CN103412244A - 测量高压直流xlpe电缆冷热循环下空间电荷特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，属测量领域。其对每种绝缘配方材料，制备模拟小电缆，在模拟小电缆上设置空间电荷测试单元，空间电荷测试单元与示波器和计算机连接；对模拟小电缆的电缆线芯施加直流电压，使其电缆绝缘层的平均电场强度达到15kV/mm；对模拟小电缆进行感应加热；然后降至常温，通过空间电荷测试单元得到该种绝缘配方模拟小电缆在不同冷热循环周期阶段的空间电荷分布值；得到不同绝缘材料模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期中的空间电荷特性。其测量能真实地反映电缆绝缘层中的空间电荷分布状况，从而有助于评价实际大小电缆绝缘层的空间电荷特性。可广泛用于各种高压直流XLPE电缆空间电荷特性的测量领域。

Description

测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法

技术领域

本发明属于测量领域，尤其涉及一种用于同轴高压直流塑料电缆性能/特性的测量方法。

背景技术

高压直流输电在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个电网间的非同步互联等方面比高压交流输电具有更大的优势。

然而，常规高压直流输电也存在着一些缺点，如受端必须有旋转电机，有换相失败的危险，难以应用到小功率的场合等。

柔性高压直流输电（HVDC light，high-voltage direct current light）技术正是从根本上克服这些缺点而逐渐发展起来的新型输电技术。

柔性高压直流输电线路采用高压直流交联聚乙烯（XLPE）电缆（业内亦简称为高压直流塑料电缆），其具有体积小、强度高、重量轻、传输容量大、绝缘水平优越、环保和敷设容易等优点。

当直流电压施加在固体聚合物绝缘层上时，绝缘层中会建立空间电荷分布，而空间电荷不仅畸变电场分布，而且和绝缘介质的电老化密切相关。

空间电荷问题是研制高压直流XLPE电缆绝缘的难点之一。

交联聚乙烯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，所以研制高压直流XLPE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XLPE电缆的空间电荷的测试和分析技术的研究，显得尤其重要。

因而，研发高压直流XLPE电缆，就必须研究其绝缘层的空间电荷特性。

对于空间电荷的测量，国内外绝缘电介质领域普遍采用电声脉冲法（PEA，pulsed electro-acoustic），其业已成为一项比较成熟的技术。

然而，由于电声脉冲法测试装置分辨率的限制，传统的研究都只是针对平板薄试样进行评估的。采用平板薄试样，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，且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，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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法。其采用小尺径的模拟电缆作为研究对象，能准确测量模拟小电缆绝缘层的空间电荷分布情况，真实地反映电缆绝缘层中的空间电荷分布状况，从而有助于评价实际大小电缆绝缘层的空间电荷特性。

本发明的技术方案是：提供一种测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，包括采用电声脉冲法，实时测量24h负荷冷热循环周期中各时间点处电缆的空间电荷分布；其特征是：

A、确定电缆绝缘层需要的绝缘配方材料；

B、对每一种确定或需要的绝缘配方材料，制备两根相同的模拟小电缆；

C、设置两组串心变压器，两组串心变压器的原边线圈分别经过一个调压器与电源连接；

D、将两根模拟小电缆的两端分别对应短接，构成闭环回路；其中，第一模拟小电缆充当第一组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与温度显示仪的输入端连接；第二模拟小电缆充当第二组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与脉冲源连接；

E、在第二模拟小电缆上设置待测部位，在待测部位上设置空间电荷测试单元，所述的空间电荷测试单元与示波器和计算机连接；

F、通过对第二模拟小电缆的导体层/电缆线芯施加+20kV的直流电压，使其电缆绝缘层的平均电场强度达到15kV/mm；

G、通过控制第一、第二组串心变压器电源的通/断，分别对第一、第二模拟小电缆的闭环电缆回路同时进行感应加热；当所述第一、第二模拟小电缆在规定的升温过程时间内逐渐升温至90℃后，按照24h负荷冷热循环周期所规定的时间，维持所需的高温时间，然后在指定的冷却过程时间内降至常温/室温，并维持所需的常温/室温时间；

H、通过空间电荷测试单元得到采用该种绝缘配方材料的模拟小电缆在不同冷热循环周期阶段的空间电荷分布值；

I、采用平均电荷密度指标来评价各组采用不同绝缘配方材料的模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期内的空间电荷积聚情况；

