基于空間電荷特性的高壓直流電纜絕緣老化狀態(tài)評估方法

張澤卉，李巖，鄭永，李海升，趙信華，李保生，裴秀高，程遠(yuǎn)

(國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東 萊蕪 271100)

高壓直流輸電在風(fēng)能、潮汐能、太陽能等新能源電力的規(guī)模化利用方面具有電能質(zhì)量高、損耗低等優(yōu)勢，已經(jīng)成為高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電的主要形式。擠出型高壓直流塑料電纜作為高壓直流輸電的關(guān)鍵裝備，因可以同時解決城市供電線路走廊、城市美觀等問題而得到廣泛應(yīng)用[1-2]。1999年瑞典Gotland地下電纜輸電系統(tǒng)投入運(yùn)行，成為世界上第1條商業(yè)化的擠壓型直流電纜，系統(tǒng)額定電壓±80 kV，輸送容量50 MW，長度72 km[3]。2009年ABB公司建造世界上第1條海上高壓直流系統(tǒng)BorWin1，實現(xiàn)了北海海上風(fēng)電與德國內(nèi)陸電網(wǎng)互聯(lián)，其額定電壓±150 kV，輸送容量400 MW[4]。2011年日本J-power公司制造的本州到北海道交聯(lián)聚乙烯(XLPE)直流電纜投入運(yùn)行，為當(dāng)時世界上電壓等級最高的XLPE直流電纜，系統(tǒng)額定電壓±250 kV，輸送容量600 MW[5]。2013年J-Power公司根據(jù)CIGRE TB496《額定電壓500 kV及以下電力傳輸系統(tǒng)直流電纜推薦試驗》標(biāo)準(zhǔn)制造出電壓等級為400 kV的直流XLPE電纜，并通過試驗驗證[6]。2014年ABB公司與北歐化工公司合作推出基于新一代XLPE電纜料的直流電纜并通過試驗驗證，其額定電壓525 kV，輸送容量2.6 GW，但尚未投入商業(yè)運(yùn)營[7]。2015年ABB公司與北歐化工等單位提出歐洲2030年戰(zhàn)略研發(fā)規(guī)劃，為滿足可再生能源開發(fā)、區(qū)域聯(lián)網(wǎng)需求開發(fā)1000 kV/5 GW擠包絕緣直流電纜系統(tǒng)，但仍面臨著特高壓直流電纜絕緣料、屏蔽料、附件絕緣料等諸多技術(shù)難題和瓶頸。

我國高壓直流電纜工程起步相對較晚，但發(fā)展迅速。2013年南方電網(wǎng)建設(shè)的南澳±160 kV/200 MW多端柔性直流輸電示范工程投運(yùn)，將海上風(fēng)力發(fā)電接入陸地骨架電網(wǎng)，為我國第1條投入運(yùn)行的高壓直流電纜工程。2014年國家電網(wǎng)建設(shè)的舟山±200 kV/400 MW多端柔性直流輸電工程投運(yùn)，將舟山群島供電系統(tǒng)與陸地主電網(wǎng)構(gòu)架互聯(lián)。2015年國家電網(wǎng)建設(shè)的廈門±320 kV/1000 MW柔性直流輸電工程投運(yùn)，海上風(fēng)力發(fā)電的規(guī)?；媚芰M(jìn)一步提升。5 a內(nèi)，我國實現(xiàn)高壓直流電纜電壓等級從160 kV到320 kV的三級跳，極大地提高了我國高壓直流電纜的輸電能力[8]。2017年中天科技研制的±525 kV XLPE柔性直流電纜系統(tǒng)通過試驗驗證，標(biāo)志著我國高壓直流電纜技術(shù)進(jìn)入世界前列[9]。2018年張北可再生能源±500 kV柔性直流電纜工程開工建設(shè)，該項目是促進(jìn)我國能源清潔低碳發(fā)展的重大舉措，其電壓等級、輸送容量均處于國際前列。然而，仍需要對電熱多應(yīng)力作用下高壓直流電纜主絕緣材料的老化問題以及有效評估手段開展研究，以指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)維。

1 直流電纜絕緣老化機(jī)理

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為絕緣介質(zhì)老化與電荷輸運(yùn)行為密不可分，并認(rèn)為陷阱分布影響電荷積累、消散、輸運(yùn)特性[10]。然而，絕緣介質(zhì)本身物理微觀結(jié)構(gòu)和陷阱分布的影響因素較為復(fù)雜，尚未有統(tǒng)一的理論來解釋聚合物所有老化和擊穿行為。

