一种模拟海洋动态下电缆空间电荷的实验方法

1.本发明涉及实验方法领域，特别涉及一种模拟海洋动态下电缆空间电荷的实验方法。


背景技术：

2.煤、天然气、石油及核能等非可再生能源是目前世界能源供应的主要形式，但所带来的环境污染(大气污染、核残料辐射污染等)不容乐观。而风能作为一种清洁的可再生绿色能源，开发效率高，经济性好，具有大规模开发条件和商业化前景，越来越受到世界各国的重视。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。近几年来，世界风能市场每年都以40％的速度增长。预计未来20～25年内，世界风能市场每年将递增25％。
3.如今，风电场主要分布在陆地和近海区域。陆上风电场起步较早，发展比较成熟，但存在严重的用地矛盾、噪声污染、优良场址已逐渐开发完毕等问题，风电的开发逐渐向海上转移。海上风力资源丰富，比陆地风力发电量大。通常，离岸10km的海上风速要比沿岸陆上高出25％。深海区域的风力资源比近海区域更为丰富，这意味着海上风力发电发展前景广阔。
4.随着海上风力发电的发展，浮式风机的高压直流长距离输电越来越成为一种趋势。但由于海洋环境复杂，在洋流、季风以及潮汐等作用下海水不断波动，电缆在海洋环境中受到海水的持续动态载荷，电缆的机械
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电器耦合强度安全和高压直流长距离输电安全面临极大挑战。而目前，通常对电缆的检测均未考虑海洋环境的动态作用，这种电缆应用在海上风力发电的高压直流长距离输电上存在极大风险。


