一种运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布的测量系统

本发明属于电力系统测试领域，具体涉及一种运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布测量系统。

背景技术：

高压直流输电具有传输功率大、距离远、架空走廊窄、造价低、控制性能好等优点，是远距离、跨区域输电的重要手段，在世界范围内得到了广泛应用。预计到2020年，仅我国就将建成高压输电线路9.4万公里，换流容量高达4.6亿千瓦。高压直流干式套管主要包括换流变压器阀侧套管、穿墙套管等设备，承载着系统全电压和全电流的电气连接，是交直流混合电网的“咽喉”。然而，高压直流干式套管缺陷/故障频发，占直流一次设备故障的16.7％，是引起换流阀闭锁频次最高的一次设备。

研究表明，空间电荷是引起聚合物电老化的一个重要因素，能直观反映聚合物电老化程度、结构破坏、陷阱密度及其分布。因此通过空间电荷的测量，可以从微观角度来分析绝缘材料的老化和击穿机理，并对绝缘状态进行评估。

目前最常用的方法是电声脉冲法，电声脉冲法pea已经用于实验室中实际套管试样的空间分布测试。但是，现有的空间电荷测试装置只能测量某一固定位置空间电荷密度分布，不能测量套管内部多区域空间电荷密度分布，因此无法确定套管内部空间电荷的分布规律，从而确定内部电荷积聚点。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种设计合理、结构紧凑且便于携带与安装的运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布的测量系统。

本发明采用如下的技术方案：

一种运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布测量系统，包括空间电荷测量装置1和计算机数据处理系统9，

所述空间电荷测量装置1固定在高压直流干式套管内部sf6与环氧浸渍纸交界面上；

所述计算机数据处理系统9通过蓝牙模块连接空间电荷测量装置1来获取空间电荷信号。

所述空间电荷测量装置1包括高压脉冲电源、机械导轨控制器、信号接收器、信号放大器以及蓝牙模块；

所述空间电荷测量装置1通过信号接收器、信号放大器以及蓝牙模块，将空间电荷传感器4传递的空间电荷信号接受并且放大，然后通过无线电方式传输至计算机数据处理系统9。

所述空间电荷测量装置1下部与环氧浸渍纸交界面外侧装有一条滑轨7，滑轨7上装备可伸缩机械臂2，机械臂2连接环形电极上部中心位置。

所述机械臂2与环形电极5通过非导电材料连接。

所述机械臂2上加装导线与环形电极5连接，用于通入脉冲，形成回路。

所述机械臂2上加装数据线，数据线连接空间电荷测量装置1和空间电荷传感器4。

所述环形电极5外侧加装空间电荷传感器4和吸收层3，吸收层3紧贴空间电荷传感器4外侧，

所述吸收层3为有机玻璃材质。

所述计算机数据处理系统9具有蓝牙通信功能的pea空间电荷接收装置，

其中，pea为电声脉冲法。

所述空间电荷测量装置1集成的高压脉冲电源通过导电杆8发射高压脉冲，高压脉冲通过环氧浸渍纸流入到环形电极5中，环氧浸渍纸中各处电阻率相同，高压脉冲沿最短路径形成通路；

当环氧浸渍纸中第一区域出现空间电荷积聚，环形电极(5)表面第二区域将受到脉冲作用力和空间电荷作用力的合力f1：

其中：σ1为环形电极表面电荷密度；ep(t)为t时刻脉冲幅值；εr为环氧浸渍纸的相对介电常数；ε0为真空介电常数；ρ(x)为第一区域x位置空间电荷密度；va为空间电荷积聚体积；

当第二区域受到空间电荷作用力时，环形电极5外侧加装的空间电荷传感器4将感应到受力位置，以坐标形式表示受力位置，确定空间电荷处于脉冲路径上，同时获取空间电荷传感器4所能感受到的所有受力区域，受力区域以坐标点阵表示，并得到空间电荷积聚区域截面积。

对于脉冲在环氧浸渍纸中传播，其速度为ν，则脉冲经过空间电荷区域并入射到空间电荷传感器4部分的声波声压为：

x＝vτ

其中：k为声波传播系数；s为空间电荷积聚区域截面积；σ2为导电杆表面电荷密度；τa为声波通过环氧浸渍纸的传播时间；τb为声波通过环形电极时间；τ为窄脉冲在环氧浸渍纸中传播的时间；t为脉冲时刻；p(x)为第一区域x位置空间电荷密度；r为环氧浸渍纸截面半径；

由压电效应在空间电荷传感器4两面产生的电势差为：

vp＝gaδp(t)

其中：g为压电应力常数；a为空间电荷传感器的厚度；

vp信号通过空间电荷测量装置1集成的信号放大器放大，并通过蓝牙将放大后的信号传输至计算机数据处理系统9获得空间电荷测量输出信号vx：

其中：δt为脉冲半峰值宽，ρ(t-τb)为在时刻t-τb所有区域空间电荷密度，

输出信号vo与空间电荷的分布、电极的表面电荷密度分布成正比关系，通过计算机数据处理系统9获得的输出信号测量环氧浸渍纸中空间电荷的分布位置及密度。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

