塑料绝缘直流高压电缆中空间电荷测量技术的研究

吴 琼，朱永华，顾 金，王俏华，尹 毅

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系，上海200240;2.上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

随着西电东送和分布式能源技术的不断发展，长距离、大容量和短距离、交直流混合输电方式成为两个各自发展的方向。研究表明，在长距离输电中直流输电技术具有较多的优势，因此我国的特高压直流输电技术得到了长足的发展;另外风力发电、太阳能发电以及生物能发电等的分布式能源系统，由于其分散性、输电电压等级的多样性，在其并网过程中，直流输电具有灵活性，因此基于分布式能源的柔性直流输电技术也在不断推进过程中。不管是特高压直流输电还是柔性直流输电，直流电缆都是输电系统中的一个关键电力设备。鉴于塑料绝缘的环境友好性、维护成本低以及可以实现大落差敷设等优点，国际上电力技术方面的先进国家，均在研究和开发塑料绝缘直流电缆。

空间电荷问题是研制高压直流电缆塑料绝缘的难点之一。塑料作为高压直流电缆的绝缘时，绝缘层中存在大量的局域态，在电场作用下，电荷载流子被局域态俘获，形成绝缘内部空间电荷集聚。空间电荷对绝缘材料介电强度的影响主要体现在电场畸变效应和非电场畸变效应两个方面，这两种影响都会对聚合物的绝缘造成一定的危害，所以研制直流塑料电缆的关键问题是抑制绝缘材料中的空间电荷，而作为研究基础的高压直流塑料电缆的空间电荷的测试和分析技术的研究，显得尤其重要。

空间电荷测量通常采用非破坏性的方法，这些方法可以分为热学方法、压力波法和电声脉冲法［1］三大类。其中电声脉冲法硬件结构比较简单，而且在结构上隔离了外施直流高压和脉冲电压，所以即使被测介质击穿时也能可靠保护信号检测电路，防止设备受损，因此特别适用于研究强直流电场下介质的空间电荷行为，受到不少研究者青睐。从电声脉冲法提出至今，电声脉冲法空间电荷测试系统硬件结构和测试方法不断得到改进且日臻成熟。日本学者在电声脉冲法空间电荷测试理论研究、设备研制、信号处理及软件开发方面成果显著，早在上个世纪末已经成功开发了硬件及软件系统［2-5］。国内电声脉冲法空间电荷测试技术研究始于1990年前后，在理论研究、硬件开发方面取得了一定成果，自主研发的设备已经用于固体电介质的空间电荷分布的研究中。

目前国内电声脉冲法的空间电荷测量设备均是针对片状试样，而用于同轴结构型的电缆绝缘中的空间电荷测试系统未见有相关文献报道。为了能够直接研究塑料绝缘的直流电缆中空间电荷的分布，计算电缆绝缘中的电场分布，在电缆设计中给出电缆工作电场的最直接的评估值，研究和开发电缆空间电荷测试系统是迫切需要的。

本文针对电缆中空间电荷测试的特点，研究了电缆中空间电荷测试的关键技术;基于电声脉冲法，开发了电缆型空间电荷测试系统，并且用该系统实际测量了电缆中的空间电荷分布。

1 基于电声脉冲法的电缆空间电荷测试中的关键问题

同轴结构型电缆与片状试样绝缘中空间电荷的测试原理基本一致，但是同轴结构型电缆绝缘中的空间电荷测试又有其特殊性，主要表现在不同的衰减色散特性、脉冲电场耦合方式以及测试电极系统。

1.1 衰减和色散特性

电力电缆同轴型的结构使得声波在绝缘层中传播时与片状试样有较大的差别。根据声波在介质中传播的衰减色散理论，可得由前置放大器输出电压信号代表的声波衰减和色散公式［6］:

式中，r为导电线芯中心点到绝缘层中的径向尺寸;U0(r，f)表示考虑声波信号的衰减和色散时，r处由电脉冲与电荷作用产生的声波传输至传感器后，在传感器上形成的电压信号经前置放大器放大后的信号幅值;U(r，f)则是r处的电缆绝缘中的空间电荷与脉冲电场之间的相互作用产生的声波在不考虑信号的衰减和色散时在传感器上形成的电压信号，并经前置放大器放大后的信号幅值;α(f)、β(f)分别为声波信号在绝缘中的衰减系数和色散系数;b为绝缘层外半径。

在片状试样中，脉冲电场分布为E(x)=Upls/d，式中Upls是施加在被测试样上的脉冲电压，因此E(x)沿厚度d方向是均匀的。而高压直流塑料电缆结构为同轴圆柱形，其绝缘层为圆筒形结构，脉冲电场施加在绝缘层上，其r处的脉冲形成的电场分布为:

式中，α为绝缘层内半径。

考虑线性介质，U(r，f)与位置r处的空间电荷量以及脉冲电场成正比，在不考虑声波信号的衰减和色散时，电缆内外半径处的电荷峰的大小相等，方向相反，因此内外半径处电荷与脉冲电场作用形成的声波在传感器上产生的信号并经前置放大器放大后的值之比为:

考虑声波在电缆绝缘中传播时的色散和衰减，实际电缆内外半径处的电荷峰与脉冲电场作用产生的声波，在传感器上产生的信号并经前置放大器放大后的值如下所示:

