CN104991130B - 一种直流超高压电缆的空间电荷分布测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流超高压电缆的空间电荷分布测量方法。第一步，构建测量装置，先在电缆(6)的中部将电缆外部铠装层打开一个窗口，然后在窗口中安装采样电极(2)，在采样电极(2)的两侧的电缆(6)上安装与地面连接的接地电极(3)，在采样电极(2)和接地电极(3)的外面安装电磁屏蔽盒(1)，采样电极(2)依次与放大器(4)和示波器(5)连接；用高压线(9)将电缆(6)两高压端(8)及直流高压源(10)连接。第二步，测量获取点信号，第三步，计算测量电缆厚介质试样空间电荷分布。本发明克服了以往传统方法从中心导体取信号所导致的困难，可以应用于传统方法不能完成的超高压实体直流电缆的测量。

Description

一种直流超高压电缆的空间电荷分布测量方法

技术领域

本发明涉及一种直流超高压电缆的空间电荷分布测量方法，具体是在特高压条件下对拥有厚介质的直流超高压长电缆进行空间电荷测量，属于高电压绝缘电介质空间电荷分布测量技术领域。

背景技术

为了改善直流电缆的制造工艺，提高其安全性能，长期以来对于聚合物电介质中的空间电荷分布问题，尤其是对于聚乙烯中的空间电荷分布，无论是测量技术还是空间电荷的行为机理，在国内外都已经有了相当长远的研究历史。目前，对于聚乙烯的空间电荷分布测量，主要有电声脉冲(PEA)与压力波传播法(PWP)。但是，由于测量技术与设备的限制，关于聚合物电介质中的空间电荷，尤其是对于聚乙烯中的空间电荷问题的研究，基本上都是在实验室对于较薄的平板试样进行的，很少有对于实际的真实长度电缆进行空间电荷问题的研究。较多是关于模型电缆(mini cable)的研究，也有在真实超高压电缆上截断短样品进行研究。尽管曾经有过用PEA法对于真实超高压长电缆的空间电荷分布测量的研究，但所得到的信号质量不好，其中的信噪比只能说是勉强可以接受，因此并没有得到更多的认可。因此总体上，对于实际的真实超高压长电缆进行空间电荷问题的研究是相当少的，测量技术还相当不成熟。原因主要如下：

1.目前的真实超高压电缆工作运作电压已经相当高，达到200-500kV，这样高的电压在电介质研究实验室中，难以满足测量实验所需要的空间与大型高压设备；

2.实际的超高压长电缆的绝缘介质厚度通常在10-25mm，这样的介质厚度对于目前比较常见的PEA法测量技术难度很大；

3.对于实际运行的真实超高压长电缆进行空间电荷测量时的信号非常微弱，而大型高压试验大厅中电磁干扰严重，无法建立相应的空间电荷测量设备(因为还不能掌握理想完美的屏蔽电磁防干扰的技术)。

曾经有报导测量实际的真实超高压长电缆空间电荷是采用PEA法的，虽然该PEA法在解决电磁干扰与电磁屏蔽问题方面有优势，却不能在厚介质测量方面有突破，原因在于：1.PEA法需要有纳秒级的高压脉冲产生激励信号，测量介质的厚度越厚，所需有高压脉冲电压就越高，对于10-25mm厚的介质，需要有约50kV的纳秒级脉冲源才能够得到比较理想的信噪比。2.PEA法对于同轴电缆样品的测量，其中近中心导体附近的信号是严重衰减的，对于较厚的绝缘介质层，此问题往往比较严重。

而对于PWP法测量技术，以往有过对于超高压短电缆样品的测量报导，但还没有对于实际的真实超高压长电缆的测量试验。主要原因如下：1.现有的PWP法需在外加超高压回路与测量信号回路之间用一个隔直电容器分开，这在很高的外加高压情况下，无论对于测量系统还是对于操作人员，都是非常危险的。2.对于常用的经典PWP法，测量信号须经过电缆中心导体引出，对于真实的超高压长电缆，这种方式会引起强烈的信号畸变，而且难以克服周围的电磁干扰。3.因为PWP法的测量信号频率在微波频率范围，在测量时需考虑阻抗匹配问题，对于真实长电缆的测量很难解决信号传输的阻抗匹配。4.对于在类似真实超高压电缆那样绝缘厚度情况下的测量，须采用大功率脉冲激光器的PWP法，对于在高压试验大厅这样的工作环境，是有相当难度。

