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)

0 引言

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±320 kV。我国的柔直输电技术也发展迅速，南澳±160 kV多端柔直输电示范工程和舟山±200 kV五端柔直科技示范工程也已投入运行。另外，厦门±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［2］。因此，空间电荷问题已成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±250 kV和±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，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。

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:

式中:a，γ为常数;θc和θs分别为绝缘内表面和绝缘外表面的温度;r为任意一点的绝缘半径。

从式(1)可知，电场分布与绝缘内外表面温差Δθ=θc－θs存在一定的关系，且绝缘内屏蔽处电场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±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θc=90℃，此时Δθ最大)时的电场分布，如图1所示。

图1 ±320 kV柔直电缆绝缘在空载和满载时的电场分布

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，尤其是导体温度θc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±200 kV和±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试，并了解电缆绝缘介质内部的空间电荷分布，可以指导柔直电缆、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。

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Vp(对应的脉冲电场为Ep=Vp/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:

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:

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:

式中:A为放大器放大倍数;dp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:

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ε+δε，空间电荷密度ρ变成ρ+δρ，发生扰动后并且忽略二次项可得:

图2 空间电荷测试方法原理图［12］

结合式(5)和式(6)，并考虑样品形变和质点位移u的影响后可得扰动产生的信号电压为:

式中，B是与材料性质有关的量。对于低输入阻抗测量电路，可得:

式中:P0为压力波幅值;C为试样电容;v为压力波速度;τ为压力波脉宽;A为放大倍数;R为示波器采样电阻。

3 PEA法和PWP法模型电缆空间电荷测试方法研究

模型电缆空间电荷测试方法原理等同于平板试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Vp，在绝缘内部r处产生的脉冲电场为:

式中:rs为绝缘外径;rc为绝缘内径。

结合PEA法输出信号公式(4)可知，在分析PEA法模型电缆空间电荷信号时，必须考虑引入脉冲电场校正因子并消除由电缆同轴结构引起的脉冲电场不一致。

在PEA法模型电缆空间电荷测试过程中，由于绝缘厚度增加较多，脉冲电场引发的声振动存在较大的衰减。为克服这一问题，必须通过两个途径进行改进:一是提高脉冲发生器的脉冲电压;二是通过解卷积方法消除声波衰减和色散，通过软件处理并恢复空间电荷信号波形。

目前，受制于高端功能器件出口限制，用于PEA法空间电荷测试的高压脉冲幅值一般在10 kV以下。但此脉冲电压相对于PEA法模型电缆绝缘空间电荷测试来说仍远远不够，由其激发产生的空间电荷信号较微弱，尤其是信号的后半部分，几乎为一条直线。这样，信号的信噪比较低，无法进行有效的空间电荷分析。

为去除声波衰减和色散对空间电荷信号的影响，学者提出了各种数据处理方法并试图通过软件处理恢复空间电荷信号波形［13-14］，但在较低信噪比的空间电荷信号波形基础上进行的软件处理使得最终信号存在较大的误差。另外，在PEA法中，为了获得较准确的声脉冲信号，需采用宽带的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜压电传感器，但这种传感器的灵敏度不高，即压电系数d33较小，传感器的输出信号很小。所以在一般情况下外加单个电脉冲所得到的信号是难以进行测量的。通常需外加数百至数千次电脉冲，然后对其所测得的信号进行平均化处理才能得到用于信号恢复处理的“原始信号”。综合这两个因素，笔者认为PEA法模型电缆空间电荷信号的真实性还需进一步论证。

另外，针对高温条件下的模型电缆空间电荷测试，PEA法是很难进行的。这是因为PEA系统中传感器的压电薄膜——PVDF膜的工作温度一般在70℃以下。例如，当模型电缆导体温度θc为90℃时，绝缘外表面温度一般大于80℃，通过PEA法难以进行空间电荷测试。另外，对于±200 kV、±320 kV柔直电缆等，其绝缘表面温度一般也在70℃以上，在这样的条件下PEA法均难以进行电缆空间电荷测试。从这一角度来说，PEA法也存在一定的不足之处。

