一种直流超高压电缆的空间电荷分布测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种直流超高压电缆的空间电荷分布测量方法，具体是在特高压条件 下对拥有厚介质的直流超高压长电缆进行空间电荷测量，属于高电压绝缘电介质空间电荷 分布测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 为了改善直流电缆的制造工艺，提高其安全性能，长期以来对于聚合物电介质中 的空间电荷分布问题，尤其是对于聚乙烯中的空间电荷分布，无论是测量技术还是空间电 荷的行为机理，在国内外都已经有了相当长远的研宄历史。目前，对于聚乙烯的空间电荷 分布测量，主要有电声脉冲（PEA)与压力波传播法（PWP)。但是，由于测量技术与设备的限 制，关于聚合物电介质中的空间电荷，尤其是对于聚乙烯中的空间电荷问题的研宄，基本上 都是在实验室对于较薄的平板试样进行的，很少有对于实际的真实长度电缆进行空间电荷 问题的研宄。较多是关于模型电缆（mini cable)的研宄，也有在真实超高压电缆上截断短 样品进行研宄。尽管曾经有过用PEA法对于真实超高压长电缆的空间电荷分布测量的研 宄，但所得到的信号质量不好，其中的信噪比只能说是勉强可以接受，因此并没有得到更多 的认可。因此总体上，对于实际的真实超高压长电缆进行空间电荷问题的研宄是相当少的， 测量技术还相当不成熟。原因主要如下：
[0003] 1.目前的真实超高压电缆工作运作电压已经相当高，达到200-500kV，这样高的 电压在电介质研宄实验室中，难以满足测量实验所需要的空间与大型高压设备；
[0004] 2.实际的超高压长电缆的绝缘介质厚度通常在10-25_，这样的介质厚度对于目 前比较常见的PEA法测量技术难度很大；
[0005] 3.对于实际运行的真实超高压长电缆进行空间电荷测量时的信号非常微弱，而大 型高压试验大厅中电磁干扰严重，无法建立相应的空间电荷测量设备（因为还不能掌握理 想完美的屏蔽电磁防干扰的技术）。
[0006] 曾经有报导测量实际的真实超高压长电缆空间电荷是采用PEA法的，虽然该PEA 法在解决电磁干扰与电磁屏蔽问题方面有优势，却不能在厚介质测量方面有突破，原因在 于PEA法需要有纳秒级的高压脉冲产生激励信号，测量介质的厚度越厚，所需有高压脉 冲电压就越高，对于l〇_25mm厚的介质，需要有约50kV的纳秒级脉冲源才能够得到比较理 想的信噪比。2. PEA法对于同轴电缆样品的测量，其中近中心导体附近的信号是严重衰减 的，对于较厚的绝缘介质层，此问题往往比较严重。
[0007] 而对于PWP法测量技术，以往有过对于超高压短电缆样品的测量报导，但还没有 对于实际的真实超高压长电缆的测量试验。主要原因如下：1.现有的PWP法需在外加超高 压回路与测量信号回路之间用一个隔直电容器分开，这在很高的外加高压情况下，无论对 于测量系统还是对于操作人员，都是非常危险的。2.对于常用的经典PWP法，测量信号须经 过电缆中心导体引出，对于真实的超高压长电缆，这种方式会引起强烈的信号畸变，而且难 以克服周围的电磁干扰。3.因为PWP法的测量信号频率在微波频率范围，在测量时需考虑 阻抗匹配问题，对于真实长电缆的测量很难解决信号传输的阻抗匹配。4.对于在类似真实 超高压电缆那样绝缘厚度情况下的测量，须采用大功率脉冲激光器的PWP法，对于在高压 试验大厅这样的工作环境，是有相当难度。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是公开一种测量超高压直流电缆的空间电荷分布方法。具体是采用 改进的压力波法测量真实运行的超高压直流电缆的空间电荷分布。
[0009] 为了达到上述目的，本发明对传统的压力波法（PWP)进行了改进，使其可以用于 测量真实运行的超高压直流电缆中的空间电荷分布。由激光器或者压电驱动器产生的激 励信号作用于电缆的外层，而测量信号也取自于电缆的外层，这与常规PWP法的不同，本发 明克服了以往从电缆两端中心导体取信号所引起的畸变，避免了常规PWP法中仅用一个隔 直电容器隔离高压回路与测量回路所导致的风险，同时也避免了对操作人员潜在的安全威 胁。这种不同于常规PWP法的测量方法，同时利用了高压电缆半导电屏蔽层对于直流电流 是较好的导体，但对于压力脉冲传播所引起的0. 01-100MHZ的高频激发电流具有很好的隔 离性这一特性。由激光器或者压电驱动器激励信号引起的压力脉冲沿电缆截面的径向传播 时，有自动聚焦的特性，压力波的幅值在传播过程中非但不会在径向传播时衰减，而且还 会自动增加。这种特性对于测量很厚的绝缘层中的空间电荷分布是有利的，利用这种特性 测量厚介质的空间电荷，不至于测量信号过于微弱。具体工艺如下：
[0010] 第一步，构建测量装置
