模型電纜空間電荷測(cè)試方法研究

朱智恩，楊黎明，郭世忠，李 棟

(南京南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)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(diǎn)［1］。尤其是近年來(lái)柔性直流(以下簡(jiǎn)稱柔直)高壓輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在國(guó)外，德國(guó)北海風(fēng)電場(chǎng)多個(gè)柔直輸電工程已投入運(yùn)行，電壓等級(jí)達(dá)到±320 kV。我國(guó)的柔直輸電技術(shù)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(yùn)行。另外，廈門±320 kV柔直輸電科技示范工程也在建設(shè)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(shí)際運(yùn)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(dǎo)電屏蔽界面上的空間電荷問題。在直流高電場(chǎng)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(shí)間不斷積累。如果空間電荷密度足夠高，局部電場(chǎng)甚至可能超過絕緣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)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(cè)試技術(shù)是空間電荷研究的基礎(chǔ)，特別是無(wú)損測(cè)試技術(shù)的發(fā)展有力地推動(dòng)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(wú)損測(cè)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(guó)內(nèi)外用于絕緣試樣空間電荷測(cè)試最廣泛的測(cè)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(yīng)的柔直電纜絕緣料。隨著功能器件技術(shù)的進(jìn)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(cè)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(cè)試技術(shù)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(duì)模型電纜和真實(shí)電纜進(jìn)行了空間電荷測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出了有意義的信息。但空間電荷測(cè)試結(jié)果顯示，其真實(shí)電纜的空間電荷信號(hào)信噪比較低。在國(guó)內(nèi)，許多學(xué)者嘗試開發(fā)用于模型電纜的空間電荷測(cè)試系統(tǒng)［7-8］，被測(cè)電纜厚度在6 mm以下且測(cè)試方法幾乎采用PEA法。PWP法［9-10］起源于20世紀(jì)80年代，由于此方法需使用價(jià)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(chǎng)分布

在交流電場(chǎng)下，電纜絕緣中的電場(chǎng)分布僅取決于介電常數(shù)ε，而ε與溫度和電場(chǎng)無(wú)關(guān)。但在直流電場(chǎng)下，電纜絕緣中的電場(chǎng)分布更為復(fù)雜，電場(chǎng)取決于電阻率，而電阻率與溫度和電場(chǎng)有關(guān)。一般在不存在空間電荷的情況下，電纜絕緣在直流電場(chǎng)下的電場(chǎng)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(diǎn)的絕緣半徑。

從式(1)可知，電場(chǎng)分布與絕緣內(nèi)外表面溫差Δθ=θc－θs存在一定的關(guān)系，且絕緣內(nèi)屏蔽處電場(chǎng)隨溫差的增加而減少，而絕緣外屏蔽處的電場(chǎng)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(shí)溫差最小)和滿載(即θc=90℃，此時(shí)Δθ最大)時(shí)的電場(chǎng)分布，如圖1所示。

圖1 ±320 kV柔直電纜絕緣在空載和滿載時(shí)的電場(chǎng)分布

由圖1可知，在空載時(shí)，電纜絕緣電場(chǎng)分布較為均勻，最大電場(chǎng)位于絕緣內(nèi)屏蔽附近。但滿載時(shí)，最大電場(chǎng)位置已由內(nèi)屏蔽變?yōu)橥馄帘胃浇渥畲笾禐槠骄妶?chǎng)的1.35倍，約為最小電場(chǎng)的2倍。電纜結(jié)構(gòu)本身會(huì)引起電場(chǎng)分布不均勻，而電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不均勻更易于空間電荷的注入，如滿載時(shí)絕緣外屏蔽處電場(chǎng)最大，空間電荷易于從此位置注入并積累。電纜本身結(jié)構(gòu)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(chǎng)分布，這樣的電場(chǎng)分布對(duì)電纜絕緣介質(zhì)是不利的，更會(huì)給柔直電纜連接件(終端和接頭)設(shè)計(jì)和研制帶來(lái)麻煩。

