温度梯度场下同轴电缆中空间电荷测量波形的算法矫正

直流电场下电缆绝缘中的空间电荷积聚效应导致绝缘内电场严重畸变,直接影响电缆长期运行可靠性,因此对全尺寸长电缆空间电荷特性的实时测量显得尤为重要。然而,由于高压直流电缆运行时,内导体的发热会导致电缆绝缘中温度梯度效应,电缆绝缘材料密度变得不均匀。此外,电缆的同轴结构也会导致测量波形畸变。该文首先设计了一种改进的脉冲注入方式和波形信号检出的温度梯度下同轴电缆空间电荷测量装置;然后针对同轴电缆下电场分布的不均匀性和声波传播的发散性,对测量电荷波形进行了恢复;最后通过在声波传递方程虚部中引入二次项近似的方法,有效实现对声波衰减和时域平移现象的矫正。利用此算法,成功实现了温度梯度下同轴电缆的空间电荷测量波形的矫正。     

塑料绝缘直流高压电缆中空间电荷测量技术的研究

同轴型电缆空间电荷测量系统与片状试样空间电荷测量系统在测试原理上是基本一致的,但是有其特殊性.在分析同轴型直流塑料电缆的衰减和色散特性、脉冲电场耦合方式以及电极系统的基础上,研发出同轴型直流塑料电缆空间电荷测量系统.利用此测量系统测量了某直流塑料电缆在24h冷热循环条件下的空间电荷分布情况.直流塑料电缆空间电荷测量系统...     

温度梯度场下电缆本体脉冲电声法空间电荷测量声波纠正

采用脉冲电声(PEA)法测量电力电缆本体空间电荷时会因电缆筒柱形结构和温度梯度场的作用而使PEA声波在电缆本体中的传播声速发生变化,导致空间电荷测量波形幅值的衰减和采样时间的变化。为此,首先研究了温度梯度场下交联聚乙烯(XLPE)电缆本体PEA测试信号的纠正问题。实验研究发现:PEA系统中声波沿XLPE电缆绝缘径向传至压电传感器时,不仅会受到与切片试样中相同的吸收衰减和散射衰减,而且会因电缆的圆柱型结构而导致声波辐射面扩大并发生扩散衰减,扩散衰减与声波所在位置的半径的平方根成反比;温度梯度场下声速沿电缆本体绝缘径向呈线性分布,且温度越高,声速就越低。然后将电缆本体中声波衰减因子离散成1个传递矩阵,针对试样处在常温和温度梯度场下的不同情况,分别在频域下获取了整个电缆本体绝缘中的空间电荷恢复方程;同时为解决不同温差下以时间为横坐标来比较空间电荷的位置分布的困难,采取将时间轴转换为对应的试样厚度方向的距离来进行比较。纠正结果表明该纠正方法是有效的。     

基于外半导电层注入的全尺寸电缆用脉冲电声法空间电荷测量技术

高压交联聚乙烯电缆是直流输电的关键装备,但直流电场下电缆绝缘中的空间电荷积聚效应导致绝缘内电场严重畸变,直接影响电缆长期运行可靠性,因此对全尺寸长电缆空间电荷特性的实时测量显得尤为重要。基于脉冲电声(PEA)法空间电荷测量技术,根据待测电缆绝缘厚度,合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度;采用电缆外半导电层注入脉冲技术实现了高电压、长电缆下空间电荷的测量;同时分析了同轴电缆中的声波传输特点及波形矫正方法。结果表明:半导电层注入脉冲方式是测量高电压、长电缆下空间电荷特性最简单有效的办法,但脉冲沿外半导电层的分压作用会导致脉冲幅值衰减;测量系统的精度和分辨率可通过合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度而实现;另外,该系统中采用示波器对地隔离,电脑与示波器间引入数字光纤隔离技术,有效避免了传统模拟光纤对测量波形频带的限制。     

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲（PEA）法测量了不同热老化程度下试样在直流电场（20 kV/mm）作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明：随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。     

基于反卷积原理的一种信号恢复技术研究

由于声波在固体介质中传递存在衰减和色散,导致PEA空间电荷测量信号发生畸变。在分析PEA空间电荷分布信号的基础上,采用高斯函数模拟电极附近的空间电荷分布信号,对声波传递过程中不同频率信号衰减因子进行求取,利用反卷积技术实现了空间电荷分布曲线的恢复。利用该数据处理技术对不同老化时间的电缆绝缘材料的空间电荷分布信号进行恢复,结果表明:通过信号的恢复,绝缘体中的空间电荷分布更加明显;随着老化时间的增加,绝缘体中的缺陷增多,其空间电荷也越来越多。因此可采用空间电荷分布状态实现对绝缘老化状态的评估。     

