專利名稱：不同激勵場下高壓電纜絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高電壓試驗與絕緣測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種不同激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，適用于IlOkV (AC)或±100kV (DC)以上電壓等級擠出絕緣電力電纜。
背景技術(shù)：
隨著我國城市電網(wǎng)的快速發(fā)展與升級改造，交聯(lián)聚乙烯(XLPE，以下簡稱交聯(lián))電纜作為電力電纜工程主流產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交流輸配電線路中。近十年來，交聯(lián)電纜敷設(shè)回路長度以超過15%的年平均增長率穩(wěn)步增長。高壓、超高壓交聯(lián)電纜線路已成為我國交流電網(wǎng)的重要組成部分。相比于高壓交流輸電形式，高壓直流輸電具有許多優(yōu)點:造價成本低、線路損耗小、基本沒有無功功率、電力連接方便、容易控制和調(diào)節(jié)，尤其是在長距離輸電中直流電力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛采用。與交流電力電纜相比，直流電力電纜具有下列優(yōu)點:絕緣的工作電場強度高，絕緣厚度薄，電纜外徑小、重量輕、制造安裝容易；介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗低，載流量大；沒有交流磁場，有環(huán)保方面的優(yōu)勢。直流電纜產(chǎn)品中，與絕緣浸潰直流電纜相比，擠出型高壓直流電纜對環(huán)境污染小、耐熱性好、易維護、重量輕、長距離傳輸無需接頭。目前，國際知名試驗鑒定機構(gòu)如荷蘭的KEMA、意大利的CESI都擁有500kV及以下交流電力電纜的各項試驗?zāi)芰ΑＤ壳半S著世界上直流電纜的發(fā)展，世界上知名的電力電纜試驗室都在發(fā)展500kV及以下直流電纜的試驗?zāi)芰Γ壳坝捎跊]有直流電纜的IEC標(biāo)準(zhǔn)而僅有CIGRE的推薦試驗規(guī)范，因此國際上的直流電纜的試驗考核技術(shù)和能力也不并成熟。CIGRE 在 2003 年 2 月由第 21.01 小組提出了一個《Recommendations for testing DCextruded cable systems for power transmission at a rated voltage up 1 250 kV》推薦試驗方法，但其推薦方法也只在工廠開發(fā)試驗中提出了可進行的試驗條款，主要包括:負荷循環(huán)、重循環(huán)、極性反轉(zhuǎn)、零負荷、脈沖疊加試驗，并無詳細的方法要求或規(guī)定。相關(guān)研究表明，局部放電(Partial Discharge,以下簡稱PD)作為電纜線路早期絕緣故障的主要表現(xiàn)形式，既是引起絕緣老化的主要原因，又是表征絕緣狀況的主要特征參量。從擠出絕緣電纜的介電特性而言，無論是交流高壓電纜還是直流高壓電纜，其內(nèi)部如絕緣氣隙、導(dǎo)體毛刺、半導(dǎo)電尖端、微孔雜質(zhì)等多尺度絕緣缺陷在不同形態(tài)的激勵電場(如工頻交流、直流、振蕩衰減波施加在電纜導(dǎo)體線芯與金屬套之間)作用下，只要缺陷部位由于空間電荷積聚，局部電場強度畸變至一定數(shù)值，必然激發(fā)局部放電，可作為高壓電纜的微觀絕緣缺陷宏觀特征參量。然而國內(nèi)外對于不同形態(tài)激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量如何用通用統(tǒng)一的技術(shù)方法提取，尚未見有關(guān)報道，制約了高壓擠出絕緣電纜絕緣品質(zhì)評價的有效性，不利于空間電荷機理研究、絕緣材料基礎(chǔ)研究、電纜質(zhì)量檢驗測試、電纜線路狀態(tài)評價等工作開展。