CN108089069A - 一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，包括缺少底面的上盒体（21）和缺少顶面的下盒体（22），上盒体（21）的左右端面开设有上半圆孔（211），下盒体（22）的左右端面开设有下半圆孔（221），上半圆孔（211）和下半圆孔（221）构成整个圆孔，上盒体（21）的顶面垂直贯穿连有波导管（213），波导管（213）的中心设置有激光孔，上盒体（21）的顶面设置有BNC孔（216）。本发明的一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，结构简单，操作方便，屏蔽电磁信号干扰的效果好，能够极大改善空间电荷的信噪比，更加精确地测出绝缘介质中的空间电荷分布，为理论研究和实践生产提供了可靠的技术基础。

Description

一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式 电磁信号屏蔽装置

技术领域

本发明涉具体涉及一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，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(minicable)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，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方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。

而对于传统PWP法测量技术，以往有过对于超高压短电缆样品的测量报道，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。

因此，采用从电缆外屏蔽层取空间电荷信号的测量方法，有效的避免了传统的从电缆线芯取信号的缺点，外加超高压回路与测量信号回路完全隔开，操作安全。经过试验验证，该测量方法有效，且得到了高电压绝缘电介质技术领域专家们的一致认可，并在国际学术会议上发表相关技术论文。

基于这种改进的空间电荷测量方法，对于绝缘层较厚的真实长电缆的空间电荷测量，一直受到来自空间各种设备的电磁信号干扰，不能得到理想的空间电荷测量信号。因此，亟需一种能够对于对空间电荷测量信号信噪比进行改善的电磁信号屏蔽装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单，操作方便，能够有效屏蔽空间各种设备的电磁信号干扰的应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，包括缺少底面的上盒体和缺少顶面的下盒体，所述上盒体的左右端面开设有上半圆孔，所述下盒体的左右端面开设有下半圆孔，所述上半圆孔和下半圆孔构成整个圆孔，所述上盒体的顶面垂直贯穿连有波导管，所述波导管的中心设置有激光孔，所述上盒体的顶面设置有BNC孔。

所述上盒体和下盒体的材质为铝合金。

所述下盒体的上部插入到所述上盒体的内空腔，所述上盒体的内壁连有用于卡住所述下盒体上端的固定凸起。

所述上盒体的上顶面开设有方形开口，所述方形开口的周圈设置有方形边框，所述方形边框内设置有翻盖版，所述翻盖版的一侧与所述方形边框的一侧通过铰链活动连接，所述波导管垂直贯穿所述翻盖版。

所述上盒体和下盒体的形状均为长方体。

所述波导管插入到所述上盒体内的长度要小于位于所述上盒体外部的长度。

本发明的优点和效果是：结构简单，操作方便，屏蔽电磁信号干扰的效果好，能够极大改善空间电荷的信噪比，更加精确地测出绝缘介质中的空间电荷分布，为理论研究和实践生产提供了可靠的技术基础。

附图说明

图1为本发明一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置的立体结构示意图；

图2为本发明一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置的正视图；

图3为本发明一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置的左视图；

图4为本发明一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置的俯视图；

图5为直流超高压长电缆的空间电荷测量系统示意图；

图6为本发明的测量装置中的信号获取示意图；

图7为未安装电磁信号屏蔽装置和安装电磁信号屏蔽装置的测试结构对比图；

图8为本发明的压力波在电缆绝缘层中的传播示意图；

图9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10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。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的目的是公开一种应用于测量超高压直流电缆空间电荷分布的电磁信号屏蔽装置，具体是采用从外屏蔽层取信号的激光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，使用本发明的电磁屏蔽装置，改善了空间电荷信号的信噪比，更加精确地测出绝缘介质中的空间电荷分布，为理论研究和实践生产提供了可靠的技术基础。具体结构如图1到图4所示，包括缺少底面的上盒体21和缺少顶面的下盒体22，上盒体21和下盒体22的形状均为长方体，上盒体21和下盒体22的材质为铝合金。下盒体22的上部插入到上盒体 21的内空腔，上盒体21的内壁连有用于卡住下盒体22上端的固定凸起，这种卡扣结构的设计，能够防止拼接处有缝隙，有助于保障边缝处，没有外界电磁波的进入。

上盒体21的左右端面开设有上半圆孔211，下盒体22的左右端面开设有下半圆孔221，上半圆孔211和下半圆孔221构成整个圆孔，用于电缆线两端穿过。上盒体21的上顶面开设有方形开口，方形开口的周圈设置有方形边框214，方形边框214内设置有翻盖版212，翻盖版212的一侧与方形边框214的一侧通过铰链215活动连接，波导管213垂直贯穿所述翻盖版212，波导管21插入到上盒体21内的长度要小于位于上盒体21外部的长度。这种铰接门的设计，用于测试过程中，每一次打开激光脉冲，都要先打开铰接门，在电缆外屏蔽层上涂抹凡士林或者酒精，方便操作。

