，两边各500 m，由PD发生电路作为局放脉冲源。

电缆内半导电层厚度已确定，2种等效层厚度与内半导电层厚度一致，分别为2.2、2.4、2.6 mm，研究PD脉冲在电缆
中的传播特性。

根据3种等效导体厚度情况，仿真得到PD脉冲的传播速度和衰减系数的频域特性，
并与文献[7]中电缆精确模型作比较，结果如图 10、11所示，可以看出，当等效导体厚度为2.6 mm时，改进电缆模型和文献[7]精确数学模型中的PD脉冲传播速度和衰减系数都具有最大相近性，则最适合的等效导体厚度为2.6 mm。

根据3种等效绝缘厚度情况，对PD脉冲的传播速度、衰减情况进行比较，同时与文献[7]中精确模型作比较，结果显示在图12、13中，可以看出，当等效绝缘厚度为2.2 mm时，2种模型所得脉冲传播速度和衰减系数同时具有最大相近性，则最适合的等效绝缘厚度为2.2 mm。

为了进一步了解PD脉冲在电缆中的传播规律特性，以及半导电层对PD脉冲的影响，笔者在实验室搭建500 kV单相XLPE电缆系统实验平台，并在电缆终端头处精确预制绝缘缺陷。

实验采用2段20 m长同型号电缆，电缆型号为YJV03-290/500 kV-1×2 500 mm2，其中一段为特制的不含内半导电层的电缆，另一段为包含内半导电层的电缆，对其进行PD特性实验测试，实验设备如图14所示。

实验分别对2段电缆升压至可激发出PD缺陷的电压值，并采用高频电流传感器测量PD脉冲，得到波形如图15所示，由实验波形可得，在PD脉冲传播特性研究中，内半导电层的存在会降低PD脉冲的幅值，延迟其上升时间，因此有必要考虑半导电层的影响。

笔者通过改进局放脉冲发生电路和电缆本体模型，研究了XLPE电缆半导电层对PD传播特性的影响。

对 PD产生而言，表示内半导电层的 RC电路被增加到三电容模型中得到五电容模型，得出内半导电层相关参数对PD首脉冲的上升沿具有一定影响；对PD信号传播而言，电缆本体模型中内半导电层可以等效为合适厚度的等效导体和等效绝缘。

结果显示，该文中500 kV电缆内半导电层厚度为2.6 mm 时，其等效导体和等效绝缘最适合厚度分别为2.6、2.2 mm。

【相关文献】
[1]Nikolajevic S V, Stojanovic B B . The influence of water in XLPE cable conductor on XLPE insulation breakdown voltage and partial discharge[J]. IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 1996, 2(2): 604-607.
[2]罗俊华, 马翠姣, 邱毓昌. XLPE 电力电缆局部放电的在线检测[J]. 高电压技术, 1999, 25(4): 32-34.LUO Jun-hua, MA Cui-jiao, QIU Yu-chang. On-line partial discharge detection in XLPE cables[J]. High Voltage Engineering, 1999, 25(4): 32-34.
[3]Guo J J, Zhang L L, Boggs S, et al. High frequency attenuation in transmission class solid dielectric cable[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(4):1 713-1 719.
[4]Shu E W, Boggs S. Dispersion and PD detection in shielded power cable[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2008, 24(1): 25-29.
[5]陈璐, 姚林朋, 钱勇, 等. XLPE 电缆中间接头局部放电电磁波特性仿真分析[J]. 高压电器, 2010, 46(10):27-31.CHEN Lu, YAO Lin-peng, QIAN Yong, et al. Simulation analysis on the characteristics of EM wave from PD in XLPE cable joints[J]. High Voltage Apparatus, 2010,46(10): 27-31.
[6]Babaee A, Shahrtash S M.Partial discharge propagation in cable withsemiconductor layer[C]. Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP),Montreal, 2012.
[7]Ametani A, Miyamoto Y, Nagaoka N.Semiconducting layer impedance and its effect on cable wave-propagation and transient characteristics[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(4):1 523-1 531.
[8]Gudmundsdottir Unnur Stella, Gustavsen Bjørn, Claus Leth Bak.F ield test and simulation of a 400 kV crossbonded cable system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011,
26(3):1 403-1 410.
[9]Gustavsen B. Panel session on data for modeling system transients insulated cables[J]. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2001, 2(2): 718-723.
[10]Gustavsen B, Martinez J A, Durbak D. Parameter determination for modeling system transients: Part II insulated cables[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2005, 20(3): 2 045-2 050.
[11]Haghjoo F, Khanahmadloo E, Shahrtash S M, Comprehensive 3-capacitors model for partial discharge in power cables, COMPEL[J]. The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 2012, 31(2): 346-368.。