高压电力电缆中的空间电荷分布测量.pdf

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 ， 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 。 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 , 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 供 的实际 电缆 试 样 ， 介质层 的内外直径分别为： 4 2 mi l l 和 6 9 mm。外加电压 为 1 2 0 k V， 测试温度为 3 0 C。 图 2为其中的一个实际测量结果， 这些 图中 的垂直虚线表示电缆试样 的内外电极所在位 ： 、 l 、 一 时阿 ( 1 D _曲 ) “， 韧持信号 m| 一 匿t 酬、 耐后盼苗号 A 一 ： 一 。 V i 啪( 1 D - h， 哪压 毫 士时后 - 无， 卜 柚 电压的 蕾导 图 2 压力渡法对 高压 电力 电缆 中 空间 电荷分 布的翻量 结果 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 置 ， 左边的虚线为试样的外 电极 ， 亦即压力脉 冲波 的进入面。 从图 2 ( a ) 中不难看出 ， 式 ( 6 ) 所显示 的作用在这里并不明显 ， 这也与此样 品的外径较大有关 。 从实测结果不难看出 ， 加 压 4 8 h后 ， 电极处 的场 强增加 了约 8倍 ， 如 此高的场强 ， 极容易诱发电树枝 。 实验后的切 片取样观查也确实证实了这一点。 多次的实验结果表明 ， 空问 电荷能导致 电极附近 的电场剧增， 有时能达到外 加电场 的 1 0 倍 以 上。 电缆试样中的空间 电荷分布形态也是非 常多样化的， 这与很多因素有关。 除了与聚乙 烯 主绝缘 中的添加剂有关之外 ， 与半导电电 极的成分也有极大的关系， 切不可忽视其作 用 。聚乙烯中的杂质或添加剂常常是导致 空问电荷剧增的主要 因素0 。对 于纯的聚乙 烯树脂试样 ， 其空间电荷积 累往往较少 ， 但限 于其他性能的考虑 ， 舔加剂又是必不可少的， 这就给解决空问电荷问题带来 了相 当程度的 困难 。 结 论 压力波法测量电力电缆中的空问电荷分 布是十分有效的， 且可适用于不 同的温度 。 实 验证明； 聚乙烯电缆中的空问电荷是诱发直 流电树枝的一个重要原因。 参考 文献 1 cAI q u k -J Le e r a n d G Dr e y f u sA a a l y s is of Ls s e r I n dll c e d Ac o u s t i c Pl u s e Pr o b i n g Ch a r ge Di s t r i h u t i o n s i n D i e l e c t r i c s J P h y L e t t ，Vo 1 4 4 - p p 1 7 1 1 7 8 1 9 8 3 2 PLa uu r e n c e a u-G 陆 e u 3 a n d J I e r ，Ne w Pr i n c i pl e I t h e De t e r m i n a t i On of Po t e n t i a l Di s t r l b a t i o n i n Di e l e c t r i c s Ph y s Re vLe t t ， Vol | 3 8 No 1- p p 4 6 4 9， 1 9 7 7 3 YZh 喈 J Le wi n e r，CAl q u i e a n d N a mp t o l 1 EAd e l c e o f a S t r o ng Co r r e l a t i o n Be t w n Spa c e Ch a r g e B u i l d u p a n d Br e a k d o wn i n Ca b l e I n s u l at o r s I EEE Tr a ns 0 n DEI VoI _ 3-No 6-P p 7 7 8 7 8 3， 1 9 9 6 4 T D i t c h i C A 1 q u - J L e w i n e r - E F a wi e a n d RJ o c t e u r El e c t r i c a l Pr o pa rit i e s 0 El e c t r o d e Po l y e t hy 【 e n e El e c t r nd e S t r u c t u r e s 1 EEE Tr a n 3 E1Vo 1 2 4， No 3， P P 4 0 3 4 0 8 1 9 8 9 9 Xi n h e ng W a n g De tai n Tu Y Ta n a k a T Mu r oD k fl-T Ta k nda-C S hi n nd a a n d T Ha s h i = u mi S p a c e Ch a r g e i n XLPE P o we r Ca b l e u n de r d c El e c t ric a l S t r e s s a nd He a t Tr e a t me n t-I EEE n 呲DEI ， Vo 1 2， No 3一p p 4 6 7 4 7 4- 1 9 9 5 ( 上 接第 1 2页 ) 人铜液的深度为 H ， 石墨模装进冷却器后露 在外的长度为 工。 设碳硅套上沿距离铜液的高度为 h， 则 ： S ： S【 + S z 因此 h = H l一 ( 日 。一 工 + S)= 日 l一 日 2+ 工 一 由于 H 、 工、 均为固定常数 设 A=H， +工一S 则h =A一日2 因此当 h确定 了， H 也就确定 了， 有 的 文章介绍是 h的距离应不 小于 3 0 mm， 我们 在实际生产中确定此距离应为 6 5 mm。 结 论 在生产中石墨结 晶器插入铜液的深浅会 对铜杆的质量造成影响 ， 太深或太浅都不行 。 因此必须严格控制， 确保 它插入铜液 的深度 符合要求， 当它发生了变化时 ， 应随时给予调 整 。 参 考 文 献 1 陈文售 盘属材料加工甩炉 中南矿情学院 1 9 8 0 2 E G W e s t C op p e r a nd i t s a l l oy s 1 9 8 8 3邬励翔 工程 师通 用手册 讧苏科 学技 术 出版社 0 0 5 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