特约主编寄语

社会经济活动对能源消费的快速增长以及人们对能源供给安全和生活环境恶化的日益关切,要求电网能在有限的线路走廊内实现远距离、大容量、低损耗、高效率的电力传输,并要求不同电网能互联以提高电力系统抵御风险的能力,改善供电可靠性。同时,随着太阳能、风能等可再生能源在电能结构中所占的比例不断增加,电网需要在不影响电能质量水平的情况下有效吸纳这些间歇性的电能资源。高压直流输电技术（HVDC）为上述问题提供了优异的解决方案,并在过去十年间得到了迅猛的发展与应用。此外,自20世纪90年代以来,迅速发展且日臻成熟的基于电压源换流技术（voltage sourced converter, VSC）,即柔性直流输电技术(HVDC Flexible,国外亦称“轻型直流输电技术”）,与传统的直流输电技术相比,更具特殊的技术优势：如有功和无功功率独立控制、毋须电网提供短路电流支持换相、两站点无需通信以及潮流反送时毋须反转极性等,在各种可再生能源接入（如海上风电）、海洋孤岛平台（岛屿、海上平台）供电和未来大城市商业住宅中心增容供电以及异步交流电网互联等领域展现了广阔的应用前景。

高压直流电缆,尤其是交联聚乙烯（XLPE）挤出绝缘高压直流电缆,作为直流输电系统的关键设备之一,因其体积小、重量轻、传输容量大、绝缘性能优异、对环境影响小等优点,相关的技术研发和应用备受关注。

虽然直流电缆的结构与交流电缆相比并无二致,但其技术问题与挑战远远超过交流电缆。首先,在交流应用场合,电场分布由绝缘结构中各处的电容决定,而绝缘材料的电容率（介电常数）在电气工程应用中所涉及的温度和电场范围几乎是常数,因此同轴电缆绝缘中的电场分布只由电缆的几何结构和尺寸决定,且不受运行负荷和环境的影响;而在直流电缆绝缘中,电场分布取决于绝缘的直流电阻分布,也即绝缘层特定位置的电阻率,而绝缘材料的电阻率又是所处位置温度和电场强度的函数,这种由温度梯度、电场分布到材料性能再到电场分布的多物理场耦合关系,使得直流电缆绝缘中的电场设计与选取变得异常复杂和困难。其次,伴随聚合物材料优良绝缘性能而来的矛盾是在直流电压作用下材料中空间电荷的聚集与迁移,绝缘结构中的空间电荷将改变局部电场的分布,极端情况的电场增加可能引起局部绝缘的加速老化甚至击穿。最后,相较于交流系统,人们对聚合物材料在直流电压下的绝缘特性、老化特性、绝缘缺陷的产生与发展直至绝缘失效机理的研究十分欠缺,以至于目前在世界范围内依然缺少科学且有效的直流电缆试验考核与评价手段,而作为快速增长的电网资产以及考虑直流电缆未来将大量运用于海底输电和联网,如何保证安全可靠的敷设施工和现场试验,以避免未来巨大的运行维护与检修成本,也是电网建设与运行管理者必须进行的技术准备。

在国内,由于早期直流电缆市场前景不甚清晰、电缆制造企业研发投入不足,我国挤出绝缘高压直流电缆的研究和应用远远落后于日本和欧美国家。在直流电缆绝缘材料及屏蔽材料的国产化、直流电缆结构设计理论及制造工艺的优化、终端及接头的材料选型与制造、科学有效试验检测方法的建立以及直流绝缘老化和电缆系统可靠性的评价手段等领域依然有大量的工作需要开展。

鉴于此,《南方电网技术》编辑部适时地编辑出版了此期围绕挤出绝缘直流电缆技术的专刊,以便从事直流电缆材料技术、制造技术、试验技术以及运行维护技术研究的同事宣传与交流自己的工作成果,也为我国挤出绝缘直流电缆技术的发展与应用研究起到“抛砖引玉”的作用。得到国内同行鼎力支持与帮助,本专刊共计收录15篇论文,内容覆盖直流电缆的技术发展现状与挑战、国内直流电缆的制造与应用以及直流电缆绝缘材料、试验及运行维护的各个方面：

1） 国产直流电缆制造与应用：“中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳: 从160 kV到200 kV再到320 kV”文章系统介绍了国内过去3年间在3个电压等级XLPE绝缘直流电缆的研发与应用情况,对未来研发更高电压等级（如±500 kV）的直流电缆和工程应用都有很好的参考价值;

