CN107607837B - 一种基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法及装置，属于电力电缆检测领域。所述方法通过获取被试电缆在不同冲击电压作用下的电压、电流波形来获得电缆的频域介电谱，通过截取所述频域介电谱中0～10kHz频率段的介电响应情况来评价电缆绝缘老化程度。相比于传统的介电响应测量方法，其相对应的冲击电流幅值较大，容易测量且不易受到噪声干扰，同时，对于冲击电压、电流方面的测量技术也较为成熟。可以更多地获取表征电缆绝缘老化信息，不同频率下的介质损耗情况可被用于分析研究。因此，冲击电压下的介电响应更能有效评估电缆老化程度。

Description

一种基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法及装置，属于电力电缆检测领域。

技术背景

在城市配网建设中，电力电缆的应用越来越普遍，其中主要以35kV等级以下的交联聚乙烯(XLPE)电缆为主，因其具有可靠的电气及机械性能广为应用。目前国内电缆已经有20年左右的使用年限，部分电缆已经接近设计寿命(30～40 年)的终点，如果电缆由于受潮、受热、过电压等情况使其运行状态异常，能出现不同程度的水树老化问题，在过电压作用下绝缘劣化区域有可能引发电树甚至直接击穿，严重威胁到电力系统的稳定性，因此研究电缆运行状态的评估方法具有重要意义和实用价值。除了传统的预防性试验外，近年来国内外常采用介电响应法对电力设备的绝缘状态进行诊断，这是一种利用电介质介电响应规律反映绝缘材料老化程度的检测方法。中国发明专利CN201510779279.2“一种XLPE电缆极化-去极化电流的测量方法”采用极化与去极化法(PDC)测量极化电流的值来测试电缆的介电响应，该方法主要测试0.001-1Hz超低频段的介电响应；中国发明专利CN201510438614.2“基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法”通过改变施加交流激励的频率，采用复电容和损耗因素等关于频率的参数来评估绝缘系统的老化状态，主要测试0.1-1kHz的介电响应。可以看出介电响应法是诊断电气绝缘的有效工具。中国专利CN201520259964.8“基于介质响应的电缆老化程度评估系统”提出一种向电缆输入扫频信号并实时测量电缆介电响应情况的装置，能够用以评估电缆的老化情况。中国专利 CN201610404171.X“基于不同频率介损比值的XLPE绝缘老化状态评估方法”分别测试电缆在0.1Hz与50Hz下的介损值，并通过比值确定XLPE电缆的绝缘老化情况。

但上述技术有以下不足：(1)PDC对短电缆测试时响应电流较小(pA级)，测试结果容易受到环境干扰，测量偏差较大；(2)传统扫频法下的频域介电谱测试受电源功率限制，高频时难以测试大容量设备，在长电缆系统中尚未应用，此外低频段的测量需要的时间较长，现场停电时间有时难以满足；(3)对XLPE电缆不同频率下介损值比较的方法获取电缆的表征信息较少，无法对电缆绝缘状态作出决定性的判断。

发明内容

本发明专利在总结几种方法各自的优缺点基础上，提出一种基于电缆的冲击响应评估电缆绝缘状态的新方法，即冲击介电谱法。考虑到冲击电压波形如雷电、操作冲击过电压等普遍存在于电力系统中，既方便在线获取也可以离线输入，另一方面，冲击电压携带较大能量，能够作用于不同长度的电缆，相比于传统的介电响应测量方法，其相对应的冲击电流幅值较大，容易测量且不易受到噪声干扰，同时，对于冲击电压、电流方面的测量技术也较为成熟。尽管如此，国内外研究者考虑到冲击电压作用时间短，难以完成界面极化过程，因此，过去的研究几乎未考虑利用冲击电压下的其在介电响应来评估绝缘状态。事实上，冲击电压包含丰富的低频成分，并且其作用时间可以完成介质内偶极子的快极化以及导电载流子的定向移动，尤其是冲击电流中的阻性电流分量部分由载流子的定向移动构成，其和绝缘老化密切相关，这在理论上可以表征介质响应电缆老化情况。