本发明的运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布的测量系统，在高压直流干式套管内部加装空间电荷测量装置，通过滑轨调节机械臂位置，实现了在运行状态下测量套管内部不同位置处空间电荷的密度分布。同时采用蓝牙传输方式，将测量装置采集到的信号传输至外部计算机数据处理系统，在保证空间电荷信号测试的灵敏度的同时，也兼顾携带和安装的简便性，可以有效地对套管内部进行空间电荷测试，解决了传统空间电荷测量装置无法测量套管内部多区域空间电荷密度分布的缺陷。

附图说明

图1为本发明的运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布测量系统模型正视图；

图2为本发明的运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布测量系统模型仰视图；

图3为空点电荷测量原理模型图；

其中：空间电荷测量装置1、机械臂2、吸收层3、空间电荷传感器4、环形电极5、空间电荷测量区域6、滑轨7、导电杆8、计算机数据处理系统9。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布的测量系统，包括空间电荷测量装置1和计算机数据处理系统9；

空间电荷测量装置1固定在高压直流干式套管内部sf6与环氧浸渍纸交界面上；

空间电荷测量装置1集成了高压脉冲电源、机械导轨控制器、信号接收器、信号放大器以及蓝牙模块。

计算机数据处理系统9通过蓝牙连接空间电荷测量装置1来获取空间电荷信号。

空间电荷测量装置1通过信号接收器、信号放大器以及蓝牙模块，将空间电荷传感器4传递的空间电荷信号接受并且放大，然后通过无线电方式传输至计算机数据处理系统9。

计算机数据处理系统9具有蓝牙通信功能的pea空间电荷接收装置，

其中，pea为电声脉冲法。

空间电荷测量装置1下部与环氧浸渍纸交界面外侧装有一条滑轨7，滑轨7上装备可伸缩机械臂2，机械臂2连接环形电极上部中心位置。

机械臂2与环形电极5通过非导电材料连接。

机械臂2上加装导线与环形电极5连接，用于通入脉冲，形成回路。

环形电极5外侧加装空间电荷传感器4和吸收层3，吸收层3紧贴空间电荷传感器4外侧。

吸收层3为有机玻璃材质。

机械臂2上加装数据线，数据线连接空间电荷测量装置1和空间电荷传感器4。

空间电荷测量装置1集成的高压脉冲电源将通过导电杆8发射高压脉冲，通过环氧浸渍纸流入到环形电极5中。由于环氧浸渍纸中各处电阻率相同，高压脉冲将沿最短路径形成通路。

如图2和图3所示，当环氧浸渍纸中第一区域出现空间电荷积聚，环形电极5表面第二区域将受到脉冲作用力和空间电荷作用力的合力f1：

其中：σ1为环形电极表面电荷密度；ep(t)为t时刻脉冲幅值；εr为环氧浸渍纸的相对介电常数；ε0为真空介电常数；ρ(x)为第一区域x位置空间电荷密度；va为空间电荷积聚体积；

当第二区域受到空间电荷作用力时，环形电极5外侧加装的空间电荷传感器4将感应到受力位置，确定空间电荷处于脉冲路径l上。同时获取空间电荷传感器4所能感受到的所有受力区域，即可得到空间电荷积聚区域截面积s。

对于脉冲在环氧浸渍纸中传播，其速度为ν，则脉冲经过空间电荷区域并入射到空间电荷传感器4部分的声波声压为：

x＝vτ

其中：k为声波传播系数；s为空间电荷积聚区域截面积；σ2为导电杆表面电荷密度；τa为声波通过环氧浸渍纸的传播时间；τb为声波通过环形电极时间；τ为窄脉冲在环氧浸渍纸中传播的时间；t为脉冲时刻；ρ(x)为第一区域x位置空间电荷密度；r为环氧浸渍纸截面半径；

由压电效应在空间电荷传感器4两面产生的电势差为：

vp＝gaδp(t)

其中：g为压电应力常数；a为空间电荷传感器的厚度；

vp信号通过空间电荷测量装置1集成的信号放大器放大，并通过蓝牙将放大后的信号传输至计算机数据处理系统9获得空间电荷测量输出信号vo：

其中：δt为脉冲半峰值宽，ρ(t-τb)为在时刻t-τb所有区域空间电荷密度，

可以看出输出信号vo与空间电荷的分布、电极的表面电荷密度分布成正比关系，因此可以通过计算机数据处理系统获得的输出信号测量环氧浸渍纸中空间电荷的分布位置及密度。

综上，本发明的一种运行状态下高压直流套管内部空间电荷分布的测量系统能够对高压直流干式套管内部不同位置空间电荷密度分布情况进行安全、准确、便捷、系统的测量，为电力系统绝缘安全提供有效的数据支持。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。