有鑒于此，本發(fā)明提出一種不同激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，以填補當(dāng)前國內(nèi)外高壓擠出絕緣電纜在不同激勵電場下宏觀特征參量——局部放電信號拾取方法缺失的現(xiàn)實問題，可指導(dǎo)電力設(shè)備質(zhì)量檢驗測試機構(gòu)如何為電力系統(tǒng)用戶在不同激勵場下統(tǒng)一測評高壓擠出絕緣電纜絕緣品質(zhì)，同時促進電纜制造商優(yōu)化提升產(chǎn)品質(zhì)量與性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是填補當(dāng)前國內(nèi)外高壓擠出絕緣電纜在不同激勵電場下宏觀特征量的電磁特征參量拾取方法缺失的現(xiàn)實問題，提出一種不同激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，適用于IlOkV (AC)或±100kV (DC)以上電壓等級擠出絕緣電力電纜。本發(fā)明的技術(shù)方案是:不同激勵場下高壓電纜絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，其特征在于，包括如下步驟:
第一步驟，在電磁屏蔽實驗室內(nèi)，將高壓擠出絕緣電纜兩端安裝充氣式試驗套筒后，通過高壓屏蔽引線與復(fù)合激勵電壓源相連；
第二步驟，在靠近電壓源的近端將電纜金屬套引出直接接地，在遠離電壓源的遠端將電纜外護套作環(huán)切處理，露出寬度L=IOcm的金屬套圓柱面；
第三步驟，在金屬套圓柱面上繞包一層厚度d=0.5mm,寬度為7=10cm的金屬銅箔，銅箔接縫用氬弧焊接；
第四步驟，將射頻信號同軸纜的芯線焊接至銅箔上，同軸纜屏蔽層直接接地；射頻信號同軸纜與高速寬帶示波器輸入通道相連；
第五步驟，啟動復(fù)合激勵電壓源，首先向高壓擠出絕緣電纜施加工頻交流激勵電壓，設(shè)置電壓源線性升壓；
第六步驟，觀察示波器采集的信號，若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則穩(wěn)定電壓時長T=60S，采集并分析信號頻域特征；
第七步驟，若無脈沖電磁波信號，則持續(xù)升壓至上限值，然后停止加壓；
第八步驟，向高壓擠出絕緣電纜施加直流激勵電壓，設(shè)置電壓源線性升壓；
第九步驟，觀察示波器采集的信號，若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則采集并分析信號的頻域特征；
第十步驟，若無脈沖電磁波信號，則持續(xù)升壓至上限值，然后停止加壓，在停止加壓后仍然要采集并記錄時長t=60S的輸入信號，以便觀察電纜內(nèi)電場是否激發(fā)出反極性放電；第十一步驟，向高壓擠出絕緣電纜施加阻尼振蕩波激勵電壓，設(shè)置電壓源階梯式升壓，IOkV/ 級；
第十二步驟，在觀察示波器采集的信號；若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則在當(dāng)前電壓值下重復(fù)加壓N次，20 < NS 50，采集并分析信號的頻域特征；
第十三步驟，若無脈沖電磁波信號，則階梯升壓至上限值，然后停止加壓。如上所述的不同激勵場下高壓電纜絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，其特征在于:同軸結(jié)構(gòu)的高壓擠出絕緣電纜近似等效為電容器，電纜導(dǎo)體為電容器的高壓電極，電纜金屬套為電容器的非高壓電極，無論在哪種激勵場作用下，固態(tài)絕緣材料內(nèi)部局部放電實質(zhì)上是由兩個互異又相互關(guān)聯(lián)的信號變化組成，即大量電荷的積累、交換與因電荷快速遷移引起的電磁場擾動，電荷快速遷移形成的瞬態(tài)脈沖電流激勵出在同軸電容器腔體內(nèi)傳播的電磁波，而在金屬套上繞包金屬銅箔，就是形成圓柱單極子天線傳感器，將其作為電磁波探測天線，用來拾取局部放電在電纜內(nèi)傳播的電磁波信號。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出一種不同激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，以填補當(dāng)前國內(nèi)外高壓擠出絕緣電纜在不同激勵電場下宏觀特征量的電磁特征參量拾取方法缺失的現(xiàn)實問題，適用于IlOkV (AC)或±100kV (DC)以上電壓等級擠出絕緣電力電纜。同時可指導(dǎo)電力設(shè)備質(zhì)量檢驗測試機構(gòu)如何為電力系統(tǒng)用戶在不同激勵場下統(tǒng)一測評高壓擠出絕緣電纜絕緣品質(zhì)，同時促進電纜制造商優(yōu)化提升產(chǎn)品質(zhì)量與性能。