本发明提出的基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，用于评估电力电缆老化情况，具有技术先进、易于操作、成本较低、可靠性高的优点。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，通过获取被试电缆在不同冲击电压作用下的电压、电流波形来获得电缆的频域介电谱，通过截取所述频域介电谱中0～10kHz频率段的介电响应情况来评价电缆绝缘老化程度。

作为可选方式，在上述测试方法中，通过将测得的被试电缆的电压、电流变换到频域来计算电缆的复电容，再由所得复电容的虚部和实部之比得到电缆的介质损耗角tanδ，介质损耗角tanδ越大则表明电缆绝缘老化越严重。

作为可选方式，在上述测试方法中，先分别对所测得的被试电缆的电压、电流信号末尾补零再变换到频域。

作为可选方式，在上述测试方法中，包括以下步骤：

1)将冲击电压施加到被试电缆上；

2)分别测试样本在不同冲击电压下的电压、电流波形；

3)还原真实电流信号；

4)计算不同仿真数据结果，分别对电压、电流信号末尾补零，再将冲击电压 u[n]与冲击电流i[n]信号变换到频域；

5)利用公式(8)计算电缆的复电容

分别取

的虚部C″(ω)与实部C′(ω),结合公式(1)～(3)，两者在不同频率下求比值即能得到电缆的频域介电谱，截取0～10kHz频率段的介电响应呈现出来：

其中公式(8)为：

公式(1)为：

公式(2)为：

公式(3)为：

作为可选方式，在上述测试方法中，所述冲击电压由以下方式产生：选择调压器(7)、冲击侧工频变压器(8)、冲击侧保护电阻(9)、高压硅堆(10)、点火球隙(11)、滤波电容(12)、波头电阻(13)、波尾电阻(14)、冲击电容(15) 的参数，搭建冲击电压发生电路；通过调节调压器(7)使变压器(8)的输出电压达到一定值，变压器(8 )经过高压硅堆(10)和滤波电容(12)进行整流，通过调节点火球隙(11)的距离来控制雷电的冲击电压，对波头电阻(13)和冲击电容(15)进行充电，再经过波尾电阻(14)放电，最终形成1.2/50us的标准雷电波。

作为可选方式，在上述测试方法中，所述被试电缆的电压、电流的测试装置由高压探头(17)，空心罗氏线圈(18)，电缆(19)，示波器(20)组合构成；其中高压探头(17)高压端与被试电缆(19)缆芯并联接地，高压探头(17)低压端与示波器(20)通道一相连，空心罗氏线圈(18)套接在被试电缆(19)的主绝缘外，并与电缆(19)的铜屏蔽层连接接地，空心罗氏线圈(18)的输出端与示波器(20)通道二相接。

作为可选方式，在上述测试方法中，具体包括以下步骤：

1)搭建产生标准雷电波(1.2μs/50μs)的冲击电压发生电路；选择调压器(7)、冲击侧工频变压器(8)、冲击侧保护电阻(9)、高压硅堆(10)、点火球隙(11)、滤波电容(12)、波头电阻(13)、波尾电阻(14)、冲击电容(15)的参数，搭建冲击电压发生电路；通过调节调压器(7)使变压器(8)的输出电压达到一定值，变压器(8)经过高压硅堆(10)和滤波电容(12)进行整流，通过调节点火球隙(11)的距离来控制雷电的冲击电压，对波头电阻(13)和冲击电容(15) 进行充电，再经过波尾电阻(14)放电，最终形成1.2/50us的标准雷电波；作为可选，当不考虑试品电容量时，可将波头电阻(13)设为80Ω、波尾电阻(14) 设为550Ω、冲击电容(15)设为0.005μF，滤波电容(12)0.125μF。

