全尺寸高壓直流電纜控溫梯度下pea空間電荷測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，含：直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置(2)，電極系統(tǒng)(3)，PEA空間電荷測量裝置(4)，外部測量控制裝置(6)；直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置具有一包圍試驗電纜的密閉空間，電極系統(tǒng)(3)連接在密閉空間內的試驗電纜上、通過導線連接密閉空間外的高壓脈沖源(5)，PEA空間電荷測量裝置(4)連接在電極系統(tǒng)(3)上，外部測量控制裝置(6)位于密閉空間外并與PEA空間電荷測量裝置(4)連接。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法用于全尺寸高壓直流電纜在研發(fā)試驗、預鑒定試驗、負荷循環(huán)試驗和長期老化試驗期間絕緣層在控制溫度梯度下的空間電荷測量，可以達到較高的分辨率和測量精度。
【專利說明】全尺寸高壓直流電纜控溫梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA(電聲脈沖法)空間電荷測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于PEA測量方法，可用于全尺寸高壓直流電纜(工程應用級，如電壓等級為160kV或以上，絕緣厚度為1mm至20mm之間)在開發(fā)試驗、預鑒定試驗、負荷循環(huán)試驗及長期老化試驗期間擠出絕緣層(如交聯(lián)聚乙烯XLPE)在控制溫度梯度下的空間電荷測量。本發(fā)明還涉及采用上述系統(tǒng)進行全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA(電聲脈沖法)空間電荷測量的方法。

【背景技術】
[0002]近年來，高壓直流輸電技術發(fā)展迅速，已經(jīng)在大功率遠距離輸電和離岸風電場與主網(wǎng)連接等方面有所應用。高壓交流輸電線路中采用的XLPE絕緣電纜，具有體積小、重量輕、傳輸容量大、絕緣性能優(yōu)異、維護成本低、對環(huán)境影響小等一系列優(yōu)點，因此其在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應用也引起了人們廣泛的興趣。但是XLPE要成功應用于高壓直流電纜絕緣系統(tǒng)，還有一系列關鍵技術有待進一步深入研究，例如空間電荷在不同溫度梯度場下的聚積與遷移規(guī)律，絕緣長期運行可靠性及老化機理等。
[0003]XLPE直流電纜的研究核心是空間電荷問題。絕緣層中空間電荷的聚積與遷移將改變電場的分布，進而影響直流電纜的長期運行可靠性和最終壽命。目前國內外廣泛采用PEA方法對薄膜材料中的空間電荷進行測量。而對于同軸電纜而言，PEA空間電荷測量技術僅僅局限于小模型電纜且絕緣層具有均勻溫度分布的情況。為了準確考核工程應用直流電纜絕緣中空間電荷特性并對絕緣材料中發(fā)生的不可逆變化做出科學評價，需要進行全尺寸直流電纜在接近運行工況下的空間電荷測量與試驗。但是，直流電纜的預鑒定試驗和長期負荷循環(huán)試驗中的PEA空間電荷測量技術是一項挑戰(zhàn)，尤其要在大絕緣厚度(如十幾毫米以上)實現(xiàn)高分辨率和高精度的測量，還存在諸多技術難點有待解決。
[0004]直流電纜絕緣中的電場分布與材料電導率密切相關，而電導率又是電場強度和溫度的函數(shù)。為了使不同直流電纜在試驗過程中的空間電荷測量具有可比性，在同軸電纜絕緣PEA空間電荷測量時，不僅要對電纜線芯導體溫度進行控制，還要對電纜外部溫度進行控制，以保證絕緣具有相同的溫度梯度分布。
[0005]其次，在全尺寸直流電纜的預鑒定試驗和負荷循環(huán)試驗中，對電纜長度還有一定要求(如采用CIGRE TB 219和496的推薦試驗方法，試驗電纜長度至少約30米，模擬電纜長度約20米)。與以往長度很短的模型電纜相比，這樣的長電纜在電聲脈沖法的高壓脈沖頻率范圍內必須作為分布電容來考慮。如果采用常規(guī)方法由電纜線芯導體端部注入脈沖電壓，那么由于反射和衰減，將無法在測量點施加預定波形的高壓脈沖，從而也無法實現(xiàn)準確測量的目的。為了解決這一問題，高壓脈沖的施加方式(位置)需要改變?，F(xiàn)有電纜PEA測量系統(tǒng)的接地方式(外半導電層接地)也因此無法再適用。由于測量設備如示波器處在地電位，則高壓脈沖施加點和測量設備之間必須采用某種手段進行隔離。