J、得到不同绝缘材料所构成的各组模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期中的空间电荷特性；

K、对各组模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期中的空间电荷特性进行比较、分析和评判。

其中，所述的24h负荷冷热循环周期为加热8h后，切断串心变压器的电源，使电缆冷却并维持常温/室温16小时，如此循环往复。

其所述模拟小电缆由里到外的结构依次为导体层、内半导电层、绝缘层、外半导电层；其中所述内半导电层、绝缘层和外半导电层一次挤压成型；所述导体材料采用铜材料，且导体标称截面积为25mm²；所述内、外半导电层的半导电材料成型厚度均为0.6mm；所述的绝缘层厚度为1.3mm。

在所述第二模拟小电缆的待测部位，剥除模拟小电缆中间部位的外半导电层，剥除外半导电层的长度至少为100mm，以安装空间电荷测试单元的测试电极。

在所述第一、第二模拟小电缆的两端部位，剥除模拟小电缆的外半导电层，剥除外半导电层的长度至少为200mm，以保证外半导电层与模拟小电缆两端的截断面之间有足够的距离，防止发生沿面放电。

对所述模拟小电缆所有被剥除半导电层的部位，用细砂纸打磨光滑，以酒精擦拭绝缘层表面，静置于空气中2小时，以保证酒精完全挥发。

其所述的空间电荷测试单元为同轴型电缆空间电荷测试装置；所述同轴型电缆空间电荷测试装置中的下电极和压电薄膜，与示波器和计算机的信号输入端分别对应连接。

在所述第一、第二模拟小电缆的两端，分别采用压接管对应对接连接，分别构成闭环回路。

其所述平均电荷密度的计算采用下列公式：

$Q_{\mathrm{med}}=\frac{{\∫}_{x_0}^{x_d}\left|\mathrm{\ρ}\left(x\right)\right|\mathrm{dx}}{x_d-x_0}$

式中，x₀，x_d是电极的位置；ρ(x)是空间电荷分布。

其所述的第一模拟小电缆用于测温，所述的第二模拟小电缆用于空间电荷分布的测量；当所述的两根电缆中流过的电流相等时，所述的第一、第二模拟小电缆具有相同的温升效应。

具体的，其所述升温过程时间或冷却过程时间的时间长度均为0.5小时±5分钟。

所述的测量方法采用平均电荷密度作为各组绝缘配方材料所制成电缆空间电荷积聚的量化指标，采用24h负荷冷热循环周期内各组绝缘配方材料所制成的电缆的平均电荷密度图，来比较、分析和评判各组电缆的空间电荷特性。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用小尺径的模拟电缆作为研究对象，能准确测量模拟小电缆绝缘层的空间电荷分布情况，真实地反映电缆绝缘层中的空间电荷分布状况，从而有助于评价实际大小电缆绝缘层的空间电荷特性；

2.对待测电缆进行实时测量，通过比较不同种类绝缘配方材料所制成电缆在24小时冷热循环周期中空间电荷积聚的量化指标——平均电荷密度，来比较、分析和评判各组电缆的空间电荷特性；

3.本技术方案采用的同轴型电缆空间电荷测试装置在脉冲电场耦合方式、测试电极系统以及衰减色散特性等方面要优于现有的传统片状试样空间电荷测试装置，能准确测量模拟小电缆绝缘层的空间电荷分布，为今后高压直流塑料电缆的研究指明了方向。

附图说明

图1是本发明的方法步骤方框示意图；

图2是本发明同轴型电缆空间电荷测试装置的系统构成示意图；

图3是采用本发明的方法所获得的24h负荷冷热循环周期内各种电缆的平均电荷密度图。

图中1为第一穿心变压器，2为第二穿心变压器，3和5为调压器，4和6为电源，7为第一模拟小电缆，8为第二模拟小电缆，9为温度显示仪，10为脉冲源，11为同轴型电缆空间电荷测试装置，12为示波器，13为计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本发明的技术方案提供了一种测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，包括采用电声脉冲法，实时测量24h负荷冷热循环周期中各时间点处电缆的空间电荷分布；其具体方法/步骤是：