2)将测量系统和被试电缆连接到冲击电压发生电路上，完成短电缆试验平台的搭建；由高压探头(17)，空心罗氏线圈(18)，电缆(19)，示波器(20) 组合构成；其中冲击电压发生器(16)输出端与电缆(19)缆芯连接，高压探头 (17)高压端与电缆(19)缆芯并联接地，高压探头(17)低压端与示波器(20) 通道一相连，空心罗氏线圈(18)套接在电缆(19)的主绝缘外或其接地线上，并与电缆(19)的铜屏蔽层连接接地，空心罗氏线圈(18)的输出端与示波器(20) 通道二相接；

3)通过调节击穿间隙的距离来控制雷电冲击电压，电压信号通过高压线接入到短电缆缆芯，并通过高压探头接入到示波器，电流互感器套接在电缆主绝缘外或电缆接地线上，测量流过电缆绝缘层或接地线上的冲击电流；

4)分别测试样本在不同雷电冲击电压下的电压、电流波形，其中在示波器上测得样本结果；

5)对根据空心传感器的传递函数对电流冲击求反卷积，还原真实电流信号；

6)计算不同仿真数据结果，分别对电压、电流信号末尾补零，再将冲击电压u[n]与冲击电流i[n]信号变换到频域；

7)利用公式(8)计算电缆的复电容

分别取

的虚部C″(ω)与实部C″(ω)结合公式(1)～(3)，两者在不同频率下求比值即能得到电缆的频域介电谱，截取0～10kHz频率段的介电响应呈现出来；

其中公式(8)为：

公式(1)为：

公式(2)为：

公式(3)为：

作为可选方式，在上述测试方法中，所述被测电缆为交联聚乙烯电缆。

冲击电压下交联聚乙烯电缆频域介电谱评估新方法相关理论基础如下：

1.绝缘老化模型

交联聚乙烯电缆在长期运行过程中局部区域发生受潮老化或引发水树缺陷，导致电缆

部分参数改变。对于实际电缆绝缘层，可以看作由n段分布电阻R与分布电容C 并联组成，由于缺陷区域的电导率和相对介电常数的不同使得有缺陷区域的分布电阻Rω小于无缺陷时的分布电阻Ri，有缺陷电缆的分布电容Cω比无缺陷时分布电容Ci大。由于缺陷段电缆占电缆整体比例较小，其电容参数的变化对于电缆整体影响较小，而局部电阻的变化对电缆总体参数却影响较大。因此，通过测量电缆的介质损耗角tanδ能够有效反映出电缆绝缘老化情况。

2.频域介电谱

对于频率介电谱的测量方法，需要对试样施加不同频率的正弦波电压。绝缘介质在外施电压的激励下，其中偶极子来回摆动不断消耗能量形成极化损耗，另一方面，其中的导电介质在电场作用下定向移动形成阻性损耗，两者的共同作用通过复数公式表现出来：

其中ω为角频率，

为频域上的外施电压，

对应的电流响应，

被定义为复电容，可进一步表现为式：

其中实部C'(ω)表示材料介电响应时电荷的存储过程，虚部C”(ω)表示介电响应时能量的损耗过程。

介质损耗角tanδ被定义为介质某一频率电压作用下，其阻性电流与容性电流的比值。考虑电缆的RC并联模型，不同频率下的tanδ可以被表示为C”(ω)与 C'(ω)的比值。更进一步，从材料电导率、介电常数考虑，tanδ可以被表示为：

其中σ₀为材料电导率，ε₀为真空介电常数，ε_∞为介电常数的高频分量，ε'(ω)与ε”(ω)分别为复介电常数ε*(ω)的实部与虚部，

通过公式(1)-(3)电力电缆的频域介电谱能够被计算出来。对于传统的FDS 方法，需要对电缆依次施加单一频率的正弦波以求得介电响应。事实上，对于一个非正弦信号，可以被分解为不同频率正弦信号的线性组合，通过分别对不同频率成分计算进行计算，也能够得到电缆的频域介电谱。对于实际电缆，当局部区域发生老化时，其电阻参数的变化更容易被表征出来，相对应其介质损耗角将会变小。大量研究已经表明，交联聚乙烯电缆的阻性损耗随频率增加不断减小，通过公式(3)也可以了解到，在高频下，电导率σ₀的影响对tanδ的贡献更小，即电缆受潮水树等老化缺陷更容易在低频段的tanδ反映出来。因此，对电缆频域介电谱的测试主要集中在1mHz-1kHz，测试时的激励电压需要包涵足够的低频成分。