[0011] 先在电缆的中部将其铠装层打开一段窗口，大小以方便安装电极为合适，使电缆 曝露出其外屏蔽层，然后在窗口中电缆表面上安装采样电极，在采样电极的两侧的电缆上 安装与地面连接的接地电极，在采样电极和接地电极的外面安装材料为金属的电磁屏蔽 盒，采样电极依次与放大器和示波器连接；用高压线将电缆两高压端连接，高压线与高压直 流源连接，便于回路电流通过电缆；
[0012] 上述采样电极和接地电极均为市售导电铜箔；
[0013] 上述放大器为放大倍数约40dB，带宽0. 01-100MHZ的市售商品放大器；
[0014] 上述示波器采样率lGS/s，为市售示波器；
[0015] 上述高压直流源为市售直流小功率电压源，电压1000kV以内；
[0016] 第二步，测量获取点信号
[0017] 先通过高压直流源给电缆加高压，然后由激光器或者压电驱动器发出激励信号作 用于电缆表面，引起的压力波在电缆介质中以声速传播时，破坏了介质内部原先弹性力和 电荷产生电场力的平衡，引起介质中的电荷发生微小位移，电荷的微小位移又导致介质与 电缆表皮接触面上的感应电荷量产生变化，感应电荷量的变化以电流的形式从采样电极传 到示波器并按照电压信号记录下来；
[0018] 第三步，计算测量直流超高压电缆的厚介质试样空间电荷分布
[0019] 为了计算压力波法激发电流公式，先根据示波器获得的压力波在电缆绝缘层中的 传播变化激发的电流和测量所得到的电流之间的关系制作等效电路，该等效电路中Ci为采 样电极相关的等效电容，Z。为电缆的特征阻抗，r i为外接电路的阻抗，Z g为采样电极和接地 电极之间的等效阻抗；通过分析测量电流和激发电流之间的关系得原始激发电流的大小， 再由此导出空间电荷分布，即空间电荷密度和位置的关系；
[0020] 上述直流超高压电缆的厚介质试样的绝缘层厚度为3-lOcm，但不限制使用其它尺 寸的电缆包括短截样品；
[0021] 上述示波器采集获得的压力波引起的电压数据为Vm(t)，通过比例换算得到 im⑴；
[0022] 上述等效电路得到激发电流为i (t);
[0023] 通过分析等效电路，利用测量电流im(t)与激发原始电流i (t)的关系得到激发电 流i⑴；
[0024] 为了表示激发电流i (t)，引入试样中电场分布E(x)，试样厚度d，试样中的压力 波P (x，t)，材料位移量u，试样在无压力波作用时的电容Q，其中Q取决于试样厚度和压力 波作用面积，e为介电常数，电致伸缩系数a n，G(e) =l-an/e是一个仅仅与绝缘介质 材料自身特性有关的常量，对于非均匀介质材料，G( e )是一个与空间参数相关的函数，因 此不能移出积分；但对于均匀电介质，G( e )不是与空间相关的函数，因此可以放在积分之 前，在此假设前提下，只考虑均匀电介质材料，B取常数；
[0025] 由关于压力波法激发电流公式反卷积得到介质内部的电场分布，然后通过一维形 式的泊松方程P(x) =H(X)]，即可得到电荷密度关于位置的分布。
[0026] 本发明的优点和效果是：
[0027] 1，由于本发明采用压力波法电缆外屏蔽层上提取PWP法测量信号，激光器或者压 电驱动器产生的激励信号作用于电缆外层引起压力脉冲的传播，而PWP信号也取自电缆的 外层，克服了以往从电缆两端取信号所引起的畸变，避免了常规PWP法中仅用一个隔直电 容器隔离高压回路与测量回路所导致的风险，同时也避免了对于操作人员潜在安全威胁。
[0028] 2,本发明利用了高压电缆半导电屏蔽层对于直流电场是较好的导体，但对于在电 缆的外层上提取的由激光器或者压电驱动器作用下产生的〇. 01-100MHZ的高频测量信号 具有很好的隔离性这一特性，且由于诱导产生的压力波沿电缆截面的径向传播时，有自动 聚焦的特性，压力波的幅度在传播过程中非但不衰减，而且还会自动增加，因此对于测量很 厚的绝缘层中的空间电荷分布是有利的，可以利用这种特性测量厚介质的空间电荷，而不 至于测量信号过于微弱。
[0029] 3,本发明根据示波器获得的压力波在电缆绝缘层中的传播变化激发的电流和测 量所得到的电流之间的关系制作等效电路，由此导出空间电荷分布，即空间电荷密度和位 置的关系。
[0030] 4,本发明在厚介质、强电场下的电缆的空间电荷测量，在改善直流电缆的制造工 艺，提高其安全性能以及实际应用运行方面有重要意义。
[0031] 5,本发明对于带铠装的完整真实长电缆的空间电荷测量，将展示对于实际的超高 压直流电缆的运行监控是非常有意义的。
【附图说明】
[0032]
[0033] 图1为本发明的测量装置构建示意图
[0034] 图2为本发明的测量装置中的信号获取示意图
[0035] 图3为本发明的压力波在电缆绝缘层中的传播示意图
[0036] 图4为本发明测量得到的压力波在电缆绝缘层中与电流之间的关系示意图
[0037] 图5为本发明测量得到的压力波在电缆绝缘层中与电流之间的等效电路图
[0038] 图6为本发明的绝缘层厚度为3mm的电缆样品加压40kV时候的测量信号图
[0039] 图中：
[0040] 1 一电磁屏蔽盒，2-米样电极，3-接地电极，4一放大器，5-不波器，6-电缆，7- 电缆导体，8-