2） 直流电缆绝缘与屏蔽材料技术：“高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料及半导电屏蔽材料热性能及机械性能分析”和“直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响”等文章初步比较研究了国产直流电缆绝缘与屏蔽料同几种进口材料的物理热、机械性能以及空间电荷特性,解释了引起国产与进口材料物理热机械性能差异的原因;“添加纳米MgO对交联聚乙烯中直流接地电树枝的影响”文章介绍了XLPE和XLPE/MgO纳米添加材料在重复施加直流电压和短路过程中电树枝的生长特性,用PEA方法测量了两种材料中空间电荷的聚集特性的差异,用XLPE/MgO纳米材料中形成同性电荷的事实解释了纳米颗粒阻止了电极尖端中性电荷的注入,进而阻止延缓了电树发展的机理;

3） 空间电荷测量技术：针对直流电缆绝缘中空间电荷的测量问题,“基于脉冲电声法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术的研究进展”和“全尺寸直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测量系统设计及声信号衰减与色散补偿”等文章分别介绍了同轴结构中空间电荷的测量技术,重点介绍了厚试样中采用脉冲电声法（PEA）时声波信号的衰减与色散修正方法,这是全尺寸电缆绝缘中空间电荷测量时保证足够的测量灵敏度和空间分辨率并以此计算评价空间电荷对直流电缆绝缘中电场分布及可靠性影响所必须的技术手段;

4） 直流电缆系统过电压与绝缘配合：虽然任何电介质材料的直流绝缘强度都远远高于交流绝缘强度,但在直流电缆系统中,尤其是架空线与电缆复合输电线路中（如南澳柔性直流工程）,直流电缆绝缘仍旧要承受来自系统故障及雷击所引起的暂态过电压,“柔性直流系统挤出绝缘电缆暂态过电压仿真”文章以南澳柔性直流输电示范工程为研究背景,仿真研究了不同故障类型,包括交流单相接地、两相短路、桥臂电抗器接地条件下直流电缆系统的暂态特性,为未来直流电缆绝缘设计和系统绝缘配合提供了很好的借鉴;

5） 直流电缆终端与接头技术：如同交流电缆的终端接头附件,直流电缆终端与接头也包含不同介电性能的绝缘材料和界面,使其结构设计和空间电荷控制更加困难,“硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响”和“正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷的特性”等文章分别介绍了运用电导非线性硅橡胶（SiR）材料改善直流电缆接头应力锥处电场分布的研究和正交电场下XLPE/SiR界面空间电荷特性的研究,这些积极的研究尝试将为优化设计与制造直流电缆终端与接头附件提供有用的参考;

6） 电缆绝缘老化评估技术：电应力是导致绝缘介质在长期运行条件下产生老化直至绝缘失效的主要因素,大量的XLPE材料在交流电压或直流电压下的电老化试验研究表明两种电压下的材料老化速度存在较大的差异,其结果直接决定着直流电缆绝缘寿命的设计与运行老化评估,“高压XLPE电缆绝缘V t特性研究方法”文章介绍了介质的击穿电压V和击穿时间t的关系,也即V t特性曲线,并用于描述XLPE电缆绝缘的电老化寿命模型,分析了国内外高压交、直流XLPE电缆绝缘V t特性的研究方法及相关结果;

7） 直流电缆系统试验与运维技术：针对直流电缆试验技术、直流电压下局部放电产生与测量技术的研究与发展,“挤出绝缘高压直流电缆系统试验技术规范综述及建议”系统分析了交直流电缆试验技术的差异,结合目前被广泛采用的CIGRE TB 496推荐试验方法,对如何提高直流电缆试验的有效性与科学性提出了具有启发意义的建议;而“直流局部放电检测技术综述”系统完整地综述了直流电压下局部放电缺陷的产生发展机理以及测量技术,介绍了国内外在这一研究领域的研究现状,为国内同行开展相同领域的工作描述了清晰的技术路线;作为对直流电缆系统长期可靠性考核评价方法的完善,有关热流场仿真计算的“直流电缆负荷循环系统中温控介质轴向温度分布仿真研究”文章为在直流电缆预鉴定试样中准确控制绝缘层问题梯度分布提供了有用的参考。

在近几年电网企业柔性直流输电示范工程需求的强力推动下,我国在XLPE绝缘直流电缆的制造、试验和工程应用方面有所突破,并实现了从±160 kV到±200 kV 再到±320 kV电压等级所谓“三级跳”式的发展,在科研方面也取得了许多重大成果,本刊所发表的仅是部分的最新成果。但是专刊文章所涉及的研究内容均是全面提高直流电缆制造与安全运行技术必须关注的,完全有理由相信,这一专刊的出版将为推动国内在这一领域的研究起到积极的作用。

