塑料絕緣直流高壓電纜中空間電荷測(cè)量技術(shù)的研究

吳 瓊，朱永華，顧 金，王俏華，尹 毅

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系，上海200240;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

隨著西電東送和分布式能源技術(shù)的不斷發(fā)展，長(zhǎng)距離、大容量和短距離、交直流混合輸電方式成為兩個(gè)各自發(fā)展的方向。研究表明，在長(zhǎng)距離輸電中直流輸電技術(shù)具有較多的優(yōu)勢(shì)，因此我國(guó)的特高壓直流輸電技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展;另外風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電以及生物能發(fā)電等的分布式能源系統(tǒng)，由于其分散性、輸電電壓等級(jí)的多樣性，在其并網(wǎng)過(guò)程中，直流輸電具有靈活性，因此基于分布式能源的柔性直流輸電技術(shù)也在不斷推進(jìn)過(guò)程中。不管是特高壓直流輸電還是柔性直流輸電，直流電纜都是輸電系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵電力設(shè)備。鑒于塑料絕緣的環(huán)境友好性、維護(hù)成本低以及可以實(shí)現(xiàn)大落差敷設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際上電力技術(shù)方面的先進(jìn)國(guó)家，均在研究和開(kāi)發(fā)塑料絕緣直流電纜。

空間電荷問(wèn)題是研制高壓直流電纜塑料絕緣的難點(diǎn)之一。塑料作為高壓直流電纜的絕緣時(shí)，絕緣層中存在大量的局域態(tài)，在電場(chǎng)作用下，電荷載流子被局域態(tài)俘獲，形成絕緣內(nèi)部空間電荷集聚?？臻g電荷對(duì)絕緣材料介電強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在電場(chǎng)畸變效應(yīng)和非電場(chǎng)畸變效應(yīng)兩個(gè)方面，這兩種影響都會(huì)對(duì)聚合物的絕緣造成一定的危害，所以研制直流塑料電纜的關(guān)鍵問(wèn)題是抑制絕緣材料中的空間電荷，而作為研究基礎(chǔ)的高壓直流塑料電纜的空間電荷的測(cè)試和分析技術(shù)的研究，顯得尤其重要。

空間電荷測(cè)量通常采用非破壞性的方法，這些方法可以分為熱學(xué)方法、壓力波法和電聲脈沖法［1］三大類(lèi)。其中電聲脈沖法硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且在結(jié)構(gòu)上隔離了外施直流高壓和脈沖電壓，所以即使被測(cè)介質(zhì)擊穿時(shí)也能可靠保護(hù)信號(hào)檢測(cè)電路，防止設(shè)備受損，因此特別適用于研究強(qiáng)直流電場(chǎng)下介質(zhì)的空間電荷行為，受到不少研究者青睞。從電聲脈沖法提出至今，電聲脈沖法空間電荷測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法不斷得到改進(jìn)且日臻成熟。日本學(xué)者在電聲脈沖法空間電荷測(cè)試?yán)碚撗芯?、設(shè)備研制、信號(hào)處理及軟件開(kāi)發(fā)方面成果顯著，早在上個(gè)世紀(jì)末已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了硬件及軟件系統(tǒng)［2-5］。國(guó)內(nèi)電聲脈沖法空間電荷測(cè)試技術(shù)研究始于1990年前后，在理論研究、硬件開(kāi)發(fā)方面取得了一定成果，自主研發(fā)的設(shè)備已經(jīng)用于固體電介質(zhì)的空間電荷分布的研究中。

目前國(guó)內(nèi)電聲脈沖法的空間電荷測(cè)量設(shè)備均是針對(duì)片狀試樣，而用于同軸結(jié)構(gòu)型的電纜絕緣中的空間電荷測(cè)試系統(tǒng)未見(jiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為了能夠直接研究塑料絕緣的直流電纜中空間電荷的分布，計(jì)算電纜絕緣中的電場(chǎng)分布，在電纜設(shè)計(jì)中給出電纜工作電場(chǎng)的最直接的評(píng)估值，研究和開(kāi)發(fā)電纜空間電荷測(cè)試系統(tǒng)是迫切需要的。

