模型电缆空间电荷测试方法研究_朱智恩
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［2 ］
。 因 此， 空 间电 荷 问题 已 成
收稿日期: 20150326 作者简介: 朱智恩( 1983 － ) ， 男， 工程师． 作者地址: 江苏南京市江宁区诚信大道 19 号［ 211000］ ．
由于此方法需使用 价 格 昂贵 的 脉冲 激 光器， 系统成 本较高， 所以此方法的研究较少。
式中 : a ， γ 为常数; θ c 和 θ s 分 别为 绝缘 内 表 面 和绝缘 从式( 1 ) 可 知， 电 场 分 布 与 绝缘 内外 表 面 温 差 且 绝缘 内 屏蔽 处 电 场 Δθ = θ c － θ s 存在一定 的 关 系， 随温差的增加而减少， 而 绝缘 外 屏蔽 处 的电 场 随 温 差的增加而增加。 本文以 ʃ 320 kV 柔直 电缆 为 例， 显示了其在空 载 ( 即 Δθ = 0 ， 此时温差最小) 和满载( 即 θ c = 90 ħ ， 此时 Δθ 最大) 时的电场分布， 如图 1 所示。
与 交 流 高压 输电 相 比， 直 流 高压 输电 具 有 易 于 电网间的互联、 较 低 的电能 损耗 以 及 较 高 的输电 容 量等优点
［1 ］
。尤其是近 年 来 柔 性 直 流 ( 以下 简 称 柔
直) 高压输电 技术 的 迅 速 发 展， 越来越受到人们的 关注。在国外， 德 国 北 海 风 电 场 多 个 柔 直 输电工 程 已投入运行， 电 压 等 级 达到 ʃ 320 kV。 我 国的 柔 直 输电技术也发展迅速， 南 澳 ʃ 160 kV 多 端 柔 直 输电 示范工程和 舟 山 ʃ 200 kV 五 端 柔 直 科 技 示 范 工 程 也已投入运行。另外， 厦门 ʃ 320 kV 柔 直 输电 科 技 示范工程也在建设过程中。柔直电缆用于两端换流 站的连接， 是 整 套 柔 直 输电 系统 的 重 要组 成 部 分。 但在柔直电缆的 实际 运 行中， 其面 临 的 主 要问题是 交联聚乙烯( XLPE ) 绝缘 介质 中 或 者 XLPE 绝缘和 半导电屏蔽界面上的空间电荷问题。在直流高电场 下， 空间电荷主要 由 绝缘 介质 内部 杂 质 解 离或 者 电 极注 入 产 生 ， 并 随时 间 不 断 积 累。 如 果 空 间电 荷 密 度足够高， 局部电 场 甚 至 可 能 超 过绝缘 介质 的 击穿 场强， 导 致 介质 破坏
V = E( z) dz
0
∫
( 5)
当样品内的电荷受到外界声波扰动而失去平衡 位 置时， 电场强度 E 则成为 E + δE ， 介电常数 ε 变成 空间电荷密度 ρ 变成 ρ + δρ， 发生扰动后并且 ε + δε， 忽略二次项可得:
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2015 年第 5 期 No． 5 2015
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2015 年第 5 期 No． 5 2015
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2015 年 10 月 Oct．， 2015
1
直流电缆绝缘电场分布
在 交 流 电 场 下， 电缆 绝缘 中的电 场 分 布 仅 取 决
是导体温度 θ c 较高( 即 Δθ 较大) 情况下 的研究 是 非 常有意义的。本文所指的模型电缆是相对于工程应 用的 ʃ 200 kV 和 ʃ 320 kV 柔直电缆而言， 其 绝缘 厚 度在 6 mm 及 以下。 通过模 型 电 缆 空 间 电 荷 的 测 并了解电缆绝缘介质内部的空间电荷分布， 可以 试， 指导柔直电缆、 连接件的结构设计， 还可以用于柔直 电缆的用户验收试 验， 检 验 柔 直 电缆 绝缘材料 的 空 间电荷性能及加工工艺是否满足要求。
式中: s 为传感 器 面 积; k 为 多 个 界 面 的 综 合 透 射 系 数; d33 为压电薄膜压电系数; C 为传感器电容。 若在 t 时刻， z 处空间电荷产生的 声 振 动 传 至 压 电薄膜， 则结合式 ( 2 ) 可 得 出 此时 刻 的 PEA 法信 号 电压为: V s = kAd p d33 vΔTE p ρ( z) / ε