发明内容

本发明的目的是公开一种测量超高压直流电缆的空间电荷分布方法。具体是采用改进的压力波法测量真实运行的超高压直流电缆的空间电荷分布。

为了达到上述目的，本发明对传统的压力波法(PWP)进行了改进，使其可以用于测量真实运行的超高压直流电缆中的空间电荷分布。由激光器或者压电驱动器产生的激励信号作用于电缆的外层，而测量信号也取自于电缆的外层，这与常规PWP法的不同，本发明克服了以往从电缆两端中心导体取信号所引起的畸变，避免了常规PWP法中仅用一个隔直电容器隔离高压回路与测量回路所导致的风险，同时也避免了对操作人员潜在的安全威胁。这种不同于常规PWP法的测量方法，同时利用了高压电缆半导电屏蔽层对于直流电流是较好的导体，但对于压力脉冲传播所引起的0.01-100MHz的高频激发电流具有很好的隔离性这一特性。由激光器或者压电驱动器激励信号引起的压力脉冲沿电缆截面的径向传播时，有自动聚焦的特性，压力波的幅值在传播过程中非但不会在径向传播时衰减，而且还会自动增加。这种特性对于测量很厚的绝缘层中的空间电荷分布是有利的，利用这种特性测量厚介质的空间电荷，不至于测量信号过于微弱。具体工艺如下：

第一步，构建测量装置

先在电缆的中部将其铠装层打开一段窗口，大小以方便安装电极为合适，使电缆曝露出其外屏蔽层，然后在窗口中电缆表面上安装采样电极，在采样电极的两侧的电缆上安装与地面连接的接地电极，在采样电极和接地电极的外面安装材料为金属的电磁屏蔽盒，采样电极依次与放大器和示波器连接；用高压线将电缆两高压端连接，高压线与高压直流源连接，便于回路电流通过电缆；

上述采样电极和接地电极均为市售导电铜箔；

上述放大器为放大倍数约40dB，带宽0.01-100MHz的市售商品放大器；

上述示波器采样率1GS/s,为市售示波器；

上述高压直流源为市售直流小功率电压源，电压1000kV以内；

第二步，测量获取点信号

先通过高压直流源给电缆加高压，然后由激光器或者压电驱动器发出激励信号作用于电缆表面，引起的压力波在电缆介质中以声速传播时，破坏了介质内部原先弹性力和电荷产生电场力的平衡，引起介质中的电荷发生微小位移，电荷的微小位移又导致介质与电缆表皮接触面上的感应电荷量产生变化，感应电荷量的变化以电流的形式从采样电极传到示波器并按照电压信号记录下来；

第三步，计算测量直流超高压电缆的厚介质试样空间电荷分布

为了计算压力波法激发电流公式，先根据示波器获得的压力波在电缆绝缘层中的传播变化激发的电流和测量所得到的电流之间的关系制作等效电路，该等效电路中C₁为采样电极相关的等效电容，Z₀为电缆的特征阻抗，r_i为外接电路的阻抗,Z_g为采样电极和接地电极之间的等效阻抗；通过分析测量电流和激发电流之间的关系得原始激发电流的大小，再由此导出空间电荷分布，即空间电荷密度和位置的关系；