[0006]再次，在負荷循環(huán)試驗中的高負荷情況下，可能需要直流電纜外部溫度高于環(huán)境溫度，具體可視溫度梯度要求而定?，F(xiàn)有PEA測量技術中的壓電傳感器材料多為具有壓電特性的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜，其正常最高工作溫度為60°C。超過這一溫度，PVDF的壓電性能將變得不穩(wěn)定，甚至遭到破壞。這也對選擇全尺寸直流電纜PEA測量系統(tǒng)中的壓電傳感材料提出了更高要求。
[0007]最后，現(xiàn)有同軸模型電纜PEA測量系統(tǒng)中的金屬電極被加工成扇形以貼合外表面為圓柱形的電纜，這種電極設計只適用于單一尺寸的電纜試樣，一旦電纜外徑尺寸發(fā)生變化，原有電極系統(tǒng)將不再適用，給測量帶來極大不便。而另一種平板電極設計，在進行大尺寸電纜測量時，由于試驗負荷變化引起溫度變化，加之PEA測量裝置自重的影響，將難以保證測量在同一固定點上進行。


【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明所要解決的第一個技術問題，就是提供一種全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明所要解決的第二個技術問題，就是提供一種采用上述系統(tǒng)進行全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量的方法。
[0010]本發(fā)明的系統(tǒng)和方法用于全尺寸高壓直流電纜在研發(fā)試驗、預鑒定試驗、負荷循環(huán)試驗和長期老化試驗期間電纜絕緣在控制溫度梯度下的空間電荷測量，可以達到較高的分辨率和測量精度。
[0011]解決上述第一個技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0012]一種全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，包括:
[0013]一直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置2，用于實現(xiàn)直流電纜PEA空間電荷測量時對電纜絕緣層溫度梯度的控制；
[0014]一電極系統(tǒng)3，用于直流電纜PEA空間電荷測量時注入高壓脈沖；
[0015]一 PEA空間電荷測量裝置4，用于利用PEA方法測量直流電纜絕緣層在控制溫度梯度下的空間電荷；
[0016]一外部測量控制裝置6，用于將接收的光信號轉換為電信號并進行記錄和分析處理，顯示空間電荷測量結果；
[0017]所述的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置2具有一包圍試驗電纜2-1的密閉空間，所述的電極系統(tǒng)3連接在所述密閉空間內的試驗電纜2-1上、通過導線連接密閉空間外的高壓脈沖源5，所述的PEA空間電荷測量裝置4連接在電極系統(tǒng)3上，所述的外部測量控制裝置6位于密閉空間外并與PEA空間電荷測量裝置4連接。
[0018]所述的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置2包括:
[0019]一形成密閉空間的溫度和濕度調節(jié)裝置外殼2-3，外殼上設有溫度和濕度調節(jié)介質入口 2-2、出口 2-4以及試驗電纜穿入、穿出孔，以及一可加熱或冷卻內儲溫度和濕度調節(jié)介質的儲存容器(未畫出)，儲存容器具有流出、流入口與所述的溫度和濕度調節(jié)裝置外殼2-3的入口、出口對應連接形成調節(jié)介質循環(huán)回路，試驗電纜2-1可穿入和穿出所述的穿入、穿出孔；
[0020]溫度和濕度測量裝置2-5，設在所述的溫度和濕度調節(jié)裝置外殼2-3內，測量結果由數(shù)據(jù)線引出；
[0021]試驗電纜線芯導體加溫裝置2-6，穿套在試驗電纜2-1的非測量區(qū)域處；
[0022]模擬電纜線芯導體加溫裝置2-8，穿套在一模擬電纜2-7上，電纜線芯導體溫度測量裝置2-9，埋設在上述模擬電纜2-7內部；
[0023]所述的試驗電纜測量區(qū)域指直流電纜去掉外護套而露出外半導電層的部分，從內到外依次為電纜線芯導體3-4、電纜內半導電層3-5、電纜絕緣層3-6和電纜外半導電層
