脱气处理对高压XLPE绝缘直流电缆空间电荷影响研究

严 彦,吴小兵,顾伟伟,周万鹏,缪海峰,徐宇峰

(1.中天科技海缆股份有限公司,江苏 南通 226010;2.江苏省海洋能源与信息传输重点实验室,江苏 南通 226010)

0 引言

随着新型换流技术的诞生与发展,近年来交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆的研究与应用受到越来越多的关注[1-2],柔性直流输电技术实现了传统直流输电系统不具备的灵活控制和多端互联功能,缓解了交流电缆输电损耗大、线路建设成本高等弊端[3-4],是建设大容量、远距离电网乃至全球能源互联的关键装备[5]。

XLPE电缆生产过程中会产生交联副产物,主要包括甲基苯乙烯、苯乙酮等,这些交联副产物在电缆运行过程中会分解为极性小分子,在外加电场作用下解离为正负离子,解离的正负离子向极性相反电极迁移形成异极性空间电荷[6]。空间电荷积聚会影响电场分布,如果空间电荷密度很高,局部电场强度将超过绝缘击穿强度并引起初始电击穿。即使局部电场强度不太高,空间电荷积累也会逐渐使电介质发生老化,导致绝缘缺陷的形成,从而降低高压直流电缆长期运行的可靠性和使用寿命[7-8]。

国内外研究表明,脱气处理能有效降低XLPE绝缘交联副产物,提高直流电缆绝缘击穿强度[9]。Chong等[10]研究表明,XLPE绝缘脱气时间、脱气温度及试样厚度会影响XLPE空间电荷分布;Fu等[11]研究表明,XLPE绝缘脱气过程也会影响空间电荷衰减速率。

但目前大部分研究均对切片或短样进行脱气及空间电荷研究,未针对实际工况应用大长度直流电缆,因此研究大长度直流电缆绝缘脱气处理对空间电荷影响很有意义。

本文采用气相色谱检测和空间电荷测试研究不同脱气阶段直流电缆交联副产物及异极性空间电荷情况,在成品电缆上进行全尺寸空间电荷测试,研究结果为后续直流电缆研发提供理论支持。

1 绝缘脱气研究

DCP作为XLPE的交联剂,在交联过程中DCP将受热分解,如图1所示。根据FT-IR的测试结果,在XLPE交联过程中,甲基苯乙烯、苯乙酮等是XLPE试样的主要交联副产物。

图1 DCP受热分解过程

如果绝缘层内部交联副产物在脱气过程中不及时去除,当电缆在直流电场长期工作时将形成异极性空间电荷。绝缘介质中积聚的大量空间电荷导致电场在绝缘层中发生畸变,降低电缆使用寿命。因此,去除交联线芯中的副产物是一项重要工序,脱气效果对电缆的电气性能和长期稳定运行产生较大影响。

在电缆脱气期间每隔8 d对大长度脱气电缆进行取样,对电缆进行气相色谱检测和空间电荷测试。

1.1 气相色谱检测

气相色谱检测是利用色谱分离技术和检测技术,对多组分的复杂混合物进行定性和定量分析。

利用气相色谱法针对每一批样品内层、中层和外层分别测量交联副产物甲基苯乙烯、苯乙酮含量(见图2)。

图2 气相色谱检测结果

在前几批次试样中,甲基苯乙烯的含量一直是中层最大,且随着脱气时间的延长,后几批次试样中已经检测不出甲基苯乙烯,这表明这种交联副产物可能比较容易脱出。

在不同批次的试样中,苯乙酮的最大含量有时出现在内层,有时出现在中层,外层中也出现过,这可能是因为前一阶段电缆绝缘层中的浓度分布会影响之后的脱出速率。

不同批次之间同种交联副产物的含量没有完全随着脱气时间的延长而单调下降,这可能是因为,尽管同为电缆内层、中层或外层,但取样位置仍有差异,而交联副产物在电缆绝缘层中的分布并不是理想的均匀分布。

