王　伟　何东欣　易登辉　刘　晗　卢　键

(1.华北电力大学高电压与电磁兼容北京重点实验室　北京　102206

2.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)　北京　102206

3.国网冀北电力有限公司检修分公司唐山分部　唐山　063000)



工频电压下电缆本体的空间电荷测试

王伟1，2何东欣1，2易登辉1，2刘晗1，2卢键3

(1.华北电力大学高电压与电磁兼容北京重点实验室北京102206

2.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)北京102206

3.国网冀北电力有限公司检修分公司唐山分部唐山063000)

摘要采用新的相位匹配方法，研制了交流电压下交联聚乙烯电缆本体的空间电荷测量装置。利用该装置进行了两组实验，以研究电缆的交流空间电荷特性。一是对电热老化90 d后的XLPE电缆进行2 h交流极化实验，二是对现场运行15年的电缆进行384 h温度梯度场下交流老化实验；在加压的过程中同时测量空间电荷。实验发现，工频50 Hz电压下电缆内部存在空间电荷；两组实验刚施加电压后，绝缘内部迅速出现随相位呈周期性变化的电荷；在第二组实验长时间老化过程中绝缘内部逐渐积累出不随相位变化的固定电荷。对于第一组实验，绘制总电荷量随交流相位的变化曲线，发现电压下降阶段的电荷多于对应相位的电压上升阶段的电荷，0°的电荷多于180°的电荷。该现象表明电荷复合滞后于电压下降，也间接证明了交流电压下空间电荷的存在。

关键词：空间电荷交联聚乙烯电缆电声脉冲法

0引言

交联聚乙烯(XLPE)交流电缆在输配电网中的应用越来越广泛，电缆绝缘的可靠性直接关系到电力系统的安全运行。空间电荷是导致电缆绝缘劣化的重要原因[1]。在电缆运行过程中，随着持续的加压和老化，XLPE绝缘内部积累空间电荷，引起局部电场严重畸变；电荷在缺陷处的入陷、脱陷和复合过程伴随能量的释放和转移，破坏绝缘结构[2-4]。测试、分析交流电缆绝缘中空间电荷的动态特性对研究电缆的老化机理具有重要意义。

近30年来，随着电声脉冲法空间电荷测试手段的普及，国内外学者对于聚乙烯(PE)类材料的空间电荷特性进行了大量研究。研究主要集中在直流电场下的空间电荷特性[5-8]，测试对象包括PE和XLPE薄片材料和电缆本体[9，10]。由于交流电压下空间电荷的测试对硬件设备要求高，目前研究较少。但相关学者通过实验侧面证实交流电场下空间电荷的作用。文献[11]对低密度聚乙烯(LDPE)薄片材料进行交流电场老化，并测试不同老化时间试品的去压空间电荷，发现空间电荷量与老化时间呈正相关关系。文献[12]测试了PE材料直流电场和交流电场下的电致发光实验，发现交流电场下电致发光比相同幅值直流电场条件强，而电致发光是空间电荷动态行为的宏观表现形式，这说明在交流电场下同样存在大量的空间电荷动态变化。所以研究交流电场下电缆绝缘的空间电荷十分必要。

目前交流空间电荷的研究对象只是切片材料，主要研究空间电荷随交流电压的频率和相位的变化。各家机构对于交流空间电荷特性的研究结果不尽相同。对于相位特征，文献[13]中测试了60 Hz正弦电压下的空间电荷，发现在140°和320°相位处空间电荷最大，在50°和230°相位处最小，而非在交流电压幅值的峰值和过零点；英国的G.Chen和日本的Y Takada的测试结果相同，空间电荷的幅值跟随正弦电压的变化，在90°和270°最大，在0°和180°最小[14]。

