专利名称：不同激励场下高压电缆绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法
技术领域：
本发明属于高电压试验与绝缘测试技术领域，涉及一种不同激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，适用于IlOkV (AC)或±100kV (DC)以上电压等级挤出绝缘电力电缆。
背景技术：
随着我国城市电网的快速发展与升级改造，交联聚乙烯(XLPE，以下简称交联)电缆作为电力电缆工程主流产品已经广泛应用于交流输配电线路中。近十年来，交联电缆敷设回路长度以超过15%的年平均增长率稳步增长。高压、超高压交联电缆线路已成为我国交流电网的重要组成部分。相比于高压交流输电形式，高压直流输电具有许多优点:造价成本低、线路损耗小、基本没有无功功率、电力连接方便、容易控制和调节，尤其是在长距离输电中直流电力系统已经广泛采用。与交流电力电缆相比，直流电力电缆具有下列优点:绝缘的工作电场强度高，绝缘厚度薄，电缆外径小、重量轻、制造安装容易；介质损耗和导体损耗低，载流量大；没有交流磁场，有环保方面的优势。直流电缆产品中，与绝缘浸溃直流电缆相比，挤出型高压直流电缆对环境污染小、耐热性好、易维护、重量轻、长距离传输无需接头。目前，国际知名试验鉴定机构如荷兰的KEMA、意大利的CESI都拥有500kV及以下交流电力电缆的各项试验能力。目前随着世界上直流电缆的发展，世界上知名的电力电缆试验室都在发展500kV及以下直流电缆的试验能力，但目前由于没有直流电缆的IEC标准而仅有CIGRE的推荐试验规范，因此国际上的直流电缆的试验考核技术和能力也不并成熟。CIGRE 在 2003 年 2 月由第 21.01 小组提出了一个《Recommendations for testing DCextruded cable systems for power transmission at a rated voltage up 1 250 kV》推荐试验方法，但其推荐方法也只在工厂开发试验中提出了可进行的试验条款，主要包括:负荷循环、重循环、极性反转、零负荷、脉冲叠加试验，并无详细的方法要求或规定。相关研究表明，局部放电(Partial Discharge,以下简称PD)作为电缆线路早期绝缘故障的主要表现形式，既是引起绝缘老化的主要原因，又是表征绝缘状况的主要特征参量。从挤出绝缘电缆的介电特性而言，无论是交流高压电缆还是直流高压电缆，其内部如绝缘气隙、导体毛刺、半导电尖端、微孔杂质等多尺度绝缘缺陷在不同形态的激励电场(如工频交流、直流、振荡衰减波施加在电缆导体线芯与金属套之间)作用下，只要缺陷部位由于空间电荷积聚，局部电场强度畸变至一定数值，必然激发局部放电，可作为高压电缆的微观绝缘缺陷宏观特征参量。然而国内外对于不同形态激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量如何用通用统一的技术方法提取，尚未见有关报道，制约了高压挤出绝缘电缆绝缘品质评价的有效性，不利于空间电荷机理研究、绝缘材料基础研究、电缆质量检验测试、电缆线路状态评价等工作开展。有鉴于此，本发明提出一种不同激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，以填补当前国内外高压挤出绝缘电缆在不同激励电场下宏观特征参量——局部放电信号拾取方法缺失的现实问题，可指导电力设备质量检验测试机构如何为电力系统用户在不同激励场下统一测评高压挤出绝缘电缆绝缘品质，同时促进电缆制造商优化提升产品质量与性能。
发明内容
本发明的目的是填补当前国内外高压挤出绝缘电缆在不同激励电场下宏观特征量的电磁特征参量拾取方法缺失的现实问题，提出一种不同激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，适用于IlOkV (AC)或±100kV (DC)以上电压等级挤出绝缘电力电缆。本发明的技术方案是:不同激励场下高压电缆绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，其特征在于，包括如下步骤:
第一步骤，在电磁屏蔽实验室内，将高压挤出绝缘电缆两端安装充气式试验套筒后，通过高压屏蔽引线与复合激励电压源相连；
第二步骤，在靠近电压源的近端将电缆金属套引出直接接地，在远离电压源的远端将电缆外护套作环切处理，露出宽度L=IOcm的金属套圆柱面；
第三步骤，在金属套圆柱面上绕包一层厚度d=0.5mm,宽度为7=10cm的金属铜箔，铜箔接缝用氩弧焊接；
第四步骤，将射频信号同轴缆的芯线焊接至铜箔上，同轴缆屏蔽层直接接地；射频信号同轴缆与高速宽带示波器输入通道相连；
第五步骤，启动复合激励电压源，首先向高压挤出绝缘电缆施加工频交流激励电压，设置电压源线性升压；
