基于PEA测量技术的电缆外半导电层脉冲注入方式的影响因素

基于电声脉冲法(PEA)的同轴电缆空间电荷测量系统中,耦合的脉冲直接影响空间电荷的测量波形。因而简述了基于外半导电层脉冲注入法的同轴电缆空间电荷测量系统,测量了10 kV同轴电缆在不同接地点下的空间电荷波形。通过实验和仿真研究了不同接地点、不同电缆尺寸和不同脉冲注入区长度对脉冲注入波形的影响。实验与仿真结果表明:注入脉冲的波形对测量的空间电荷波形有直接的影响,当脉冲由外半导电层注入电缆时,外半导电层的阻抗特性会影响脉冲的注入效果。同时,同轴电缆的接地点和尺寸影响着脉冲的注入,接地点与脉冲注入点的距离越远,耦合脉冲幅值越高。此外,外绝缘层直径对外半导电层等效电阻值也有影响。     

不同脉冲注入方式下长电缆中空间电荷测量结果的等效性分析

国际上针对同轴电缆用电声脉冲(pulsed electro-acoustic,PEA)法空间电荷测量技术主要分为3种:高压导芯耦合脉冲注入法、外半导电层局部剥离耦合脉冲注入法和测量电极耦合脉冲注入法。该文基于本实验室现有的同轴电缆用PEA空间电荷测量系统,测量了3种脉冲注入方式下同轴电缆中空间电荷波形的变化规律,仿真计算了3种脉冲注入方式的影响因素及耦合效率的等效性。研究结果表明:相同注入脉冲幅值下,脉冲耦合效率越高,电荷声波信号幅值越大;在高压导芯脉冲注入法中,截面越大或电缆长度越长,脉冲耦合效率越低;在外半导电层局部剥离脉冲注入法中,电缆长度越长,脉冲耦合效率逐渐增加并达到饱和态;在测量电极脉冲注入法中,轴向阻抗越大,脉冲耦合效率越高。     

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。     

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。     

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。     

半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘电气性能的影响

为研究半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘中电荷输运行为的影响，本研究选用国内外3种不同型号的半导电屏蔽材料配合同一XLPE绝缘，模拟实际电缆结构试制了屏蔽-绝缘-屏蔽的三明治结构试样，并对其进行高场强电导测试以及空间电荷测量。结果表明：屏蔽层的引入使绝缘内部的电导方式发生了改变。相较于纯XLPE绝缘试样，含屏蔽层配合的绝缘试样电荷注入明显增加，其中进口屏蔽料配合的试样绝缘-屏蔽界面对电荷注入的抑制能力较强，电荷注入程度较弱。电荷注入会对空间电荷在绝缘内部的积聚程度产生影响，其中，含国产屏蔽料配合的试样的空间电荷积聚较为严重，含进口屏蔽料配合的试样空间电荷积聚程度较轻。此外，空间电荷测量还需要注意因试样结构的特殊性带来的阻抗不匹配问题。     

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。     

用于连续硫化生产线的测量技术

介绍了聚合物绝缘电缆在连续硫化生产线中的非接触式在线连续测量，这包括测量绝缘总厚度及偏心度的光学摄像系统；能高精度测量绝缘体中内半导电层、绝缘层及外半导电层厚度及偏心度的Ｘ射线测量系统。     

一种适用于高温条件下的电声脉冲法空间电荷测量系统

温度变化时聚合物材料内部的电荷输运特性或电极/介质界面处电荷注入的特性可能发生改变。因此,研究聚合物绝缘材料在高温下的空间电荷特性十分必要。该文采用新型的、具有高居里点的聚偏氟乙烯–三氟乙烯(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene,P(VDF-TrFE))薄膜作为压电传感器,分体设计了脉冲耦合电路、信号放大器电路和电极加热单元,建立了适用于室温~110℃的电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method,PEA)空间电荷测量系统。从电声脉冲法测量空间电荷的原理出发,分析了对压电传感器输出的电压信号、最终空间电荷密度值的影响因素。计入了温度对试样中的声速和试样相对介电常数的影响,得出了温度影响空间电荷密度的幅值和位置的校正方法。利用该系统测量了纯环氧试样在不同温度下的空间电荷分布特性。     