1978年T. Tanaka提出電荷注入與抽出理論，指出交變電場負(fù)半周期電子注入試樣內(nèi)部，正半周期電子抽出回到電極可以等效為空穴注入，電子反復(fù)注入 抽出過程中部分電子獲得較高能量，從而導(dǎo)致分子鏈裂解[11]。交流電壓負(fù)半周期注入的電子與正半周期注入的空穴復(fù)合產(chǎn)生的能量可通過俄歇效應(yīng)產(chǎn)生熱電子打斷分子鏈，或以紫外光形式釋放能量，造成分子鏈損傷，最終形成內(nèi)部中空的劣化通道[12]。聚乙烯內(nèi)部電子比空穴更易注入和抽出，交流電壓正半周期峰值電場下入陷電子靜電場與外施電場相反，容易形成反向放電，此外電荷注入過程也受聚合物/電極二者界面物理特性、陷阱特性的影響[13]。

絕緣介質(zhì)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無序性和化學(xué)無序性(或物理缺陷、化學(xué)缺陷)導(dǎo)致能帶間斷點出現(xiàn)，形成電荷捕獲中心(或陷阱)[14]。物理陷阱自來鏈段折疊彎曲、結(jié)晶區(qū)/非結(jié)晶區(qū)界面等，其陷阱能級較淺，一般情況下均小于0.3 eV；化學(xué)陷阱來自羧基、羥基、共軛苯環(huán)等，部分陷阱能級可達(dá)4 eV以上，其分布范圍較廣[15]。陷阱分布會影響絕緣介質(zhì)電子、空穴的輸運(yùn)過程，改變載流子密度而影響電導(dǎo)率、擊穿場強(qiáng)等。聚合物電樹枝引發(fā)的陷阱理論針對電樹枝引發(fā)階段，以電子、空穴的注入為基礎(chǔ)。負(fù)電壓下注入電子被陷阱捕獲，并以非輻射的形式釋放能量，同時入陷電子與極性反轉(zhuǎn)注入空穴復(fù)合，以光子等輻射形式釋放能量，造成分子鏈破壞；單極性電壓下電子、空穴被陷阱捕獲釋放能量，該過程與交流電壓負(fù)半周期(或正半周期)電子(或空穴)的注入過程相似。電子、空穴的入陷、脫陷、復(fù)合過程釋放的能量造成分子鏈斷裂，引發(fā)自由基反應(yīng)，加速聚合物的降解過程[14]。分子鏈降解形成的低密度區(qū)可增強(qiáng)載流子的碰撞電離過程，進(jìn)一步釋放能量，造成分子鏈裂解而形成劣化通道[16]。陷阱理論解釋了直流電樹枝、直流接地電樹枝的極性效應(yīng)等問題，但是仍然需要一定的檢測手段來評估空間電荷的分布特性、陷阱能級特性以及與直流電纜絕緣老化的內(nèi)在關(guān)系。

2 空間電荷檢測方法

2.1 電聲脈沖法

電聲脈沖(pulsed electro-acoustic，PEA)方法是由Takada在1987年提出的[17]。脈沖電壓在試樣內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電場，從而使電荷運(yùn)動并生成相應(yīng)的聲波。聲波到達(dá)壓電轉(zhuǎn)換器(PVDF)，輸出與試樣內(nèi)空間電荷成比例的電信號。但使用有限頻率帶寬的陶瓷壓電傳感器(PZT)時，實驗輸出信號沒有直接反映空間電荷分布。當(dāng)脈沖信號通過PZT傳播時，部分高頻信號丟失。為了解決這個問題，Takada等開發(fā)了一種反卷積分技術(shù)以獲得空間電荷的清晰分布結(jié)果[18]。一種可以回避反卷積分技術(shù)的新型壓電傳感器使PEA方法能夠應(yīng)用于薄膜試樣和同軸電纜，該方法將分辨率從5 mm提高到了數(shù)微米[19]。