对于空间电荷随交流频率的变化，共同的结论是随着频率升高，交流电压下空间电荷逐渐减少。但对于50 Hz工频电压下，聚乙烯内部是否会有空间电荷积累，出现了不同观点。文献[15]认为交流空间电荷积累的截止频率为0.02 Hz，文献[16，17]认为在1 Hz以下的交流电压下才有空间电荷的积累，频率极低(小于0.001 Hz)时空间电荷积累特性接近直流电压，文献[15-17]都认为在50 Hz下不会有空间电荷产生。文献[18]对比了0.1 Hz和50 Hz的交流空间电荷，发现50 Hz电压极化过程中没有空间电荷，但短路时LDPE内部出现了少量的异极性电荷。文献[19]测试了从直流到交流10 Hz电压、温度从25 ℃到50 ℃的空间电荷，发现10 Hz电压下，在25 ℃时在2 h极化时间内没有空间电荷积累，但在50 ℃时出现明显的负空间电荷积累。文献[20]研究了工频电压下油浸绝缘纸的空间电荷特性，发现在加压120 min内铝板电极处的空间电荷增大。总结目前的交流空间电荷文献发现，工频电压下测量到的空间电荷主要是电极处的界面电荷，或者工频电压极化后短路状态下的去压空间电荷[18，20，21]。

目前尚无电缆本体的交流空间电荷研究。交流空间电荷测试设备需要同时满足测试电缆本体和交流空间电荷对硬件的要求，要达到脉冲源幅值大、频率高、相位匹配准确、信号采集速度快[22，23]，并消除电缆杂散电容的影响[24]。本实验室首次实现了交流电压下对电缆本体空间电荷的测量，达到较为理想的测量效果。相较于目前已有的切片交流空间电荷测量方法，该装置采用了新的相位匹配技术，直接从工频电压中取出交流相位，确保了空间电荷测试的准确性。

本文搭建了电缆本体交流空间电荷测试平台，并进行了两组实验，绘制了电缆总电荷量随相位的变化曲线，发现总电荷量随相位并非完全对称，证明了交流空间电荷的存在。

1测量系统介绍

1.1测量系统

交流电压下电缆本体的空间电荷测试系统由变压器、空间电荷测试单元、脉冲电压源、交流电压相位匹配电路、示波器及信号处理软件组成。每个环节都对测试结果的准确性起到重要作用。脉冲电压源输出的脉冲波形直接决定测试的空间电荷波形的质量；空间电荷测试单元要屏蔽外界干扰，且压电传感器和放大器的匹配会影响测试波形的过冲；相位匹配电路要求脉冲信号和交流正弦相位匹配准确，且要避免脉冲高压源引起高频干扰的影响；示波器要求数据传输速度快、存储深度高；信号处理软件要求能处理空间电荷波形的过冲，恢复电缆同轴结构和电场产生的衰减和色散。图1是整个测试系统的示意图。

图1　XLPE电缆本体交流空间电荷测量系统Fig.1　AC space charge measurement system for XLPE cable

电声脉冲法(PEA)测试电缆本体空间电荷的基本原理是，施加脉冲电压到电缆线芯，绝缘外侧通过锡纸接地。脉冲电压使空间电荷振动，产生超声波，向下传播穿过下电极铝板，作用在PVDF压电传感器上产生正比于声波的电压信号，经过放大器后输出到示波器上采集波形。采集到的电压随时间的波形即反映电缆中垂直向下的半径方向的空间电荷的分布。

脉冲电压源使用德国Behlke公司生产的高压MOSFET开关，根据脉冲形成线原理搭建。脉冲电压是脉宽为50 ns的周期性方波，频率为0～2 000 Hz，电压为5 kV。实验装置的测量电极采用平板型电极，这种电极结构可以测量不同绝缘厚度的聚合物电缆中的空间电荷分布。测量电极厚18 mm，压电传感器为30 μm PVDF压电薄膜。

电缆的圆柱形结构造成外屏蔽层与测量电极(也是接地电极)之间产生杂散电容，畸变脉冲电压波形，如图2所示。为此，使用一层100 μm的铝箔紧密包裹电缆外屏蔽层，减小杂散电容对脉冲电压的影响。为减少接触面阻碍超声波传播造成的损失，使用硅脂粘贴铝箔，铝箔与测试电极之间涂抹硅油。

图2　电缆外屏蔽层对电极杂散电容影响示意图Fig.2　Stray capacitance between the cable’s outer semi-con and the ground plate