A、确定电缆绝缘层需要的绝缘配方材料；

B、对每一种确定或需要的绝缘配方材料，制备两根相同的模拟小电缆；

C、设置两组串心变压器，两组串心变压器的原边线圈分别经过一个调压器与电源连接；

D、将两根模拟小电缆的两端分别对应短接，构成闭环回路；其中，第一模拟小电缆充当第一组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与温度显示仪的输入端连接；第二模拟小电缆充当第二组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与脉冲源连接；

E、在第二模拟小电缆上设置待测部位，在待测部位上设置空间电荷测试单元，所述的空间电荷测试单元与示波器和计算机连接；

F、通过对第二模拟小电缆的导体层/电缆线芯施加+20kV的直流电压，使其电缆绝缘层的平均电场强度达到15kV/mm；

G、通过控制第一、第二组串心变压器电源的通/断，分别对第一、第二模拟小电缆的闭环电缆回路同时进行感应加热；当所述第一、第二模拟小电缆在规定的升温过程时间内逐渐升温至90℃后，按照24h负荷冷热循环周期所规定的时间，维持所需的高温时间，然后在指定的冷却过程时间内降至常温/室温，并维持所需的常温/室温时间；

H、通过空间电荷测试单元得到采用该种绝缘配方材料的模拟小电缆在不同冷热循环周期阶段的空间电荷分布值；

I、采用平均电荷密度指标来评价各组采用不同绝缘配方材料的模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期内的空间电荷积聚情况；

J、得到不同绝缘材料所构成的各组模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期中的空间电荷特性；

K、对各组模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期中的空间电荷特性进行比较、分析和评判。

图2中，第一、第二串心变压器1和2的原边线圈分别经过一个调压器3和5与电源4和6连接。

第一模拟小电缆7充当第一组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与温度显示仪9的输入端连接。

第二模拟小电缆8充当第二组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与脉冲源10连接。

在第二模拟小电缆上设置待测部位，在待测部位上设置空间电荷测试单元（即同轴型电缆空间电荷测试装置11），所述的空间电荷测试单元与示波器12和计算机13连接。

本发明技术方案中模拟小电缆的制备：

模拟小电缆的结构由里到外为导体层、内半导电层、绝缘层、外半导电层，其中内半导电层、绝缘层和外半导电层一次挤压成型。导体材料均采用铜材料，且导体标称截面积为25mm²。内、外半导电层的成型后厚度均为0.6mm。

其绝缘层材料选用三种:（1）直流电缆料，型号为LE4253；（2）交流电缆料，型号为LE4201R；（3）交流电缆料，型号为SLPE4301。

成型后三种模拟小电缆绝缘层厚度均为1.3mm。

为便于说明，根据绝缘层材料的不同，分别对三种模拟小电缆进行编号。绝缘材料型号为LE4253的编号为A型电缆；型号为LE4201R的编号为B型电缆；型号为SLPE4301的编号为C型电缆。

本技术方案中所采用的同轴型电缆空间电荷测试装置的具体结构，可参看中国发明专利CN200910309473.9中所公开的内容，在此不再叙述。

本技术方案中所采用的同轴型电缆空间电荷测试装置与传统片状试样空间电荷测试装置在原理上是一致的，但又有其特殊性。两者的差异主要表现在脉冲电场耦合方式、测试电极系统以及衰减色散特性，具体在此不再详述。

开始测量前，剥除小电缆中间部位外半导电层100mm，以安装测试电极；剥除小电缆两端部位的外半导电层200mm，以保证外半导电层与截断面有足够的距离，防止发生沿面放电；剥除半导电层的所有部位用细砂纸打磨光滑，以酒精擦拭绝缘层表面，静置于空气中2小时以保证酒精完全挥发。

所述模拟小电缆的两端采用压接管对接连接，构成闭环回路。将电缆待测部位安装到测试装置上时，紧固螺栓旋进深度适当，以保证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滴少许硅油以提高接触效果。

根据国际大电网的推荐试验建议，实时测量24h负荷冷热循环周期中各时间点处的空间电荷分布。24h负荷冷热循环为加热8h后，切断电源，使电缆冷却并维持16小时，如此循环往复。