3-7 ;所述的上電極設置在試驗電纜測量區(qū)域的電纜外半導電層上；所述的模擬電纜2-7與試驗電纜2-1為同種直流電纜。
[0024]所述的試驗電纜線芯導體加溫裝置2-6與模擬電纜線芯導體加溫裝置2-8通過自動控制臺進行控制和調節(jié)，實現(xiàn)在直流電纜PEA空間電荷測量時對試驗電纜線芯導體溫度的實時控制，此為現(xiàn)有技術。
[0025]所述的電極系統(tǒng)3包括:
[0026]一上電極3-3，為矩形鋁合金電極，下表面中部設有三角形水平橫向槽、橫向槽的兩側分別開有豎向的通孔；
[0027]—對應的下電極3-8,為矩形招合金電極,上表面中部設有圓弧形橫向槽，橫向槽的兩側分別開有豎向的通孔；
[0028]上、下電極合起后的中間橫向槽用于容納試驗電纜；
[0029]對應數(shù)量(雙數(shù))的金屬螺桿3-2，分別穿過上、下電極兩側豎孔后擰有螺母3-1連接上、下電極，通過螺母3-1調節(jié)上電極3-3與下電極3-8之間的距離，適應不同外徑尺寸的直流電纜；所述的上電極3-3與高壓脈沖源5相連。
[0030]所述的PEA空間電荷測量裝置4包括:
[0031 ] 一壓電傳感器4-10，緊貼在所述的電極系統(tǒng)3下電極3-8底面，用于檢測直流電纜絕緣中產(chǎn)生的聲信號，并將聲信號轉換為電信號；所述的壓電傳感器采用新型復合壓電材料偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物P(VdF-TrFE)薄膜；
[0032]一聲信號吸收裝置4-11，緊貼在所述的壓電傳感器4-10底面，用于聲信號的吸收，以防止聲信號發(fā)生反射；
[0033]—放大器4-13,用于對壓電傳感器4-10輸出的電信號進行放大；
[0034]一電光轉換裝置4-14，用于接收放大器4-13的輸出信號，并進行電光轉換；
[0035]模擬光纖4-15,用于傳輸電光轉換裝置4-14輸出的光信號；
[0036]屏蔽箱4-12，采用屏蔽性能較好的黃銅材料，用于屏蔽壓電傳感器4-10、聲信號吸收裝置4-11、放大器4-13和電光轉換裝置4-14，使上述設備免受外界電磁波干擾。
[0037]所述的外部測量控制裝置6包括:光電轉換裝置、示波器和計算機，用于將接收的光信號轉換為電信號并進行記錄和分析處理，顯示空間電荷測量結果。
[0038]所述的測量系統(tǒng)還包括:一定數(shù)量的電纜支撐裝置4-19，用于支撐試驗電纜，支撐部位在試驗電纜遠離測量區(qū)域的電纜外護套4-8處；接地裝置4-18，用于高壓脈沖源和試驗電纜外護套4-8可靠接地。
[0039]試驗電纜測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間內的溫度和濕度通過溫度和濕度調節(jié)介質進行控制和調節(jié)，直流電纜線芯導體溫度通過在模擬電纜回路和試驗電纜回路中使用感應電流加熱方式進行控制，高壓脈沖由置于試驗電纜外半導電層上的上電極直接注入。
[0040]解決上述第二個技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0041]一種采用上述系統(tǒng)進行全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量的方法，包括以下步驟:
[0042]SI除去試驗電纜測量區(qū)域的電纜外護套，露出外半導電層，然后將試驗電纜測量區(qū)域固定于上、下電極之間，保持外半導電層與上、下電極面良好接觸；
[0043]S2將試驗電纜和模擬電纜分別連接成閉合回路；
[0044]S3在試驗電纜測量區(qū)域設置包圍電纜外半導電層的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置；
[0045]S4對直流電纜線芯導體溫度進行調節(jié)，使試驗電纜線芯導體在規(guī)定的升溫時間內升至指定工作溫度；
[0046]S5對直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置所包圍密閉空間內的溫度和濕度進行調節(jié)，使試驗電纜測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間內部達到指定的溫度和濕度，從而形成預定的試驗電纜絕緣層溫度梯度；
[0047]S6從直流電纜終端向試驗電纜施加直流高壓，通過上電極向試驗電纜測量區(qū)域施加高壓脈沖；