上述直流超高压电缆的厚介质试样的绝缘层厚度为3-10cm，但不限制使用其它尺寸的电缆包括短截样品；

上述示波器采集获得的压力波引起的电压数据为V_m(t)，通过比例换算得到i_m(t)；

上述等效电路得到激发电流为i(t)；

通过分析等效电路，利用测量电流i_m(t)与激发原始电流i(t)的关系得到激发电流i(t)；

为了表示激发电流i(t)，引入试样中电场分布E(r)，试样厚度，试样中的压力波P(r,t)，材料位移量u，试样在无压力波作用时的电容C₀，其中C₀取决于试样厚度和压力波作用面积，ε为介电常数,电致伸缩系数a₁₁，G(ε)＝1-a₁₁/ε是一个仅仅与绝缘介质材料自身特性有关的常量，对于非均匀介质材料，G(ε)是一个与空间参数相关的函数，因此不能移出积分；但对于均匀电介质，G(ε)不是与空间相关的函数，因此可以放在积分之前，在此假设前提下，只考虑均匀电介质材料，B取常数；

由关于压力波法激发电流公式反卷积得到介质内部的电场分布，然后通过一维形式的泊松方程即可得到电荷密度关于位置的分布。

本发明的优点和效果是：

1，由于本发明采用压力波法电缆外屏蔽层上提取PWP法测量信号，激光器或者压电驱动器产生的激励信号作用于电缆外层引起压力脉冲的传播，而PWP信号也取自电缆的外层，克服了以往从电缆两端取信号所引起的畸变，避免了常规PWP法中仅用一个隔直电容器隔离高压回路与测量回路所导致的风险，同时也避免了对于操作人员潜在安全威胁。

2，本发明利用了高压电缆半导电屏蔽层对于直流电场是较好的导体，但对于在电缆的外层上提取的由激光器或者压电驱动器作用下产生的0.01-100MHz的高频测量信号具有很好的隔离性这一特性，且由于诱导产生的压力波沿电缆截面的径向传播时，有自动聚焦的特性，压力波的幅度在传播过程中非但不衰减，而且还会自动增加，因此对于测量很厚的绝缘层中的空间电荷分布是有利的，可以利用这种特性测量厚介质的空间电荷，而不至于测量信号过于微弱。

3，本发明根据示波器获得的压力波在电缆绝缘层中的传播变化激发的电流和测量所得到的电流之间的关系制作等效电路，由此导出空间电荷分布，即空间电荷密度和位置的关系。

4，本发明在厚介质、强电场下的电缆的空间电荷测量，在改善直流电缆的制造工艺，提高其安全性能以及实际应用运行方面有重要意义。

5,本发明对于带铠装的完整真实长电缆的空间电荷测量，将展示对于实际的超高压直流电缆的运行监控是非常有意义的。

说明书附图

图1为本发明的测量装置构建示意图

图2为本发明的测量装置中的信号获取示意图

图3为本发明的压力波在电缆绝缘层中的传播示意图

图4为本发明测量得到的压力波在电缆绝缘层中与电流之间的关系示意图

图5为本发明测量得到的压力波在电缆绝缘层中与电流之间的等效电路图

图6为本发明的绝缘层厚度为3mm的电缆样品加压40kV时候的测量信号图

图中：

1—电磁屏蔽盒，2—采样电极，3—接地电极，4—放大器，5—示波器，6—电缆，7—电缆导体，8—高压端，9—高压线，10—高压直流源。

①—采样电极测量处，②—电缆导体测量处，③—接地电极测量处，Z₀—电缆的特征阻抗，Z_g—电极之间的电缆表皮所对应的等效特征阻抗，由C_g和R_g组成，C₁—采样电极对应的等效电容，C₀—压力波作用的面积所对应的静态等效电容，r_i—示波器的输入阻抗

具体实施方式

为了验证方法的可行性，我们选取了一根绝缘层厚度为3mm，应用于10kV电压等级直流输电线路的电缆6作为试样样品进行测量。

第一步，构建测量装置

先在作为试样样品的电缆6的中部将其铠装层打开一段窗口，大小以方便安装电极为合适，使电缆曝露出其外屏蔽层，然后在窗口中电缆表面上安装采样电极2，在采样电极2的两侧的电缆6上安装与地面连接的接地电极3，在采样电极2和接地电极3的外面安装材料为金属的将两个电极包裹在内的电磁屏蔽盒1，采样电极2依次与放大器4和示波器5连接；用高压线9将电缆6的电缆导体7两高压端8连接，高压线9与高压直流源10连接，便于超高压直流电源通过电缆6。