因此，進(jìn)行模型電纜空間電荷測(cè)試的研究，尤其是導(dǎo)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(duì)于工程應(yīng)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(cè)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(dǎo)柔直電纜、連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以用于柔直電纜的用戶驗(yàn)收試驗(yàn)，檢驗(yàn)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(cè)試技術(shù)起源于20世紀(jì)七八十年代，其方法原理針對(duì)平板試樣，且已在多篇文獻(xiàn)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(duì)應(yīng)的脈沖電場(chǎng)為Ep=Vp/d)，試樣中z點(diǎn)處的空間電荷元Δq=ρ(z)Δz受到脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生的聲波作用力為:

式中:ρ(z)為z點(diǎn)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(hào):

式中:s為傳感器面積;k為多個(gè)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(shí)刻，z處空間電荷產(chǎn)生的聲振動(dòng)傳至壓電薄膜，則結(jié)合式(2)可得出此時(shí)刻的PEA法信號(hào)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(dǎo)電屏蔽層吸收一個(gè)極窄的激光脈沖熱量而產(chǎn)生一個(gè)“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(dòng)。

設(shè)試樣厚度為d，則試樣兩電極的電勢(shì)差V可表示為:

當(dāng)樣品內(nèi)的電荷受到外界聲波擾動(dòng)而失去平衡位置時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)后并且忽略二次項(xiàng)可得:

圖2 空間電荷測(cè)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(diǎn)位移u的影響后可得擾動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)電壓為:

式中，B是與材料性質(zhì)有關(guān)的量。對(duì)于低輸入阻抗測(cè)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(cè)試方法研究

模型電纜空間電荷測(cè)試方法原理等同于平板試樣空間電荷測(cè)試方法原理。但在模型電纜中，電場(chǎng)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(cè)試方法必須考慮這兩個(gè)因素并加以改進(jìn)。本節(jié)介紹了PEA法模型電纜空間電荷測(cè)試方法，并對(duì)一些關(guān)鍵問題進(jìn)行分析研究。另外，提出了PWP法模型電纜空間電荷測(cè)試方法，并對(duì)其應(yīng)用于模型電纜空間電荷測(cè)試進(jìn)行了探討。

3.1 PEA法模型電纜空間電荷測(cè)試方法

在PEA法模型電纜空間電荷測(cè)試中，高壓脈沖在絕緣中產(chǎn)生的電場(chǎng)不是平行均勻場(chǎng)，而是非均勻的徑向場(chǎng)。在電纜導(dǎo)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(chǎng)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(hào)公式(4)可知，在分析PEA法模型電纜空間電荷信號(hào)時(shí)，必須考慮引入脈沖電場(chǎng)校正因子并消除由電纜同軸結(jié)構(gòu)引起的脈沖電場(chǎng)不一致。

在PEA法模型電纜空間電荷測(cè)試過程中，由于絕緣厚度增加較多，脈沖電場(chǎng)引發(fā)的聲振動(dòng)存在較大的衰減。為克服這一問題，必須通過兩個(gè)途徑進(jìn)行改進(jìn):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(fù)空間電荷信號(hào)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(cè)試的高壓脈沖幅值一般在10 kV以下。但此脈沖電壓相對(duì)于PEA法模型電纜絕緣空間電荷測(cè)試來(lái)說(shuō)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，由其激發(fā)產(chǎn)生的空間電荷信號(hào)較微弱，尤其是信號(hào)的后半部分，幾乎為一條直線。這樣，信號(hào)的信噪比較低，無(wú)法進(jìn)行有效的空間電荷分析。