本文針對(duì)電纜中空間電荷測(cè)試的特點(diǎn)，研究了電纜中空間電荷測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù);基于電聲脈沖法，開(kāi)發(fā)了電纜型空間電荷測(cè)試系統(tǒng)，并且用該系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量了電纜中的空間電荷分布。

1 基于電聲脈沖法的電纜空間電荷測(cè)試中的關(guān)鍵問(wèn)題

同軸結(jié)構(gòu)型電纜與片狀試樣絕緣中空間電荷的測(cè)試原理基本一致，但是同軸結(jié)構(gòu)型電纜絕緣中的空間電荷測(cè)試又有其特殊性，主要表現(xiàn)在不同的衰減色散特性、脈沖電場(chǎng)耦合方式以及測(cè)試電極系統(tǒng)。

1.1 衰減和色散特性

電力電纜同軸型的結(jié)構(gòu)使得聲波在絕緣層中傳播時(shí)與片狀試樣有較大的差別。根據(jù)聲波在介質(zhì)中傳播的衰減色散理論，可得由前置放大器輸出電壓信號(hào)代表的聲波衰減和色散公式［6］:

式中，r為導(dǎo)電線(xiàn)芯中心點(diǎn)到絕緣層中的徑向尺寸;U0(r，f)表示考慮聲波信號(hào)的衰減和色散時(shí)，r處由電脈沖與電荷作用產(chǎn)生的聲波傳輸至傳感器后，在傳感器上形成的電壓信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后的信號(hào)幅值;U(r，f)則是r處的電纜絕緣中的空間電荷與脈沖電場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生的聲波在不考慮信號(hào)的衰減和色散時(shí)在傳感器上形成的電壓信號(hào)，并經(jīng)前置放大器放大后的信號(hào)幅值;α(f)、β(f)分別為聲波信號(hào)在絕緣中的衰減系數(shù)和色散系數(shù);b為絕緣層外半徑。

在片狀試樣中，脈沖電場(chǎng)分布為E(x)=Upls/d，式中Upls是施加在被測(cè)試樣上的脈沖電壓，因此E(x)沿厚度d方向是均勻的。而高壓直流塑料電纜結(jié)構(gòu)為同軸圓柱形，其絕緣層為圓筒形結(jié)構(gòu)，脈沖電場(chǎng)施加在絕緣層上，其r處的脈沖形成的電場(chǎng)分布為:

式中，α為絕緣層內(nèi)半徑。

考慮線(xiàn)性介質(zhì)，U(r，f)與位置r處的空間電荷量以及脈沖電場(chǎng)成正比，在不考慮聲波信號(hào)的衰減和色散時(shí)，電纜內(nèi)外半徑處的電荷峰的大小相等，方向相反，因此內(nèi)外半徑處電荷與脈沖電場(chǎng)作用形成的聲波在傳感器上產(chǎn)生的信號(hào)并經(jīng)前置放大器放大后的值之比為:

考慮聲波在電纜絕緣中傳播時(shí)的色散和衰減，實(shí)際電纜內(nèi)外半徑處的電荷峰與脈沖電場(chǎng)作用產(chǎn)生的聲波，在傳感器上產(chǎn)生的信號(hào)并經(jīng)前置放大器放大后的值如下所示:

由式(3)和式(4)可得

所以，衰減色散系數(shù)的表達(dá)式為

式中， (a，f)、 (b，f)分別為 U0(a，f)和 U0(b，f)的相位。

因此，只要測(cè)得塑料絕緣層內(nèi)外表面處的空間電荷分布信號(hào)，就能求得被測(cè)絕緣材料對(duì)聲波的衰減和色散系數(shù)。

1.2 脈沖電場(chǎng)耦合方式

片狀試樣空間電荷測(cè)試時(shí)，脈沖電場(chǎng)是通過(guò)澆注的上電極施加;同軸型電纜絕緣層空間電荷測(cè)試時(shí)，將耦合電容及匹配裝置轉(zhuǎn)移到外部，且高壓耦合電容同軸安裝在電纜導(dǎo)電線(xiàn)芯上，這種安裝方式相比較于ABB專(zhuān)利中的安裝方式更加合理，可以保證脈沖電場(chǎng)施加在電纜絕緣層上是對(duì)稱(chēng)分布的［7］。