第二步，测量获取点信号

按上述过程构建好测量设备后，先通过高压直流源10给电缆6加压40kV,再利用激光器发出单脉冲能量为600mJ，脉宽为6-7ns的激光脉冲通过采样电极2的中间孔洞打在暴露出的电缆6外屏蔽层表皮上引起压力脉冲传播至电缆6内，并从采样电极2引出信号。压力波在介质内按照声速传播如图6，从0时刻进入介质内部，在1.5μs时刻压力波前端到介质末端，示波器5测量信号采样时间设置为从-0.5μns～2.25μs可观测到电流信号。

第三步，计算测量直流超高压电缆的厚介质试样空间电荷分布

为了计算压力波法激发电流公式，先根据示波器5获得的压力波分析等效电路，在该等效电路的采样电极测量处①，电缆导体测量处②，接地电极测量处③处各个位置的C₁为采样电极2相关的等效电容，Z₀为电缆6的特征阻抗，r_i为外接电路的阻抗,Z_g为采样电极和接地电极之间的等效阻抗；通过分析测量电流和激发电流之间的关系得原始激发电流的大小，再由此导出空间电荷分布，即空间电荷密度和位置的关系；

上述直流超高压电缆的厚介质试样的绝缘层厚度为3-10mm。

上述示波器5采集获得的压力波引起的电压数据为V_m(t)，通过除以放大系数A得到i_m(t),其中A等于放大器放大倍数与放大器输入阻抗的乘积；

上述等效电路得到激发电流为i(t)；

通过分析等效电路，利用测量电流与激发原始电流的关系得到激发电流i(t)；

测量Z_g方法如下：

将市售万用电表打到欧姆档，一端接采样电极2，另外一端接接地电极3，测得R_g。然后测量C_g，将市售大小合适的电感器和采样电极2，接地电极3依次连接起来，最后接到市售函数脉冲发生器信号发生端，另一端连接到示波器5的频道一，同时函数发生器信号发生端和示波器5的频道二连接起来，并使得示波器5和信号发生器共用接地端，示波器上5同时显示函数信号发生器的脉冲电压和接地电极输出的电流。预估C_g的值，上述大小合适的电感器选择是：比如C_g预估值为20pF，假如信号发生器输出信号频率为30MHz，根据串联电路谐振公式则可以选择电感为0.7MH的电感器。选择完一个合适大小的电感器之后，通过函数信号发生器调节输出信号的频率f，观测示波器中电流波形，当f在某值电流达到最大值，即在此频率下电容和电感发生谐振，然后按照串联电路谐振公式算出电容C_g。利用上述方法得到电缆样品等效电路中R_g＝850欧姆，C_g＝10pF。

通过傅里叶变换，将电流由时域的函数转换为频域的函数，分析等效电路可知，对于测量和激发电流在0.1-100MHz内某频率为f的分量和有如下关系：

其中对于在0.1-100MHz之间的频率f，都有r_i<<Z_g，则Z_g/(Z_g+2r_i)≈1，则可认为测量电流i_m(t)即为激发电流i(t)。

为了表示激发电流i(t)，引入试样中电场分布E(x)，试样厚度d，试样中的压力波P(r,t)，材料位移量u，试样在无压力波作用时的电容C₀，其中C₀取决于试样厚度和压力波作用面积，_ε为介电常数,电致伸缩系数a₁₁，G(ε)＝1-a₁₁/ε是是一个仅仅与绝缘介质材料自身特性有关的常量，对于非均匀介质材料，G(ε)是一个与空间参数相关的函数，因此不能移出积分；但对于均匀电介质，G(ε)不是与空间相关的函数，因此可以放在积分之前，在此假设前提下，只考虑均匀电介质材料，B取常数；

由压力波法激发电流公式(期刊Physical Review B,61卷,20期,页:13528-13539,文献名：Influence of divergentelectric fields on space-charge distribution measurementsby elastic methods)反卷积得到介质内部的电场分布E(r)，然后通过一维形式的泊松方程即可得到电荷密度关于位置的分布ρ(r)。