3.冲击电压下的介电响应

冲击电压在电力系统中较为常见，可来源于大气过电压(雷击)或线路开关倒闸操作，也可在离线状态下人为产生。目前国家标准GB/T16927.1-2011规定用双指数波拟合冲击电压，标准的雷电冲击波表示如下：

其中u(t)为雷电冲击电压，A为冲击电压系数，与u(t)的峰值相关，τ₁与τ₂反映冲击的上升和下降时间，τ₁＝0.014659μs^-1，τ₂＝2.4689μs^-1。将雷电冲击电压转换到频域如公式所示：

对公式进一步变形如式(6)所示，可以发现，

是一个单调递减函数，并在ω＝0的时候存在最大值，说明冲击电压的频率信息集中在低频区域，并且越靠近直流对应的频率成分含量越大。

从时域的角度也能有效解释冲击电压下的介电响应特点。当施加电压为u(t)，全电流i(t)的表达式如下：

式中，C₀为电缆相同尺寸下真空电容器的电容，f(t)为反映慢极化过程的响应函数。其中电流响应分为电导电流、快极化电流和慢极化电流三个部分。快极化电流通常为极性电介质内部的偶极子极化，极化时间在10^-10～10^-2s范围；慢极化电流通常为介质交界面的夹层极化，极化时间在10^-1s～数小时之间。雷电冲击电压持续时间较短，难以对电缆形成慢极化效果，因此，利用冲击电压计算出来的介损值仅为电导损耗和快极化损耗的比值。

本发明还提供了一种基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试装置，包括冲击电压发生器单元、信号测量单元，所述冲击电压发生器单元用于产生不同的冲击电压并作用于被试电缆上，所述信号测量单元用于检测被试电缆在不同冲击电压作用下的电压和电流波形。

作为可选方式，在上述测试装置中，所述冲击电压发生器单元包括冲击侧调压器(7)、冲击侧工频变压器(8)、冲击侧保护电阻(9)、高压硅堆(10)、点火球隙(11)、滤波电容(12)、波头电阻(13)、波尾电阻(14)、冲击电容(15)，通过调节调压器7使变压器8的输出电压达到一定值，变压器8经过高压硅堆10和滤波电容12进行整流，通过调节点火球隙11的距离来控制雷电的冲击电压，对波头电阻13和冲击电容15进行充电，再经过波尾电阻14放电，最终形成1.2/50us的标准雷电波。

作为可选方式，在上述测试装置中，所述信号测量单元包括高压探头(17)，空心罗氏线圈(18)，电缆(19)，示波器(20)，空心罗氏线圈(18)线圈匝数 10匝，无感电阻50欧，示波器的带宽大于500M，高压探头的分压比是1000： 1，频带带宽0～20M；其中高压探头(17)高压端与电缆(19)缆芯并联接地，高压探头(17)低压端与示波器(20)通道一相连，空心罗氏线圈(18)套接在电缆(19)的主绝缘外，并与电缆(19)的铜屏蔽层连接接地，空心罗氏线圈(18) 的输出端与示波器(20)通道二相接。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明的有益效果：