第六步骤，观察示波器采集的信号，若出现脉冲电磁波信号，则稳定电压时长T=60S，采集并分析信号频域特征；
第七步骤，若无脉冲电磁波信号，则持续升压至上限值，然后停止加压；
第八步骤，向高压挤出绝缘电缆施加直流激励电压，设置电压源线性升压；
第九步骤，观察示波器采集的信号，若出现脉冲电磁波信号，则采集并分析信号的频域特征；
第十步骤，若无脉冲电磁波信号，则持续升压至上限值，然后停止加压，在停止加压后仍然要采集并记录时长t=60S的输入信号，以便观察电缆内电场是否激发出反极性放电；第十一步骤，向高压挤出绝缘电缆施加阻尼振荡波激励电压，设置电压源阶梯式升压，IOkV/ 级；
第十二步骤，在观察示波器采集的信号；若出现脉冲电磁波信号，则在当前电压值下重复加压N次，20 < NS 50，采集并分析信号的频域特征；
第十三步骤，若无脉冲电磁波信号，则阶梯升压至上限值，然后停止加压。如上所述的不同激励场下高压电缆绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，其特征在于:同轴结构的高压挤出绝缘电缆近似等效为电容器，电缆导体为电容器的高压电极，电缆金属套为电容器的非高压电极，无论在哪种激励场作用下，固态绝缘材料内部局部放电实质上是由两个互异又相互关联的信号变化组成，即大量电荷的积累、交换与因电荷快速迁移引起的电磁场扰动，电荷快速迁移形成的瞬态脉冲电流激励出在同轴电容器腔体内传播的电磁波，而在金属套上绕包金属铜箔，就是形成圆柱单极子天线传感器，将其作为电磁波探测天线，用来拾取局部放电在电缆内传播的电磁波信号。本发明的有益效果是:本发明提出一种不同激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，以填补当前国内外高压挤出绝缘电缆在不同激励电场下宏观特征量的电磁特征参量拾取方法缺失的现实问题，适用于IlOkV (AC)或±100kV (DC)以上电压等级挤出绝缘电力电缆。同时可指导电力设备质量检验测试机构如何为电力系统用户在不同激励场下统一测评高压挤出绝缘电缆绝缘品质，同时促进电缆制造商优化提升产品质量与性能。
图1为本发明的不同激励场下高压电缆绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法示意图。图2为本发明的电磁特征参量拾取传感器结构示意图。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。图1中标记说明，11-复合激励电压源，12-高压屏蔽引线，13-充气式试验套筒，14-金属套接地线，15-高压挤出绝缘电缆，16-金属铜箔，17-射频信号同轴缆，18-高速宽带示波器。图2中标记说明，21-外护套，22-金属护套，23-外半导电屏蔽层，24-主绝缘，25-金属铜箔,26-导体线芯,27-内半导电层,28-信号输出端。本发明实施例提供的不同激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，其具体实施方法是:
第一步骤，在电磁屏蔽实验室内，将高压挤出绝缘电缆两端安装充气式试验套筒后，通过高压屏蔽引线与复合激励电压源相连；
第二步骤，在靠近电压源的近端将电缆金属套引出直接接地，在远离电压源的远端将电缆外护套作环切处理，露出宽度L=IOcm的金属套圆柱面；
第三步骤，在金属套圆柱面上绕包一层厚度d=0.5mm，宽度为I=IOcm的金属铜箔，铜箔接缝用氩弧焊接；
第四步骤，将射频信号同轴缆的芯线焊接至铜箔上，同轴缆屏蔽层直接接地；射频信号同轴缆与高速宽带示波器输入通道相连；
第五步骤，启动复合激励电压源，首先向高压挤出绝缘电缆施加工频交流激励电压，设置电压源线性升压；
第六步骤，观察示波器采集的信号，若出现脉冲电磁波信号，则稳定电压时长T=60S，采集并分析信号频域特征；
第七步骤，若无脉冲电磁波信号，则持续升压至上限值，然后停止加压；
第八步骤，向高压挤出绝缘电缆施加直流激励电压，设置电压源线性升压；第九步骤，观察示波器采集的信号，若出现脉冲电磁波信号，则采集并分析信号的频域特征；
第十步骤，若无脉冲电磁波信号，则持续升压至上限值，然后停止加压，在停止加压后仍然要采集并记录时长t=60S的输入信号，以便观察电缆内电场是否激发出反极性放电；第十一步骤，向高压挤出绝缘电缆施加阻尼振荡波激励电压，设置电压源阶梯式升压，IOkV/ 级；
第十二步骤，在观察示波器采集的信号；若出现脉冲电磁波信号，则在当前电压值下重复加压N次(20 < N < 50)，采集并分析信号的频域特征；
第十三步骤，若无脉冲电磁波信号，则阶梯升压至上限值，然后停止加压。本实施例第六步骤稳定电压时间长度T=60S,第^--步骤采集并记录时长t=60S。
