CN113376451B - 一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法及装置 - Google Patents

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CN113376451B CN202110645129.8A CN202110645129A CN113376451B CN 113376451 B CN113376451 B CN 113376451B CN 202110645129 A CN202110645129 A CN 202110645129A CN 113376451 B CN113376451 B CN 113376451B
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Abstract

本申请涉及电气工程技术领域，公开了一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法及装置。在该方法中，首先对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量和加压瞬间产生的初始电荷量。然后根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率。进一步结合所述电荷量变化率和测试时间，确定松弛时间。最后根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。本申请通过分析加压过程中，电缆绝缘材料内部空间电荷迁移过程，提出了松弛时间，作为电导电流是否影响评估结果的判断标准，最终确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。

Description

一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法及装置
技术领域
本申请涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法及装置。
背景技术
交联聚乙烯(XLPE)以其优异的绝缘性能被广泛用作电缆的主绝缘材料。XLPE电缆在服役过程中长时间暴露在外界条件下，受到电、热、水、机械等因素的影响，引发XLPE绝缘的局部放电老化、热老化、水树枝老化以及机械老化等，使得电力系统更容易发生故障，不利于城市输配电网络的可靠供电与稳定运行。
DMM(Dissado L A,Mazzanti G and Montanari G)空间电荷模型认为空间电荷的产生引发聚合物内部电场的畸变，但Crine提出的热力学模型则持有相反的观点：聚合物内部电场的畸变引发空间电荷的产生。但不管是哪种理论都认为聚合物绝缘性能的退化与空间电荷有密不可分的关系。电声脉冲法(PEA)通过脉冲电场促使电缆绝缘材料内部电荷移动，产生声波，从而获取空间电荷的分布信息，是一种广泛使用的空间电荷测试手段。
但是，PEA法在对电缆绝缘材料进行长时间加压的过程中，不可避免地会受到电导电流的影响，从而使得评估结果的准确性得不到保障，因此需要一种方法来确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。
发明内容
本申请公开一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法及装置，用于解决现有技术中，PEA法在对电缆绝缘材料进行长时间加压的过程中，不可避免地会受到电导电流的影响，从而使得评估结果的准确性得不到保障。
本申请第一方面公开了一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，包括：
对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量，以及获取所述电缆绝缘材料加压瞬间产生的初始电荷量；所述加压是指向所述电缆绝缘材料注入所述直流电压；
根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率；
获取测试时间，所述测试时间是指当前对所述电缆绝缘材料进行加压的时间；
根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，所述松弛时间是指所述电缆绝缘材料正极性空间电荷，从阳极出发，随着加压时间的增加移动到阴极中所需的时间，或者所述电缆绝缘材料负极性空间电荷，从阴极出发，随着加压时间的增加移动到阳极中所需的时间；
根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。
可选的，所述根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，包括：
根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系；
根据所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，确定松弛时间。
可选的，所述根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，包括：
通过如下公式确定所述松弛时间：
Figure BDA0003109259270000021
其中，k表示所述测试时间对应的电荷量变化率，Q(t)表示所述动态电荷量，Q0表示所述初始电荷量，tm表示所述测试时间，τ表示所述松弛时间。
可选的，所述电缆绝缘材料为电缆绝缘片状试样。
可选的，所述电缆绝缘材料为整体电缆。
本申请第二方面公开了一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置，所述电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置应用于本申请第一方面公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，所述电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置包括：
加压模块，用于对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量，以及获取所述电缆绝缘材料加压瞬间产生的初始电荷量；所述加压是指向所述电缆绝缘材料注入所述直流电压；
电荷量变化率确定模块，用于根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率；
测试时间获取模块，用于获取测试时间，所述测试时间是指当前对所述电缆绝缘材料进行加压的时间；