[0048]S7對受到溫度梯度場、高壓電場和高壓脈沖作用的試驗電纜絕緣層中產(chǎn)生的聲信號進行檢測，并將聲信號轉換為電信號輸出；
[0049]S8對輸出的電信號進行放大；
[0050]S9對放大的電信號進行傳輸、接收和處理，最終顯示試驗電纜絕緣層中空間電荷測量結果信息。
[0051]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0052]1、不僅對直流電纜線芯導體溫度進行控制，而且對測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間內的溫度進行控制(也可以控制濕度)，實現(xiàn)直流電纜絕緣層控制溫度梯度下的空間電荷測量，用以研究全尺寸直流電纜絕緣在不同溫度梯度下的空間電荷分布與傳輸機理；
[0053]2、采用一種適合大長度全尺寸高壓直流電纜的測量電極系統(tǒng)與高壓脈沖注入方式，在測量區(qū)域的電纜外半導電層上設置金屬電極，在上述金屬電極上施加高壓脈沖，確保高壓脈沖的電壓幅值和波形滿足預定要求；
[0054]3、壓電傳感器采用新型復合壓電材料P(VdF-TrFE)，能在較高溫度下保持優(yōu)良的壓電性能，保證測量靈敏度和準確性；
[0055]4、使用電光轉換裝置將放大器輸出信號經(jīng)模擬光纖引出至外部測量控制裝置，實現(xiàn)測量點與外部測量設備的有效隔離，同時保證放大器輸出信號在傳輸中不受外界噪聲干擾；
[0056]5、采用特殊設計的上、下測量電極系統(tǒng)，上、下電極之間的距離可以調節(jié)，滿足了適應不同外徑尺寸直流電纜的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0057]圖1是全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)的組成和連接關系不意圖；
[0058]圖2a是本發(fā)明實施例的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置示意圖之一；
[0059]圖2b是本發(fā)明實施例的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置示意圖之二 ；
[0060]圖3是本發(fā)明實施例的電極系統(tǒng)結構示意圖；
[0061]圖4是本發(fā)明實施例的PEA空間電荷測量裝置結構示意圖；
[0062]圖5是本發(fā)明實施例的PEA空間電荷測量方法流程圖。
[0063]其中，2-直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置，3-電極系統(tǒng)，4-PEA空間電荷測量裝置，5-高壓脈沖源，6-外部測量控制裝置，8-高壓電源；
[0064]2-1是試驗電纜，2-2是溫度和濕度調節(jié)介質入口，2-3是溫度和濕度調節(jié)裝置外殼，2-4是溫度和濕度調節(jié)介質出口，2-5是溫度和濕度測量裝置，2-6是試驗電纜線芯導體加溫裝置，2-7是模擬電纜，2-8是模擬電纜線芯導體加溫裝置，2-9是電纜線芯導體溫度測量裝置；
[0065]3-1是螺母，3-2是金屬螺桿，3-3是上電極，3_4是電纜線芯導體，3_5是電纜內半導電層，3-6是電纜絕緣層，3-7是電纜外半導電層，3-8是下電極；
[0066]4-8是電纜外護套，4-10是壓電傳感器，4_11是聲信號吸收裝置，4_12是屏蔽箱，
4-13是放大器，4-14是電光轉換裝置，4-15是模擬光纖，4_18是接地裝置，4_19是電纜支撐
>j-U ρ?α裝直。

【具體實施方式】
[0067]下面將結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0068]如圖1和圖4所示，本發(fā)明的全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)實施例包括:一直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置2，用于實現(xiàn)直流電纜PEA空間電荷測量時對電纜絕緣層溫度梯度的控制；一電極系統(tǒng)3，用于直流電纜PEA空間電荷測量時注入高壓脈沖；一 PEA空間電荷測量裝置4，用于利用PEA方法測量直流電纜絕緣層在控制溫度梯度下的空間電荷；以及一外部測量控制裝置6，用于將接收的光信號轉換為電信號并進行記錄和分析處理，顯示空間電荷測量結果；一定數(shù)量的電纜支撐裝置4-19，用于支撐試驗電纜，支撐部位可在試驗電纜遠離測量區(qū)域的電纜外護套4-8處；接地裝置4-18，用于高壓脈沖源和試驗電纜外護套4-8可靠接地。