基雷电冲击电压下双层XLPE电缆绕组的暂态特性研究

当雷电波侵入XLPE电缆绕组后,双层XLPE电缆绕组的芯线及外半导电层上的暂态电压分布与单层绕组有很大的不同。研究发现,由于其结构上的特殊性,导致其在外半导电层上会出现一定幅值的暂态电压,这与传统变压器绕组遭受雷电波侵入时所表现的暂态特性有很大的不同。通过试验测量其芯线与外半导电层上的暂态电压分布,分析其在雷电冲击电压下的暂态特性,为这种新型变压器的设计、保护技术提供了参考依据。     

雷电冲击电压下双层XLPE电缆绕组的暂态特性研究

当雷电波侵入XLPE电缆绕组后,双层XLPE电缆绕组的芯线及外半导电层上的暂态电压分布与单层绕组有很大的不同.研究发现,由于其结构上的特殊性,导致其在外半导电层上会出现一定幅值的暂态电压,这与传统变压器绕组遭受雷电波侵入时所表现的暂态特性有很大的不同.通过试验测量其芯线与外半导电层上的暂态电压分布,分析其在雷电冲击电压下的暂态特性,为这种新型变压器的设计、保护技术提供了参考依据.     

第六讲 电标、时标电路

前面五讲已经解决了用示波器观察、测量待测脉冲的波形问题,但是怎么知道在屏上展开的脉冲波形的幅值大小及波形的延续时间呢?本讲将引进电标、时标电路来解决这一问题。 §6.1 电标电路原理 为了对待测脉冲波形的幅值进行准确的测量,必须借助于一个电压标准刻度来进行比较,产生标准电压的电路称电标电路。既然是电压标准,自然要求是相当稳定的,故图6—1所示电标电路实际上仍是一个最简单的稳压电路。     

基于电声脉冲法的空间电荷测量装置

为了从微观角度分析绝缘材料老化和击穿的原因,研制了一套基于电声脉冲法(PEA)直接测量聚合物中空间电荷分布的试验装置。分析了电声脉冲法测量空间电荷的原理;设计了一种基于测试系传递函数的陡脉冲(幅值600V,脉宽10ns),以消除由系统硬件引起的过冲;讨论了各种干扰对测量结果的影响,设计了前置宽带高频小信号放大电路(增益34dB,带宽340MHz)和压电传感器。试验表明,该测量装置的分辨率可达到30μm,输出波形能直接反映试样中空间电荷分布,避免了复杂的数学处理,并以此装置实测了变频电机绝缘用聚酰亚胺膜中空间电荷的分布。     

电缆绕组变压器外半导电层中的电流特性

电缆绕组变压器的线圈所用的电缆为去掉外金属护套的电缆,当绕组芯线上存在高频电压时,在其外半导电层上会产生相同频率电压与电流.为了研究外半导电层内的电流大小与芯线内电压、电流等参量之间的关系,首先利用有限元法对外半导电层中的涡流电流进行计算,然后对绕组外半导电层的等效电路进行了研究,最后通过与实验相比较的方法,分析了电缆绕组变压器外半导电层中电流产生的原因,并研究了半导电层材料的电阻率对其内部电流幅值的影响.     