为防止高压下发生闪络，在电缆两端安装应力锥；为避免电晕，在电缆线芯两端设计防晕球，如图3所示。经过设计和检测，应力锥的耐闪络电压是AC 50 kV。

图3　电缆防闪络和电晕结构设计Fig.3　Cable design against flashover and corona

PEA声波在XLPE传播过程中会发生衰减和色散，电缆的同轴结构导致电场分布不均匀和声波的由内向外的扩散衰减；压电传感器静态电容和放大器前置输入阻抗构成滤波电路，引起非线性相位失真和损耗，导致PEA信号在电极界面附近发生过冲。所以需要消除测试系统产生的信号过冲、衰减和色散等影响[25]。笔者编写了信号处理程序，对空间电荷波形进行恢复和处理。该程序能有效实现电缆本体空间电荷信号的恢复和处理。

1.2相位匹配电路

本文通过电容分压器获得与交流电压相位一致的正弦信号，经过滤波电路和过零比较电路，进行相位矫正，得到与正弦电压频率和相位相同的方波信号。方波信号触发信号发生器，输出40个连续周期为500 μs的短方波信号，总时间刚好为正弦信号的一个周期20 ms。输出的短方波信号触发MOSFET高压开关，产生脉冲电压，作用在电缆上测试空间电荷。与正弦电压同步的方波信号不断地触发信号发生器，使高压开关连续动作。脉冲电压的频率为40×50 Hz=2 000 Hz。

脉冲电压通过400∶1的电阻分压器产生同步低脉冲电压信号，触发示波器采集波形，这样能确保空间电荷的测试时间与交流电压的相位准确对应。每个正弦周波测量40个相位的空间电荷，即每隔9°一个测试点，可以准确地反映交流空间电荷随相位的变化。通过LeCroy示波器(HDO6054)采集空间电荷波形，每次实验连续采集20 000段有效的空间电荷波形，即500个工频周波。整个测试时间为10 s。从所有周波中提取出每个相位的波形，均分500次，得到40个相位的空间电荷波形。

脉冲电压的频率高达几百兆赫兹，会引起相位匹配电路中很大幅值的振荡脉冲，干扰信号发生器的正常触发。为了屏蔽脉冲干扰，通过隔离变压器和光耦合器将相位匹配电路与电容分压器和脉冲电压源进行电气隔离。

这种直接从工频电压中取出交流相位的方法，保证了相位匹配的精确性，适用于实际频率有所波动的交流电压下的测试。

2工频电压下电缆的空间电荷测试

2.1常温短时间的交流极化实验

选取电热联合老化的XLPE交流电缆作为实验试样。试品电缆选用青岛汉缆股份有限公司生产的10 kV XLPE电缆，导体截面积为240 mm2，主绝缘厚4.5 mm。电缆在103 ℃、34.8 kV(4倍额定电压)条件下，老化90 d，以下称“电缆1”。空间电荷测试前放置在90 ℃烘箱中短路24 h，以除去剩余的电荷。

对电缆试样施加AC 34.8 kV(4倍额定电压)极化电压2 h，每隔15 min测试一次交流空间电荷；2 h后撤去交流电压，对电缆进行短路，并测量1 000次平均的空间电荷。

测试发现，在交流电压下，电缆内部出现随相位变化的周期性空间电荷分布；并且在2 h的极化时间内，周期性空间电荷的幅值和位置基本不随极化时间而变化。图4是交流极化2 h时，电缆40个相位测试点空间电荷分布的三维展示。图5是0°、90°、180°和270°的空间电荷分布。电荷波形的横坐标描述了从电缆外侧到内侧的沿半径方向的厚度分布。电缆内部有1、2两处明显的空间电荷，其中1处有两个峰，为两个电荷包的叠加，靠近下电极的位置也有少量电荷。这种电荷的幅值和极性随交流相位呈周期性变化，在90°和270°最大；在0°和180°最小。撤去交流电压后，立即测试短路状态下的空间电荷，发现电缆内部的电荷已消散。

图4　交流电压下电缆1的40个相位的空间电荷分布三维图Fig.4　Three-dimensional diagram AC space charge profile of cable 1 at 40 phases