δ －1
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2
PEA 法和 PWP 法原理
PEA 法和 PWP 法空间电 荷测试 技术 起 源 于 20
δ = ( γ + β) / ( γ + 1 ) β = a( θ c － θ s ) / ln( R / r c ) 外表面的温度; r 为任意一点的绝缘半径。
世纪七八十年代， 其方法原理针对平板试样， 且已在 多篇文献中提及［3-4，9-10］。 图 2a 是平 板 试 样 PEA 法 原 理 图， 在试样两侧 电极施加脉宽为 ΔT 的 矩 形 电 脉冲 V p ( 对 应 的 脉冲 电场为 E p = V p / d ) ， 试样中 z 点处的空间电荷元 Δq = ρ( z) Δz 受到脉冲电场产生的声波作用力为: ( 2) ΔP ( z ) = E p Δq = E p ρ( z ) vΔT 式中: ρ( z) 为 z 点空间电 荷 密 度; d 为 试 样 厚 度; v 为 声波速度。 此 空 间电 荷 元产 生 的 声 波 通过试 样 和 铝 电 极， 并考虑到声波的作 用 面 积 及 界 面 的 透 射 系数， 最后 传至传感器压电薄膜并转换为电信号: Δu = skd33 ΔP ( z) C ( 3)
d
由图 1 可知， 在空载时， 电缆绝缘电场分布较 为 均匀， 最大电场位于绝缘内屏蔽附近。但满载时， 最 大电场位置已由内 屏蔽 变为 外 屏蔽 附 近， 其 最大 值 为平均电场的 1. 35 倍， 约为最小电场的 2 倍。 电缆 结构本身会引起电 场 分 布 不 均 匀， 而 电 场结构 的 不 均匀更易于空间电 荷 的 注 入， 如 满 载 时 绝缘 外 屏蔽 处电场最大， 空 间电 荷 易 于 从 此位 置 注 入 并 积 累。 电缆本身结构的不均匀和空间电荷的积累这两种因 素重叠影响着电缆 绝缘 的电 场 分 布， 这 样 的电 场 分 布对电缆绝缘介质是 不 利 的， 更 会 给 柔 直 电缆 连 接 件( 终端和接头) 设计和研制带来麻烦。 因此， 进行模型电缆空间电荷测试的研究， 尤其
于介电常数 ε， 而 ε 与 温 度和 电 场 无 关。 但 在 直 流 电场下， 电缆绝缘中的电场分布更为复杂， 电场取决 于电阻率， 而电 阻率与 温 度和 电 场 有 关。 一 般 在 不 存在空间电荷的情况下， 电缆 绝缘 在 直 流 电 场 下 的 电场分布可表示为: E = uδr Rδ － rδ c ( 1)
图1 ʃ 320 kV 柔直电缆绝缘在空载和满载时的电场分布
( 4)
式中: A 为放大器放大倍数; d p 为 传 感 器 压 电 薄 膜 厚 度; ε 为压电薄膜介电常数。 图 2b 是 平 板 试 样 PWP 法 原 理 图， 试 样 半导 电 屏蔽层吸 收 一 个 极 窄 的 激 光脉冲 热 量 而 产 生 一 个 “小爆炸” ， 并 产 生 压 力 波， 压 力 波在 试 样 内部传 播 并引起试样内部的小扰动。 设试 样 厚 度 为 d， 则 试 样 两 电 极 的电 势 差 V 可 表示为:
Methodological Investigation on Space Charge Measurement in Model Cable ZHU Zhien，YANG Liming，GUO Shizhong，LI Dong
( NARI Group Corporation ( State Grid Electric Power Research Institute) ，Nanjing 211000 ，China) Abstract : This paper introduces the electric field distribution under DC electric field of cable insulation， expounds the important significance of the space charge model of cable test． Analyzing the principle of PEA method and PWP method for space charge measurement method，on the