1100 kV GIS隔离开关分合容性小电流试验中的暂态电压测量

GIS隔离开关分合容性电流过程持续时间长,同时产生高幅值、大陡度、高频率的过电压。采用新研制的光纤式电压测量系统,对1 100 kV GIS隔离开关分合小电容电流试验中的暂态电压进行测量,得到了分合过程中负载电容上"台阶"状电压波形,同时采用EMTP仿真软件对电压波形进行相应的仿真研究,得到了负载上电压的幅值、频率、波形等相应特性。而且试验和仿真结果一致。证明该测量系统可以用于特高压隔离开关分合容性电流用暂态电压的测量。     

全尺寸空间电荷测量在水中老化电缆状态评估中的应用

水树老化严重威胁电缆的运行可靠性,为有效评估电缆绝缘状态,选取未老化电缆与水中老化电缆作为研究对象,通过等温松弛电流(isothermal relaxation current,IRC)法检测了其老化状况,并应用全尺寸空间电荷测量法研究了电缆本体的空间电荷分布。研究结果表明:电缆经水中老化后,去极化电流曲线上移、老化因子增大,深能级陷阱大量增加;极化时空间电荷积累加剧,高场下阳极附近注入同极性电荷,短路时浅陷阱电荷逐渐消失,处于深能级陷阱的电荷仍驻留形成一明显正电荷峰,短路平均体电荷密度增加。分析认为电缆经过水老化处理后,由于绝缘外界环境的水分侵入而可能导致外半导电层处产生"外导水树枝",同极性电荷由"外导水树枝"尖端注入,处于较深能级陷阱,与IRC法测量到的去极化电流、陷阱密度、老化因子等均高于未老化电缆的结果一致。实验结果证明了IRC法的有效性以及全尺寸空间电荷测量能够评估电缆的局部绝缘状态,可有效用于电缆高危故障点的诊断与排查。     

电缆中空间电荷的测量与特性研究

交联聚乙烯电力电缆因其优异的电气性能,现已广泛应用于电力系统输配电线路中,然而由于绝缘本体中空间电荷的存在,会畸变局部场强,进而导致绝缘老化和击穿,因此研究电缆本体绝缘中空间电荷的分布具有重大意义。目前针对固体绝缘电介质,电声脉冲法测量空间电荷由于无损和方便等优势,在国内外被广泛采用。鉴于此,介绍了电声脉冲法的测量原理,并且结合实际运行情况中电缆线芯和外半导体之间存在温度差,通过穿心升流变压器和接触式温度传感器控制线芯温度,改进测量下电极形状以适应不同厚度和半径的电缆本体绝缘,设计了一套能够用于电缆本体的空间电荷测量装置,并进行了不同温度下的实际测量,实验结果表明,温度对声信号在介质中的传播速度以及空间电荷的注入影响明显。     

正极性雷电冲击电压下空间电荷电场测量研究

很多绝缘问题本质上都与电场相关,电场测量是高电压领域的重要研究手段。空间电荷导致电场畸变是流注理论的基础,因此定量测量空间电荷的泊松电场对于研究空气间隙的放电机制有重要意义。利用光电集成电场传感器测量了1m棒–板间隙未发生放电条件下各点的轴向电场,并与数值仿真结果进行对比,验证了电场传感器进行定量测量的可靠性;对3种电极条件下1m棒–板间隙空间电荷区域外部轴线上各点的电场时域波形进行测量,将空间电荷形成的泊松电场与外加电压形成的拉普拉斯电场分开,定量测量了不同电压幅值下、不同空间位置的泊松电场幅值与变化规律。研究结果为建立并验证空间电荷模型奠定了基础。     

直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响

随着交联聚乙烯（XLPE）绝缘直流电缆电压等级的提高,对半导电屏蔽料的质量及可靠性的要求也越来越高。选用了2种国外高电压等级用直流半导电屏蔽料、一种国产较为优秀的半导电屏蔽料和国内XLPE直流电缆绝缘料作为试验材料,测试了3种屏蔽料的热、电性能,屏蔽与绝缘的复合性能,研究了3种屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响。通过对试验结果的综合分析,提出了炭黑填充量、炭黑粒径和基体树脂以及界面结合情况是影响半导电屏蔽料体积电阻率和空间电荷注入的关键因素。