最后,衷心感谢论文作者的大力支持,感谢论文审稿专家、《南方电网技术》编辑部为本专刊顺利出版所付出的辛勤劳动。

傅明利

2015年10月4日于南方电网科学研究院

     

直流叠加冲击电压下XLPE中空间电荷特性研究

高压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆在工作状态下，会受到电力系统中由投切等操作引起的操作冲击电压的破坏，导致绝缘受到影响，而目前缺乏多次冲击累积效应引起空间电荷累积导致电缆绝缘劣化的相关研究。本文基于实验室已有的直流叠加冲击电压下的PEA法空间电荷测量系统，分别测量了直流电压、冲击电压、直流叠加冲击电压作用下XLPE电缆绝缘中的空间电荷特性。结果表明：正直流电压下XLPE体内以异极性电荷为主，负直流电压下SC电极上出现同极性负电荷的注入；连续的高幅值冲击电压作用会导致双电极上大量的同极性电荷注入，且负极性冲击下电荷注入量略多；当直流叠加冲击电压时，同极性叠加方式比异极性叠加方式更能促进双电极上同极性电荷的注入，而且冲击电压作用时间越长，XLPE试样内部积聚的电荷量越多。     

直流电老化对160kV直流电缆材料空间电荷分布特性的影响分析

本研究对160 k V直流电缆切片在40 k V/mm的高直流电场下进行电老化试验,采用电声脉冲法(PEA)对电老化前后的空间电荷分布特性进行了研究,并对XLPE在直流电场下的老化机理进行分析。结果表明:电老化导致直流电缆绝缘的同极性空间电荷注入现象增强,空间电荷向绝缘内部迁移。随着老化时间的增加,空间电荷总量以及电荷陷阱深度增加,电荷脱陷过程变得更加困难。在整个老化周期内未发现异极性空间电荷,表明虽然试样内空间电荷量有所增加,但其老化程度并不严重,大部分XLPE分子链保持完整,说明160 k V直流电缆材料具有较强的空间电荷抑制能力及耐老化特性。     

低密度聚乙烯空间电荷与电导电流的联合测量

聚乙烯非常容易积累空间电荷,造成聚乙烯绝缘电缆用于高压直流输电时容易出现绝缘劣化和使用寿命减少的问题。为了研究绝缘材料在直流电场下的空间电荷特性与电导特性,考虑到由于外电流存在位移电流分量,对于同一块试样分别测量得到的结果并不能进行严格的联合分析,基于脉冲电声法（pulse electro acoustic, PEA）原理设计了一套能够对平板试样进行“同区分时”测量空间电荷和外电流的实验装置,联合测量了低密度聚乙烯（low density polyethylene, LDPE）在室温下的空间电荷和高场电导。实验结果表明：随着施加场强的升高,阳极异极性空间电荷逐渐增加,阴极由同极性注入转变为异极性空间电荷积累,这与材料内部的杂质解离以及不同电极材料的选取有关。低电场条件下位移电流在外电流中所占的比例大于电导电流,传导电流密度与电场强度的关系也符合空间电荷限制电流（space charge limited current）理论。     

基于脉冲电声法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术的研究进展

空间电荷现象严重制约着高压直流塑料电缆的发展。目前,脉冲电声法（pulse electric acoustic,PEA）是国际上常用的测量固体电介质中空间电荷分布的非破坏性的方法之一。首先从高压脉冲的注入方式出发,简述了几种基于PEA法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术;同时,提出了一种基于高压脉冲从测量电极注入电缆试样的改进测量装置,在该装置中通过蓄电池、环氧底座以及光电转换器等将采集数据的示波器进行对地隔离,从而提高了测量系统测量信号的频带宽度;然后,介绍了同轴塑料电缆空间电荷波形的恢复方法;最后,概述了空间电荷测量技术在评估电力电缆老化程度中的应用和未来在线测量空间电荷的可行性及发展方向。     

Portable space charge measurement system using the pulsed electrostatic method

The pulsed electroacoustic (PEA) method is used to measure space charge distributions in insulating materials. A high-resolution PEA measurement system and signal procedure has been discussed in previous papers. Since the signal procedure is necessary for high-resolution measurement, the system must include a computer. In this paper, a new PEA system without signal processing is introduced. In order to eliminate the inevitable signal distortion of the conventional PEA method, the new system employs a new voltage waveform generator, one that is different from the very narrow pulse generator used in conventional PEA systems. Using the new waveform, designed based on the impulse response of the measurement system; the output signal can show the space charge distribution directly, without the need to conduct deconvolution. Thus, space charge distributions can be measured on site, such as in a factory, with a portable oscilloscope. The spatial resolution of the space charge measurement of the system is 10 /spl mu/m, which is the same as that of conventional PEA systems. Such a portable PEA system can contribute to various industrial applications.     