图5　电缆1的4个相位空间电荷分布Fig.5　Space charge profile of cable 1 at 4 phases

根据实验现象分析，外施电场对周期性电荷的作用具有瞬时性，即施加电场后，电荷立即出现；撤去电压后电荷立即消失。笔者认为周期性电荷是由电缆内部不均匀区分子极化产生。XLPE电缆在电热老化后，绝缘内部的微观结构遭到破坏，局部出现不均匀区；不均匀区内的极化子在外施电场的作用下发生转向极化，由于转向极化产生电荷的时间非常短(10-6～10-2s)，所以周期性电荷表现出随外施电场瞬时变化的特征。不同的电缆试样测到的周期性电荷位置不同。

2.2温度梯度场长时间的交流老化实验

本文对已在现场运行15年的电缆(以下称“电缆2”)进行温度梯度场(外侧80 ℃，内侧115 ℃)以及47 kV的条件下连续384 h的加压实验，比“电缆1”的实验提高了电缆温度、延长了极化时间，实时测试电缆的空间电荷分布时，发现了逐渐积累的极性固定的空间电荷。

图6和图7分别是实验前和实验384 h后电缆在4个典型相位下的空间电荷分布。可以看出，施加47 kV交流电压后，电缆3处立即出现随相位呈周期性变化的电荷，电荷的位置分布在距电缆外侧0.8～2 mm之间，从外至内分布两种不同极性的电荷，在加压过程中，电荷的幅值和位置基本无变化。

图6　电缆2在加热前的各相位空间电荷分布Fig.6　Space charge profiles of cable 2 at different phases before applying voltage

图7　电缆2在加热384 h后的各相位空间电荷分布Fig.7　Space charge profiles of cable 2 at different phases after aapplying voltage for 384 h

随着加压时间的增加，在距电缆外侧4 mm位置4处出现不随相位变化的电荷，在图7中用椭圆框标出。从图中可以看出，该电荷为正负电荷相邻分布，0°、90°、180°和270°的电荷的位置、极性和幅值基本相同，并没有随交流电压的相位发生变化。该电荷随老化时间逐渐增大，在384 h后增大至约0.1 C/m3的电荷密度。相比直流电压下空间电荷的积累(幅值相近的直流电场下，电缆内部在2 h内即积累明显的空间电荷[26])，交流电压下空间电荷的积累速度十分缓慢。

固定电荷可能是由于交流电场下电荷被陷阱捕获而产生。在电热老化过程中，电缆内部的化学键断裂，产生化学陷阱；化学陷阱捕获电离或注入的自由电荷，产生束缚性电荷。束缚性电荷具有一定的时间驻留性，而工频电压下电场变化周期为20 ms，在这么短的时间内，被捕获电荷不会立即消散。所以表现出不随正弦相位变化的特性。不同的电缆试样测到的固定电荷位置不同，这种电荷的存在会对电缆内部电场分布产生一定的影响。

3不同相位的空间电荷总量

根据电缆1交流极化2 h后的40个相位所测空间电荷波形，按照式(1)计算总电荷(界面电荷和内部空间电荷)量Q。

(1)

按相位绘制成曲线，如图8所示。

图8　总电荷量随相位的变化曲线Fig.8　Changing curve of total space charge with phase

观察图8，并结合图5，可以发现以下特征：

1)总电荷量波形近似呈正比。根据Poisson方程，电荷量为

(2)

式中，d为电缆绝缘从内半导电到外半导电的厚度，mm；z为电缆绝缘内部某处到内半导电的半径方向距离，mm。式(2)中，右侧第一项为主要部分，所以电荷量近似与所加电场呈正比。

2)正弦电压负半波的电荷量大于对应相位正半波电荷量，0°和180°的电荷极性相同。这是由于脉冲源电压所致，本实验采用的脉冲源电压为负极性，叠加在极化电压中，导致正弦电压负半波的电荷量大于对应相位正半波电荷量。0°和180°的电荷也是由于脉冲电压的极化产生的，所以两者的电荷极性相同。

