电力光缆局部放电影响因素分析

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  摘 要 本文分析了电力光缆局放的产生原因及影响因素,通过实验得出影响电力光缆局放的主要因素是:基于构成光缆的光纤与护套材料的合理匹配,同时也指出了光缆套塑及后期加工对光缆局放有一定影响。
  关键词 高压直流输电;电力光缆;局放;放电
  中图分类号:TM855 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)23-0066-02
  区别于一般光缆(如医用光缆、装饰光缆、照明光缆等),电力光缆需同时具备良好的光学和电学特性,近几年广泛应用于高压直流输电、变频技术、无功静态补偿及电力拖动等领域。电力光缆的主要电学性能包括:耐压性能 、介电强度、体积电阻率、局放特性。护套材料基本决定了光缆的耐压性能、介电强度、体积电阻率及其它理化特性,包括阻燃特性,见表1,但不能决定局放特性。
  电力光缆的局放特性一般取决于光缆的安装系统,避开工作环境中高压场强分布不均而导致局放过强或不均的因素外,具体涉及到装配光缆的光缆槽、光缆自身护套、光缆内部光纤及其结构匹配等。
  因光缆在高压电场下局部放电易产生紫外和Χ射线而使护套表面受冲击和辐照,导致护套损坏,绝缘性能下降,严重情况会造成护套击穿,甚至产生火灾,直接影响电力系统的可靠运行与安全,故必须严格控制光缆的局放值,重视和关注高压电场强下的光缆局部放电现象,为此,本文对电力光缆局放的影响因素作了初步探讨。
  1 电力光缆局放原因
  一般情况局放产生的主要原因有两点:①绝缘体内存在气泡或表面有油膜,因油或空气的介电常数低,在高压场强下比固体介质承受更高的场强,气体的击穿强度低于固体的击穿强度,当电压高到一定值时,会造成空气的局部击穿,产生放电;②在导体(电极)边缘处,由于电极边缘电场较集中,边缘处电场强度特别高而击穿空气产生放电。
  根据以上分析,由电力光缆的结构(见图1)可知光缆局放的影响因素与以下几点有关:①内部光纤;②光缆护套;③端头胶粘部位气孔;④护套内部空气。电力光缆的胶粘剂通常为导电型,则光缆自身局放的影响仅涉及护套、光纤与空气三个因素。考虑光缆装配于光缆槽中,若光缆槽、空气与光缆护套间,光缆护套、空气与内部光纤之间绝缘等级相差大,那么在直流高压场强下,三者之间存在电位差大而出现放电现象,并存在2种放电可能:一种可能是光缆与光缆槽间的放电,一种放电是光缆内部的放电。
  2 局放影响因素分析
  光缆槽的设计一般会考虑到光缆电导率的不均而采取均压设计,主要方法是在光缆槽的内外部涂半导体漆(均压漆),这里不具体阐述。本文着重分析光缆自身局放的影响因素,具体涉及构成光缆的护套、光纤以及为光缆护套、光纤及空气三者的介电匹配。
  1)分析方法。
  局放是一种复杂的物理现象,通过多种表征参数才能全面的描绘其状态,目前行业内用视在放电电荷来表征,即在绝缘体上施加电压的两端出现的最稳定及最大脉冲电荷作为该绝缘体试品的局放值。本文分析方法为通过对构成光缆的护套、光纤、以及两者匹配而成的光缆进行局放表征,根据测得局放值的情况,分析光缆局放的主要影响因素。
  又因实际应用中,在外施电压的作用下,绝缘介质内部及表面会出现空间电荷与表面电荷,特别是在直流特高压输电系统,极高场强使电荷积聚变得更加严重,电荷的聚集使原有Lapalce电场发生畸变,导致局部电场加强,使材料局部放电,而这种电荷积聚会在绝缘体表面形成表面电位,故可通过模拟电力光缆实际应用环境(直流电压场强下),测量光缆表面电位从而达到验证电力光缆在实际应用中的局放情况。
  ①测试方法。
  取一定长度(10 cm)的光纤或光缆样品装配在测试工装上,在交流工频电压下,测量样品表面局放,操作示意图见图2。具体操作步骤及参数参照“西门子局放测试标准”,如下:瞬时电压40 kV(250-2500us),保持1 min,降至21 kV,保持
  9 min,在下1 min内测试局放值,见图3。
  ②测试条件与样品。
  温度:16℃-23℃,湿度:62%-66%。
  样品:光纤、空心护套管、及光缆,长度:10 cm。光纤直径:1#丝-5#丝为多芯多组分玻璃光纤,单丝直径50um,各自总通光径分别为1.1 mm;6#丝:石英双包层单芯光纤,单丝直径280um。1#丝-6#丝除单芯、多芯差异外,最大区别在于多组分玻璃材质中影响折射率的金属氧化物含量不同或光纤表面处理不同。空心护套管直径:2.3 mm;光缆直径:1#丝-5#丝构成的光缆外径为2.3 mm,6#丝构成的光缆外径为1.6 mm。
  ③测试数据。
  不同光纤丝局放情况:
  2)试验分析与讨论。
  由以上测试数据可以得出:①不同材料配方的光纤丝在工频电压下的局放情况不同,且光纤材质一致,但光纤表面处理不同,局放情况也不尽相同,如1#丝与5#丝。②不同材质的护套管在工频电压下的局放情况不同。③光缆局放不仅限于光纤和护套材料的特性,更重要的是两者之间合理匹配,如2#丝单独局放值低,与hytrel匹配后局放值低,但与ETFE匹配后,局放值变高。
  根据测试结果,得出匹配较好的电力光缆见表5。
  3)模拟验证。
  为进一步验证合理匹配的电力光缆其局放适用于高压直流输电,可模拟光缆在实际应用中环境(主要是高压场强影响),并测试其光缆表面电位,具体方法如下:
  ①测试方法:先对光缆样品消除静电至0-0.02 kV,消除静电的光缆样品按下图施加直流电压70 kV,保持1min,直接用非接触式静电测试仪(型号:fmx-03)测量光缆表面电位。操作示意图见图2。②实验条件:温度:16℃-25℃,湿度:62%-66%,样品长度:20 m,光缆外径:2.3 mm,光纤通光径:1.1 mm。注:以下数据仅对本次条件下的测试负责。
  根据空气击穿电压3 kV /mm,在直流电压70 kV的场强下,由本实验光缆结构得光缆表面电位绝对值应控制在≤5.4 kV,表6所列电力光缆样品可符合实际应用要求。合理匹配的电力光缆成功应用案例:ETFE+5#丝光缆已成功应用于葛南±500 kV高压直流输电改造工程中。
  4 结束语
  综上所述,电力光缆局放的主要影响因素是:基于构成光缆的光纤与护套材料的合理匹配。但在实际应用中,也不能忽视光缆套塑质量及制品后期加工质量的影响,表现在两方面:1)套塑时,光缆外观鼓包、光缆内部抛丝、断丝、灰尘等,易造成光缆电导率的不均;2)光缆端头的制作时,光纤浸胶应充分,避免孔洞和杂质,选用的端套应避免毛刺,胶粘剂采用导电型。
  参考文献
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