在实际操作中，T与t可根据信号分析需要灵活设置，一般应该取T或t值60或60S以上为佳。电磁特征参量提取的核心原理是:同轴结构的高压挤出绝缘电缆可近似等效为电容器，电缆导体为电容器的高压电极，电缆金属套为电容器的非高压电极。无论在哪种激励场作用下，固态绝缘材料内部局部放电实质上是由两个互异又相互关联的信号变化组成——大量电荷的积累、交换与因电荷快速迁移引起的电磁场扰动。IEC60270标准中脉冲电流法就是通过耦合电容器与检测阻抗测量局部放电完成时空间电荷重新分配引起电缆导体与金属套两端产生的电压变化。电荷快速迁移形成的瞬态脉冲电流可激励出在同轴电容器腔体内传播的电磁波，而在金属套上绕包金 属铜箔，就是形成圆柱单极子天线传感器，将其作为电磁波探测天线，用来拾取局部放电在电缆内传播的电磁波信号。本发明提供的不同激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，与现有技术的主要区别在于:国内外现有的电缆绝缘缺陷的局部放电检测一般采用IEC60270所推荐的脉冲电流法，非标准方法中UHF耦合法提取局部放电信号的电磁特征参量也仅基于工频交流电压下，并没有延伸拓展至不同形态的激励电场下，而且只针对电缆GIS (组合封闭电器)终端的局部放电检测才比较有效。如何提取不同激励场下高压电缆多尺度绝缘缺陷的电磁特征参量，除了本发明提出的方法外，目前还没有相应的方法与技术手段可实现。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.同激励场下高压电缆绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步骤，在电磁屏蔽实验室内，将高压挤出绝缘电缆两端安装充气式试验套筒后，通过高压屏蔽引线与复合激励电压源相连； 第二步骤，在靠近电压源的近端将电缆金属套引出直接接地，在远离电压源的远端将电缆外护套作环切处理，露出宽度L=IOcm的金属套圆柱面； 第三步骤，在金属套圆柱面上绕包一层厚度d=0.5mm,宽度为7=10cm的金属铜箔，铜箔接缝用氩弧焊接； 第四步骤，将射频信号同轴缆的芯线焊接至铜箔上，同轴缆屏蔽层直接接地；射频信号同轴缆与高速宽带示波器输入通道相连； 第五步骤，启动复合激励电压源，首先向高压挤出绝缘电缆施加工频交流激励电压，设置电压源线性升压； 第六步骤，观察示波器采集的信号，若出现脉冲电磁波信号，则稳定电压时长T > 60S,采集并分析信号频域特征； 第七步骤，若无脉冲电磁波信号，则持续升压至上限值，然后停止加压； 第八步骤，向高压挤出绝缘电缆施加直流激励电压，设置电压源线性升压； 第九步骤，观察示波器采集的信号，若出现脉冲电磁波信号，则采集并分析信号的频域特征； 第十步骤，若无脉冲电磁波信号，则持续升压至上限值，然后停止加压，在停止加压后仍然要采集并记录时长t > 60S的输入信号，以便观察电缆内电场是否激发出反极性放电； 第十一步骤，向高压挤出绝缘电缆施加阻尼振荡波激励电压，设置电压源阶梯式升压，IOkV/ 级； 第十二步骤，在观察示波器采集的信号；若出现脉冲电磁波信号，则在当前电压值下重复加压N次，2050，采集并分析信号的频域特征； 第十三步骤，若无脉冲电磁波信号，则阶梯升压至上限值，然后停止加压。
2.根据权利要求1所述的不同激励场下高压电缆绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，其特征在于:同轴结构的高压挤出绝缘电缆近似等效为电容器，电缆导体为电容器的高压电极，电缆金属套为电容器的非高压电极，无论在哪种激励场作用下，固态绝缘材料内部局部放电实质上是由两个互异又相互关联的信号变化组成，即大量电荷的积累、交换与因电荷快速迁移引起的电磁场扰动，电荷快速迁移形成的瞬态脉冲电流激励出在同轴电容器腔体内传播的电磁波，而在金属套上绕包金属铜箔，就是形成圆柱单极子天线传感器，将其作为电磁波探测天线，用来拾取局部放电在电缆内传播的电磁波信号。
全文摘要
本发明提供一种不同激励场下高压电缆绝缘缺陷的电磁特征参量提取方法，其原理是同轴结构的高压挤出绝缘电缆可近似等效为电容器；利用电荷快速迁移形成的瞬态脉冲电流可激励出在同轴电容器腔体内传播的电磁波这一特性，通过在金属套上绕包金属铜箔，形成圆柱单极子天线传感器，将其作为电磁波探测天线，用来拾取局部放电在电缆内传播的电磁波信号。本发明所提出的方法可填补当前国内外高压挤出绝缘电缆在不同激励电场下宏观特征量的电磁特征参量拾取方法缺失的现实问题，同时可指导电力设备质量检验测试机构如何为电力系统用户在不同激励场下统一测评高压挤出绝缘电缆绝缘品质，同时促进电缆制造商优化提升产品质量与性能。
文档编号G01R31/12GK103091607SQ201210559639
公开日2013年5月8日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者夏荣, 赵健康, 蒙绍新 申请人:中国电力科学研究院