松弛时间确定模块，用于根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，所述松弛时间是指所述电缆绝缘材料正极性空间电荷，从阳极出发，随着加压时间的增加移动到阴极中所需的时间，或者所述电缆绝缘材料负极性空间电荷，从阴极出发，随着加压时间的增加移动到阳极中所需的时间；
评估模块，用于根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。
可选的，所述松弛时间确定模块包括：
变化关系确定单元，用于根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系；
松弛时间获取单元，用于根据所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，确定松弛时间。
可选的，所述松弛时间确定模块用于通过如下公式确定所述松弛时间：
Figure BDA0003109259270000031
其中，k表示所述测试时间对应的电荷量变化率，Q(t)表示所述动态电荷量，Q0表示所述初始电荷量，tm表示所述测试时间，τ表示所述松弛时间。
本申请涉及电气工程技术领域，公开了一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法及装置。在该方法中，首先对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量和加压瞬间产生的初始电荷量。然后根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率。进一步结合所述电荷量变化率和测试时间，确定松弛时间。最后根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。本申请通过分析加压过程中，电缆绝缘材料内部空间电荷迁移过程，提出了松弛时间，作为电导电流是否影响评估结果的判断标准，最终确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法的工作流程示意图；
图2为本申请实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法中，电缆绝缘片状试样在加压过程中介质内电流组成与时间的关系图；
图3为本申请实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法中，电缆绝缘片状试样在加压过程中介电松弛的等效电路图；
图4为本申请实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法中，电缆绝缘片状试样加压过程中正极性空间电荷移动原理图；
图5为本申请实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法中，不同老化时间的整体电缆电荷量变化率随时间变化关系图；
图6为本申请实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置的结构示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术中，PEA法在对电缆绝缘材料进行长时间加压的过程中，不可避免地会受到电导电流的影响，从而使得评估结果的准确性得不到保障的技术问题，本申请通过如下两个实施例公开了一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法及装置。
本申请第一实施例公开了一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，参见图1所示的工作流程示意图，所述电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法包括：
步骤S101，对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量，以及获取所述电缆绝缘材料加压瞬间产生的初始电荷量。所述加压是指向所述电缆绝缘材料注入所述直流电压。
进一步的，所述电缆绝缘材料为电缆绝缘片状试样。
进一步的，所述电缆绝缘材料为整体电缆。
本申请利用电流积分电荷量技术，以电缆绝缘片状试样为例，在加入电压过程中，两电极表面出现异极性电荷，试样内部正极性空间电荷从阳极注入，随加压时间增加逐渐向阴极迁移，最终在电极之间产生电导电流。同样的方法适用于整体电缆绝缘测试。电场下，绝缘介质内部同时存在空间电荷位移电流和电导电流。可以通过测试和分析绝缘介质松弛时间前后的电荷量及电流变化，区分两种电流，为电缆绝缘介电性能、老化评估和寿命分析提供指导。加压前需用酒精擦拭电极表面以及电缆绝缘片状试样，防止杂质对最终结果产生影响。
以电缆绝缘片状试样为例，通过电流积分电荷测试设备，测试电缆绝缘片状试样直流电压下的动态电荷量。首先，电缆绝缘片状试样注入电压的瞬间，电极两端出现不同极性的电荷，积分电容表面瞬时充电。随后，电缆绝缘片状试样内部出现空间电荷的注入与积聚。以正极性空间电荷为例，从阳极出发，随着加压时间的增加移动到阴极中，这个过程所需时间定义为松弛时间τ。在松弛时间以前，试样内部的空间电荷对实验结果起主导作用；在松弛时间以后，电导电流产生，实验数据同时受到空间电荷与电导电流两方面的影响。
如图2和图3所示，在加压瞬间，流过逐渐衰减的瞬时充电电流，积分电容表面出现异极性的瞬时充电电荷Q0，内部无电荷生成。此时待测电缆绝缘片状试样内部没有空间电荷的产生，可以看作是由N个电容C0组成。随后，正极性空间电荷从阳极表面注入试样内部，存在空间电荷的区域可以等效为电阻R0与电容C0并联，此时流过电缆绝缘片状试样的电流称为空间电荷电流Ispac(t)。随着注入电压时间的增加，正极性空间电荷逐渐向阴极移动，直到经过松弛时间τ后，试样内部电容C0已经全部被电阻R0与电容C0并联所取代，电导电流Ileak(t)开始占据主导地位。
瞬时充电电流Iini随时间衰减为空间电荷电流Ispac(t)，靠近极板处有同极性空间电荷的产生，并逐渐向另外一端迁移。试样中存在空间电荷的部分等效为大电容C0与小电阻R0电路的并联，且随着空间电荷的移动，RC并联电路逐渐取代电容C0。最终，经过松弛时间τ，空间电荷完成迁移，流过稳定的传导电流(或称为电导电流)Ileak(t)，试样内部等效为小电容C与大电阻的并联，其中有：
Figure BDA0003109259270000041
Figure BDA0003109259270000042
Figure BDA0003109259270000043