圖1為本發(fā)明的不同激勵場下高壓電纜絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法示意圖。圖2為本發(fā)明的電磁特征參量拾取傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣在本申請所列權(quán)利要求書限定范圍之內(nèi)。圖1中標(biāo)記說明，11-復(fù)合激勵電壓源，12-高壓屏蔽引線，13-充氣式試驗套筒，14-金屬套接地線，15-高壓擠出絕緣電纜，16-金屬銅箔，17-射頻信號同軸纜，18-高速寬帶示波器。圖2中標(biāo)記說明，21-外護套，22-金屬護套，23-外半導(dǎo)電屏蔽層，24-主絕緣，25-金屬銅箔,26-導(dǎo)體線芯,27-內(nèi)半導(dǎo)電層,28-信號輸出端。本發(fā)明實施例提供的不同激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，其具體實施方法是:
第一步驟，在電磁屏蔽實驗室內(nèi)，將高壓擠出絕緣電纜兩端安裝充氣式試驗套筒后，通過高壓屏蔽引線與復(fù)合激勵電壓源相連；
第二步驟，在靠近電壓源的近端將電纜金屬套引出直接接地，在遠離電壓源的遠端將電纜外護套作環(huán)切處理，露出寬度L=IOcm的金屬套圓柱面；
第三步驟，在金屬套圓柱面上繞包一層厚度d=0.5mm，寬度為I=IOcm的金屬銅箔，銅箔接縫用氬弧焊接；
第四步驟，將射頻信號同軸纜的芯線焊接至銅箔上，同軸纜屏蔽層直接接地；射頻信號同軸纜與高速寬帶示波器輸入通道相連；
第五步驟，啟動復(fù)合激勵電壓源，首先向高壓擠出絕緣電纜施加工頻交流激勵電壓，設(shè)置電壓源線性升壓；
第六步驟，觀察示波器采集的信號，若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則穩(wěn)定電壓時長T=60S，采集并分析信號頻域特征；
第七步驟，若無脈沖電磁波信號，則持續(xù)升壓至上限值，然后停止加壓；
第八步驟，向高壓擠出絕緣電纜施加直流激勵電壓，設(shè)置電壓源線性升壓；第九步驟，觀察示波器采集的信號，若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則采集并分析信號的頻域特征；
第十步驟，若無脈沖電磁波信號，則持續(xù)升壓至上限值，然后停止加壓，在停止加壓后仍然要采集并記錄時長t=60S的輸入信號，以便觀察電纜內(nèi)電場是否激發(fā)出反極性放電；第十一步驟，向高壓擠出絕緣電纜施加阻尼振蕩波激勵電壓，設(shè)置電壓源階梯式升壓，IOkV/ 級；
第十二步驟，在觀察示波器采集的信號；若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則在當(dāng)前電壓值下重復(fù)加壓N次(20 < N < 50)，采集并分析信號的頻域特征；
第十三步驟，若無脈沖電磁波信號，則階梯升壓至上限值，然后停止加壓。本實施例第六步驟穩(wěn)定電壓時間長度T=60S,第^--步驟采集并記錄時長t=60S。
在實際操作中，T與t可根據(jù)信號分析需要靈活設(shè)置，一般應(yīng)該取T或t值60或60S以上為佳。電磁特征參量提取的核心原理是:同軸結(jié)構(gòu)的高壓擠出絕緣電纜可近似等效為電容器，電纜導(dǎo)體為電容器的高壓電極，電纜金屬套為電容器的非高壓電極。無論在哪種激勵場作用下，固態(tài)絕緣材料內(nèi)部局部放電實質(zhì)上是由兩個互異又相互關(guān)聯(lián)的信號變化組成——大量電荷的積累、交換與因電荷快速遷移引起的電磁場擾動。IEC60270標(biāo)準(zhǔn)中脈沖電流法就是通過耦合電容器與檢測阻抗測量局部放電完成時空間電荷重新分配引起電纜導(dǎo)體與金屬套兩端產(chǎn)生的電壓變化。電荷快速遷移形成的瞬態(tài)脈沖電流可激勵出在同軸電容器腔體內(nèi)傳播的電磁波，而在金屬套上繞包金 屬銅箔，就是形成圓柱單極子天線傳感器，將其作為電磁波探測天線，用來拾取局部放電在電纜內(nèi)傳播的電磁波信號。