模型電纜空間電荷測試方法研究

朱智恩，楊黎明，郭世忠，李 棟

(南京南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學研究院)，江蘇 南京211000)

0 引言

與交流高壓輸電相比，直流高壓輸電具有易于電網(wǎng)間的互聯(lián)、較低的電能損耗以及較高的輸電容量等優(yōu)點［1］。尤其是近年來柔性直流(以下簡稱柔直)高壓輸電技術的迅速發(fā)展，越來越受到人們的關注。在國外，德國北海風電場多個柔直輸電工程已投入運行，電壓等級達到±320 kV。我國的柔直輸電技術也發(fā)展迅速，南澳±160 kV多端柔直輸電示范工程和舟山±200 kV五端柔直科技示范工程也已投入運行。另外，廈門±320 kV柔直輸電科技示范工程也在建設過程中。柔直電纜用于兩端換流站的連接，是整套柔直輸電系統(tǒng)的重要組成部分。但在柔直電纜的實際運行中，其面臨的主要問題是交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣介質(zhì)中或者XLPE絕緣和半導電屏蔽界面上的空間電荷問題。在直流高電場下，空間電荷主要由絕緣介質(zhì)內(nèi)部雜質(zhì)解離或者電極注入產(chǎn)生，并隨時間不斷積累。如果空間電荷密度足夠高，局部電場甚至可能超過絕緣介質(zhì)的擊穿場強，導致介質(zhì)破壞［2］。因此，空間電荷問題已成為制約柔直電纜系統(tǒng)向超高壓發(fā)展的主要障礙之一。

空間電荷測試技術是空間電荷研究的基礎，特別是無損測試技術的發(fā)展有力地推動了空間電荷的研究及高壓超高壓直流XLPE電力電纜的發(fā)展。無損測試方法包括電聲脈沖法(PEA法)、壓力波法(PWP法)等。其中，PEA法［3-4］是目前國內(nèi)外用于絕緣試樣空間電荷測試最廣泛的測試手段之一，如北歐化工通過PEA法研究了柔直電纜絕緣料的空間電荷特性，并開發(fā)了全球唯一商品化供應的柔直電纜絕緣料。隨著功能器件技術的進步及數(shù)據(jù)分析方法的不斷發(fā)展，人們已不滿足于通過平板試樣測試并分析絕緣介質(zhì)中的空間電荷，模型電纜、電纜空間電荷測試技術不斷出現(xiàn)。日本早在1998年和2004年分別開發(fā)了±250 kV和±500 kV直流電纜［5-6］，在開發(fā)過程中利用PEA法對模型電纜和真實電纜進行了空間電荷測試，并根據(jù)測試結(jié)果得出了有意義的信息。但空間電荷測試結(jié)果顯示，其真實電纜的空間電荷信號信噪比較低。在國內(nèi)，許多學者嘗試開發(fā)用于模型電纜的空間電荷測試系統(tǒng)［7-8］，被測電纜厚度在6 mm以下且測試方法幾乎采用PEA法。PWP法［9-10］起源于20世紀80年代，由于此方法需使用價格昂貴的脈沖激光器，系統(tǒng)成本較高，所以此方法的研究較少。

1 直流電纜絕緣電場分布

在交流電場下，電纜絕緣中的電場分布僅取決于介電常數(shù)ε，而ε與溫度和電場無關。但在直流電場下，電纜絕緣中的電場分布更為復雜，電場取決于電阻率，而電阻率與溫度和電場有關。一般在不存在空間電荷的情況下，電纜絕緣在直流電場下的電場分布可表示為:

式中:a，γ為常數(shù);θc和θs分別為絕緣內(nèi)表面和絕緣外表面的溫度;r為任意一點的絕緣半徑。

從式(1)可知，電場分布與絕緣內(nèi)外表面溫差Δθ=θc－θs存在一定的關系，且絕緣內(nèi)屏蔽處電場隨溫差的增加而減少，而絕緣外屏蔽處的電場隨溫差的增加而增加。

本文以±320 kV柔直電纜為例，顯示了其在空載(即Δθ=0，此時溫差最小)和滿載(即θc=90℃，此時Δθ最大)時的電場分布，如圖1所示。

圖1 ±320 kV柔直電纜絕緣在空載和滿載時的電場分布

由圖1可知，在空載時，電纜絕緣電場分布較為均勻，最大電場位于絕緣內(nèi)屏蔽附近。但滿載時，最大電場位置已由內(nèi)屏蔽變?yōu)橥馄帘胃浇?，其最大值為平均電場?.35倍，約為最小電場的2倍。電纜結(jié)構本身會引起電場分布不均勻，而電場結(jié)構的不均勻更易于空間電荷的注入，如滿載時絕緣外屏蔽處電場最大，空間電荷易于從此位置注入并積累。電纜本身結(jié)構的不均勻和空間電荷的積累這兩種因素重疊影響著電纜絕緣的電場分布，這樣的電場分布對電纜絕緣介質(zhì)是不利的，更會給柔直電纜連接件(終端和接頭)設計和研制帶來麻煩。

