高压电力电缆中的空间电荷分布测量.pdf
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1、高压 电力 电缆 中的空间电荷分布测量 ( 同 济 大 学 波 耳 固 体 物 理 研 究 所张 冶 文 夏 钟 福 巴黎高等物理化学学院电气实验室 J L E WI NE R 弋榔 摘要本文介 绍了用激光感应的压力波法瓣 l 量聚 乙烯高压电力电缆试样 中的空间电荷分 布的测量技 术, 主要讨论 了其测量原理以度 实际瓣 l 量 中的问遐 。对 于赛际样品的测量姑果表 明, 在直漉高压下, 聚乙 烯 中的局部扬盛可能达到外加电场的至十倍 , 且扳容易; 1 发电树枝。 主息 词 塑 坚 f 引 言 在聚乙烯高压电力电缆 中, 空问电荷问 题始终是一个较难解决 的问题 尤其是在直 流高压情况下
2、 , 空间 电荷问题更是一个关键 的问题 , 这也是 目前 国际上直流高压聚乙烯 电缆至今未能实用化的主要原 因。在绝缘介 质的空间电荷 问题研究 中, 介 质中的空间电 荷分布测量又是其 中的一项关键技术 。在近 二十年的研究工作 中, 已经发 明了几种较 为 实用 的空 问 电荷分 布测 量技 术 , 压 力 渡法 ( P WP法) 又称压力脉冲法, 激光感应压力渡 法 , 则是其 中效果较好的一种 1 】 。 压力渡法的 原理是在 1 9 7 7年就提出了 , 经过二十年的 改进 , 现在已能应用于实际的电力电缆。 本文 将从原理和技术上对压力渡法应用于电力电 缆样 品的一些问题进行探讨
3、 。 测 量 原 理 如果在介质试样 中产生一个压力脉 冲, 此脉冲以声速度传播, 亦即在介质中有一个 不均匀的形变以声速在传播 , 这样 , 就会在介 质的 电极上感应产生相应的电信号, 这 一信 号也就包含有 介质 内 的空间 电荷分布 的信 息 。 对于平板试样 , 如 c o 为试样的静态电容 , 为介质的压缩率 , P ( z, t ) 为压力脉冲 的剖 * 上海 市教委重点学科资助项 目 面 函数 , E( x, 0 ) 为介 质的电场分布 , 则相 应 的外部短路电流为 , ( f ):C 0 ( 1 +A) I E , 。 ) J u P( z, t ) d x ( 1 ) 这
4、里 的 A 为与材料介 电特性有关的系数 , , 为压力渡渡前位置 , b为介质的厚度 。如果压 力渡为一很窄的矩形脉冲渡, 则此时的短路 电流信号可以近似地表示为试样内的空问电 荷分布。 设压力波是脉宽为 f , 压力为 P 。的很 窄 的矩形脉冲渡, 在不考虑压力渡在试样 中 的崎变与衰减 的情况下 , 可有 ( t )= CD P 。 ( 1+ A) 。 r p ( x , , 0 ) ( 2 ) 这里的 为在介质材料 中的声速度 , 上式表 明此时的短路 电流信号正比于试样 中的空间 电荷分布 f, ( ) p , 。 ) 1 : 6 一 f 也就是说 , 外部电流信号即近似地、 直观
5、地反 映 了试样 中的空间电荷分布。 对 于同心圆拄体 形状 的电力 电缆 , 情况 则略有不同。此时, 电场不再是平行场 , 即电 场 的教度不为零。但可以用合适的技术产生 压力脉 冲渡, 使其传播方 向与电场方 向保持 一 致。这样压力渡就有一个“ 聚焦” 现象 。 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 测量系统示意图见图 1 。 用 Nd: YAG激 光器产生脉宽约为 3 n s , 直径约 1 0mm, 能量 约为 3 5 0 mJ 的强激光脉冲 , 照射在电缆试样 的外层半导 电电极上, 在试 样中产生一个脉 冲压力波。 图 1压力披
6、法 的翻量不 意图 此时, 短路电流信号的形式与式 ( 1 ) 很相 似 , 为 ) 一 C oC o X ( 1 + ) J = E (r o ) p ( r ,t ) d r ( t ) 一 十 ) l ,o ) , ( 4 ) 这里 的 r t为渡前位置 , 而 b则为电缆试样 的 外径 。 与上 面相同地 , 如果压力 渡的脉宽为 r , 初始压 力 为 P 。 , 不 考虑压 力波 的衰减 与崎 变 , 但有“ 聚焦现象” , 即 户 ( , , )一 P 。 这样 , 短路 电流的信号 就成了 J ( 一 c 。 ( 1 + ) r p ( r t , 0 ) 一 E ( r t
7、, 0 ) ( 5 ) L r r t J 即使在这种简化情况下 , 短路电流 ( ) 也不 能直接反映电缆试样 中的空间 电荷分 布, 而 是需要考虑到r 7 的作用。并且应当注意 到 , 此时 , 即使没有空间电荷存在 , p ( r r , O ) 一 0 , 仍有电场作用项 ( t ) 一 r C 。 X ( 1 + A ) p 。 2 0 旦 ( 6 ) I n ( b a ) 其 中的 v。 为外加 电压 , a为绝缘介质 的内 径。 这一项与内外径之 比有关 , 但对于通常的 电力电缆试样 , 这一项的影响不是十分严重。 测量 结果与讨 论 试 样 为 B I C C 公 司提
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