[0069]直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置2具有一包圍試驗電纜(2-1)的密閉空間，電極系統(tǒng)3連接在密閉空間內的試驗電纜(2-1)上、通過導線連接密閉空間外的高壓脈沖源5，PEA空間電荷測量裝置4連接在電極系統(tǒng)3上，外部測量控制裝置6位于密閉空間外并與PEA空間電荷測量裝置4連接。
[0070]更具體地說明如下，直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置2包括(參見圖2a、圖2b和圖4):
[0071]一形成密閉空間的溫度和濕度調節(jié)裝置外殼2-3，外殼上設有溫度和濕度調節(jié)介質入口 2-2、出口 2-4以及試驗電纜穿入、穿出孔，以及一可加熱或冷卻內儲溫度和濕度調節(jié)介質的儲存容器(未畫出)，儲存容器具有流出、流入口與溫度和濕度調節(jié)裝置外殼2-3的入口、出口對應連接形成調節(jié)介質循環(huán)回路，試驗電纜2-1可穿入和穿出所述的穿入、穿出孔；
[0072]溫度和濕度測量裝置2-5，設在溫度和濕度調節(jié)裝置外殼2-3內，測量結果由數(shù)據(jù)線引出；
[0073]試驗電纜線芯導體加溫裝置2-6，穿套在試驗電纜2-1的非測量區(qū)域處；
[0074]模擬電纜線芯導體加溫裝置2-8，穿套在一模擬電纜2-7上，電纜線芯導體溫度測量裝置2-9，埋設在上述模擬電纜2-7內部；
[0075]模擬電纜2-7與試驗電纜2-1為同種直流電纜，試驗電纜測量區(qū)域指直流電纜去掉外護套而露出外半導電層的部分；試驗電纜線芯導體加溫裝置2-6與模擬電纜線芯導體加溫裝置2-8通過自動控制臺進行控制和調節(jié)，實現(xiàn)在直流電纜PEA空間電荷測量時對試驗電纜線芯導體溫度的實時控制，此為現(xiàn)有技術。
[0076]參見圖3和圖4，電極系統(tǒng)包括:
[0077]—上電極3-3，為矩形鋁合金電極，下表面中部設有三角形水平橫向槽、橫向槽的兩側分別開有豎向的通孔；
[0078]—對應的下電極3-8,為矩形招合金電極,上表面中部設有圓弧形橫向槽，橫向槽的兩側分別開有豎向的通孔；
[0079]上、下電極合起后的中間橫向槽用于容納試驗電纜；
[0080]對應數(shù)量(雙數(shù))的金屬螺桿3-2，分別穿過上、下電極兩側豎孔后擰有螺母3-1連接上、下電極，通過螺母3-1調節(jié)上電極3-3與下電極3-8之間的距離，適應不同外徑尺寸的直流電纜；所述的上電極3-3與高壓脈沖源5相連。
[0081]試驗電纜測量區(qū)域從內到外依次為電纜線芯導體3-4、電纜內半導電層3-5、電纜絕緣層3-6和電纜外半導電層3-7 ;上電極設置在試驗電纜測量區(qū)域的電纜外半導電層上。
[0082]參見圖4, PEA空間電荷測量裝置4包括:
[0083]一壓電傳感器4-10，緊貼在所述的電極系統(tǒng)3下電極3-8底面，用于檢測直流電纜絕緣中產(chǎn)生的聲信號，并將聲信號轉換為電信號，壓電傳感器采用新型復合壓電材料偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物P (VdF-TrFE)薄膜；
[0084]一聲信號吸收裝置4-11，緊貼在所述的壓電傳感器4-10底面，用于聲信號的吸收，以防止聲信號發(fā)生反射；
[0085]—放大器4-13,用于對壓電傳感器4-10輸出的電信號進行放大；
[0086]電光轉換裝置4-14,用于接收放大器4-13的輸出信號,并進行電光轉換；
[0087]模擬光纖4-15,用于傳輸電光轉換裝置4-14輸出的光信號；
[0088]屏蔽箱4-12，采用屏蔽性能較好的黃銅材料，用于屏蔽壓電傳感器4-10、聲信號吸收裝置4-11、放大器4-13和電光轉換裝置4-14，使上述設備免受外界電磁波干擾。
[0089]外部測量控制裝置6包括:光電轉換裝置、示波器和計算機，用于將接收的光信號轉換為電信號并進行記錄和分析處理，顯示空間電荷測量結果。