為去除聲波衰減和色散對(duì)空間電荷信號(hào)的影響，學(xué)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(fù)空間電荷信號(hào)波形［13-14］，但在較低信噪比的空間電荷信號(hào)波形基礎(chǔ)上進(jìn)行的軟件處理使得最終信號(hào)存在較大的誤差。另外，在PEA法中，為了獲得較準(zhǔn)確的聲脈沖信號(hào)，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(hào)很小。所以在一般情況下外加單個(gè)電脈沖所得到的信號(hào)是難以進(jìn)行測(cè)量的。通常需外加數(shù)百至數(shù)千次電脈沖，然后對(duì)其所測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行平均化處理才能得到用于信號(hào)恢復(fù)處理的“原始信號(hào)”。綜合這兩個(gè)因素，筆者認(rèn)為PEA法模型電纜空間電荷信號(hào)的真實(shí)性還需進(jìn)一步論證。

另外，針對(duì)高溫條件下的模型電纜空間電荷測(cè)試，PEA法是很難進(jìn)行的。這是因?yàn)镻EA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(dāng)模型電纜導(dǎo)體溫度θc為90℃時(shí)，絕緣外表面溫度一般大于80℃，通過PEA法難以進(jìn)行空間電荷測(cè)試。另外，對(duì)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(jìn)行電纜空間電荷測(cè)試。從這一角度來(lái)說(shuō)，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(cè)試方法

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

在模型電纜空間電荷測(cè)試方法中，模型電纜絕緣外屏蔽層吸收脈沖激光能量，瞬時(shí)發(fā)生“小爆炸”并產(chǎn)生壓力波，此壓力波強(qiáng)度大，因此能產(chǎn)生較強(qiáng)的空間電荷信號(hào)。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過比較研究發(fā)現(xiàn)，PWP法信號(hào)強(qiáng)度是PEA法信號(hào)強(qiáng)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(dòng)頻率。這樣，PWP法中由于聲波衰減引起的空間電荷信號(hào)衰減幅度小于PEA法。大量的PWP法空間電荷測(cè)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(hào)分析時(shí)，可不考慮信號(hào)衰減，直接根據(jù)輸出信號(hào)求出空間電荷密度分布或電場(chǎng)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(shí)，同樣可使用解卷積方法，并對(duì)空間電荷信號(hào)波形進(jìn)行恢復(fù)。由上可知，PWP法原始信號(hào)強(qiáng)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(hào)具有較高的信噪比，且信號(hào)準(zhǔn)確可靠。

進(jìn)一步地，對(duì)于真實(shí)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(duì)于如此厚的電纜絕緣，PEA法由于信號(hào)較弱，一般難以進(jìn)行空間電荷測(cè)試。但PWP法由于脈沖激光能產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力波信號(hào)，能較易實(shí)現(xiàn)絕緣較厚電纜試樣的空間電荷測(cè)試。在國(guó)外，已有學(xué)者利用PWP法進(jìn)行電纜空間電荷的測(cè)試，Zhang Y W等人利用PWP法測(cè)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(cè)試溫度幾乎不受限制，可達(dá)90℃以上。從這一角度來(lái)說(shuō)，在研究高溫下電纜絕緣空間電荷分布時(shí)，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(cè)試重要性的基礎(chǔ)上，針對(duì)PEA法模型電纜空間電荷測(cè)試方法存在的問題，進(jìn)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(chǔ)上進(jìn)行模型電纜空間電荷測(cè)試的研究，尤其是高溫下模型電纜空間電荷測(cè)試的研究是非常有意義的。通過模型電纜空間電荷的測(cè)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(dǎo)柔直電纜、連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以用于柔直電纜的用戶驗(yàn)收試驗(yàn)，檢驗(yàn)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(cè)試方法原理等同于平板試樣空間電荷測(cè)試方法原理，但需考慮模型電纜試樣的電場(chǎng)方向及試樣厚度等因素;

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

(4)PWP法模型電纜空間電荷測(cè)試信號(hào)較強(qiáng)，信噪比較高，其信號(hào)準(zhǔn)確可靠，是將來(lái)用于較大絕緣厚度的真實(shí)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(cè)試的理想方法。

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