通过测量实例我们可以看出，本套实验装置可以满足测量要求。目前在同济大学实验室内已经观测到10mm绝缘层厚度的直流电缆的测量信号。由于测量信号与电场成正比，所以提高加压条件，就可以观测到绝缘层厚度更厚的全尺寸超高压直流电缆的测量信号。

Claims (1)

1.一种直流超高压电缆的空间电荷分布测量方法，其特征是：

第一步，构建测量装置

先在电缆(6)的中部将其铠装层打开一段窗口，大小以方便安装电极为合适，使电缆曝露出其外屏蔽层，然后在窗口中安装采样电极(2)，在采样电极(2)的两侧的电缆(6)上安装与地面连接的接地电极(3)，在采样电极(2)和接地电极(3)的外面安装材料为金属的电磁屏蔽盒(1)，采样电极(2)依次与放大器(4)和示波器(5)连接；用高压线(9)将电缆(6)两高压端(8)连接，高压线(9)与高压直流源(10)连接，便于产生回路电流通过电缆中心导体(7)；

上述采样电极(2)和接地电极(3)均为市售导电铜箔；

上述放大器(4)为放大倍数约40dB，带宽0.01-200MHz的市售商品放大器；

上述示波器(5)型号为采样率1GS/s的市售示波器；

上述高压直流源(10)为市售直流小功率电压源，电压1000kV以内；

第二步，测量获取点信号

先通过高压直流源(10)给电缆(6)加30-500KV电压，然后利用激光器或者压电驱动器产生的压力脉冲作用在在电缆(6)暴露出的外屏蔽层上，由此引起的弹性波在介质中以声速传播时，破坏了介质内部原先弹性力和电荷产生电场力的平衡，引起介质中的电荷发生微小位移，电荷的微小位移又导致电缆表皮上的感应电荷量的变化，感应电荷量的变化引起的电流通过采样电极(2)传到示波器(5)的输入端，从示波器(5)观测到压力波在介质中的传播所引起的电流信号；

第三步，计算测量直流超高压电缆的厚介质试样空间电荷分布

首先，要得到激发电流，先根据示波器(5)获得的压力波在电缆绝缘层中的传播变化激发的电流和测量所得到的电流之间的关系制作等效电路，该等效电路中C₁为采样电极(2)相关的等效电容，Z₀为电缆(6)的特征阻抗，r_i为外接电路的阻抗,Z_g为采样电极和接地电极之间的等效阻抗；通过分析测量电流和激发电流之间的关系得激发电流的大小，再由此反推出空间电荷分布，即空间电荷密度和位置的关系；

上述直流超高压电缆的厚介质试样的绝缘层厚度为3-10mm，但不限制使用其它尺寸的电缆包括短截样品；

上述示波器采集获得的压力波引起的电压数据为V_m(t)，通过除以比例系数A＝D*R，其中D为放大器放大系数，R为示波器电阻，得到i_m(t)；

上述等效电路得到激发电流为i(t)；

通过分析等效电路，利用测量电流i_m(t)与激发电流i(t)的关系得到激发电流i(t)；

为了表示激发电流i(t)，引入试样中电场分布E(r)，试样内径a，试样外径b，试样中的压力波P(r,t)，材料位移量u，试样在无压力波作用时的电容C₀，其中C₀取决于试样厚度和压力波作用面积，ε为介电常数,χ为杨氏模量，电致伸缩系数a₁₁，而G(ε)＝1-a₁₁/ε是一个仅仅与绝缘介质材料自身特性有关的常量，对于非均匀介质材料，G(ε)是一个与空间参数相关的函数，因此不能移出积分；但对于均匀电介质，G(ε)不是与空间相关的函数，因此可以放在积分之前，在此假设前提下，只考虑均匀电介质材料，B取常数；

由激光压力波法激发电流公式反卷积得到介质内部的电场分布，

然后通过一维形式的泊松方程，即可得到电荷密度关于位置的分布。