[0090]試驗電纜測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間內的溫度和濕度控制通過溫度和濕度調節(jié)介質進行控制和調節(jié)，直流電纜線芯導體溫度通過在模擬電纜回路和試驗電纜回路中使用感應電流加熱方式進行控制，高壓脈沖由置于試驗電纜外半導電層上的上電極直接注入。
[0091]溫度和濕度調節(jié)裝置外殼2-3形成試驗電纜測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間，溫度和濕度調節(jié)介質在儲存容器中加熱(或冷卻)到某一溫度，經(jīng)過與儲存容器相連的溫度和濕度調節(jié)介質入口 2-2進入上述密閉空間，再經(jīng)過與儲存容器相連的溫度和濕度調節(jié)介質出口 2-4回到儲存容器中，完成溫度和濕度調節(jié)介質的循環(huán)，從而達到調節(jié)密閉空間內的溫度和濕度的目的。
[0092]試驗電纜線芯導體加溫裝置2-6和模擬電纜線芯導體加溫裝置2-8在試驗電纜回路2-1和模擬電纜回路2-7中采用同樣的感應電流加熱方式，通過在模擬電纜回路2-7中埋設電纜線芯導體溫度測量裝置2-9，實現(xiàn)對試驗電纜導體線芯的溫度調節(jié)與測量。
[0093]本發(fā)明實施例通過直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置，實現(xiàn)了同時對試驗電纜線芯導體溫度和試驗電纜測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間內的溫度控制，從而可以控制電纜絕緣層的溫度梯度，實現(xiàn)了溫度梯度場、高壓電場和高壓脈沖共同作用下的空間電荷測量，用以研究全尺寸直流電纜絕緣層在不同溫度梯度下的空間電荷分布與傳輸機理。
[0094]通過采用一種適合大長度全尺寸高壓直流電纜的高壓脈沖注入方式，在測量區(qū)域的電纜外半導電層上設置金屬鋁電極，在上述鋁電極上施加高壓脈沖，保證了高壓脈沖的電壓幅值和波形滿足預定要求；通過采用特殊設計的上、下測量電極系統(tǒng)，利用金屬螺桿與螺母調節(jié)上電極與下電極之間的距離，滿足了適應不同外徑尺寸直流電纜的要求。
[0095]本發(fā)明實施例通過采用新型復合壓電材料偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物P (VdF-TrFE)薄膜構成壓電傳感器，保證壓電傳感器在高溫下具有優(yōu)良的壓電性能，實現(xiàn)較高的測量靈敏度和準確性；通過使用電光轉換裝置將放大器輸出信號經(jīng)模擬光纖引出至外部測量控制裝置，實現(xiàn)測量點與外部測量設備的有效隔離，同時保證放大器輸出信號在傳輸中不受外界噪聲干擾。
[0096]實施例4
[0097]如圖5所示，是本發(fā)明實施例的PEA空間電荷測量方法流程圖，包括以下步驟:
[0098]SI除去試驗電纜測量區(qū)域的電纜外護套，露出外半導電層，然后將試驗電纜測量區(qū)域固定于上、下電極之間，保持外半導電層與上、下電極面良好接觸；
[0099]S2將試驗電纜和模擬電纜分別連接成閉合回路；
[0100]S3在試驗電纜測量區(qū)域設置包圍電纜外半導電層的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置；
[0101]S4對直流電纜線芯導體溫度進行調節(jié)，使試驗電纜線芯導體在規(guī)定的升溫時間內升至指定工作溫度；
[0102]S5對直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置所包圍密閉空間內的溫度和濕度進行調節(jié)，使試驗電纜測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間內部達到指定的溫度和濕度，從而形成預定的試驗電纜絕緣層溫度梯度；
[0103]S6從直流電纜終端向試驗電纜施加直流高壓，通過上電極向試驗電纜測量區(qū)域施加高壓脈沖；
[0104]S7對受到溫度梯度場、高壓電場和高壓脈沖作用的試驗電纜絕緣層中產(chǎn)生的聲信號進行檢測，并將聲信號轉換為電信號輸出；
[0105]S8對輸出的電信號進行放大；
[0106]S9對放大的電信號進行傳輸、接收和處理，最終顯示試驗電纜絕緣層中空間電荷測量結果信息。
[0107]測試時，螺母應適度旋緊，以保證測試過程中直流電纜在上、下電極中保持牢固、穩(wěn)定，而電纜絕緣層和外半導電層的形變又不致過大。為保證電纜外半導電層與電極表面緊密接觸，可在接觸面滴適量硅油。
