昆明理工大学科研团队提出电缆内部多形态间歇性的电弧故障模型

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10kV配电网系统中广泛使用的地下电力电缆具有金属护层的多层绝缘结构，且其金属护层通常经过接地极直接接地。当电缆出现局部绝缘缺陷时，会由线芯→主绝缘层→金属护层（地）→填充层→铠装层→外绝缘护套→敷设环境（空气/土壤）→大地的路径逐步击穿，并伴随弧光放电现象。

然而，电缆的多层绝缘介质劣化并非一蹴而就，是一个逐步演变的自然过程，加之我国配电网采用小电流接地系统，故障电流大小一般仅为数安培，导致上述多层绝缘介质不容易一次性完全对地击穿，因此电缆往往容易先于对地击穿前，就通过最短接地路径，即线芯至金属护层（地），长期性地形成内部间歇性电弧故障。作为介于局部放电和永久性故障之间的一种常见初期故障形态，电缆间歇性电弧具有故障电气量幅值相对较高、故障波形畸变特征明显的特点，是极具研究价值并应重点关注的一种预警性故障类别。

当前研究中，借助电弧模型产生独特外特性故障波形是绝大部分电弧检测方法设计的关键。电缆电弧模型历经多年发展取得了丰硕的研究进展，包括原始的方波电弧模型，经典的Mayr、Cassie、Schwarz及其改进电弧模型，控制论电弧模型，以及近年来新发展的磁流体动力学模型、分段线性电弧模型、复奇频电压源模型等。

上述模型从不同适用角度精细化了电缆电弧的模拟方式，但从各模型所模拟的结果来看，现有模型电弧波形特征均为：电弧电压以近似方波持续数个工频周期、电弧电流存在明显的周期性零休现象。该普遍存在于交流系统中的电弧波形特征在电缆弧光对地击穿电弧故障的研究中得到了广泛应用，但该典型特征波形来源于主体产生在空气中的电弧，而形成于电缆绝缘介质中的内部电弧是否具有与空气电弧相同的波形特征，现有文献还尚未见报道，需要展开进一步的讨论。

事实上，电缆内部电弧与弧光对地击穿电弧存在诸多不同：电缆内部电弧比弧光对地击穿电弧更早出现；燃弧路径由电缆绝缘介质所包裹，不受外界环境的影响；燃弧空间密闭、燃弧路径短。这些区别因素决定了电缆内部电弧应当具有与弧光对地击穿电弧不同的特性，同时也影响着电弧故障电压的波形形状及其相应模型的构建。

电缆电弧模型需建立于真实的电弧故障波形之上，但在实际配电网中，故障录波装置一般仅装设在变电站内，所采集到的故障波形通常已经由未知长度的线路或电力设备衰减，发生了严重的畸变，无法真实反映电弧故障的本质特征，因此通过实验获取电缆内部电弧故障波形是建模的最佳途径。

昆明理工大学电力工程学院的李露露、李永培、周新月、杨宗云、王开正，在2022年第23期《电工技术学报》上撰文，以我国配电网中广泛使用的10kV交联聚乙烯电缆为研究对象，通过实验分析发现，电缆内部电弧与常规弧光对地击穿电弧波形存在明显差异，并在其发展过程中呈现出多种波形形态。

图1  电缆内部电弧高压实验原理图

研究人员通过梳理总结电缆内部间歇性电弧在随机演变中的共性，将其归结出振荡间歇性电弧、稳态间歇性电弧、半稳态间歇性电弧三类主要形态。从帮助电缆故障分析的外特性重现角度，以黑箱建模思路分别基于高斯随机脉冲、弧隙能量平衡理论和占比控制，构建出三类主要电弧形态的控制模型，并根据实验样本数据统计出各模型控制参数的分布范围。

该模型利用PSCAD仿真软件得到实现，与实验波形的对比表明，多形态电弧模型能有效模拟出三类间歇性电弧的主要特征。研究人员指出，电缆内部电弧的独特波形特征为：电弧以间歇性形态在1/4工频周期附近完成一次独立起弧-灭弧过程，电弧电流不存在周期性零休现象，且故障波形随机呈现振荡、稳态、半稳态三类主要形态。

研究人员发现，电弧模型模拟的电弧振荡冲击过程、稳态弧形跌落过程精确度较高，平均模拟误差小于5%，振荡间隔的平均简化处理不影响其主要外特性的呈现。该多形态间歇性电弧的发掘丰富了电缆电弧的随机多样性，为电缆初期故障分析提供了新的模型基础。

他们最后表示，后续工作将针对电缆内部电弧的起弧点、持续时间、波形形态与电缆XLPE局部劣化状态的内部对应机理展开进一步研究。

本文编自2022年第23期《电工技术学报》，论文标题为“10kV交联聚乙烯电缆内部多形态间歇性电弧故障建模”。本课题得到国家自然科学基金项目、云南省基础研究计划和云南省人培项目的支持。

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