1.可以更多地获取表征电缆绝缘老化信息，不同频率下的介质损耗情况可被用于分析研究。

2.冲击电压的频率信息集中在低频区域，并且越靠近直流对应的频率成分含量越大，利用冲击电压与冲击电流的低频段信息计算电缆的频域介电谱可以得到更加准确的结果。

3.电缆老化对于电导损耗更为敏感，因此，冲击电压下的介电响应更能有效评估电缆老化程度。

附图说明：

图1为本发明实施例中水树电缆模型横截面图。

图2为本发明实施例中冲击试验平台原理图。

图3为本发明实施例中绘制的10kV冲击下频域介电谱图

图4为本发明实施例中绘制的20kV冲击下频域介电谱图

附图标记：1为缺陷区域，2为导体，3为内半导电层，4为完好绝缘层，5 为外半导电层，6为铜屏蔽层，7为冲击侧调压器，8为冲击侧工频变压器，9 为冲击侧保护电阻，10为高压硅堆，11为点火球隙，12为滤波电容，13为波头电阻，14为波尾电阻，15为冲击电容，16为冲击电压发生器，17为高压探头，18为空心罗氏线圈，19为被试电缆，20为示波器。

具体实施方式：

以下通过实施例的具体实施方式再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应当将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明的精神和原则之内做的任何修改，以及根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的等同替换或者改进，均应包括在本发明的保护范围内。

实验步骤：

实验装置原理图如图2所示，该装置由冲击电压发生器单元，电流测量单元，试品对象，数据计算单元构成。

1.冲击电压发生器单元

由冲击侧调压器7、冲击侧工频变压器8、冲击侧保护电阻9、高压硅堆10、点火球隙11、滤波电容12、波头电阻13、波尾电阻14、冲击电容15构成。

通过调节调压器7使变压器8的输出电压达到一定值，变压器8经过高压硅堆10和滤波电容12进行整流，通过调节点火球隙11的距离来控制雷电的冲击电压，对波头电阻13和冲击电容15进行充电，再经过波尾电阻14放电，最终形成1.2/50us的标准雷电波。

2.电流测量单元

由高压探头17，空心罗氏线圈18，电缆19，示波器20组合构成，空心罗氏线圈18线圈匝数10匝，无感电阻50欧，示波器的带宽大于500M，高压探头的分压比是1000：1，频带带宽0～20M。其中冲击电压发生器16输出端与电缆19缆芯连接，高压探头17高压端与电缆19缆芯并联接地，高压探头17低压端与示波器20通道一相连。空心罗氏线圈18套接在电缆19的主绝缘外，并与电缆19的铜屏蔽层连接接地，空心罗氏线圈18的输出端与示波器20通道二相接。

3.试品对象

可为短电缆或是长电缆样本，冲击信号发生器1输出端连接电缆缆芯位置，高压探头并接在缆芯上测试缆芯电压，电缆屏蔽层通过一点连接至大地，空心罗氏线圈可套接在电缆主绝缘外或电缆接地线上，测量流过电缆绝缘层的冲击电流。

4.数据计算单元

计算不同仿真数据结果，求取不同老化程度电缆的频域介电谱。在计算过程中首先需要对冲击电压u[n]与冲击电流i[n]变换到频域。由于两者的时域信号数据长度有限并且具备较高的采样率，直接变换到频域后分辨率较低，因此需要增加时域数据长度N或对频域分量ω进行插值。通过对信号时域上的观察可知，在经历较长时间后冲击电压与冲击电流都将趋近于零，因此可以通过直接在信号末尾补零的方式来增加信号长度，从而增加频域的分辨率。

利用公式(8)计算电缆的复电容

分别取

的虚部C″′(ω)与实部 C″(ω)，结合公式(1)～(3)，两者在不同频率下求比值即能得到电缆的频域介电谱。图4为长电缆中部桥接不同水树长度后的表征结果。

本装置所使用的波头、波尾电阻为无感电阻，所使用的电容为冲击电容，所使用的保护电阻为水阻，所使用的示波器、网络分析仪等均为普通产品，其中各种元件的参数根据试验的冲击和工频电压的幅值要求以及被试品参数决定。特别注意的是，改变冲击电压幅值，即调节点火球隙的距离时，要保证冲击电容的残余电荷已经放掉。