3.2 PWP法模型电缆空间电荷测试方法

对于同轴电缆，电场不再是平行场，即电场散度不为零。在PWP法中，可以用合适的技术产生压力波，使其传播方向与电场方向保持一致，这样压力波就有一个“聚焦”现象［15］。

在模型电缆空间电荷测试方法中，模型电缆绝缘外屏蔽层吸收脉冲激光能量，瞬时发生“小爆炸”并产生压力波，此压力波强度大，因此能产生较强的空间电荷信号。国内学者通过比较研究发现，PWP法信号强度是PEA法信号强度的30倍以上［16］。根据声波衰减理论，声波衰减正比于频率的平方。PWP法中压力波频率范围为10～100 MHz，低于PEA法中的声震动频率。这样，PWP法中由于声波衰减引起的空间电荷信号衰减幅度小于PEA法。大量的PWP法空间电荷测试表明［17-18］，相比于空间电荷波形中的前电极峰，后电极峰下降幅度不大。在PWP法平板试样空间电荷信号分析时，可不考虑信号衰减，直接根据输出信号求出空间电荷密度分布或电场分布。在分析绝缘厚度较厚的模型电缆或者电缆的空间电荷分布时，同样可使用解卷积方法，并对空间电荷信号波形进行恢复。由上可知，PWP法原始信号强度较大且声波衰减较弱，因此具有较高的信噪比。另外，与PEA法不同的是，在PWP法中，一般只需激发一次激光，即可获得稳定可靠的空间电荷波形。综合以上可知，PWP法模型电缆空间电荷信号具有较高的信噪比，且信号准确可靠。

进一步地，对于真实柔直电缆，绝缘厚度一般较厚，例如，±200 kV柔直电缆的绝缘厚度约为15 mm。对于如此厚的电缆绝缘，PEA法由于信号较弱，一般难以进行空间电荷测试。但PWP法由于脉冲激光能产生较强的压力波信号，能较易实现绝缘较厚电缆试样的空间电荷测试。在国外，已有学者利用PWP法进行电缆空间电荷的测试，Zhang Y W等人利用PWP法测试了13.5 mm的电缆绝缘厚度的空间电荷分布［2］，如图3所示。

图3 厚度为13.5 mm的电缆绝缘空间电荷分布

另外，在PWP法中，由于没有用于声电转换的压电薄膜，因此，测试温度几乎不受限制，可达90℃以上。从这一角度来说，在研究高温下电缆绝缘空间电荷分布时，PWP法是较理想的方法。

4 结论

本文在论述模型电缆空间电荷测试重要性的基础上，针对PEA法模型电缆空间电荷测试方法存在的问题，进一步提出了更为有效的PWP法模型电缆空间电荷方法，得出如下结论:

(1)在平板试样基础上进行模型电缆空间电荷测试的研究，尤其是高温下模型电缆空间电荷测试的研究是非常有意义的。通过模型电缆空间电荷的测试，并了解电缆绝缘介质内部的空间电荷分布，可以指导柔直电缆、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;

(2)PEA法和PWP法模型电缆空间电荷测试方法原理等同于平板试样空间电荷测试方法原理，但需考虑模型电缆试样的电场方向及试样厚度等因素;

(3)由于PEA法模型电缆空间电荷测试信号较弱，信噪比较低，因此其恢复信号的真实性还需进一步论证。另外，PEA法难以用于高温下试样的空间电荷测试;

(4)PWP法模型电缆空间电荷测试信号较强，信噪比较高，其信号准确可靠，是将来用于较大绝缘厚度的真实电缆空间电荷分布的合适选择。另外，PWP法是用于高温下试样空间电荷测试的理想方法。

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