由式(3)和式(4)可得

所以，衰减色散系数的表达式为

式中， (a，f)、 (b，f)分别为 U0(a，f)和 U0(b，f)的相位。

因此，只要测得塑料绝缘层内外表面处的空间电荷分布信号，就能求得被测绝缘材料对声波的衰减和色散系数。

1.2 脉冲电场耦合方式

片状试样空间电荷测试时，脉冲电场是通过浇注的上电极施加;同轴型电缆绝缘层空间电荷测试时，将耦合电容及匹配装置转移到外部，且高压耦合电容同轴安装在电缆导电线芯上，这种安装方式相比较于ABB专利中的安装方式更加合理，可以保证脉冲电场施加在电缆绝缘层上是对称分布的［7］。

1.3 测试电极系统

图1为高压直流电缆空间电荷测试系统。电缆空间电荷测试系统用导电线芯和内屏蔽层代替片状试样空间电荷测试系统中的独立上电极系统。电缆绝缘层和测量系统的下电极铝板处于线接触状态，即电缆绝缘在径向上与下电极铝板之间呈线接触形式。这与国外研究人员测量电缆空间电荷时采用的面接触类型有所不同［8］。如图2所示，面接触类型系统下电极形状固定，只能测量某一特定半径的电缆绝缘层。如果绝缘层半径与下电极半径相差过大，界面处会接触不良，超声信号在下电极和电缆绝缘层之间发生多次的折反射，导致信号的畸变，给数据处理和分析带来误差。线接触方式下，通过电缆夹具的作用，可使电缆绝缘和下电极间紧密接触，就可以确保电缆绝缘层与下电极铝板的线接触方式，从而保证实验结果的准确性。为了获得所有接触点上的超声信号，聚偏氟乙烯(PVDF)压电传感器被设计成长方形。PVDF压电传感器的长度由线接触的长度决定，不影响压电传感器变送出的电压信号大小。

图1 高压直流电缆空间电荷测试用电极系统

图2 面接触型下电极

图3 直流塑料电缆空间电荷分布测试接线示意图

图4 升温过程中的空间电荷分布

2 试验方法

试验前，先对电缆做预处理，剥除测量段部分的外屏蔽层，并剥除靠近截断面20 cm内的外屏蔽层以保证外屏蔽层与截断面有足够长的距离而防止在加压过程发生沿面放电。在外屏蔽层剥除后，对电缆绝缘进行抛光打磨，并用酒精擦拭。在安装电缆时，通过紧固螺栓和电缆夹具确保绝缘层外表面与下电极铝板之间的线接触，同时在绝缘层与下电极之间采用硅油提高声波与下电极间的耦合效果。

为反映直流塑料电缆在实际运行状态下绝缘层中的空间电荷分布，实时测量24 h冷热循环周期中各时间点处的空间电荷分布情况。24 h冷热循环为加热8 h后，切断电源，使电缆冷却，维持16 h(与实际负荷对应);如此循环往复。实际运行时，导电线芯最高温度可能达到90℃，采用穿心变压器的感应原理对闭环电缆线路进行加热，使导电线芯温度逐渐升高为90℃。测试过程需使用两根电缆，一根电缆用于测温，一根电缆用于测量电缆绝缘层空间电荷分布。当两根电缆中流过的电流相等时，温升效应是一致的。整个实验平台如图3所示。

3 试验结果及讨论

图4至图7分别是电缆从室温开始升温至90℃，在90℃维持4 h期间，从90℃开始降至室温以及在室温时维持4 h期间的空间电荷分布。从图4可以看出，在阴极附近积聚了较多的异极性空间电荷，由于施加的直流电场仅为15 kV/mm，所以由电极注入的同极性空间电荷较少［9］。在电缆升温过程中，绝缘层中集聚的空间电荷量随着温度的升高而逐渐增加;图5表明，当导电线芯温度稳定在90℃时，空间电荷分布以及性质基本不变，在阴极附近积聚了较多的异极性空间电荷;图6是电缆从90℃开始逐渐降温过程中，绝缘层的空间电荷分布图，从图6中可以发现随着温度的降低，原先在绝缘中积累的空间电荷量在逐渐降低，20℃时绝缘中的空间电荷量只有90℃时的1/4左右;图7是电缆自90℃降温至室温后1～4 h时间内电荷分布的变化情况，从图7中可以发现，当电缆冷却至室温后，空间电荷量基本不再变化，冷却稳定时的空间电荷量相比较于热循环之前的空间电荷量稍有增加。

图5 导电线芯温度稳定在90℃时，不同时间点上的空间电荷分布

图6 冷却过程中的空间电荷分布图

图7 冷却至室温稳定后不同时间点上空间电荷分布

4 结束语

在分析同轴型电缆衰减色散特性、脉冲电场耦合方式以及测量电极系统的基础上，研发出同轴型直流塑料电缆空间电荷测试系统。利用此测量系统测量了直流塑料电缆在24 h冷热循环周期下不同时间点处的空间电荷分布。所研制的同轴型直流塑料电缆空间电荷系统，可以用于研究电缆导电线芯在不同温度下绝缘中的空间电荷分布。本测量装置可以为进一步研究直流塑料电缆奠定试验基础。

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