冲击电压下电缆频域介电谱测试实验装置进行试验的方法包括以下步骤：

1)选择充电电容、负载电容、波头电阻、波尾电阻的参数，搭建产生标准雷电波(1.2μs/50μs)的冲击电压发生电路；

2)将测量系统和被试电缆连接到冲击电压发生电路上，完成短电缆试验平台的搭建；

3)通过调节击穿间隙的距离来控制雷电冲击电压。电压信号通过高压线接入到短电缆缆芯，并通过高压探头接入到示波器。电流互感器套接在电缆主绝缘外或电缆接地线上，测量流过电缆绝缘层的冲击电流；

4)分别测试样本在不同雷电冲击电压下的电压、电流波形，其中在示波器上测得样本结果；

5)对根据空心传感器的传递函数对电流冲击求反卷积，还原真实电流信号；

6)分别对电压、电流信号末尾补零，并将信号变换到频域；

7)利用公式(1)～(3)求取电缆的频域介电谱，截取0～10kHz频率段的介电响应呈现出来。

实施例1

1.短电缆老化试样制备

1)将长度为40cm的YJLV22-8.7/15-3*95短电缆分为三组，分别标记为#1、 #2、#3，其中#1为未老化电缆，#2为老化一个月的电缆，#3为老化6个月的电缆。

2)使用钢针在电缆样本的外半导电层上等间距(3～5mm)刺入深度为1.5mm 的小孔。随后向热缩管的空腔内注入体积的氯化钠(Nacl)溶液，并插入铜电极接地。进一步施加电压U＝6kV、频率f＝400Hz的高频高压信号。

3)1个月后的#2电缆内部的产生了明显水树缺陷，水树长度已经超过100μm，老化结束后，利用介质损耗测试仪分别对三批样本的tanδ值进行了测试，测试结果如表1所示。

表1不同老化程度电缆介损值

Table 1Performance comparison between

介损仪所测的tanδ值是介质在50Hz附近的对应的值，可以发现电缆在老化一个月后介损值已经升高，在老化6个月后介损值已经明显升高。通过水树形态的观察以及介损值的测试说明#2与#3样本已经老化。利用此三批样本代表不同老化程度的电缆，为后续冲击实验提供试样。

2.操作过程

冲击电流信号测量，本系统采用空心罗氏线圈作为电流传感器。空心线圈匝数为10匝。引出线并联接入50欧的无感电阻作为积分电路，并通过高频同轴线接入到示波器。

利用网络分析仪测量空心电抗器的幅频响应，以便实现对原始电流信号的还原空心线圈套接在测试模具的芯线上，在测试模具的首段接网络分析仪输出端口，尾端接入50Ω标准电阻，线圈引出线接入网络分析仪。测试不同频率下感应电压与电路电流的比值。通过对线圈副频、相频信息的测试可以求得传感器的传递函数，在此基础上对传感器捕获信号进行反卷积运算，实现原始电流信号的还原。

完成样本老化与传感器制作后，进一步选择充电电容、负载电容、波头电阻、波尾电阻的参数，搭建产生标准雷电波(1.2μs/50μs)的冲击电压发生电路。将测量系统和被试电缆连接到冲击电压发生电路上，完成短电缆试验平台的搭建，短电缆试验平台原理图如图2所示。

通过调节击穿间隙的距离来控制雷电冲击电压。电压信号通过高压线接入到短电缆缆芯，并通过高压探头接入到示波器。电流互感器套接在电缆主绝缘外或电缆接地线上，测量流过电缆绝缘层的冲击电流。分别测试#1、#2、#3三批样本在10kV、20kV冲击电压下的电压、电流波形。