[0108]試驗電纜線芯導體加溫裝置和模擬電纜線芯導體加溫裝置，可采用適當數(shù)量的穿心變壓器，通過電流感應的方式實現(xiàn)加溫，穿心變壓器與調壓器和電源連接。模擬電纜回路用來實現(xiàn)對試驗電纜線芯導體的溫度監(jiān)測和控制。直流電纜線芯導體的預定工作溫度和升溫時間視電纜具體情況和試驗要求而定。
[0109]溫度和濕度調節(jié)介質可以是空氣，溫度調節(jié)范圍可為20°C?60°C，以實現(xiàn)絕緣層不同溫度梯度的要求。在長期老化過程中，由于試驗電纜測量區(qū)域電纜外半導電層暴露在溫度和濕度調節(jié)介質中，因此溫度和濕度調節(jié)介質的濕度應控制在20% RH以下，以避免水分引發(fā)電纜絕緣材料老化。
[0110]下電極、壓電傳感器和聲信號吸收裝置均需保證緊密接觸。
[0111]放大器輸出的電信號可采用電光轉換(E/0)設備轉換為光信號，經(jīng)過模擬光纖引出至外部測量控制裝置，在外部測量控制裝置內，可采用光電轉換(0/E)設備將模擬光纖傳輸?shù)墓庑盘栟D換為電信號，再采用示波器對上述電信號進行記錄，采用計算機對上述電信號進行處理，輸出被測全尺寸直流電纜絕緣層中空間電荷測量結果信息。
[0112]利用本實施例的方法，可以方便地進行全尺寸XLPE絕緣高壓直流電纜在開發(fā)試驗、預鑒定試驗、負荷循環(huán)試驗及長期老化試驗期間絕緣層在所需控制溫度梯度下的電聲脈沖法空間電荷測量。
【權利要求】
1.一種全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，其特征是包括: 直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置(2)，用于實現(xiàn)直流電纜PEA空間電荷測量時對電纜絕緣層溫度梯度的控制； 電極系統(tǒng)(3)，用于直流電纜PEA空間電荷測量時注入高壓脈沖； PEA空間電荷測量裝置(4)，用于利用PEA方法測量直流電纜絕緣層在控制溫度梯度下的空間電荷； 外部測量控制裝置￠)，用于將接收的光信號轉換為電信號并進行記錄和分析處理，顯示空間電荷測量結果； 所述的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置(2)具有一包圍試驗電纜(2-1)的密閉空間，所述的電極系統(tǒng)(3)連接在所述密閉空間內的試驗電纜(2-1)上、通過導線連接密閉空間外的高壓脈沖源(5)，所述的PEA空間電荷測量裝置(4)連接在電極系統(tǒng)(3)上，所述的外部測量控制裝置(6)位于密閉空間外并與PEA空間電荷測量裝置(4)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，其特征是:所述的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置(2)包括: 形成密閉空間的溫度和濕度調節(jié)裝置外殼(2-3)，外殼上設有溫度和濕度調節(jié)介質入口(2-2)、出口(2-4)以及試驗電纜穿入、穿出孔，還有一可加熱或冷卻內儲溫度和濕度調節(jié)介質的儲存容器，儲存容器具有流出、流入口與所述的溫度和濕度調節(jié)裝置外殼(2-3)的入口、出口對應連接形成調節(jié)介質循環(huán)回路； 溫度和濕度測量裝置(2-5)，設在所述的溫度和濕度調節(jié)裝置外殼(2-3)內，測量結果由數(shù)據(jù)線引出； 試驗電纜線芯導體加溫裝置(2-6)，穿套在試驗電纜(2-1)的非測量區(qū)域處； 模擬電纜線芯導體加溫裝置(2-8)，穿套在一模擬電纜(2-7)上； 電纜線芯導體溫度測量裝置(2-9)，埋設在上述模擬電纜(2-7)內部； 所述的試驗電纜測量區(qū)域指直流電纜去掉外護套而露出外半導電層的部分，試驗電纜從內到外依次為電纜線芯導體(3-4)、電纜內半導電層(3-5)、電纜絕緣層(3-6)和電纜外半導電層(3-7);所述的電極系統(tǒng)(3)的上電極設置在試驗電纜測量區(qū)域的電纜外半導電層上；所述的模擬電纜(2-7)與試驗電纜(2-1)為同種直流電纜；所述的試驗電纜線芯導體加溫裝置(2-6)與模擬電纜線芯導體加溫裝置(2-8)通過自動控制臺進行控制和調節(jié)，實現(xiàn)在直流電纜PEA空間電荷測量時對試驗電纜線芯導體溫度的實時控制。
