[发明专利]全尺寸高压直流电缆控温梯度下PEA空间电荷测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全尺寸高压直流电缆控制温度梯度下PEA(电声脉冲法)空间电荷测量系统，该系统基于PEA测量方法，可用于全尺寸高压直流电缆(工程应用级，如电压等级为160kV或以上，绝缘厚度为10mm至20mm之间)在开发试验、预鉴定试验、负荷循环试验及长期老化试验期间挤出绝缘层(如交联聚乙烯XLPE)在控制温度梯度下的空间电荷测量。本发明还涉及采用上述系统进行全尺寸高压直流电缆控制温度梯度下PEA(电声脉冲法)空间电荷测量的方法。

背景技术

近年来，高压直流输电技术发展迅速，已经在大功率远距离输电和离岸风电场与主网连接等方面有所应用。高压交流输电线路中采用的XLPE绝缘电缆，具有体积小、重量轻、传输容量大、绝缘性能优异、维护成本低、对环境影响小等一系列优点，因此其在高压直流输电系统中的应用也引起了人们广泛的兴趣。但是XLPE要成功应用于高压直流电缆绝缘系统，还有一系列关键技术有待进一步深入研究，例如空间电荷在不同温度梯度场下的聚积与迁移规律，绝缘长期运行可靠性及老化机理等。

XLPE直流电缆的研究核心是空间电荷问题。绝缘层中空间电荷的聚积与迁移将改变电场的分布，进而影响直流电缆的长期运行可靠性和最终寿命。目前国内外广泛采用PEA方法对薄膜材料中的空间电荷进行测量。而对于同轴电缆而言，PEA空间电荷测量技术仅仅局限于小模型电缆且绝缘层具有均匀温度分布的情况。为了准确考核工程应用直流电缆绝缘中空间电荷特性并对绝缘材料中发生的不可逆变化做出科学评价，需要进行全尺寸直流电缆在接近运行工况下的空间电荷测量与试验。但是，直流电缆的预鉴定试验和长期负荷循环试验中的PEA空间电荷测量技术是一项挑战，尤其要在大绝缘厚度(如十几毫米以上)实现高分辨率和高精度的测量，还存在诸多技术难点有待解决。

直流电缆绝缘中的电场分布与材料电导率密切相关，而电导率又是电场强度和温度的函数。为了使不同直流电缆在试验过程中的空间电荷测量具有可比性，在同轴电缆绝缘PEA空间电荷测量时，不仅要对电缆线芯导体温度进行控制，还要对电缆外部温度进行控制，以保证绝缘具有相同的温度梯度分布。

其次，在全尺寸直流电缆的预鉴定试验和负荷循环试验中，对电缆长度还有一定要求(如采用CIGRE TB 219和496的推荐试验方法，试验电缆长度至少约30米，模拟电缆长度约20米)。与以往长度很短的模型电缆相比，这样的长电缆在电声脉冲法的高压脉冲频率范围内必须作为分布电容来考虑。如果采用常规方法由电缆线芯导体端部注入脉冲电压，那么由于反射和衰减，将无法在测量点施加预定波形的高压脉冲，从而也无法实现准确测量的目的。为了解决这一问题，高压脉冲的施加方式(位置)需要改变。现有电缆PEA测量系统的接地方式(外半导电层接地)也因此无法再适用。由于测量设备如示波器处在地电位，则高压脉冲施加点和测量设备之间必须采用某种手段进行隔离。

再次，在负荷循环试验中的高负荷情况下，可能需要直流电缆外部温度高于环境温度，具体可视温度梯度要求而定。现有PEA测量技术中的压电传感器材料多为具有压电特性的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜，其正常最高工作温度为60℃。超过这一温度，PVDF的压电性能将变得不稳定，甚至遭到破坏。这也对选择全尺寸直流电缆PEA测量系统中的压电传感材料提出了更高要求。

最后，现有同轴模型电缆PEA测量系统中的金属电极被加工成扇形以贴合外表面为圆柱形的电缆，这种电极设计只适用于单一尺寸的电缆试样，一旦电缆外径尺寸发生变化，原有电极系统将不再适用，给测量带来极大不便。而另一种平板电极设计，在进行大尺寸电缆测量时，由于试验负荷变化引起温度变化，加之PEA测量装置自重的影响，将难以保证测量在同一固定点上进行。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种全尺寸高压直流电缆控制温度梯度下PEA空间电荷测量系统。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述系统进行全尺寸高压直流电缆控制温度梯度下PEA空间电荷测量的方法。

本发明的系统和方法用于全尺寸高压直流电缆在研发试验、预鉴定试验、负荷循环试验和长期老化试验期间电缆绝缘在控制温度梯度下的空间电荷测量，可以达到较高的分辨率和测量精度。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种全尺寸高压直流电缆控制温度梯度下PEA空间电荷测量系统，包括：

一直流电缆绝缘层温度梯度控制装置2，用于实现直流电缆PEA空间电荷测量时对电缆绝缘层温度梯度的控制；