1.3 測(cè)試電極系統(tǒng)

圖1為高壓直流電纜空間電荷測(cè)試系統(tǒng)。電纜空間電荷測(cè)試系統(tǒng)用導(dǎo)電線(xiàn)芯和內(nèi)屏蔽層代替片狀試樣空間電荷測(cè)試系統(tǒng)中的獨(dú)立上電極系統(tǒng)。電纜絕緣層和測(cè)量系統(tǒng)的下電極鋁板處于線(xiàn)接觸狀態(tài)，即電纜絕緣在徑向上與下電極鋁板之間呈線(xiàn)接觸形式。這與國(guó)外研究人員測(cè)量電纜空間電荷時(shí)采用的面接觸類(lèi)型有所不同［8］。如圖2所示，面接觸類(lèi)型系統(tǒng)下電極形狀固定，只能測(cè)量某一特定半徑的電纜絕緣層。如果絕緣層半徑與下電極半徑相差過(guò)大，界面處會(huì)接觸不良，超聲信號(hào)在下電極和電纜絕緣層之間發(fā)生多次的折反射，導(dǎo)致信號(hào)的畸變，給數(shù)據(jù)處理和分析帶來(lái)誤差。線(xiàn)接觸方式下，通過(guò)電纜夾具的作用，可使電纜絕緣和下電極間緊密接觸，就可以確保電纜絕緣層與下電極鋁板的線(xiàn)接觸方式，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了獲得所有接觸點(diǎn)上的超聲信號(hào)，聚偏氟乙烯(PVDF)壓電傳感器被設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形。PVDF壓電傳感器的長(zhǎng)度由線(xiàn)接觸的長(zhǎng)度決定，不影響壓電傳感器變送出的電壓信號(hào)大小。

圖1 高壓直流電纜空間電荷測(cè)試用電極系統(tǒng)

圖2 面接觸型下電極

圖3 直流塑料電纜空間電荷分布測(cè)試接線(xiàn)示意圖

圖4 升溫過(guò)程中的空間電荷分布

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，先對(duì)電纜做預(yù)處理，剝除測(cè)量段部分的外屏蔽層，并剝除靠近截?cái)嗝?0 cm內(nèi)的外屏蔽層以保證外屏蔽層與截?cái)嗝嬗凶銐蜷L(zhǎng)的距離而防止在加壓過(guò)程發(fā)生沿面放電。在外屏蔽層剝除后，對(duì)電纜絕緣進(jìn)行拋光打磨，并用酒精擦拭。在安裝電纜時(shí)，通過(guò)緊固螺栓和電纜夾具確保絕緣層外表面與下電極鋁板之間的線(xiàn)接觸，同時(shí)在絕緣層與下電極之間采用硅油提高聲波與下電極間的耦合效果。