技术实现要素：

5.为了对电缆进行模拟海洋环境动态载荷实验以观察在动态载荷下海缆的空间电荷积累行为，本发明实施例提供了一种模拟海洋动态下电缆空间电荷的实验方法。所述技术方案如下：一种模拟海洋动态下电缆空间电荷的实验方法，包括：
6.准备m组电缆，每组所述电缆均为长度相同、均质的高压绝缘电缆；
7.对m组所述电缆进行不同曲挠次数的曲挠试验，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第m组所述电缆曲挠次数n达到疲劳破坏曲挠次数n0；
8.对经过曲挠的m组所述电缆进行电缆空间电荷测试，测量不同曲挠次数的所述电缆的空间电荷积累量及积累速度。
9.进一步地，所述高压绝缘电缆为天然橡胶电缆、聚氯乙烯电缆、合成橡胶电缆、聚乙烯电缆或交联聚乙烯电缆。
10.进一步地，所述电缆的取样长度l≥5000mm。
11.进一步地，相邻组所述电缆曲挠次数依次等差递增，每次递增量为n，n≤5000次。
12.进一步地，当所述电缆的曲挠次数n0/4＜n≤n0/2时，相邻组所述电缆曲挠次数n的等差递增量n满足3000≤n≤5000；当所述电缆的曲挠次数n0/2＜n≤3n0/4时，相邻组所述电
缆曲挠次数的等差递增量n满足2000≤n≤3000；当所述电缆的曲挠次数3n0/4＜n≤n0时，相邻组所述电缆曲挠次数的等差递增量n满足1000≤n≤2000。
13.进一步地，所述曲挠试验采用电缆曲挠试验仪进行。
14.进一步地，将所述电缆中段挂放于两个滑轮上，用线夹将所述电缆两端夹紧，并挂上砝码，所述曲挠试验仪在加载电源电压后，电机带动所述滑轮来回运动，两个所述滑轮的曲挠速度不同，从而给所述电缆一个曲挠行程。
15.进一步地，测试电缆空间电荷采用空间电荷电声脉冲测量装置进行。
16.进一步地，所述电声脉冲测量装置包括高压电路和测试回路，其中高压电路包括脉冲电源，测试回路包括上电极、下电极、压电传感器、声波吸收器以及示波器，脉冲电源通过所述上电极和所述下电极施加高压电脉冲，对所述电缆中的空间电荷产生扰动，激发声波脉冲信号，所述声波脉冲信号在所述电缆的介质内传播，所述压电传感器和所述声波吸收器用于收集所述声波脉冲信号，所述示波器将所述声波脉冲信号转化为数字信号。
17.通过本发明所构思的以上实验方法与技术方案，本发明具有以下有益效果：
18.1.本发明通过对电缆进行模拟不同次数的海洋环境载荷，对曲挠试验后的电缆进行电声脉冲法测量其空间电荷的变化，为研究浮式风场中的高压输电电缆绝缘击穿问题提供了一种新的实验方法。
19.2.本发明所采用的电声脉冲测量方法的高压电路和测试回路是独立的，即使电缆被绝缘击穿，实验的仪器设备也不会因此而损伤，该方法降低了实验中的危险性，是研究高压下空间电荷的最安全的方法。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明实施例提供的一种模拟海洋动态下电缆空间电荷的实验方法流程图；
22.图2是本发明实施例提供的电缆曲挠试验仪的结构示意图；
23.图3是本发明实施例提供的电声脉冲测量装置的结构示意图；
24.图4是本发明实施例提供的电缆剖面结构图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
26.图1是本发明实施例提供的一种模拟海洋动态电缆空间电荷的实验方法流程图。如图1所示，一种模拟海洋动态下电缆空间电荷的实验方法，包括：
27.s1：准备m组电缆，每组所述电缆均为长度相同、均质的高压绝缘电缆；
28.s2：对m组所述电缆进行不同曲挠次数的曲挠试验，相邻组所述电缆曲挠次数依次递增，直到第m组所述电缆曲挠次数n达到疲劳破坏曲挠次数n0，n0≥20万次；
29.s3：对经过曲挠的m组所述电缆进行电缆空间电荷测试，测量不同曲挠次数的所述电缆的空间电荷积累量及积累速度。
30.通过本发明通过对电缆进行不同曲挠次数的曲挠实验，模拟不同次数的海洋环境载荷，对曲挠试验后的电缆进行电声脉冲法测试，测量不同曲挠次数的所述电缆的空间电荷积累量及积累速度其空间电荷的变化，为研究浮式风场中的高压输电电缆绝缘击穿问题提供了一种新的实验方法。
31.进一步地，所述高压绝缘电缆为天然橡胶电缆、聚氯乙烯电缆、合成橡胶电缆、聚乙烯电缆或交联聚乙烯电缆。本技术交联聚乙烯电缆为例介绍，交联聚乙烯电缆分为单芯电缆和多芯电缆多种规格，结构分别如图2(a)和(b)所示，交联聚乙烯电缆由导体10、导体屏蔽层20、绝缘层30、绝缘屏蔽层40、金属屏蔽层50、护套60、填充物70、包带层80以及铠装层90构成，其绝缘层30由聚乙烯交联而成。
32.xlpe交联聚乙烯电缆为网状立体结构，具有十分优异的耐热性能，在300℃以下不会分解及碳化，长期工作温度可达90℃，热寿命可达40年，xlpe电缆保持了pe原有的良好绝缘特性，且绝缘电阻进一步增大，介质损耗角正切值很小，且受温度影响不大，由于在大分子间建立了新的化学键，xlpe电缆的硬度、刚度、耐磨性和抗冲击性均有提高。
33.一般的，针对电缆的老化实验只是对电缆进行高温高压以及通风等进行老化实验，而为了保证浮式风机的运输电安全与电缆的机械
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电器耦合强度安全，本实验对电缆进行模拟海洋环境动态载荷实验，以观察在动态载荷下海缆的空间电荷积累行为，为改善电缆的结构性能提供实验依据。
34.进一步地，m组电缆，每组可以包含一根或多根电缆。本技术实施例以一根电缆为例进行说明。可以理解的，每组包含多根电缆也是每次测试一根电缆。同组的多根电缆曲绕次数一致，测试数据进行平均，以便更好的消除电缆本身差异带来的影响。