basis of the model of cable PEA space charge test method for the analysis of existing problems，and discusses the advantages of PWP method model of cable space charge testmethod Key words: space charge; model cable; pressure wave propagation method; pulsed electroacoustic method
2015 年第 5 期 No． 5 2015
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2015 年 10 月 Oct．， 2015
模 型电缆 空 间电 荷测试方法 研究
朱智恩， 杨黎明， 郭世忠， 李 栋
( 南京南瑞集团公司( 国网电力科学研究院) ， 江苏 南京 211000 )
摘要: 介绍了直流电场下电缆绝缘的电场分布， 阐述了模型电缆空间电荷测试的重要 意 义。 分析了 PEA 法和 PWP 法空间电荷测试方法原理， 在此基础上对 PEA 法模型电缆空间电荷测试方法存在的问题进行分析， 并探 讨了 PWP 法模型电缆空间电荷测试方法的优越性。 关键词: 空间电荷; 模型电缆; 压力波法; 电声脉冲法 中图分类号: TM201. 4 文献标识码: A DOI:10.16105/j.cnki.dxdl.2015.05.010 文章编号: 16726901 ( 2015 ) 05003605
2015 年 10 月 Oct．， 2015
样空间电荷测试方法 原 理。 但 在 模 型电缆中， 电场 分布为径向分布， 模 型电缆 绝缘 厚 度 也 增 至 平 板 试 样厚 度 的 5 10 倍。 因 此， 模 型电缆 空 间电 荷测试 方法必须考虑这两个因素并加以改进。本节介绍了 PEA 法模型电缆空间电 荷测试方法， 并对一些关键 问题进行分析研究。另外， 提出了 PWP 法模型电缆 空间电荷测试方法， 并 对 其 应 用 于 模 型电缆 空 间电 荷测试进行了探讨。 3. 1 PEA 法模型电缆空间电荷测试方法 在 PEA 法模型电缆空间电 荷测试 中， 高压 脉冲 在绝缘中产生的电 场不 是 平 行 均 匀 场， 而是 非 均 匀 的径向场。在电缆导体上 施 加 高压 脉冲 V p ， 在 绝缘 内部 r 处产生的脉冲电场为: E p ( r) = Vp r ln( r s / r c )
0
引
言
为制 约 柔 直 电 缆 系 统 向 超 高 压 发 展 的 主 要 障 碍 之一。 空 间电 荷测试 技术 是 空 间电 荷 研究的 基 础， 特 别是无损测试技术的发展有力地推动了空间电荷的 研究及高压超高压直流 XLPE 电 力 电缆的发 展。 无 损测试方法 包括 电 声 脉冲 法 ( PEA 法 ) 、 压力波法 ( PWP 法) 等。其 中， PEA 法［3-4］ 是 目 前 国内外 用 于 绝缘试样空间电荷测试 最 广 泛 的 测试 手段 之一， 如 北欧化工通过 PEA 法 研究 了 柔 直 电缆 绝缘料 的 空 间电荷特性， 并开发 了 全 球唯 一 商 品 化 供 应 的 柔 直 电缆绝缘料。随着功能器件技术的进步及数据分析 方法的不断发展， 人 们 已 不 满足 于 通过 平 板 试 样 测 试并分析绝缘介质中的空间电荷， 模型电缆、 电缆空 间电荷 测 试 技 术 不 断 出 现。 日 本 早 在 1998 年 和 2004 年 分 别 开发 了 ʃ 250 kV 和 ʃ 500 kV 直 流 电 缆［5-6］， 在 开发 过程 中 利 用 PEA 法 对 模 型电缆 和 真 实电缆进行了空间电 荷测试， 并 根 据 测试 结 果得 出 了有意义的信 息。 但 空 间电 荷测试 结 果显 示， 其真 实电缆的空间电 荷信 号 信 噪 比较 低。 在 国内， 许多 学者 尝 试 开 发 用 于 模 型 电 缆 的 空 间 电 荷 测 试 系 统［7-8］， 被测电缆厚度在 6 mm 以下 且 测试方法几 乎 采用 PEA 法。PWP 法［9-10］起源 于 20 世 纪 80 年 代，
。 因 此， 空 间电 荷 问题 已 成