具体试验步骤如下：

1)分别对每批样本注入10kV和20kV雷电冲击；

2)对根据空心传感器的传递函数对电流冲击求反卷积，还原真实电流信号；

3)分别对电压、电流信号末尾补零，并将信号变换到频域；

4)利用公式(1)～(3)求取电缆的频域介电谱，截取0～10kHz频率段的介电响应呈现出来。

3.结果分析

从图3和图4可以看出，冲击下的频域介电谱与传统的FDS方法的测试结果相似，在低频段(0-50Hz)能够反映出阻性损耗的衰减趋势，而在中频段(50～2kHz) 介损值发生了回升现象，这是由于介质的低频弥散效应(low frequency dispersion,LFD)导致，此外，该方式能够反映出更宽频率下的介电响应，可以观察到在高频区域介损值趋于一个稳定值，这与大量的电介质介电响应实验数据是相符的。Jonscher称这个现象为普适的介电响应规律，即在介电谱的高频段，极化率的实部和虚部相互平行。

在冲击下的介电谱中，不同老化程度的电缆呈现出较为明显的规律：随着老化时间的增长，电缆在整个频域的介损值均发生了抬升，并且老化半年的电缆远高于未老化电缆。这与在50Hz下测试的tanδ值规律是一致的。值得注意的是，老化半年的电缆出现了更为明显的低频弥散效应，即在50～2kHz区域介损值升高，根据Dissado-Hill等学者的观点，在高频段，载流子的电荷主要运动在一个小范围内，电荷和其对应的异号电荷束缚在一定区域内，被称为跳跃载流子 (hopping charge carriers)，此时，跳跃载流子的介电响应特性与偶极子雷同，从而造成更多的极化损耗。从式(3)可以发现，介质在高频段可以忽略阻性损耗，而极化损耗由于LFD的作用增加，从而导致tanδ的回升。而由于水树电缆的电导率更大，即高频下介质内部存在更多的跳跃载流子，因而低频弥散效应更为明显。

总结以上规律，电缆在冲击介电谱中的响应过程可以被描述为：

1)在0～50Hz的低频段，介质损耗主要为阻性损耗和快极化损耗两部分，两者损耗均随频率增加而减小。老化后电缆电导率明显增加导致阻性损耗增加，使得老化电缆介损值整体高于未老化电缆。

2)在50～2kHz的中频段，由于电缆老化后导致电导增加，形成更多的载流子，从而在高频电场作用下形成更多的跳跃载流子，增加了极化损耗过程，形成低频弥散效应。与未老化电缆相比，老化后电缆在此频率段将出现更明显的tan δ值回升。

3)在2kHz以上的高频段，介损值趋近于一个稳定值，而由于前面两个过程的作用，老化和未老化电缆的差别更加明显。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1. 一种基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，其特征在于，通过获取电缆在不同冲击电压作用下的电压、电流波形，并分别对所测得的电缆的电压、电流信号末尾补零再变换到频域，利用公式（8）计算电缆的复电容

，分别取

的虚部

与实部

，结合公式（1）~（3），来获得电缆的频域介电谱，通过截取所述频域介电谱中0~10kHz频率段的介电响应情况来评价电缆绝缘老化程度；通过直接在信号末尾补零的方式来增加信号长度，从而增加频域的分辨率；

其中公式（8）为：

，

公式（1）为：

，

公式（2）为：

，

公式（3）为：

；

式中，为频域上的电流响应，为频域上的外施电压， 为材料电导率，为 真空介电常数，为介电常数的高频分量，与分别为复介电常数

的实部与 虚部，为角频率。

2.根据权利要求1所述的基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，其特征在于，通过将测得的电缆的电压、电流变换到频域来计算电缆的复电容，再由所得复电容的虚部和实部之比得到电缆的介质损耗角