测量实验中，对第二模拟小电缆上施加+20kV的直流电压，使其电缆绝缘层的平均电场强度达到15kV/mm。

电缆线芯的最高设计温度为90℃，采用串心变压器对闭环电缆回路进行感应加热，逐渐升温至90℃。

实际进行测量实验时，采用两根同种电缆，一根用于测温，一根用于空间电荷分布的测量，当两根电缆中流过的电流相等时它们具有相同的温升效应。

整个实验平台的系统结构如图2所示。

前述三种电缆在不同阶段的空间电荷分布图见图3所示，

本发明的技术方案采用平均电荷密度来评价三种电缆在24h负荷冷热循环周期内的空间电荷积聚情况。

所述平均电荷密度的计算如式（1）所示：

$Q_{\mathrm{med}}=\frac{{\∫}_{x_0}^{x_d}\left|\mathrm{\ρ}\left(x\right)\right|\mathrm{dx}}{x_d-x_0}---\left(1\right)$

式中，x₀，x_d是电极的位置；ρ(x)是空间电荷分布。

图3是24h负荷冷热循环周期内三种电缆的平均电荷密度图，图中分别采用■、●和▲表示A、B、C三种电缆在升/降温过程中，其电缆绝缘层中积聚的空间电荷量。

图中三种电缆升温和冷却过程时间大约均为0.5小时。

由图3可见，A型电缆在升温过程中，绝缘层中积聚的空间电荷量随着温度的升高而逐渐增加；电缆线芯温度稳定在90℃时，空间电荷分布基本不变；电缆在冷却过程中，随着温度的降低积聚的空间电荷量逐渐降低；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变化不大，略有增加，分析原因为冷热循环前电缆绝缘层中没有空间电荷，而经过冷热循环后，由于电场和温度的双重作用而积聚了少量的空间电荷，但这对绝缘层电场分布的影响并不大。当A型电缆稳定在90℃或室温时，电缆绝缘层中的空间电荷量维持不变，说明其在运行温度范围内具有很好的电场稳定性，不会随着时间的增加而变化。

B型电缆在升温过程中，随着温度的升高积聚的空间电荷量也逐渐增加；在温度稳定在90℃时，空间电荷量基本不变；在降温过程中，空间电荷量随着温度的降低而逐渐降低；在冷却稳定后，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增加较多。

C型电缆在升温过程中，空间电荷量随着温度的升高增加缓慢；在温度稳定在90℃时，空间电荷量仍在继续增加，待6小时后才趋于稳定；在降温过程中，空间电荷量随着温度的降低而并没有明显的减少；在冷却稳定后，空间电荷量也基本不变，与稳定在90℃时的空间电荷量基本相当；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增加很多。

比较三种电缆在24h冷热循环中的空间电荷积聚特性，可发现：在升温过程中，A型电缆积聚的空间电荷量随着温度增加而迅速上升，B型电缆相比较于A型电缆稍有“惰性”，而C型电缆积聚的空间电荷量缓慢上升，温度稳定在90℃时仍在增加；温度保持在90℃的过程中，三种电缆最终稳态的空间电荷积聚量大致相等；在冷却过程中，A型电缆积聚的空间电荷量随着温度的降低而迅速下降，B型电缆相比较于A型电缆仍表现出“惰性”，C型电缆积聚的空间电荷量下降缓慢，温度下降至室温时相比较于90℃时相差不大。

温度保持在室温时，A型电缆积聚的空间电荷量不再变化，B型和C型电缆积聚的空间电荷量逐渐下降，大约4小时后趋于稳定。

三种电缆室温时最终稳态空间电荷积聚量，A型电缆最少，与其加热前相当；B型电缆其次，但与其加热前积聚的空间电荷有所增加；C型电缆最多，与其在90℃稳态时积聚的空间电荷量稍有下降。

在24h负荷冷热循环过程中，A型电缆表现出优越的空间电荷特性，其空间电荷积聚对温度的变化具有很好的“响应”，且冷热循环周期前后的空间电荷积聚量基本不变，这是今后高压直流塑料电缆的研究方向。

由于本发明采用了小尺径的模拟电缆作为测量/研究对象，能准确测量模拟小电缆绝缘层的空间电荷分布情况，真实地反映电缆绝缘层中的空间电荷分布状况，从而有助于评价实际大小电缆绝缘层的空间电荷特性。

本发明可广泛用于各种高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的测量领域。

Claims (10)