其中，d为电缆绝缘片状试样厚度，S为电极面积，γ为电导率，ε为介电常数。故，以松弛时间τ为临界点，当t<τ时，忽略电导电流的影响，空间电荷电流占主导地位；当t≥τ，试样中同时受到空间电荷电流与电导电流的影响，且电导电流占主导地位。
步骤S102，根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率。
具体来说，获得的所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，通过计算得到电荷量变化率k。电荷量变化率k的数值可作为评判薄片试样内部空间电荷注入与积聚的程度、以及是否存在电导电流的标准。
步骤S103，获取测试时间，所述测试时间是指当前对所述电缆绝缘材料进行加压的时间。
步骤S104，根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，所述松弛时间是指所述电缆绝缘材料正极性空间电荷，从阳极出发，随着加压时间的增加移动到阴极中所需的时间，或者所述电缆绝缘材料负极性空间电荷，从阴极出发，随着加压时间的增加移动到阳极中所需的时间。
进一步的，所述根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，包括：
根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系；
根据所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，确定松弛时间。
进一步的，所述根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，包括：
通过如下公式确定所述松弛时间：
Figure BDA0003109259270000051
其中，k表示所述测试时间对应的电荷量变化率，Q(t)表示所述动态电荷量，Q0表示所述初始电荷量，tm表示所述测试时间，τ表示所述松弛时间。
在本申请的部分实施例中，松弛时间τ为电缆绝缘片状试样介电常数与电导率的比值。绝缘材料的介电常数可以通过瞬时充电电荷计算得出，因此本申请实施例可以获得电荷量变化率k、介电常数以及电导率三项电气参数。
步骤S105，根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。
具体来说，获得所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，计算得到电荷量变化率k。如图4所示的电缆绝缘片状试样加压过程中正极性空间电荷移动原理图，设电场强度为E，电荷迁移率为μ，有：
电导率γ＝enμ；
电位移σ＝εE；
电荷移动速度v＝μE；
其中e为单位电荷量，n为载流子浓度。
假设加压测试时间tm足够大，正极性空间电荷能从靠近阳极的一端移动到阴极，有：
Figure BDA0003109259270000052
其中，表面电荷(瞬时充电电荷)Q0为：Q0＝σS，空间电荷Qspac(t)和电导电流电荷Qleak(t)之和为：Qspac(t)+Qleak(t)＝endS。故tm可以变成：
Figure BDA0003109259270000053
对上式进行等效变换得到：
Figure BDA0003109259270000061
这样一来，电荷量变化率便与松弛时间联立起来。电荷量变化率k的数值可作为评判薄片试样内部空间电荷注入与积聚的程度、以及是否存在电导电流的标准。
当测试时间tm＝τ时，电荷载流子已经分布在整个试样中，且此时开始出现泄漏电流，此时电荷量之比k为2。当tm>τ即k>2时，泄漏电流开始占据主导。
电缆绝缘片状试样的结论同样适合应用在整体电缆上。将电压等级为30kV、长度为30cm的整体电缆放置于150℃的烘箱中进行加速热老化，老化时间为1440h。取电压等级与长度相同的未老化电缆作为对照组，分别在室温条件下进行测试，测试时间为3h，测试电压为15kV。获取动态电荷随时间变化规律，计算松弛时间，分析空间电荷与电导电流对整体电缆的影响。在对整体电缆进行测试前，剥离首尾5cm的外屏蔽层后，用酒精擦拭，防止残余杂质对实验造成影响。电缆外部缠绕铜箔并接地。测试时的室温为15℃，湿度为30％。
处理测试获得的数据，用origin 2018绘制两根不同热老化时间电缆的电荷量变化率k的曲线，如图5所示，分析空间电荷与泄露电流对整体电缆的影响，得到两点结论：1、常温下，未老化电缆的松弛时间为37216s，老化60天的电缆的松弛时间为14173s，均大于测试时间，说明电导电流对两根电缆的影响不大，电荷量变化率的增大主要受到空间电荷的影响。2、经过长时间的热老化后，XLPE整体电缆的电荷量变化率上升，内部空间电荷的注入与积聚程度增大，说明热老化导致XLPE绝缘性能的劣化。
由以上技术方案可知，通过直接检测绝缘介质的动态电荷变化情况，获得电荷变化率随时间的变化关系。分析不同时间绝缘介质电荷量及电流变化特性，计算获得电荷变化率与松弛时间的关系；以松弛时间为判据，得到同一电场下空间电荷电流和电导电流的区分方法。电场下，绝缘介质内部电荷和注入电荷会发生迁移和极化。电荷需要经过松弛时间τ后到达另一侧电极。在松弛时间以前，试样动态电荷的测试结果不考虑电导电流的影响，主要与空间电荷极化有关。经历了τ后，电导电流对实验结果起主导作用。考虑松弛时间影响后，对热老化整体XLPE绝缘电缆空间电荷电流与电导电流进行了长时间(3h)加压15kV的测试和分析。结果表明，电荷量变化率随测试时间增加而增大。松弛时间以下，空间电荷占主导，松弛时间以后，电导电流占主导。通过松弛时间τ的计算和电荷量测试分析可区分XLPE绝缘空间电荷位移电流和传导电流。
本实施例虽然无法测量空间电荷的分布，但能通过测量结果判定空间电荷电流与电导电流的影响，通过引入电荷量变化率k与松弛时间τ来表征两种电流的临界区分点，该方法可作为对PEA法的补充。除了用于片状试样的空间电荷测试外，还能进一步应用于整体电缆中，接线与操作简单。因此，本申请在电气工程领域上有很好的应用前景。
本申请上述实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，首先对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量和加压瞬间产生的初始电荷量。然后根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率。进一步结合所述电荷量变化率和测试时间，确定松弛时间。最后根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。本申请通过分析加压过程中，电缆绝缘材料内部空间电荷迁移过程，提出了松弛时间，作为电导电流是否影响评估结果的判断标准，最终确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。
