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)，因此我國的特高壓直流輸電技術(shù)得到了長足的發(fā)展;另外風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(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)，國際上電力技術(shù)方面的先進(jìn)國家，均在研究和開發(fā)塑料絕緣直流電纜。

空間電荷問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。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)碚撗芯俊⒃O(shè)備研制、信號(hào)處理及軟件開發(fā)方面成果顯著，早在上個(gè)世紀(jì)末已經(jīng)成功開發(fā)了硬件及軟件系統(tǒng)［2-5］。國內(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)電線芯上，這種安裝方式相比較于ABB專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接觸狀態(tài)，即電纜絕緣在徑向上與下電極鋁板之間呈線接觸形式。這與國外研究人員測(cè)量電纜空間電荷時(shí)采用的面接觸類型有所不同［8］。如圖2所示，面接觸類型系統(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)處理和分析帶來誤差。線接觸方式下，通過電纜夾具的作用，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)成長方形。PVDF壓電傳感器的長度由線接觸的長度決定，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)試接線示意圖

圖4 升溫過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的距離而防止在加壓過程發(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)電纜線路進(jìn)行加熱，使導(dǎo)電線芯溫度逐漸升高為90℃。測(cè)試過程需使用兩根電纜，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始升溫至90℃，在90℃維持4 h期間，從90℃開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℃開始逐漸降溫過程中，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

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)。

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