收稿日期: 20150326 作者简介: 朱智恩( 1983 － ) ， 男， 工程师． 作者地址: 江苏南京市江宁区诚信大道 19 号［ 211000］ ．
由于此方法需使用 价 格 昂贵 的 脉冲 激 光器， 系统成 本较高， 所以此方法的研究较少。
式中 : a ， γ 为常数; θ c 和 θ s 分 别为 绝缘 内 表 面 和绝缘 从式( 1 ) 可 知， 电 场 分 布 与 绝缘 内外 表 面 温 差 且 绝缘 内 屏蔽 处 电 场 Δθ = θ c － θ s 存在一定 的 关 系， 随温差的增加而减少， 而 绝缘 外 屏蔽 处 的电 场 随 温 差的增加而增加。 本文以 ʃ 320 kV 柔直 电缆 为 例， 显示了其在空 载 ( 即 Δθ = 0 ， 此时温差最小) 和满载( 即 θ c = 90 ħ ， 此时 Δθ 最大) 时的电场分布， 如图 1 所示。
与 交 流 高压 输电 相 比， 直 流 高压 输电 具 有 易 于 电网间的互联、 较 低 的电能 损耗 以 及 较 高 的输电 容 量等优点
［1 ］
。尤其是近 年 来 柔 性 直 流 ( 以下 简 称 柔
直) 高压输电 技术 的 迅 速 发 展， 越来越受到人们的 关注。在国外， 德 国 北 海 风 电 场 多 个 柔 直 输电工 程 已投入运行， 电 压 等 级 达到 ʃ 320 kV。 我 国的 柔 直 输电技术也发展迅速， 南 澳 ʃ 160 kV 多 端 柔 直 输电 示范工程和 舟 山 ʃ 200 kV 五 端 柔 直 科 技 示 范 工 程 也已投入运行。另外， 厦门 ʃ 320 kV 柔 直 输电 科 技 示范工程也在建设过程中。柔直电缆用于两端换流 站的连接， 是 整 套 柔 直 输电 系统 的 重 要组 成 部 分。 但在柔直电缆的 实际 运 行中， 其面 临 的 主 要问题是 交联聚乙烯( XLPE ) 绝缘 介质 中 或 者 XLPE 绝缘和 半导电屏蔽界面上的空间电荷问题。在直流高电场 下， 空间电荷主要 由 绝缘 介质 内部 杂 质 解 离或 者 电 极注 入 产 生 ， 并 随时 间 不 断 积 累。 如 果 空 间电 荷 密 度足够高， 局部电 场 甚 至 可 能 超 过绝缘 介质 的 击穿 场强， 导 致 介质 破坏
V = E( z) dz
0
∫
( 5)
当样品内的电荷受到外界声波扰动而失去平衡 位 置时， 电场强度 E 则成为 E + δE ， 介电常数 ε 变成 空间电荷密度 ρ 变成 ρ + δρ， 发生扰动后并且 ε + δε， 忽略二次项可得:
· 37·
2015 年第 5 期 No． 5 2015
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2015 年第 5 期 No． 5 2015
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2015 年 10 月 Oct．， 2015
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直流电缆绝缘电场分布
在 交 流 电 场 下， 电缆 绝缘 中的电 场 分 布 仅 取 决
是导体温度 θ c 较高( 即 Δθ 较大) 情况下 的研究 是 非 常有意义的。本文所指的模型电缆是相对于工程应 用的 ʃ 200 kV 和 ʃ 320 kV 柔直电缆而言， 其 绝缘 厚 度在 6 mm 及 以下。 通过模 型 电 缆 空 间 电 荷 的 测 并了解电缆绝缘介质内部的空间电荷分布， 可以 试， 指导柔直电缆、 连接件的结构设计， 还可以用于柔直 电缆的用户验收试 验， 检 验 柔 直 电缆 绝缘材料 的 空 间电荷性能及加工工艺是否满足要求。
式中: s 为传感 器 面 积; k 为 多 个 界 面 的 综 合 透 射 系 数; d33 为压电薄膜压电系数; C 为传感器电容。 若在 t 时刻， z 处空间电荷产生的 声 振 动 传 至 压 电薄膜， 则结合式 ( 2 ) 可 得 出 此时 刻 的 PEA 法信 号 电压为: V s = kAd p d33 vΔTE p ρ( z) / ε
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wenku.baidu.com