3)每个半波电压下降部分的电荷量大于同一半波电压上升部分的电荷量(图8中ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3和ΔQ4分别表示135°、157.5°、315°和337.5°比45°、22.5°、225°和202.5°多出的电荷量)，0°的电荷多于180°的电荷(图5和图8均可看出)。该特征反映出交流空间电荷的动态特性。由于本实验所施加交流电压相对较低，峰值为49.5 kV，靠近线芯处的最大场强只有13.3 kV/mm，尚未达到电极注入电荷的场强，所以电缆内部的电荷是由于极化产生。在电压下降时，正负电荷中心就会发生复合，导致电荷量下降。而电荷复合需要一定的时间，滞后于电压下降，造成少量电荷剩余，导致电压下降时的电荷略多于同半波电压上升期；电压的正负半波均出现此现象。0°(360°)和180°时，电缆内部分别剩余负电荷和正电荷。由于脉冲电压是负极性，所以剩余电荷叠加在脉冲电压产生的电荷上，导致0°的电荷略大于180°的电荷。此现象可以间接证明交流电压下空间电荷的存在。

4结论

本文介绍了交流电压下电缆本体空间电荷的测试方法，搭建了电缆本体空间电荷的测试平台。该平台采用新的交流相位匹配方法，直接从工频电压中取出交流相位，确保了交流空间电荷的测量准确性。

通过该实验平台，在50 Hz电压下对老化后的电缆进行空间电荷测试，证实工频电压下XLPE电缆内部存在空间电荷。电缆内部不同位置出现空间电荷分为随相位呈周期性变化的“周期性电荷”和不随相位变化的“固定电荷”两种。

周期性电荷是在施加交流电压后在电缆内部迅速出现，在90°和270°时电荷量最大，0°和180°时最小，幅值近似随相位呈正弦变化。周期性电荷是由于电缆老化后绝缘内产生不均匀区，不均匀区的极化子在交流电压下转向极化产生的。

固定电荷是在温度梯度场和交流高压长时间共同作用下，电缆绝缘某处逐渐积累出来的，其幅值和极性不随相位变化，积累速度缓慢。电热老化过程产生化学陷阱，自由电荷被陷阱捕获，成为束缚性电荷。束缚性电荷具有一定的时间驻留性，从而导致其不随工频相位而变化。

通过每个测量相位总电荷量的绘制曲线发现，每个半波电压下降阶段的电荷多于同半波电压上升阶段的电荷，0°的电荷多于180°的电荷。这是由于电荷复合滞后于电压下降造成少量电荷剩余所致。该现象间接证明了交流电压下空间电荷的存在。

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王伟男1960年生，教授，研究方向为高电压绝缘、电气设备在线监测与故障诊断。

E-mail：wwei@ncepu.edu.cn

何东欣男1990年生，博士研究生，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断。

E-mail：hedongxin@yeah.net(通信作者)

Space Charge Measurement on Cable Under AC Voltage

WangWei1，2HeDongxin1，2YiDenghui1，2LiuHan1，2LuJian3

(1.Beijing Key Laboratory of High Voltage & Electronmagnetic Compatibility North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 3.State Grid JiBei Electric Power Co.Ltd. Maintenance BranchTangshan BranchTangshan063000China)

AbstractA new kind of AC space charge measurement instrument is introduced in this paper. It can measure the space charge of XLPE cable under AC voltage with a new AC phase matching method. Two experiments are carried out to research the AC space charge characteristics of the cable.Firstly the XLPE cable after electrical-thermal aging for 90 days is polarized for 2 h, and secondly the cable used for 15 years is aged under temperature gradient for 384 h.The space charge profiles are measured simultaneously in the two experiments and several phenomena are found.The space charges exist within the cable insulation under 50 Hz power frequency voltage. In both two experiments, the space charges, which changes periodically and follows the AC phase,appear instantly after the AC voltage is applied.In the second experiment, the steady charge, which do not change with the AC phase, is accumulated gradually within the cable insulation under long-time aging process. The changing curve of the total space charge with AC phases is plotted in the first experiment. It is found that the total charges when AC voltage declines are more than those when AC voltage rises; and the charges in 0° is more than those in 180°. This phenomenon indicates that the charge recombination lags behind the AC voltage declining, which indirectly certifies the existence of the space charge under AC voltage.

Keywords：Space charge, XLPE, cable, pulsed electro-acoustic method

作者简介

中图分类号：TM85

收稿日期2015-02-28改稿日期2015-08-26

国家重点基础研究发展(973)计划(2009CB724506)和国家自然科学基金(51377056)资助项目。