CN109633292B - 一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，第一步，搭建测量设备；第二步，测量电缆的空间电荷分布，采样空间电荷信号；第三步，打磨电缆外屏蔽层，重新测量电缆的空间电荷分布，采样空间电荷信号。本发明提供的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，直接用于从电缆外屏蔽层取空间电荷信号的测量方法，操作过程简单方便，增大实验测量信号，是该测量方法中重要的一个环节。

Description

一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，属于电力电缆空间电荷测量技术领域。

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.目前的真实高压电缆工作运行电压已经相当高，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.实际的高压长电缆的绝缘介质厚度通常在10-30mm，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10-30mm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，以往有过对于高压短电缆样品的测量报道，但还没有对于实际的真实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。

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。

但是，采用从电缆外屏蔽层取空间电荷信号的测量方法，对于电缆的外屏蔽层的电阻率有一定要求，大部分电缆由于外屏蔽层电阻率低，无法直接通过从电缆外屏蔽层取空间电荷信号的测量方法直接测得空间电荷信号，需要采用一种打磨外屏蔽层的处理方法。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，解决对于大部分电缆，无法直接采用从电缆外屏蔽层取空间电荷信号的测量方法测得信号的问题，设计一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法。

该项技术主要用于从电缆外屏蔽层取空间电荷信号的测量方法，由于大部分电缆的外屏蔽层电阻率低，在测量时空间电荷信号非常容易通过接地电极和接地线被分流，使得示波器中显示极小的或者没有信号。沿着采样电极打磨电缆的外屏蔽层后，可以增大采样电极和接地电极之间的电阻，从而减少空间电荷信号的分流。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，包括如下步骤：

第一步，搭建测量设备；

第二步，测量电缆的空间电荷分布，采样空间电荷信号；

第三步，打磨电缆外屏蔽层，重新测量电缆的空间电荷分布，采样空间电荷信号。

作为优选方案，所述第一步具体包括：将电缆竖直放置，在电缆中间贴上采样电极，采样电极两侧贴上环形的接地电极，采样电极依次与放大器和示波器连接，高压直流源通过高压线将电缆的裸露绝缘层部分的两高压端导体相连接。

作为优选方案，所述第二步具体包括：采用激光压力波法测量空间电荷信号，先通过高压直流源给电缆加电压，再利用激光器发出的激光脉冲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，并从采样电极引出空间电荷信号。

作为优选方案，所述第三步具体包括：沿采样电极周边呈长方形区域打磨电缆外屏蔽层，其他测量条件不变，重新测量打磨后电缆的空间电荷分布。分析第二步和第三步得到的空间电荷信号的信噪比，并得到两者的清晰度对比结果。

作为优选方案，所述高压直流源给电缆加电压为27kV。

作为优选方案，所述激光器发出的单脉冲能量为600mJ，脉宽为6-7ns。

作为优选方案，所述电缆采用绝缘层厚度为4.5mm，电压等级10kV直流输电线路电缆。

有益效果：本发明提供的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，该发明的优点在于可以直接用于从电缆外屏蔽层取空间电荷信号的测量方法，操作过程简单方便，增大实验测量信号，是该测量方法中重要的一个环节。

附图说明

图1为电缆外屏蔽层处理示意图；

图2为本方法实验设备连接图；

图3为压力波在介质内传播图；

图4为压力波在电缆绝缘层中与电流之间的关系示意图；

图5为从外屏蔽层取信号的激光压力波等效电路图；

图6为未打磨和打磨外屏蔽层后4.5mm电缆外加27kV电压下的测量信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，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，搭建测量设备：如图2所示，将电缆1竖直放置，在电缆1中间贴上采样电极2，采样电极2两侧贴上环形的接地电极3，采样电极2依次与放大器4和示波器5连接，用高压线将电缆1的裸露绝缘层7部分的两高压端导体8连接。高压线与高压直流源6连接，便于高压直流电源通过电缆。

第二步，未打磨前直接采用激光压力波法测量空间电荷信号：按上述过程构建好测量设备后，先通过高压直流源给电缆加压27kV，再利用激光器发出单脉冲能量为600mJ，脉宽为6-7ns的激光脉冲打在暴露出的电缆外屏蔽层9表皮上引起压力脉冲传播至电缆内部，并从采样电极引出信号。如图3所示，压力波在介质内按照声速传播，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，沿采样电极周边呈长方形区域10打磨电缆外屏蔽层后重新安装，其他测量条件不变，测量打磨后电缆的空间电荷分布。如图4所示，分析第二步和第三步得到的空间电荷信号的信噪比，并得到两者的清晰度对比结果。

如图5所示，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，采样电极测量处11，电缆导体测量处12，接地电极测量处13，Z₀为电缆的特征阻抗，Zg为电极之间的电缆表皮所对应的等效特征阻抗，由Cg和Rg组成，C₁为采样电极对应的等效电容，r_i为示波器的输入阻抗。

如图6所示，其中左边为未打磨电缆的测量结果，右边为打磨电缆后的测量结果。不难发现：打磨电缆外屏蔽层之后，可以明显观测到测量信号。

通过测量实例我们可以看出，打磨外屏蔽层的方法是从外屏蔽层去信号的激光压力波法的关键步骤。目前在同济大学实验室及舟山海阳输电中心已经成功完成320kV及以下的空间电荷测量试验。

该发明的工作原理，沿着采样电极周边呈长方形区域打磨外屏蔽层，将外屏蔽层磨薄到能测出清晰信号即可。磨薄采样电极和接地电极之间的屏蔽层，即增大阻抗Zg，使空间电荷的电流信号很少或基本不通过Zg分流，从而通过放大器被示波器测得。

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 (7)

1.一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，搭建测量设备；

第二步，测量电缆的空间电荷分布，采样空间电荷信号；

第三步，打磨电缆外屏蔽层，重新测量电缆的空间电荷分布，采样空间电荷信号，将外屏蔽层磨薄到能测出清晰信号即可；

第四步，分析第二步和第三步得到的空间电荷信号的信噪比，并得到两者的清晰度对比结果。

2.根据权利要求1所述的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，其特征在于：所述第一步具体包括：将电缆竖直放置，在电缆中间贴上采样电极，采样电极两侧贴上环形的接地电极，采样电极依次与放大器和示波器连接，高压直流源通过高压线将电缆的裸露绝缘层部分的两高压端导体相连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，其特征在于：所述第二步具体包括：采用激光压力波法测量空间电荷信号，先通过高压直流源给电缆加电压，再利用激光器发出的激光脉冲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，并从采样电极引出空间电荷信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，其特征在于：所述第三步具体包括：沿采样电极周边呈长方形区域打磨电缆外屏蔽层，其他测量条件不变，重新测量打磨后电缆的空间电荷分布。

5.根据权利要求3所述的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，其特征在于：所述高压直流源给电缆加电压为27kV 。

6.根据权利要求3所述的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，其特征在于：所述激光器发出的单脉冲能量为600mJ，脉宽为6-7ns。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于压力波法电缆空间电荷测试的电缆屏蔽处理方法，其特征在于：所述电缆采用绝缘层厚度为4.5mm，电压等级10kV直流输电线路电缆。

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