波导管213的中心设置有激光孔，可以屏蔽某个小于频率(比如 100MHZ)的电磁波的进入，激光脉冲通过波导管213上的激光孔进入屏蔽盒，并打在电缆外屏蔽层上。上盒体21的顶面设置有BNC孔 216，目的是为了安装BNC公头，外部接放大器，内部则焊接激光压力波法测试的连接线。

结构中的波导管213是为了屏蔽频率低于100MHZ的外界电磁波信号，这要求波导管的内径要小于λ/2。根据电磁学的物理知识： C＝f·λ，当f＝100MHZ,λ＝3m,λ/2＝1.5m，实际波导管213的内径为12mm，满足理论要求。其中c为光速常量，f为电磁波频率，λ为电磁波波长。

如图5和图6所示，为了验证方法的可行性，我们选取了一根绝缘层厚度为4.5mm，电压等级10kV直流输电线路电缆，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1曝露出其外屏蔽层，其中电缆1的两端为裸露绝缘层部分11和中间为带铠装部分12，然后在窗口中电缆1表面上安装采样电极4，在采样电极4的两侧的电缆上安装与地面连接的接地电极3，在采样电极4和接地电极3的外面安装材料为铝合金的两个电极包裹在内的电磁屏蔽盒2，采样电极4依次与放大器5和示波器6连接，用高压线9将电缆1的裸露绝缘层部分11的两高压端8连接，两高压端8之间连有绝缘绳13。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1。

第二步，不加屏蔽盒测量电缆试样的空间电荷信号；

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1 加压30kV，再利用激光器发出单脉冲能量为600mJ，脉宽为6-7ns 的激光脉冲通过电磁屏蔽盒的中间孔洞打在暴露出的电缆外屏蔽层表皮上引起压力脉冲传播至电缆内部，并从采样电极4引出信号。压力波在介质内按照声速传播如图4，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6测量信号采样时间设置为从 -0.5μs～4μs可观测到电流信号。

第三步，安装本发明设计的电磁屏蔽装置，其他测量条件不变，测量带电磁屏蔽盒的空间电荷分布。对比第二步和第三步的测试结果，分析空间电荷信号的波形，得出结论。

图8为压力波在电缆绝缘层中的传播示意图，图9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10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，其中，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电容，r_i—示波器的输入阻抗。

对比图7，其中左边为未安装电磁信号屏蔽装置的测定结果，右边为安装电磁信号屏蔽装置的测定结构。不难发现：1、加装屏蔽盒之后，0时刻附近，由激光器产生的噪音极大地减小，方便了第一个信号峰的积分计算，0时刻之前的冲击信号不影响空间电荷的测量；2、第一个峰与第二个信号峰值，在误差范围内，大小相同；3、加装屏蔽盒之后，空间电荷的信噪比得到极大地改善。

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成功完成绝缘层4.5mm的空间电荷测量试验，并将本装置进一步改善，用于更高电压等级，绝缘层更厚的全尺寸真实直流超高压长电缆空间电荷的测量工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，其特征在于：包括缺少底面的上盒体（21）和缺少顶面的下盒体（22），所述上盒体（21）的左右端面开设有上半圆孔（211），所述下盒体（22）的左右端面开设有下半圆孔（221），所述上半圆孔（211）和下半圆孔（221）构成整个圆孔，所述上盒体（21）的顶面垂直贯穿连有波导管（213），所述波导管（213）的中心设置有激光孔，所述上盒体（21）的顶面设置有BNC孔（216）。

2.根据权利要求1所述的一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，其特征在于：所述上盒体（21）和下盒体（22）的材质为铝合金。

3.根据权利要求1所述的一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，其特征在于：所述下盒体（22）的上部插入到所述上盒体（21）的内空腔，所述上盒体（21）的内壁连有用于卡住所述下盒体（22）上端的固定凸起。

4.根据权利要求1所述的一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，其特征在于：所述上盒体（21）的上顶面开设有方形开口，所述方形开口的周圈设置有方形边框（214），所述方形边框（214）内设置有翻盖版（212），所述翻盖版（212）的一侧与所述方形边框（214）的一侧通过铰链（215）活动连接，所述波导管（213）垂直贯穿所述翻盖版（212）。

5.根据权利要求1所述的一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，其特征在于：所述上盒体（21）和下盒体（22）的形状均为长方体。

6.根据权利要求1所述的一种应用于直流超高压长电缆中空间电荷分布测量的组合式电磁信号屏蔽装置，其特征在于：所述波导管（213）插入到所述上盒体（21）内的长度要小于位于所述上盒体（21）外部的长度。