隨著PEA系統(tǒng)電阻電容、電極尺寸、脈沖電源等模塊的優(yōu)化，可以實現(xiàn)27 mm和25 μm厚度范圍內(nèi)空間電荷的精確測量。Takada等人利用脈沖寬度為0.6 ns的100 V脈沖電壓，使25～100 μm厚度試樣的分辨率可分別達(dá)到1.6 μm和 3 μm[20]。隨后，Takada等在PEA單元上部布置了可控加熱模塊，在下部電極插入熱電偶作為溫度傳感器；因為LiNbO3晶體在高溫下具有穩(wěn)定的輸出信號，利用LiNbO3晶體替代PVDF，使測量結(jié)果更為準(zhǔn)確[21]。

2.2 熱脈沖法

Tourielle等人于1987年發(fā)明的熱脈沖方法(thermal step method，TSM)是基于對試樣進(jìn)行熱處理來測量試樣本身熱運(yùn)動而產(chǎn)生的電流響應(yīng)[22]，圖1為TSM方法的原理圖[23]，圖中i(t)為熱激電流，pA為電流測量單元；由于熱處理的最大溫度為環(huán)境溫度，該方法的優(yōu)點是具有非破壞性[24]。具體地說，加熱器施加的熱處理會產(chǎn)生熱波，該波傳播過試樣后會引起材料的收縮或膨脹，使絕緣材料的介電常數(shù)產(chǎn)生變化，以及使試樣內(nèi)部的空間電荷發(fā)生一定的位移。后者反映在電極上會引起感應(yīng)電荷變化，從而產(chǎn)生電極之間的電流，該電流的值與電場分布和空間電荷密度密切相關(guān)。獲得電場分布，就可以根據(jù)泊松方程反演空間電荷的分布[25]。

圖1 TSM方法原理圖Fig.1 Schematic diagram of TSM

TSM最初應(yīng)用于絕緣厚度在2～20 mm范圍內(nèi)的材料，分辨率為150 μm[26]；后來，通過快速加熱，可以研究10～100 μm范圍內(nèi)的薄絕緣件，分辨率也大大提高，大約為0.1 μm[27]；最新研究的方法已經(jīng)應(yīng)用于微納電子學(xué)。Notingher等人使用具有飛秒級激光脈沖的光學(xué)儀器將該方法的分辨率提升到了20～50 nm[28]。

2.3 電流積分法

電流積分法的基本原理是：在高壓端子和檢測目標(biāo)之間插入積分電容器CINT(其值為CINT)。當(dāng)施加電壓時，有相同的電流流過CINT和測試試樣，這意味著電荷Q和時間t的倒數(shù)保持不變；因此，測試樣品中的電荷等于CINT中的電荷。由于可以檢測到CINT中的電荷，可以得到與測試樣品相同的電荷特性。等式(1)顯示了通過電流積分進(jìn)行的電荷測量，即

(1)

式中：I(t)為流過高壓電路的電流；UQ(t)為器件的輸出電壓；Q(t)為電容器CINT和測試樣品的電荷[29]。

圖2為電流積分法的基本電路圖[29]，主要包括3個部分：第1部分包含測量電路(如用于電流積分的電容器)；第2部分包括1個A/D轉(zhuǎn)換器和1個發(fā)射器；第3部分包含1個連接到個人計算機(jī)(PC)的接收電路。根據(jù)式(1)和圖3，可以對I(t)進(jìn)行積分來計算試樣中的累積電荷。通過阻抗轉(zhuǎn)換器(運(yùn)算放大器)將所求得的Q(t)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電壓UQ(t)，之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓UD(t)。最后，收集到的信號被傳送到連接PC的接收單元[30]。

圖2 電流積分法基本電路Fig.2 Basic circuit of the current integral method

3 基于PEA方法的直流電纜絕緣老化評估

圖3所示為PEA方法的典型配置[31]。當(dāng)脈沖電壓施加到具有內(nèi)部電荷的試樣時，脈沖電場和電荷(內(nèi)部電荷、電極上的感應(yīng)電荷以及通過氣隙施加脈沖電壓時試樣上的表面電荷)會產(chǎn)生聲波；聲波在試樣中傳播，通過連接到接地電極的壓電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，電信號的幅度與電荷量成比例，延遲表示距傳感器的距離，即電荷位置。以這種方式可以定量和非破壞性地測量空間電荷分布。在363 K、55 kV/mm的交流電壓(頻率50 Hz)下進(jìn)行加速老化試驗，并采用上述方法測量空間電荷分布。試驗中的電纜試樣有未老化試樣、電老化試樣和熱老化試樣3種(代表3種主要材料應(yīng)力)，用于研究空間電荷衰減特性以及隨后的電荷陷阱分析，并根據(jù)不同電纜試樣陷阱分布存在的差異對電纜的老化特性進(jìn)行評估[32]。