因此，進行模型電纜空間電荷測試的研究，尤其是導體溫度θc較高(即Δθ較大)情況下的研究是非常有意義的。本文所指的模型電纜是相對于工程應用的±200 kV和±320 kV柔直電纜而言，其絕緣厚度在6 mm及以下。通過模型電纜空間電荷的測試，并了解電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部的空間電荷分布，可以指導柔直電纜、連接件的結(jié)構設計，還可以用于柔直電纜的用戶驗收試驗，檢驗柔直電纜絕緣材料的空間電荷性能及加工工藝是否滿足要求。

2 PEA法和PWP法原理

PEA法和PWP法空間電荷測試技術起源于20世紀七八十年代，其方法原理針對平板試樣，且已在多篇文獻中提及［3-4，9-10］。

圖2a是平板試樣PEA法原理圖，在試樣兩側(cè)電極施加脈寬為ΔT的矩形電脈沖Vp(對應的脈沖電場為Ep=Vp/d)，試樣中z點處的空間電荷元Δq=ρ(z)Δz受到脈沖電場產(chǎn)生的聲波作用力為:

式中:ρ(z)為z點空間電荷密度;d為試樣厚度;v為聲波速度。

此空間電荷元產(chǎn)生的聲波通過試樣和鋁電極，并考慮到聲波的作用面積及界面的透射系數(shù)，最后傳至傳感器壓電薄膜并轉(zhuǎn)換為電信號:

式中:s為傳感器面積;k為多個界面的綜合透射系數(shù);d33為壓電薄膜壓電系數(shù);C為傳感器電容。

若在t時刻，z處空間電荷產(chǎn)生的聲振動傳至壓電薄膜，則結(jié)合式(2)可得出此時刻的PEA法信號電壓為:

式中:A為放大器放大倍數(shù);dp為傳感器壓電薄膜厚度;ε為壓電薄膜介電常數(shù)。

圖2b是平板試樣PWP法原理圖，試樣半導電屏蔽層吸收一個極窄的激光脈沖熱量而產(chǎn)生一個“小爆炸”，并產(chǎn)生壓力波，壓力波在試樣內(nèi)部傳播并引起試樣內(nèi)部的小擾動。

設試樣厚度為d，則試樣兩電極的電勢差V可表示為:

當樣品內(nèi)的電荷受到外界聲波擾動而失去平衡位置時，電場強度E則成為E+δE，介電常數(shù)ε變成ε+δε，空間電荷密度ρ變成ρ+δρ，發(fā)生擾動后并且忽略二次項可得:

圖2 空間電荷測試方法原理圖［12］

結(jié)合式(5)和式(6)，并考慮樣品形變和質(zhì)點位移u的影響后可得擾動產(chǎn)生的信號電壓為:

式中，B是與材料性質(zhì)有關的量。對于低輸入阻抗測量電路，可得:

式中:P0為壓力波幅值;C為試樣電容;v為壓力波速度;τ為壓力波脈寬;A為放大倍數(shù);R為示波器采樣電阻。

3 PEA法和PWP法模型電纜空間電荷測試方法研究

模型電纜空間電荷測試方法原理等同于平板試樣空間電荷測試方法原理。但在模型電纜中，電場分布為徑向分布，模型電纜絕緣厚度也增至平板試樣厚度的5～10倍。因此，模型電纜空間電荷測試方法必須考慮這兩個因素并加以改進。本節(jié)介紹了PEA法模型電纜空間電荷測試方法，并對一些關鍵問題進行分析研究。另外，提出了PWP法模型電纜空間電荷測試方法，并對其應用于模型電纜空間電荷測試進行了探討。

3.1 PEA法模型電纜空間電荷測試方法

在PEA法模型電纜空間電荷測試中，高壓脈沖在絕緣中產(chǎn)生的電場不是平行均勻場，而是非均勻的徑向場。在電纜導體上施加高壓脈沖Vp，在絕緣內(nèi)部r處產(chǎn)生的脈沖電場為:

式中:rs為絕緣外徑;rc為絕緣內(nèi)徑。

結(jié)合PEA法輸出信號公式(4)可知，在分析PEA法模型電纜空間電荷信號時，必須考慮引入脈沖電場校正因子并消除由電纜同軸結(jié)構引起的脈沖電場不一致。

在PEA法模型電纜空間電荷測試過程中，由于絕緣厚度增加較多，脈沖電場引發(fā)的聲振動存在較大的衰減。為克服這一問題，必須通過兩個途徑進行改進:一是提高脈沖發(fā)生器的脈沖電壓;二是通過解卷積方法消除聲波衰減和色散，通過軟件處理并恢復空間電荷信號波形。