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PEA 法和 PWP 法原理
PEA 法和 PWP 法空间电 荷测试 技术 起 源 于 20
δ = ( γ + β) / ( γ + 1 ) β = a( θ c － θ s ) / ln( R / r c ) 外表面的温度; r 为任意一点的绝缘半径。
世纪七八十年代， 其方法原理针对平板试样， 且已在 多篇文献中提及［3-4，9-10］。 图 2a 是平 板 试 样 PEA 法 原 理 图， 在试样两侧 电极施加脉宽为 ΔT 的 矩 形 电 脉冲 V p ( 对 应 的 脉冲 电场为 E p = V p / d ) ， 试样中 z 点处的空间电荷元 Δq = ρ( z) Δz 受到脉冲电场产生的声波作用力为: ( 2) ΔP ( z ) = E p Δq = E p ρ( z ) vΔT 式中: ρ( z) 为 z 点空间电 荷 密 度; d 为 试 样 厚 度; v 为 声波速度。 此 空 间电 荷 元产 生 的 声 波 通过试 样 和 铝 电 极， 并考虑到声波的作 用 面 积 及 界 面 的 透 射 系数， 最后 传至传感器压电薄膜并转换为电信号: Δu = skd33 ΔP ( z) C ( 3)
d
由图 1 可知， 在空载时， 电缆绝缘电场分布较 为 均匀， 最大电场位于绝缘内屏蔽附近。但满载时， 最 大电场位置已由内 屏蔽 变为 外 屏蔽 附 近， 其 最大 值 为平均电场的 1. 35 倍， 约为最小电场的 2 倍。 电缆 结构本身会引起电 场 分 布 不 均 匀， 而 电 场结构 的 不 均匀更易于空间电 荷 的 注 入， 如 满 载 时 绝缘 外 屏蔽 处电场最大， 空 间电 荷 易 于 从 此位 置 注 入 并 积 累。 电缆本身结构的不均匀和空间电荷的积累这两种因 素重叠影响着电缆 绝缘 的电 场 分 布， 这 样 的电 场 分 布对电缆绝缘介质是 不 利 的， 更 会 给 柔 直 电缆 连 接 件( 终端和接头) 设计和研制带来麻烦。 因此， 进行模型电缆空间电荷测试的研究， 尤其
于介电常数 ε， 而 ε 与 温 度和 电 场 无 关。 但 在 直 流 电场下， 电缆绝缘中的电场分布更为复杂， 电场取决 于电阻率， 而电 阻率与 温 度和 电 场 有 关。 一 般 在 不 存在空间电荷的情况下， 电缆 绝缘 在 直 流 电 场 下 的 电场分布可表示为: E = uδr Rδ － rδ c ( 1)
图1 ʃ 320 kV 柔直电缆绝缘在空载和满载时的电场分布
( 4)
式中: A 为放大器放大倍数; d p 为 传 感 器 压 电 薄 膜 厚 度; ε 为压电薄膜介电常数。 图 2b 是 平 板 试 样 PWP 法 原 理 图， 试 样 半导 电 屏蔽层吸 收 一 个 极 窄 的 激 光脉冲 热 量 而 产 生 一 个 “小爆炸” ， 并 产 生 压 力 波， 压 力 波在 试 样 内部传 播 并引起试样内部的小扰动。 设试 样 厚 度 为 d， 则 试 样 两 电 极 的电 势 差 V 可 表示为:
Methodological Investigation on Space Charge Measurement in Model Cable ZHU Zhien，YANG Liming，GUO Shizhong，LI Dong
( NARI Group Corporation ( State Grid Electric Power Research Institute) ，Nanjing 211000 ，China) Abstract : This paper introduces the electric field distribution under DC electric field of cable insulation， expounds the important significance of the space charge model of cable test． Analyzing the principle of PEA method and PWP method for space charge measurement method，on the basis of the model of cable PEA space charge test method for the analysis of existing problems，and discusses the advantages of PWP method model of cable space charge testmethod Key words: space charge; model cable; pressure wave propagation method; pulsed electroacoustic method