圖3 PEA方法測試裝置Fig.3 PEA test device

在加速老化試驗之前，3種試樣都主要包含負(fù)空間電荷。圖4所示為未老化試樣的空間電荷衰減分布，以此作為3種試樣加速老化試驗之前空間電荷分布的示例；圖5所示為加速老化試驗6 088 h后3個試樣的空間電荷分布[33]。與加速老化試驗之前的測量結(jié)果相反，圖5中可以清楚地觀察到正負(fù)空間電荷。幾乎所有與未老化試樣陽極相鄰的正電荷在1 200 min內(nèi)衰減掉，而此時只有相對較小部分的負(fù)空間電荷在衰減；另一方面，電老化試樣和熱老化試樣保持正負(fù)電荷的時間更長，表明試樣中存在更深的陷阱。

圖4 未老化試樣空間電荷衰減曲線Fig.4 Space charge decay curves of unaged sample

圖6所示為正負(fù)空間電荷隨時間的衰減曲線，可以觀察到，10 min之前的空間電荷衰減是由負(fù)空間電荷和正空間電荷共同產(chǎn)生的。淺陷阱正電荷的衰減在約10 min時有小幅增加，表明存在額外的深陷阱負(fù)電荷。在未老化試樣中，深陷阱負(fù)電荷在103min左右開始衰減，且深陷阱中的正電荷小于負(fù)電荷。相反，在電老化試樣和熱老化試樣中，深陷阱正空間電荷大于負(fù)空間電荷。由圖6可知，在電老化試樣中，深陷阱正空間電荷在104min開始衰減；而在熱老化試樣中，深陷阱負(fù)空間電荷和正空間電荷幾乎同時(約3×105min)開始衰減；這意味著熱老化試樣中電荷陷阱更深。

圖5 6 088 h加速老化試驗后，3種試樣空間電荷衰減曲線Fig.5 Space charge decay curves of three samples after 6 088 h accelerated aging test

在未老化試樣中，深陷阱正電荷非常少，并且在測量期間不會衰減，表明其絕緣性能良好；電老化和熱老化試樣均比未老化試樣中深陷阱正電荷多，表明這些試樣在加速老化試驗期間比未老化試樣更容易產(chǎn)生這種陷阱，2種試樣的絕緣性能下降。熱老化試樣的特點是正負(fù)深陷阱電荷保留至105min，而電老化試樣在104min開始失去深陷阱正電荷。電應(yīng)力是交流電場產(chǎn)生的應(yīng)力，預(yù)計空間電荷的實際量在改變絕緣壽命方面并不重要，而在循環(huán)中保留的電荷量增大了注入電流[34]。由于受熱應(yīng)力對試樣耐久壽命的影響最大[35]，造成絕緣失效過程的可能原因是：高溫下的熱降解和抗氧化劑消耗導(dǎo)致深陷阱正電荷產(chǎn)生，從而增加交流注入電流，這反過來又進(jìn)一步導(dǎo)致陷阱產(chǎn)生和抗氧化劑消耗。由此得知：受電應(yīng)力和熱應(yīng)力的電纜均會老化，但熱應(yīng)力的影響更大大，電纜老化更嚴(yán)重，絕緣性能最差。

圖6 正負(fù)空間電荷的衰減特性Fig.6 Decay characteristics of negative and positive charge

4 基于TSM的直流電纜絕緣老化評估

根據(jù)TSM原理，如果在靠近電極的位置施加熱處理步驟(急劇冷卻或加熱)，會改變系統(tǒng)的靜電平衡，這是由于絕緣體的收縮(或膨脹)導(dǎo)致試樣中空間電荷發(fā)生位移，表現(xiàn)在外部電路有電流產(chǎn)生。該電流的值與電場分布和空間電荷密度密切相關(guān)，因此應(yīng)用泊松方程可以計算空間電荷密度[36]。所用絕緣材料試樣有2種：一種是含有納米粘土的試樣，另一種是不含納米粘土的試樣。實驗方案如下：在60 °C下以15 kV / mm的電壓進(jìn)行長達(dá)1 611 h的電老化，然后在1 611～1 927 h之間以20 kV/mm的電壓進(jìn)行電老化；老化期間在短路條件下用TSM測量空間電荷。