目前，受制于高端功能器件出口限制，用于PEA法空間電荷測試的高壓脈沖幅值一般在10 kV以下。但此脈沖電壓相對于PEA法模型電纜絕緣空間電荷測試來說仍遠遠不夠，由其激發(fā)產(chǎn)生的空間電荷信號較微弱，尤其是信號的后半部分，幾乎為一條直線。這樣，信號的信噪比較低，無法進行有效的空間電荷分析。

為去除聲波衰減和色散對空間電荷信號的影響，學者提出了各種數(shù)據(jù)處理方法并試圖通過軟件處理恢復空間電荷信號波形［13-14］，但在較低信噪比的空間電荷信號波形基礎上進行的軟件處理使得最終信號存在較大的誤差。另外，在PEA法中，為了獲得較準確的聲脈沖信號，需采用寬帶的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜壓電傳感器，但這種傳感器的靈敏度不高，即壓電系數(shù)d33較小，傳感器的輸出信號很小。所以在一般情況下外加單個電脈沖所得到的信號是難以進行測量的。通常需外加數(shù)百至數(shù)千次電脈沖，然后對其所測得的信號進行平均化處理才能得到用于信號恢復處理的“原始信號”。綜合這兩個因素，筆者認為PEA法模型電纜空間電荷信號的真實性還需進一步論證。

另外，針對高溫條件下的模型電纜空間電荷測試，PEA法是很難進行的。這是因為PEA系統(tǒng)中傳感器的壓電薄膜——PVDF膜的工作溫度一般在70℃以下。例如，當模型電纜導體溫度θc為90℃時，絕緣外表面溫度一般大于80℃，通過PEA法難以進行空間電荷測試。另外，對于±200 kV、±320 kV柔直電纜等，其絕緣表面溫度一般也在70℃以上，在這樣的條件下PEA法均難以進行電纜空間電荷測試。從這一角度來說，PEA法也存在一定的不足之處。

3.2 PWP法模型電纜空間電荷測試方法

對于同軸電纜，電場不再是平行場，即電場散度不為零。在PWP法中，可以用合適的技術產(chǎn)生壓力波，使其傳播方向與電場方向保持一致，這樣壓力波就有一個“聚焦”現(xiàn)象［15］。

在模型電纜空間電荷測試方法中，模型電纜絕緣外屏蔽層吸收脈沖激光能量，瞬時發(fā)生“小爆炸”并產(chǎn)生壓力波，此壓力波強度大，因此能產(chǎn)生較強的空間電荷信號。國內(nèi)學者通過比較研究發(fā)現(xiàn)，PWP法信號強度是PEA法信號強度的30倍以上［16］。根據(jù)聲波衰減理論，聲波衰減正比于頻率的平方。PWP法中壓力波頻率范圍為10～100 MHz，低于PEA法中的聲震動頻率。這樣，PWP法中由于聲波衰減引起的空間電荷信號衰減幅度小于PEA法。大量的PWP法空間電荷測試表明［17-18］，相比于空間電荷波形中的前電極峰，后電極峰下降幅度不大。在PWP法平板試樣空間電荷信號分析時，可不考慮信號衰減，直接根據(jù)輸出信號求出空間電荷密度分布或電場分布。在分析絕緣厚度較厚的模型電纜或者電纜的空間電荷分布時，同樣可使用解卷積方法，并對空間電荷信號波形進行恢復。由上可知，PWP法原始信號強度較大且聲波衰減較弱，因此具有較高的信噪比。另外，與PEA法不同的是，在PWP法中，一般只需激發(fā)一次激光，即可獲得穩(wěn)定可靠的空間電荷波形。綜合以上可知，PWP法模型電纜空間電荷信號具有較高的信噪比，且信號準確可靠。

進一步地，對于真實柔直電纜，絕緣厚度一般較厚，例如，±200 kV柔直電纜的絕緣厚度約為15 mm。對于如此厚的電纜絕緣，PEA法由于信號較弱，一般難以進行空間電荷測試。但PWP法由于脈沖激光能產(chǎn)生較強的壓力波信號，能較易實現(xiàn)絕緣較厚電纜試樣的空間電荷測試。在國外，已有學者利用PWP法進行電纜空間電荷的測試，Zhang Y W等人利用PWP法測試了13.5 mm的電纜絕緣厚度的空間電荷分布［2］，如圖3所示。

圖3 厚度為13.5 mm的電纜絕緣空間電荷分布

另外，在PWP法中，由于沒有用于聲電轉(zhuǎn)換的壓電薄膜，因此，測試溫度幾乎不受限制，可達90℃以上。從這一角度來說，在研究高溫下電纜絕緣空間電荷分布時，PWP法是較理想的方法。