1.一种测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，包括采用电声脉冲法，实时测量24h负荷冷热循环周期中各时间点处电缆的空间电荷分布；其特征是：

A、确定电缆绝缘层需要的绝缘配方材料；

B、对每一种确定或需要的绝缘配方材料，制备两根相同的模拟小电缆；

C、设置两组串心变压器，两组串心变压器的原边线圈分别经过一个调压器与电源连接；

D、将两根模拟小电缆的两端分别对应短接，构成闭环回路；其中，第一模拟小电缆充当第一组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与温度显示仪的输入端连接；第二模拟小电缆充当第二组串心变压器的副边线圈，其导体层/电缆线芯与脉冲源连接；

E、在第二模拟小电缆上设置待测部位，在待测部位上设置空间电荷测试单元，所述的空间电荷测试单元与示波器和计算机连接；

F、通过对第二模拟小电缆的导体层/电缆线芯施加+20kV的直流电压，使其电缆绝缘层的平均电场强度达到15kV/mm；

G、通过控制第一、第二组串心变压器电源的通/断，分别对第一、第二模拟小电缆的闭环电缆回路同时进行感应加热；当所述第一、第二模拟小电缆在规定的升温过程时间内逐渐升温至90℃后，按照24h负荷冷热循环周期所规定的时间，维持所需的高温时间，然后在指定的冷却过程时间内降至常温/室温，并维持所需的常温/室温时间；

H、通过空间电荷测试单元得到采用该种绝缘配方材料的模拟小电缆在不同冷热循环周期阶段的空间电荷分布值；

I、采用平均电荷密度指标来评价各组采用不同绝缘配方材料的模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期内的空间电荷积聚情况；

J、得到不同绝缘材料所构成的各组模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期中的空间电荷特性；

K、对各组模拟小电缆在24h负荷冷热循环周期中的空间电荷特性进行比较、分析和评判。

2.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述的24h负荷冷热循环周期为加热8h后，切断串心变压器的电源，使电缆冷却并维持常温/室温16小时，如此循环往复。

3.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述模拟小电缆由里到外的结构依次为导体层、内半导电层、绝缘层、外半导电层；其中所述内半导电层、绝缘层和外半导电层一次挤压成型；所述导体材料采用铜材料，且导体标称截面积为25mm²；所述内、外半导电层的半导电材料成型厚度均为0.6mm；所述的绝缘层厚度为1.3mm。

4.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是在所述的待测部位，剥除模拟小电缆中间部位的外半导电层，剥除外半导电层的长度至少为100mm，以安装空间电荷测试单元的测试电极；

在所述模拟小电缆的两端部位，剥除模拟小电缆的外半导电层，剥除外半导电层的长度至少为200mm，以保证外半导电层与模拟小电缆两端的截断面之间有足够的距离，防止发生沿面放电；

对所述模拟小电缆所有被剥除半导电层的部位，用细砂纸打磨光滑，以酒精擦拭绝缘层表面，静置于空气中2小时，以保证酒精完全挥发。

5.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述的空间电荷测试单元为同轴型电缆空间电荷测试装置；所述同轴型电缆空间电荷测试装置中的下电极和压电薄膜，与示波器和计算机的信号输入端分别对应连接。

6.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述模拟小电缆的两端，采用压接管对接连接，构成闭环回路。

7.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述平均电荷密度的计算采用下列公式：

$Q_{\mathrm{med}}=\frac{{\∫}_{x_0}^{x_d}\left|\mathrm{\ρ}\left(x\right)\right|\mathrm{dx}}{x_d-x_0}$

式中，x₀，x_d是电极的位置；ρ(x)是空间电荷分布。

8.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述的第一模拟小电缆用于测温，所述的第二模拟小电缆用于空间电荷分布的测量；当所述的两根电缆中流过的电流相等时，所述的第一、第二模拟小电缆具有相同的温升效应。

9.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述升温过程时间或冷却过程时间的时间长度均为0.5小时±5分钟。

10.按照权利要求1所述的测量高压直流XLPE电缆冷热循环下空间电荷特性的方法，其特征是所述的测量方法采用平均电荷密度作为各组绝缘配方材料所制成电缆空间电荷积聚的量化指标，采用24h负荷冷热循环周期内各组绝缘配方材料所制成的电缆的平均电荷密度图，来比较、分析和评判各组电缆的空间电荷特性。

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