3.根據(jù)權利要求2所述的全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，其特征是:所述的電極系統(tǒng)(3)包括: 一上電極(3-3)，為矩形鋁合金電極，下表面中部設有三角形水平橫向槽、橫向槽的兩側分別開有豎向的通孔； 一對應的下電極(3-8),為矩形招合金電極,上表面中部設有圓弧形橫向槽，橫向槽的兩側分別開有豎向的通孔； 上、下電極合起后的中間橫向槽用于容納試驗電纜； 雙數(shù)數(shù)量的金屬螺桿(3-2)，分別穿過上、下電極兩側豎孔后擰有螺母(3-1)連接上、下電極，通過螺母(3-1)調節(jié)上、下電極之間的距離，適應不同外徑尺寸的直流電纜；所述的上電極(3-3)與高壓脈沖源(5)相連。
4.根據(jù)權利要求3所述的全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，其特征是:所述的PEA空間電荷測量裝置(4)包括: 壓電傳感器(4-10)，緊貼在所述的電極系統(tǒng)(3)下電極(3-8)底面，用于檢測直流電纜絕緣中產(chǎn)生的聲信號，并將聲信號轉換為電信號，所述的壓電傳感器采用新型復合壓電材料偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物P(VdF-TrFE)薄膜制作； 聲信號吸收裝置(4-11)，緊貼在所述的壓電傳感器(4-10)底面，用于聲信號的吸收，以防止聲信號發(fā)生反射； 放大器(4-13),用于對壓電傳感器(4-10)輸出的電信號進行放大； 電光轉換裝置(4-14)，用于接收放大器(4-13)的輸出信號，并進行電光轉換； 模擬光纖(4-15),用于傳輸電光轉換裝置(4-14)輸出的光信號； 屏蔽箱(4-12)，采用屏蔽性能良好的材料，用于屏蔽壓電傳感器(4-10)、聲信號吸收裝置(4-11)、放大器(4-13)和電光轉換裝置(4-14)，使上述設備免受外界電磁波干擾。
5.根據(jù)權利要求4所述的全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，其特征是:所述的外部測量控制裝置(6)包括:光電轉換裝置、示波器和計算機，用于將接收的光信號轉換為電信號并進行記錄和分析處理，顯示空間電荷測量結果。
6.根據(jù)權利要求5所述的全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量系統(tǒng)，其特征是:所述的測量系統(tǒng)還包括:一定數(shù)量的電纜支撐裝置(4-19)，用于支撐試驗電纜，支撐部位在試驗電纜遠離測量區(qū)域的電纜外護套(4-8)處；接地裝置(4-18)，用于高壓脈沖源和試驗電纜外護套(4-8)可靠接地。
7.一種采用權利要求1-6任意一項所述的測量系統(tǒng)進行全尺寸高壓直流電纜控制溫度梯度下PEA空間電荷測量的方法，其特征是包括以下步驟: SI除去試驗電纜測量區(qū)域的電纜外護套，露出外半導電層，然后將試驗電纜測量區(qū)域固定于上、下電極之間，保持外半導電層與上、下電極面良好接觸； S2將試驗電纜和模擬電纜分別連接成閉合回路； S3在試驗電纜測量區(qū)域設置包圍電纜外半導電層的直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置； S4對直流電纜線芯導體溫度進行調節(jié)，使試驗電纜線芯導體在規(guī)定的升溫時間內升至指定工作溫度； S5對直流電纜絕緣層溫度梯度控制裝置所包圍密閉空間內的溫度和濕度進行調節(jié)，使試驗電纜測量區(qū)域包圍電纜外半導電層的密閉空間內部達到指定的溫度和濕度，從而形成預定的試驗電纜絕緣層溫度梯度； S6從直流電纜終端向試驗電纜施加直流高壓，通過上電極向試驗電纜測量區(qū)域施加高壓脈沖； S7對受到溫度梯度場、高壓電場和高壓脈沖作用的試驗電纜絕緣層中產(chǎn)生的聲信號進行檢測，并將聲信號轉換為電信號輸出； S8對輸出的電信號進行放大； S9對放大的電信號進行傳輸、接收和處理，最終顯示試驗電纜絕緣層中空間電荷測量結果息。
【文檔編號】G01R29/24GK104297575SQ201410542800
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權日:2014年10月14日
【發(fā)明者】傅明利, 候帥, 田野, 任海洋 申請人:中國南方電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)技術研究中心