2015 年第 5 期 No． 5 2015
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2015 年 10 月 Oct．， 2015
模 型电缆 空 间电 荷测试方法 研究
朱智恩， 杨黎明， 郭世忠， 李 栋
( 南京南瑞集团公司( 国网电力科学研究院) ， 江苏 南京 211000 )
摘要: 介绍了直流电场下电缆绝缘的电场分布， 阐述了模型电缆空间电荷测试的重要 意 义。 分析了 PEA 法和 PWP 法空间电荷测试方法原理， 在此基础上对 PEA 法模型电缆空间电荷测试方法存在的问题进行分析， 并探 讨了 PWP 法模型电缆空间电荷测试方法的优越性。 关键词: 空间电荷; 模型电缆; 压力波法; 电声脉冲法 中图分类号: TM201. 4 文献标识码: A DOI:10.16105/j.cnki.dxdl.2015.05.010 文章编号: 16726901 ( 2015 ) 05003605
2015 年 10 月 Oct．， 2015
样空间电荷测试方法 原 理。 但 在 模 型电缆中， 电场 分布为径向分布， 模 型电缆 绝缘 厚 度 也 增 至 平 板 试 样厚 度 的 5 10 倍。 因 此， 模 型电缆 空 间电 荷测试 方法必须考虑这两个因素并加以改进。本节介绍了 PEA 法模型电缆空间电 荷测试方法， 并对一些关键 问题进行分析研究。另外， 提出了 PWP 法模型电缆 空间电荷测试方法， 并 对 其 应 用 于 模 型电缆 空 间电 荷测试进行了探讨。 3. 1 PEA 法模型电缆空间电荷测试方法 在 PEA 法模型电缆空间电 荷测试 中， 高压 脉冲 在绝缘中产生的电 场不 是 平 行 均 匀 场， 而是 非 均 匀 的径向场。在电缆导体上 施 加 高压 脉冲 V p ， 在 绝缘 内部 r 处产生的脉冲电场为: E p ( r) = Vp r ln( r s / r c )
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引
言
为制 约 柔 直 电 缆 系 统 向 超 高 压 发 展 的 主 要 障 碍 之一。 空 间电 荷测试 技术 是 空 间电 荷 研究的 基 础， 特 别是无损测试技术的发展有力地推动了空间电荷的 研究及高压超高压直流 XLPE 电 力 电缆的发 展。 无 损测试方法 包括 电 声 脉冲 法 ( PEA 法 ) 、 压力波法 ( PWP 法) 等。其 中， PEA 法［3-4］ 是 目 前 国内外 用 于 绝缘试样空间电荷测试 最 广 泛 的 测试 手段 之一， 如 北欧化工通过 PEA 法 研究 了 柔 直 电缆 绝缘料 的 空 间电荷特性， 并开发 了 全 球唯 一 商 品 化 供 应 的 柔 直 电缆绝缘料。随着功能器件技术的进步及数据分析 方法的不断发展， 人 们 已 不 满足 于 通过 平 板 试 样 测 试并分析绝缘介质中的空间电荷， 模型电缆、 电缆空 间电荷 测 试 技 术 不 断 出 现。 日 本 早 在 1998 年 和 2004 年 分 别 开发 了 ʃ 250 kV 和 ʃ 500 kV 直 流 电 缆［5-6］， 在 开发 过程 中 利 用 PEA 法 对 模 型电缆 和 真 实电缆进行了空间电 荷测试， 并 根 据 测试 结 果得 出 了有意义的信 息。 但 空 间电 荷测试 结 果显 示， 其真 实电缆的空间电 荷信 号 信 噪 比较 低。 在 国内， 许多 学者 尝 试 开 发 用 于 模 型 电 缆 的 空 间 电 荷 测 试 系 统［7-8］， 被测电缆厚度在 6 mm 以下 且 测试方法几 乎 采用 PEA 法。PWP 法［9-10］起源 于 20 世 纪 80 年 代，