下述为本申请装置实施例，可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请装置实施例中未披露的细节，请参照本申请方法实施例。
本申请第二实施例公开了一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置，所述电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置应用于本申请第一实施例公开的一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，参见图6所示的结构示意图，所述电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置包括：
加压模块10，用于对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量，以及获取所述电缆绝缘材料加压瞬间产生的初始电荷量；所述加压是指向所述电缆绝缘材料注入所述直流电压；
电荷量变化率确定模块20，用于根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率；
测试时间获取模块30，用于获取测试时间，所述测试时间是指当前对所述电缆绝缘材料进行加压的时间；
松弛时间确定模块40，用于根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定松弛时间，所述松弛时间是指所述电缆绝缘材料正极性空间电荷，从阳极出发，随着加压时间的增加移动到阴极中所需的时间，或者所述电缆绝缘材料负极性空间电荷，从阴极出发，随着加压时间的增加移动到阳极中所需的时间；
评估模块50，用于根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响。
进一步的，所述松弛时间确定模块40包括：
变化关系确定单元，用于根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系；
松弛时间获取单元，用于根据所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，确定松弛时间。
进一步的，所述松弛时间确定模块40用于通过如下公式确定所述松弛时间：
Figure BDA0003109259270000071
其中，k表示所述测试时间对应的电荷量变化率，Q(t)表示所述动态电荷量，Q0表示所述初始电荷量，tm表示所述测试时间，τ表示所述松弛时间。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，其特征在于，包括：
对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量，以及获取所述电缆绝缘材料加压瞬间产生的初始电荷量；所述加压是指向所述电缆绝缘材料注入所述直流电压；
根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率；
获取测试时间，所述测试时间是指当前对所述电缆绝缘材料进行加压的时间；
根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系；
根据所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，确定松弛时间；所述松弛时间是指所述电缆绝缘材料正极性空间电荷，从阳极出发，随着加压时间的增加移动到阴极中所需的时间，或者所述电缆绝缘材料负极性空间电荷，从阴极出发，随着加压时间的增加移动到阳极中所需的时间；通过下述公式确定所述松弛时间：
Figure FDA0003562476570000011
其中，k表示测试时间对应的电荷量变化率，Q(t)表示动态电荷量，Q0表示初始电荷量，tm表示测试时间，τ表示松弛时间；
根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响，具体为：以所述松弛时间为临界点，如果所述测试时间小于所述松弛时间，空间电荷电流占主导地位；如果所述测试时间大于或等于所述松弛时间，电导电流占主导地位。
2.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，其特征在于，所述电缆绝缘材料为电缆绝缘片状试样。
3.根据权利要求1所述的电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，其特征在于，所述电缆绝缘材料为整体电缆。
4.一种电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置，其特征在于，所述电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置应用于权利要求1-3任一项所述的电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估方法，所述电缆绝缘材料空间电荷与电导电流的评估装置包括：
加压模块，用于对电缆绝缘材料进行加压，并获取所述电缆绝缘材料在直流电压下的动态电荷量，以及获取所述电缆绝缘材料加压瞬间产生的初始电荷量；所述加压是指向所述电缆绝缘材料注入所述直流电压；
电荷量变化率确定模块，用于根据所述初始电荷量和所述动态电荷量，确定电荷量变化率；
测试时间获取模块，用于获取测试时间，所述测试时间是指当前对所述电缆绝缘材料进行加压的时间；
松弛时间确定模块，用于根据所述电荷量变化率和所述测试时间，确定所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，以及根据所述电荷量变化率随所述测试时间变化关系，确定松弛时间；所述松弛时间是指所述电缆绝缘材料正极性空间电荷，从阳极出发，随着加压时间的增加移动到阴极中所需的时间，或者所述电缆绝缘材料负极性空间电荷，从阴极出发，随着加压时间的增加移动到阳极中所需的时间；通过下述公式确定所述松弛时间：
Figure FDA0003562476570000021
其中，k表示所述测试时间对应的电荷量变化率，Q(t)表示所述动态电荷量，Q0表示所述初始电荷量，tm表示所述测试时间，τ表示所述松弛时间；
评估模块，用于根据所述松弛时间，确定空间电荷与电导电流对所述电缆绝缘材料的影响，具体为：以所述松弛时间为临界点，如果所述测试时间小于所述松弛时间，空间电荷电流占主导地位；如果所述测试时间大于或等于所述松弛时间，电导电流占主导地位。
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