，介质损耗角

越大则表明电缆绝缘老化越严重。

3.根据权利要求1所述的基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将冲击电压施加到电缆上；

2)分别测试电缆在不同冲击电压下的电压、电流波形；

3)还原真实电流信号；

4)计算不同仿真数据结果，分别对电压、电流信号末尾补零，再将冲击电压u[n]与冲击电流i[n] 信号变换到频域；

5) 利用公式（8）计算电缆的复电容

，分别取

的虚部

与实部

，结合公式（1）~（3），两者在不同频率下求比值即能得到电缆的频域介电谱，截取 0~10kHz频率段的介电响应呈现出来。

4.根据权利要求1所述的基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，其特征在于，所述冲击电压由以下方式产生：选择调压器（7）、冲击侧工频变压器（8）、冲击侧保护电阻（9）、高压硅堆（10）、点火球隙（11）、滤波电容（12）、波头电阻（13）、波尾电阻（14）、冲击电容（15）的参数，搭建冲击电压发生器（16）；冲击侧保护电阻（9）连接于冲击侧工频变压器（8）与高压硅堆（10）之间，通过调节调压器（7）使冲击侧工频变压器（8）的输出电压达到一定值，冲击侧工频变压器（8）经过高压硅堆（10）和滤波电容（12）进行整流，通过调节点火球隙（11）的距离来控制雷电的冲击电压，对波头电阻（13）和冲击电容（15）进行充电，再经过波尾电阻（14）放电，最终形成1.2/50us的标准雷电波。

5.根据权利要求1所述的基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，其特征在于，所述电缆的电压、电流的测试装置由高压探头（17），空心罗氏线圈（18），示波器（20）组合构成；其中高压探头（17）高压端与电缆缆芯并联，高压探头（17）低压端与示波器（20）通道一相连，空心罗氏线圈（18）套接在电缆接地线上，并与电缆的铜屏蔽层连接接地，空心罗氏线圈（18）的输出端与示波器（20）通道二相接。

6.根据权利要求1所述的基于冲击电压的电缆绝缘老化程度测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）搭建产生标准雷电波的冲击电压发生器（16）；选择调压器（7）、冲击侧工频变压器（8）、冲击侧保护电阻（9）、高压硅堆（10）、点火球隙（11）、滤波电容（12）、波头电阻（13）、波尾电阻（14）、冲击电容（15）的参数，搭建冲击电压发生器（16）；冲击侧保护电阻（9）连接于冲击侧工频变压器（8）与高压硅堆（10）之间，通过调节调压器（7）使冲击侧工频变压器（8）的输出电压达到一定值，冲击侧工频变压器（8）经过高压硅堆（10）和滤波电容（12）进行整流，通过调节点火球隙（11）的距离来控制雷电的冲击电压，对波头电阻（13）和冲击电容（15）进行充电，再经过波尾电阻（14）放电，最终形成1.2/50us的标准雷电波；

2) 将测试装置和电缆连接到冲击电压发生器（16）上，完成电缆试验平台的搭建；所述测试装置由高压探头（17），空心罗氏线圈（18），示波器（20）组合构成；其中冲击电压发生器（16）输出端与电缆缆芯连接，高压探头（17）高压端与电缆缆芯并联，高压探头（17）低压端与示波器（20）通道一相连，空心罗氏线圈（18）套接在电缆接地线上，并与电缆的铜屏蔽层连接接地，空心罗氏线圈（18）的输出端与示波器（20）通道二相接；

3) 通过调节点火球隙（11）的距离来控制雷电冲击电压，电压信号通过高压线接入到电缆缆芯，并通过高压探头接入到示波器，空心罗氏线圈（18）套接在电缆接地线上，测量流过电缆接地线上的冲击电流；

4) 分别测试电缆在不同雷电冲击电压下的电压、电流波形，其中在示波器上测得电缆结果；

5) 根据空心罗氏线圈（18）的传递函数对电流冲击求反卷积，还原真实电流信号；

6) 计算不同仿真数据结果，分别对电压、电流信号末尾补零，再将冲击电压u[n]与冲击电流i[n] 信号变换到频域；

7）利用公式（8）计算电缆的复电容

，分别取

的虚部

与实部

，结合公式（1）~（3），两者在不同频率下求比值即能得到电缆的频域介电谱，截取 0~10kHz频率段的介电响应呈现出来。

Images