35.在一些实施例中，相邻组电缆曲挠次数依次等差递增，每次递增量为n，n≤5000次。示例性地，实验用电缆设计疲劳曲挠次数为20万次，进行m＝200组不同曲挠次数的曲挠试验，相邻组电缆曲挠实验次数以1000次等差递增，每一组电缆曲挠实验次数分别为1000
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a次，a从1递增至200，整体曲挠实验次数从1000次到20万次均匀分布，共获得200组不同曲绕次数的电缆。
36.实验方法在不变的情况下，电缆曲挠试验次数可根据实验条件在一定的范围内变化。进一步地，在保证每次曲挠弯曲次数增量不高于5000次的前提下，总体实验次数可以减少以适应实验条件的变化。例如，将本次的电缆曲挠试验组数设为50组，每增加4000次为一组实验，每一组的试验次数分别为4000a次，a从1递增至50，共获得50组不同曲挠次数的电缆。
37.在一些实施例中，当电缆的曲挠次数n0/4＜n≤n0/2时，相邻组电缆曲挠次数n的等差递增量n满足3000≤n≤5000；当电缆的曲挠次数n0/2＜n≤3n0/4时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足2000≤n≤3000；当电缆的曲挠次数3n0/4＜n≤n0时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足1000≤n≤2000。
38.例如，实验用电缆设计疲劳曲挠次数为20万次，则当电缆的曲挠次数0＜n≤5万次时，相邻组电缆曲挠次数n的等差递增量n满足5000≤n≤10000；当电缆的曲挠次数5万次＜n≤10万次时，相邻组电缆曲挠次数n的等差递增量n满足3000≤n≤5000；当所述电缆的曲
挠次数10万次＜n≤15万次时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足2000≤n≤3000；当电缆的曲挠次数15万次＜n≤20万次时，相邻组电缆曲挠次数的等差递增量n满足1000≤n≤2000。由于当电缆曲挠次数较少时，疲劳对空间电荷的影响不明显，而越接近电缆设计疲劳曲挠次数则疲劳对空间电荷的影响越明显，对曲挠次数进行分段设计，集中数据采集，既可以节约实验资源，也可以保证实验效果。
39.进一步地，本发明实施例的实验分为两个部分，曲挠试验采用电缆曲挠试验仪进行；测试电缆空间电荷采用空间电荷电声脉冲测量装置进行。
40.具体地，图2为本发明实施例提供的电缆曲挠试验仪的结构示意图。如图2所示，电缆中段挂放于规定直径的两个滑轮上，调整滑轮在相应位置，固定好螺丝，调整两立柱上滑轮支架部件，使通过滑轮后，电缆呈水平状态，并选择合适的砝码，用线夹将电缆两端夹紧，并挂上砝码，将电缆电缆正确安装至曲挠实验仪。
41.电缆曲挠试验仪在加载电源电压后，曲挠试验仪电机带动滑轮来回运动，两个滑轮曲挠速度不同，从而给电缆一个曲挠行程。将电缆的每根线芯一一对应联接在两边的接线柱上。接好电缆后，先将电流旋钮调节到0处，合上电源开关，按动通电按钮，通电灯亮。调节电流调节旋钮，施加负载电流，当需要对电缆线间施加电压时，应合上线间电压开关，最后设置试验次数。
42.优选地，电缆曲挠实验仪可曲挠电缆长度200
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1500mm，实验中优选电缆电缆5000mm长。
43.具体地，图3是本发明实施例提供的电声脉冲测量装置的结构示意图。如图3所示，所述电声脉冲测量装置包括高压电路200和测试回路300，其中高压电路200包括脉冲电源，测试回路300包括上电极、下电极、压电传感器、声波吸收器以及双通道示波器。当电缆经过曲挠试验后，电缆内部会产生不同量级的空间电荷。所述脉冲电源通过所述上电极和所述下压电极施加高压电脉冲，对所述电缆中的空间电荷产生扰动，激发声波脉冲信号，所述声波脉冲信号在所述电缆的介质内传播，所述压电传感器和所述声波吸收器用于收集所述声波脉冲信号，所述示波器将所述声波脉冲信号转化为数字信号，便可观察预测空间电荷的积累数量变化趋势以及空间电荷积累的速率变化趋势。
44.电缆经过曲挠试验后，电缆绝缘层气隙缺陷、尖端缺陷以及爬电缺陷等发生变化对电缆空间电荷的陷阱能级产生影响，若缺陷变化方向对电缆产生负影响，则加深电荷陷阱能级，电荷脱陷更为困难，空间电荷积累；反之，若缺陷变化对电缆产生积极影响，则电荷陷阱能级减小，电荷脱陷更容易，电缆空间电荷减少。
45.同时，电缆经过曲挠试验后，电缆绝缘层晶格产生物理化学变化，物理阶段交联聚乙烯电缆产生重结晶使得电缆结晶度更完善，化学阶段电缆绝缘层晶体产生热老化破坏，使得电缆绝缘层晶体结晶度变差，随着热老化时间延长，热老化造成的热裂解逐渐占据主导地位，导致电缆内部的深陷阱逐渐增多，陷阱密度也逐渐增大，表现为电缆内部积聚更多的空间电荷，入陷电荷的脱陷过程更为困难。
46.在实验中可观察到，随着电缆曲挠次数的增多，电缆内部绝缘层热老化明显，由电声脉冲检测法可以判断，空间电荷的积累数量呈逐渐增加的趋势；空间电荷积累的速率呈非线性增长的趋势。
47.本发明所采用的电声脉冲测量方法的高压电路200和测试回路300是独立的，即使
电缆被绝缘击穿，接地电极也可以保护放大器和与电压转换器连接的示波器不受损伤，其它实验仪器设备也不会因此而损伤，该方法降低了实验中的危险性，是研究高压下空间电荷的最安全的方法。
48.以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。