為反映直流塑料電纜在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下絕緣層中的空間電荷分布，實(shí)時(shí)測(cè)量24 h冷熱循環(huán)周期中各時(shí)間點(diǎn)處的空間電荷分布情況。24 h冷熱循環(huán)為加熱8 h后，切斷電源，使電纜冷卻，維持16 h(與實(shí)際負(fù)荷對(duì)應(yīng));如此循環(huán)往復(fù)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)電線(xiàn)芯最高溫度可能達(dá)到90℃，采用穿心變壓器的感應(yīng)原理對(duì)閉環(huán)電纜線(xiàn)路進(jìn)行加熱，使導(dǎo)電線(xiàn)芯溫度逐漸升高為90℃。測(cè)試過(guò)程需使用兩根電纜，一根電纜用于測(cè)溫，一根電纜用于測(cè)量電纜絕緣層空間電荷分布。當(dāng)兩根電纜中流過(guò)的電流相等時(shí)，溫升效應(yīng)是一致的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖4至圖7分別是電纜從室溫開(kāi)始升溫至90℃，在90℃維持4 h期間，從90℃開(kāi)始降至室溫以及在室溫時(shí)維持4 h期間的空間電荷分布。從圖4可以看出，在陰極附近積聚了較多的異極性空間電荷，由于施加的直流電場(chǎng)僅為15 kV/mm，所以由電極注入的同極性空間電荷較少［9］。在電纜升溫過(guò)程中，絕緣層中集聚的空間電荷量隨著溫度的升高而逐漸增加;圖5表明，當(dāng)導(dǎo)電線(xiàn)芯溫度穩(wěn)定在90℃時(shí)，空間電荷分布以及性質(zhì)基本不變，在陰極附近積聚了較多的異極性空間電荷;圖6是電纜從90℃開(kāi)始逐漸降溫過(guò)程中，絕緣層的空間電荷分布圖，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，原先在絕緣中積累的空間電荷量在逐漸降低，20℃時(shí)絕緣中的空間電荷量只有90℃時(shí)的1/4左右;圖7是電纜自90℃降溫至室溫后1～4 h時(shí)間內(nèi)電荷分布的變化情況，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜冷卻至室溫后，空間電荷量基本不再變化，冷卻穩(wěn)定時(shí)的空間電荷量相比較于熱循環(huán)之前的空間電荷量稍有增加。

圖5 導(dǎo)電線(xiàn)芯溫度穩(wěn)定在90℃時(shí)，不同時(shí)間點(diǎn)上的空間電荷分布

圖6 冷卻過(guò)程中的空間電荷分布圖

圖7 冷卻至室溫穩(wěn)定后不同時(shí)間點(diǎn)上空間電荷分布

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析同軸型電纜衰減色散特性、脈沖電場(chǎng)耦合方式以及測(cè)量電極系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出同軸型直流塑料電纜空間電荷測(cè)試系統(tǒng)。利用此測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了直流塑料電纜在24 h冷熱循環(huán)周期下不同時(shí)間點(diǎn)處的空間電荷分布。所研制的同軸型直流塑料電纜空間電荷系統(tǒng)，可以用于研究電纜導(dǎo)電線(xiàn)芯在不同溫度下絕緣中的空間電荷分布。本測(cè)量裝置可以為進(jìn)一步研究直流塑料電纜奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

［1］Hole.S，Ditchi.T，Lewiner.A，Non-destructive methods for space charge distribution measurements:what are the differences［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2003，10(4):670-677.

［2］Fukunaga.K ，Maeno.T.Measurement of the internal space charge distribution of an anti-electrostatic discharge polyme［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2(1):36-39.

［3］Takeda.T ，Hozumi.N ，Suzuki.H ，et al.A study of the method for evaluating dielectric materials using space charge measurement［C］∥ 1999 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena ，1999:174-177.

［4］Maeno.T，F(xiàn)ukunaga.K.High-resolution PEA charge distribution measurement syste［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3(6):754-757.

［5］Fukunaga.K.Industrial applications of space charge measurement in Japa［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，1999，15(5):6-18.

［6］Takada.T，Hozumi.N.Space charge measurements as a diagnostic tool for power cables［C］∥ Power Engineering Society Winter Meeting，IEEE，2000，1609-1614.

［7］約翰遜·K，特恩奎斯特·C.利用脈沖電聲法測(cè)量電纜中間電荷的方法和裝置［P］.中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利:CN1218555，1997.

［8］Hozumi.N ，Okamoto.T，Imajo.T.Space charge distribution measurement in a long size XLPE cable using the pulsed electroacoustic method［C］∥ Conference Record of the 1992 IEEE International Symposium on EleCtrical Insulation，1992.294-297.

［9］Chen.G，Tay.T.Y.G，A.Davies.E，et al.Electrodes and charge injection in low-density polyethylene using the pulsed electroacoustic technique［J］.IEEE Transaction on Dielectrics and electrical insulation，2001，8(6):867-873.