CN111060565A - 一种高压直流电缆料电阻率特性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压直流电缆料电阻率特性评价方法，其技术特点是：制备被测直流电缆料的电缆料试样；使用体积电阻率测试系统，测量在特定场强且至少三个不同温度下的电缆料试样的体积电阻率；根据测量得到的电缆料试样的体积电阻率，采用线性拟合法获得该电缆料试样在特定场强下的电阻率温度系数；通过电阻率温度系数评价高压直流电缆料绝缘电阻率特性高低。本发明设计合理，其将电阻率温度系数与直流空间电荷特性、直流介电特性结合，共同作为评价直流电缆料绝缘性能高低的参数指标，准确直观地实现评价高压直流电缆料电阻率特性的功能。

Description

一种高压直流电缆料电阻率特性评价方法
技术领域
本发明属于高电压与绝缘技术领域，尤其是一种高压直流电缆料电阻率特性评价方法。
背景技术
基于高压直流塑料电缆的柔性直流输电是国际大电网倡导的主流方向，而高压直流塑料电缆是制约当前柔性直流输电技术发展和应用的一项关键技术。然而，直流电缆料与屏蔽料被国外企业长期垄断，目前急需研发具有我国自主知识产权的新型高端电缆料，因此如何全面有效评价直流电缆料性能显得尤为重要。
目前，评价绝缘材料的直流绝缘性能的重要电性能参数为直流介电强度、直流空间电荷特性与直流电导率特性。研究表明，聚合物绝缘材料电导率受温度、电场等因素的影响。特别地，在高压直流电缆运行过程中，导体发热使绝缘层中存在较大温度梯度，绝缘材料电导率分布会相差2～3个数量级，直接导致电场畸变。因此，国标GB/T 31489.1-2015和TICW 7.1-2012提出70℃与30℃下绝缘材料电导率的比值不大于100，但是缺乏相关理论及检测方法等方面的描述，不能够准确、直观地评价电阻率特性。
直流电缆绝缘材料的电阻率直接反映了电缆绝缘材料在直流电场下的绝缘性能，尤其体积电阻率的大小直接决定了材料的长期热老化性能。因此对于直流电缆绝缘材料的电阻率性能的研究至关重要，其电阻率温度和电场特性决定了直流电缆的环境适应性，带负载能力和可靠运行。电缆绝缘层的电阻率随温度和电场温度的变化非常敏感，电阻率分布直接关系到直流场下绝缘层的电场分布。绝缘层的电阻率随温度和电场强度可以用下式表示，
p(T，E)＝ρ0 exp[-a(T-T0)-b(E-E0)]
在上述表达式中，a为电阻率温度系数，b为电阻率电场系数。通过研究发现参数b对电场分布影响较小，参数a对电场分布影响较大，且理论上a值越小，电场分布越均匀，受限于实际材料及工艺水平，a值不可能太低。经测试，目前市面常用的北欧和陶氏的直流电缆电阻率温度系数在0.1左右。同时，IEC 60287建议采用a作为要求绝缘材料电阻特性的依据。但是，经查新及检索，在直流电缆料电阻率特性评价方面，目前国内外鲜有从电阻率随温度变化特性角度开展研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种设计合理且准确直观的高压直流电缆料电阻率特性评价方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种高压直流电缆料电阻率特性评价方法，包括以下步骤：
步骤1、制备被测直流电缆料的电缆料试样；
步骤2、使用体积电阻率测试系统，测量在特定场强且至少三个不同温度下的电缆料试样的体积电阻率；
步骤3、根据测量得到的多个电缆料试样体积电阻率，采用线性拟合法获得该电缆料试样在特定场强下的电阻率温度系数；
步骤4、通过电阻率温度系数评价高压直流电缆料绝缘电阻率特性高低。
进一步，所述电缆料试样为薄片状。
进一步，所述薄片状的电缆料试样厚度为0.2mm。
进一步，所述特定场强不高于20kV/mm，所述温度至少包括常温20℃和最高工作温度90℃。
进一步，所述步骤2测量电缆料试样的体积电阻率时，在同一条件下测试获得多组数据，求体积电阻率平均值。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明设计合理，其将电阻率温度系数与直流空间电荷特性、直流介电特性结合，共同作为评价直流电缆料绝缘性能高低的参数指标，准确直观地实现评价高压直流电缆料电阻率特性的功能。本发明可以广泛用于指导测试直流电缆料电阻率温度系数，以获得该电缆料绝缘层的电场分布，从而直观、量化地给出电缆绝缘料电阻率特性评价结果。
2、本发明在研发新型高压直流电缆料过程中，可以借助电阻率温度系数评价高压直流电缆料绝缘电阻率特性高低。
附图说明
图1是绝缘层与电场强度关系示意图；
图2是本发明的体积电阻率测试系统连接图；
图3是本发明的三种被测试样图；
图4是本发明在特定场强不同温度下测量得到的体积电阻率；
图5是本发明在同一场强不同温度下AC的体积电阻率关系图；
图6是本发明在同一场强不同温度下DC的体积电阻率关系图；
图7是本发明在同一场强不同温度下TS的体积电阻率关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种高压直流电缆料电阻率特性评价方法，包括以下步骤：
步骤1、制备被测直流电缆料的厚度合适的电缆料试样。