电声脉冲法中脉冲对空间电荷分布测量的影响

首先阐述了目前已广泛应用的电声脉冲法(PEA)测量电介质中空间电荷的原理,介绍了一台新型的PEA空间电荷测量装置(其电脉冲幅值和宽度可调),并利用此装置在相同的测试条件下测量了相同的试样。研究发现:对固定厚度的传感器来讲,空间电荷分布信号随脉冲幅值增加而增加,且其波形随脉冲宽度增加而展宽和增强。最后根据PEA测量空间电荷的原理合理分析了上述的现象。     

温度梯度下电缆绝缘中空间电荷特性的研究现状

系统介绍了国内外温度梯度场下用PEA空间电荷测量方法及温度梯度效应对绝缘内空间电荷的影响,提出了温度梯度场下PEA法测量空间电荷的发展趋势。     

改进电声脉冲法的交流空间电荷测量新方法

提出一种交流电压下的电声脉冲法空间电荷测试新方法。采用电脉冲作为触发源,利用数字示波器的长存储功能同时获取空间电荷信号和高压交流电压信号,从而避免了传统交流空间电荷测试方法的硬件同步。通过调整脉冲发生器的频率可获取不同相位下的高压交流下的空间电荷响应,并通过平均若干个交流周期的空间电荷信号获得足够信噪比的相位相关的空间电荷信号。通过对低密度聚乙烯工频50 Hz下的空间电荷测量结果表明,在交流电场下,下电极附近区域会形成异号电荷;与传统的交流空间电荷测量系统相比,由于测量时间得到很大程度缩短空间电荷信息能够最大限度保存,并且新系统较老系统有更高的相位分辨率,空间电荷衰减图形更能逼真的反映电荷动态变化。     

脉冲电声法空间电荷测量波形恢复的数据处理

采用脉冲电声法（PEA）测量固体电介质中空间电荷的分布时，由于受介质特性和系统硬件的影响，测量波形会发生畸变。文中用高斯函数模拟低场强下界面电荷波形衰减前后峰形的变化，建立了波形衰减模型。把介质的衰减因子看作一个传导矩阵，获得了恢复整个介质中空间电荷分布曲线的方程式。通过对信号在介质和放大器中传输过程的分析和建模，以Matlab软件对实测波形进行了恢复。结果表明：在电荷分布波形中电极A处的峰值可恢复到90％，而且被掩盖的异极性电荷得以显现。     

固体绝缘中空间电荷测量装置的研制和应用

介绍了电声脉冲法空间电荷分布测量装置的测量原理和性能，并利用此装置测量了试样中的空间电荷密度分布，运用有限元法计算空间电荷对试样内部电场的畸变。为了研制超高压直流塑料电缆料，以少量的极性聚合物混炼到低密度聚乙烯中，降低了交联聚乙的空间电荷效应，大幅度提高了５０％直流预压短路树枝的起始电压。     

High‐sensitivity PEA system with dual‐polarity pulse generator

The pulsed electroacoustic (PEA) method has been widely used to observe space charge distributions in various solid dielectric materials. The sensitivity of the conventional PEA system is around 1C/m³. When the charge density is less than 1C/m³, however, it is difficult to obtain an accurate result because the signal due to the Maxwell stress becomes comparable with the signal to be measured. The Maxwell stress is generated by applying the pulsed electric field to the dielectrics, and independent from the existence of either induced charges by DC bias voltage or internal charges. In order to eliminate the influence of the Maxwell stress, we have developed a new PEA system with a dual‐polarity pulse generator. The system allows measurement space at a charge density of around 0.03C/m³. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 166(2): 1– 7, 2009; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20496     

Space charge distribution for various glass materials under DC stress

Space charge accumulation for various glass materials under DC stress was studied by using a pulse electroacoustic (PEA) method. We should make an acoustic matching between the sample and electron on the high‐voltage side when the hetero‐space charge distribution in glass materials is measured. The acoustic pressure wave generated from the induced charge at the high‐voltage side is canceled by the reflected one generated from hetero‐charge accumulated in the sample. Large hetero‐charge is observed in the glass materials containing MgO and CaO compound compared to the quartz glass containing no such compounds. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 148(1): 19–27, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10260