圖7和圖8分別為在每個老化步驟期間試樣中捕獲的正電荷和負(fù)電荷的量，可以看出，在2種情況下，含有納米粘土的試樣都表現(xiàn)出最低的捕獲電荷水平；這意味著納米填料在空間電荷積累方面具有有益的作用。另外，可以觀察到在沒有納米粘土的情況下，試樣的捕獲電荷上出現(xiàn)了更加強(qiáng)烈的震蕩，這些強(qiáng)烈的振蕩會導(dǎo)致絕緣材料老化速度加快[37]。

圖7 正陷阱電荷隨老化時間的變化Fig.7 Changes of the positive trapped charge with aging duration

圖8 負(fù)陷阱電荷隨老化時間的變化Fig.8 Changes of the negative trapped charge with aging duration

5 基于電流積分的直流電纜絕緣老化評估

圖9為電流積分測量設(shè)置，通過在內(nèi)導(dǎo)體和高壓端子之間安裝電流積分裝置，可以測量從內(nèi)導(dǎo)體到電纜半導(dǎo)體層的絕緣電流，通過對該電流進(jìn)行積分即可得空間電荷量。為了更好地評估電荷注入和積累性能以及試樣的老化特性，引入比率R=Q(t)/Q0來表征電荷行為，其中t=300 s，Q0為初始電荷。如果沒有發(fā)生電荷注入和積累，則R=1；R>1表示樣品內(nèi)有電荷的注入和積累。

圖9 電流積分測量裝置[30]Fig.9 Current integral measurement device

圖10為未老化電纜Q(t)測量結(jié)果。如圖10(a)所示，當(dāng)施加電壓到2 s時，Q0增加到一個很高的數(shù)值，然后幾乎保持穩(wěn)定，不再隨時間變化，且Q0隨施加電壓的增加而逐漸增大。圖10(b)顯示了比率R與施加電壓的函數(shù)關(guān)系：施加不同電壓時，R值都接近1，表明電纜絕緣內(nèi)部很少發(fā)生電荷的注入和積累。由此可以證明未老化電纜具有良好的絕緣性能。

圖10 未老化電纜Q(t)與外加電應(yīng)力的關(guān)系[30]Fig.10 Relationship between Q(t) of unaged cable and the applied electric stress

圖11為輕微老化電纜測量結(jié)果。

圖11 輕微老化電纜 Q(t)與外加電應(yīng)力的關(guān)系[30]Fig.11 Relationship between Q(t) of slightly aged cable and the applied electric stress

嚴(yán)重老化電纜測量結(jié)果如圖12所示。如圖12(a)所示，在施加電壓時，Q(t)隨時間明顯增加，其增長率隨施加電壓的增大而逐漸增大；圖12(b)顯示出了比率R隨施加電壓的變化，R遠(yuǎn)高于1，表明嚴(yán)重老化電纜中有大量的電荷注入和積累，其絕緣性能劣化較為嚴(yán)重。

圖12 嚴(yán)重老化電纜Q(t)與外加電應(yīng)力的關(guān)系[30]Fig.12 Relationship between Q(t) of seriously aged cable and the applied electric stress

6 結(jié)論

a)PEA方法是由脈沖電場使電荷運(yùn)動產(chǎn)生聲波來測量空間電荷，適用于聲學(xué)上均勻的材料；TSM方法通過測量對試樣加熱使其熱運(yùn)動而產(chǎn)生的電流響應(yīng)得到空間電荷，但要注意對試樣穩(wěn)定加熱；電流積分法則是對流過試樣的電流進(jìn)行積分獲得空間電荷量，但是電纜表面的污染物、雜質(zhì)和水分會對電流測量有一定影響。

b)PEA方法得到空間電荷分布，通過對電荷陷阱深淺進(jìn)行分析，可得試樣的老化特性；TSM比較了試樣捕獲正負(fù)陷阱電荷的水平以及振蕩程度，評估了不同絕緣材料老化特性；電流積分法在測量空間電荷時引入了比率R，根據(jù)R值不同，可判斷出電纜的老化程度。

c)目前雖有很多空間電荷測量方法，但因各種限制，各方法有著不同的特點和適用范圍，且大多容易受到環(huán)境的影響，因此提高測量準(zhǔn)確性是今后研究的重點。此外，單一方法會有局限性，建立多種方法綜合評定電纜老化程度也是今后的發(fā)展方向。