在本实施例中，电缆料试样可以制成0.2mm的薄片状试样。
步骤2、使用体积电阻率测试系统，测量在特定场强且至少三个不同温度下的电缆料试样的体积电阻率。
在本步骤中，利用体积电阻率测试系统可对电缆料试样在不同温度和不同场强下进行体积电阻率的测试。体积电阻率测试系统的原理如图2所示，在测量时，将电缆料试样安装在三电极系统上。
在实际测量过程中，测量电缆料试样的体积电阻率时，应在同一条件下测试获得多组数据，求体积电阻率平均值。
依据目前对高压电缆最高90℃运行温度要求以及绝缘层场强设计要求，本发明选取在某一场强下(目前场强设计不高于20kV/mm)，测试至少三个不同温度点下(包括常温20℃和最高工作温度90℃)的体积电阻率。测量结果如图4所示。
在本发明中，电缆料试样的体积电阻率随温度和电场强度的变化为：
ρ(T，E)＝ρ0 exp[-a(T-T0)-b(E-E0)]
其中，ρ(T,E)为温度T和电场强度E条件下的体积电阻率，单位为Ω·m；ρ0为参考温度和电场强度下的体积电阻率，单位为Ω·m；T0为参考温度，单位为K；E0为参考电场强度；a为电阻率温度系数，单位为1/K或kV/mm；b为电阻率电场强度系数，单位为mm/kV。依据上面公式可得电阻率温度系数表达式为：
Figure BDA0002268892600000031
上式中，T1和T2温度下测得电阻率分别为ρ1和ρ2。通过上式可以看出，体积电阻率对数值与对应温度变化成线性关系。
根据已有研究表明，理论上a值越小，绝缘层电场分布越均匀。图1给出仿真结果，横坐标为绝缘层由内至外，纵坐标为电场分布。
步骤3、根据测量得到的多个电缆料的体积电阻率，可以采用线性拟合法得到电缆料在特定场强下的电阻率温度系数。
由于体积电阻率对数值与对应温度变化成线性关系，因此，本发明采用线性拟合法对所测至少三个体积电阻率进行拟合，就可以获得某一特定场强下的电阻率温度系数。线性拟合法可以采用最小二乘法等多种算法来实现。
步骤4、通过电阻率温度系数评价高压直流电缆料绝缘电阻率特性高低。
下面根据上述方法，通过测试某三种国外进口交联聚乙烯绝缘料AC、DC和TS电阻率温度系数，间接评价出被试样品的电阻率特性并验证上述方法：
将某三种国外进口交联聚乙烯绝缘料AC、DC和TS，制备厚度0.2mm的薄片状试片若干(如图3所示)。选择20℃、50℃、70℃和90℃四个温度下，分别在3kV/mm、5kV/mm、10kV/mm和15kV/mm场强下测试被试样品体积电阻率。结果如下表所示。
Figure DA00022688926036632
Figure DA00022688926036634
Figure BDA0002268892600000032
Figure BDA0002268892600000041
Figure BDA0002268892600000042
将不同试样在同一场强不同温度下的体积电阻率比较可得到关系，图5是本发明测试情况下同一场强不同温度下AC的体积电阻率关系图；如图6是本发明测试情况下同一场强不同温度下DC的体积电阻率关系图；如图7是本发明测试情况下同一场强不同温度下TS的体积电阻率关系图。
利用线性拟合方法对上述测试数据进行计算，求得电阻率温度系数a如下表所示。
电阻率温度系数a(1/K) AC DC TS
3kV/mm 0.122 0.112 0.063
5kV/mm 0.107 0.112 0.060
10kV/mm 0.104 0.094 0.058
15kV/mm 0.098 0.083 0.058
平均值 0.10775 0.10025 0.06
由计算结果可知，TS料在四种场强下的电阻率温度系数均最低，表明同样电缆尺寸结构下，用该电缆料制备的电缆绝缘层电场分布更加均匀，电阻率特性更好，绝缘性能水平更高。
本发明未述及之处适用于现有技术。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种高压直流电缆料电阻率特性评价方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、制备被测直流电缆料的电缆料试样；
步骤2、使用体积电阻率测试系统，测量在特定场强且至少三个不同温度下的电缆料试样的体积电阻率；
步骤3、根据测量得到的多个电缆料试样体积电阻率，采用线性拟合法获得该电缆料试样在特定场强下的电阻率温度系数；
步骤4、通过电阻率温度系数评价高压直流电缆料绝缘电阻率特性高低。
2.根据权利要求1所述的高压直流电缆料电阻率特性评价方法，其特征在于：所述电缆料试样为薄片状。
3.根据权利要求2所述的高压直流电缆料电阻率特性评价方法，其特征在于：所述薄片状的电缆料试样厚度为0.2mm。
4.根据权利要求1所述的高压直流电缆料电阻率特性评价方法，其特征在于：所述特定场强不高于20kV/mm，所述温度至少包括常温20℃和最高工作温度90℃。
5.根据权利要求1所述的高压直流电缆料电阻率特性评价方法，其特征在于：所述步骤2测量电缆料试样的体积电阻率时，在同一条件下测试获得多组数据，求体积电阻率平均值。
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