4 結(jié)論

本文在論述模型電纜空間電荷測試重要性的基礎上，針對PEA法模型電纜空間電荷測試方法存在的問題，進一步提出了更為有效的PWP法模型電纜空間電荷方法，得出如下結(jié)論:

(1)在平板試樣基礎上進行模型電纜空間電荷測試的研究，尤其是高溫下模型電纜空間電荷測試的研究是非常有意義的。通過模型電纜空間電荷的測試，并了解電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部的空間電荷分布，可以指導柔直電纜、連接件的結(jié)構設計，還可以用于柔直電纜的用戶驗收試驗，檢驗柔直電纜絕緣材料的空間電荷性能及加工工藝是否滿足要求;

(2)PEA法和PWP法模型電纜空間電荷測試方法原理等同于平板試樣空間電荷測試方法原理，但需考慮模型電纜試樣的電場方向及試樣厚度等因素;

(3)由于PEA法模型電纜空間電荷測試信號較弱，信噪比較低，因此其恢復信號的真實性還需進一步論證。另外，PEA法難以用于高溫下試樣的空間電荷測試;

(4)PWP法模型電纜空間電荷測試信號較強，信噪比較高，其信號準確可靠，是將來用于較大絕緣厚度的真實電纜空間電荷分布的合適選擇。另外，PWP法是用于高溫下試樣空間電荷測試的理想方法。

［1］胡兆慶，毛承雄，陸繼明，等.一種新型的直流輸電技術——HVDC Light［J］.電工技術學報，2005，20(7):12-16.

［2］Zhang Y W，Lewiner J，Alquie C，et al.Evidence of strong correlation between space-charge buildup and breakdown in cable insulation［J］.IEEE Trans.Dielectr.Electr.Insul.，1996，4(3):778-783.

［3］Li J X，Zhang Y W，Qin X Q，et al.A combined system of Piezo-PWP/PEA method for measuring space charge distribution in solid dielectrics［C］//ISE 10，1998，281-285.

［4］Monma H，Yoshida Y，Imano K，et al.Structural and magneto transport properties ofultrathin Co/ZnO and Co/ZnAlO films［J］.J.Appl.Phys，2000，4(39):31-39.

［5］Kazuki T，Hiroshi S.Research and development of 250 kV DC XLPE cables［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(1):7-16.

［6］Satoru M，N，Michihiro S，Shinji K，et al.Development of a 500 kV DC xlpe cable system［J］.Furukawa Review，2004，25(3):47-52.

［7］吳 瓊，朱永華，顧 金，等.塑料絕緣直流高壓電纜中空間電荷測量技術的研究［J］.電線電纜，2011(3):22-25.

［8］王 偉，高超飛，孫 輝，等.電纜本體空間電荷電聲脈沖法測量裝置的研制［J］.高電壓技術，2011，37(6):1349-1353.

［9］AlquiéC，Dreyfus G，Lewiner J.The temperature dependence of space charge accumulation in cross-linked polyethylene［J］.Phys.Rev.Lett.，1981，47(1):1483-1486.

［10］Ahmed N H，Srinivas N N.Review of space charge measurement in dielectrics［J］.IEEE Trans.Dielectrics EI，1997，4(5):644-647.

［11］劉子玉.電氣絕緣結(jié)構設計原理(上冊)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1984.

［12］鄭飛虎，張冶文，吳長順，等.用于固體介質(zhì)中空間電荷的壓力波法與電聲脈沖法［J］.物理學報，2003，52(5):1137-1142.

［13］蔡 川，李旭光，尹 毅，等.空間電荷測量信號恢復中的頻域反卷積技術及實現(xiàn)［J］.電工技術學報，2009，24(10):165-169.

［14］扈羅全，鄭飛虎，張冶文.用于電介質(zhì)中空間電荷分布測量的Tikhonov反卷積算法［J］.計算物理，2004，21(5):432-438.

［15］張冶文，夏鐘福.高壓電力電纜中的空間電荷分布測量［J］.電線電纜，1998(6):19-21.

［16］張冶文，李 英，陳王麗華，等.固體電介質(zhì)中空間電荷分布測量方法及其比較［C］//1998年電工測試技術學術年會暨電氣絕緣測試技術學術交流會論文集.1998.996-1000.

［17］馬 朋，張冶文，鄭飛虎，等.激光壓力波法測量中的誤差分析［C］//第十三屆全國工程電介質(zhì)學術會議論文集.2011.201-204.

［18］Hao S J，Zheng F H，Wang W Y，et al.Space charge behavior of linear low density polyethylene doped with some types of inorganic nano powder［C］//Proceedings of 2008 International Symposium on Electrical Insulating Materials.2008.364-367.