1.2 空间电荷测试

采用电声脉冲法(PEA)对每批样品进行空间电荷测试,测试期间在电缆两端电极加上电脉冲扰动源,电缆中的空间电荷和电极界面收到脉冲电场力作用产生相应的电脉冲,利用压电电声脉冲传感器接受并测试电脉冲,获得空间电荷分布信息。

每批试样取样后先在20 kV/mm场强下加压1 200 s,随后在短路过程中短路10 s,300 s和600 s下分别观察试样内部的空间电荷分布(见图3)。

图3 空间电荷测试结果

当脱气时间较短时,试样中积累的空间电荷以异极性电荷为主,即阳极附近积累负极性电荷,阴极附近积累正极性电荷。这可能是试样中残留的交联副产物分子在外加电场作用下发生解离并向相反极性电极迁移,最终积累在两电极附近造成的。

随着脱气时间的延长,试样中积累的电荷逐渐以负电荷为主。没有观察到两电极附近均积累异极性电荷的情况,这表明试样中的交联副产物含量降低,交联副产物解离作用减弱,试样中负电荷的分布可能是由阴极注入的负电荷逐渐向阳极迁移并积下来造成的。

2 电缆全尺寸空间电荷测试

为进一步研究脱气后高压直流电缆绝缘层空间电荷分布情况,在成品电缆上进行全尺寸空间电荷测试。在全尺寸空间电荷的测量过程中,高压电源给电缆试样加上直流高压后,在直流高压的作用下电缆导体与绝缘层之间的接触面、电缆与测量电极之间的接触面和电缆绝缘层内会产生空间电荷。脉冲通过测量电极注入,与空间电荷作用形成声波。声波被紧贴在测量电极下的 PVDF 转换为电信号,经放大器放大之后由示波器进行数据采集。全尺寸空间电荷测量系统设计示意如图4所示。

图4 全尺寸空间电荷测量系统设计示意图

测试过程首先将直流电缆剥切至金属屏蔽,然后在测量点处用酒精擦拭后粘贴铝箔,并在电极上涂敷硅脂,用夹具夹紧。电光转换器通过光纤实现信号的远距离传输,再将光信号转换为电信号由示波器和笔记本电脑采集,如图5所示。

图5 全尺寸空间电荷测试

给定脉冲激励信号,在此条件下开展0 kV,100 kV,200 kV,300 kV,400 kV和500 kV直流高压的空间电荷信号测量。每个电压等级下测试20 min,每隔5 min采集1次信号,可以看出,随着电压的升高,电缆的空间电荷声波信号会显著增大。但依然存在较明显的背景干扰,利用不同电压等级下的空间电荷信号与噪声进行滤波处理,去除试验中存在的高频噪声信号,可以得到去噪之后的信号波形。

利用信号处理软件,将得到的空间电荷声波信号测量波形转化为电荷波形,处理得到的500 kV电压下电缆的空间电荷信号如图6a所示。可以看出,随着施加电压的增大,界面空间电荷的积聚明显。进一步绘制出500 kV等级下的电缆绝缘电场分布,如图6b所示。可以看出,随着施加电压的增加,界面处电场强度相应增大,且通过与理论计算电场对比,未发现电场明显畸变,显示该直流电缆在500 kV电压下绝缘层内部空间电荷注入不明显,电缆绝缘具有较好的抑制空间电荷能力。

图6 全尺寸空间电荷测试校准结果及电场分布情况

3 结语

本文介绍了脱气处理对高压直流电缆绝缘空间电荷的影响情况。

采用空间电荷测试和气相色谱分析对高压直流电缆进行XLPE交联脱气研究,发现随着脱气时间延长,交联副产物甲基苯乙烯含量比较容易脱出,苯乙酮含量没有完全随着脱气时间的延长而单调下降,试样中积累的电荷逐渐以负电荷为主。

针对脱气后高压直流电缆进行全尺寸空间电荷研究,结果显示直流电缆在500 kV电压下绝缘层内部空间电荷注入不明显,电缆绝缘具有较好的抑制空间电荷能力。

脱气处理能够有效改善高压XLPE绝缘直流电缆空间电荷分布,提高电缆使用寿命。