本發(fā)明提供的不同激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，與現(xiàn)有技術(shù)的主要區(qū)別在于:國內(nèi)外現(xiàn)有的電纜絕緣缺陷的局部放電檢測一般采用IEC60270所推薦的脈沖電流法，非標(biāo)準(zhǔn)方法中UHF耦合法提取局部放電信號的電磁特征參量也僅基于工頻交流電壓下，并沒有延伸拓展至不同形態(tài)的激勵電場下，而且只針對電纜GIS (組合封閉電器)終端的局部放電檢測才比較有效。如何提取不同激勵場下高壓電纜多尺度絕緣缺陷的電磁特征參量，除了本發(fā)明提出的方法外，目前還沒有相應(yīng)的方法與技術(shù)手段可實現(xiàn)。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.同激勵場下高壓電纜絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步驟，在電磁屏蔽實驗室內(nèi)，將高壓擠出絕緣電纜兩端安裝充氣式試驗套筒后，通過高壓屏蔽引線與復(fù)合激勵電壓源相連； 第二步驟，在靠近電壓源的近端將電纜金屬套引出直接接地，在遠離電壓源的遠端將電纜外護套作環(huán)切處理，露出寬度L=IOcm的金屬套圓柱面； 第三步驟，在金屬套圓柱面上繞包一層厚度d=0.5mm,寬度為7=10cm的金屬銅箔，銅箔接縫用氬弧焊接； 第四步驟，將射頻信號同軸纜的芯線焊接至銅箔上，同軸纜屏蔽層直接接地；射頻信號同軸纜與高速寬帶示波器輸入通道相連； 第五步驟，啟動復(fù)合激勵電壓源，首先向高壓擠出絕緣電纜施加工頻交流激勵電壓，設(shè)置電壓源線性升壓； 第六步驟，觀察示波器采集的信號，若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則穩(wěn)定電壓時長T > 60S,采集并分析信號頻域特征； 第七步驟，若無脈沖電磁波信號，則持續(xù)升壓至上限值，然后停止加壓； 第八步驟，向高壓擠出絕緣電纜施加直流激勵電壓，設(shè)置電壓源線性升壓； 第九步驟，觀察示波器采集的信號，若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則采集并分析信號的頻域特征； 第十步驟，若無脈沖電磁波信號，則持續(xù)升壓至上限值，然后停止加壓，在停止加壓后仍然要采集并記錄時長t > 60S的輸入信號，以便觀察電纜內(nèi)電場是否激發(fā)出反極性放電； 第十一步驟，向高壓擠出絕緣電纜施加阻尼振蕩波激勵電壓，設(shè)置電壓源階梯式升壓，IOkV/ 級； 第十二步驟，在觀察示波器采集的信號；若出現(xiàn)脈沖電磁波信號，則在當(dāng)前電壓值下重復(fù)加壓N次，2050，采集并分析信號的頻域特征； 第十三步驟，若無脈沖電磁波信號，則階梯升壓至上限值，然后停止加壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不同激勵場下高壓電纜絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，其特征在于:同軸結(jié)構(gòu)的高壓擠出絕緣電纜近似等效為電容器，電纜導(dǎo)體為電容器的高壓電極，電纜金屬套為電容器的非高壓電極，無論在哪種激勵場作用下，固態(tài)絕緣材料內(nèi)部局部放電實質(zhì)上是由兩個互異又相互關(guān)聯(lián)的信號變化組成，即大量電荷的積累、交換與因電荷快速遷移引起的電磁場擾動，電荷快速遷移形成的瞬態(tài)脈沖電流激勵出在同軸電容器腔體內(nèi)傳播的電磁波，而在金屬套上繞包金屬銅箔，就是形成圓柱單極子天線傳感器，將其作為電磁波探測天線，用來拾取局部放電在電纜內(nèi)傳播的電磁波信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不同激勵場下高壓電纜絕緣缺陷的電磁特征參量提取方法，其原理是同軸結(jié)構(gòu)的高壓擠出絕緣電纜可近似等效為電容器；利用電荷快速遷移形成的瞬態(tài)脈沖電流可激勵出在同軸電容器腔體內(nèi)傳播的電磁波這一特性，通過在金屬套上繞包金屬銅箔，形成圓柱單極子天線傳感器，將其作為電磁波探測天線，用來拾取局部放電在電纜內(nèi)傳播的電磁波信號。本發(fā)明所提出的方法可填補當(dāng)前國內(nèi)外高壓擠出絕緣電纜在不同激勵電場下宏觀特征量的電磁特征參量拾取方法缺失的現(xiàn)實問題，同時可指導(dǎo)電力設(shè)備質(zhì)量檢驗測試機構(gòu)如何為電力系統(tǒng)用戶在不同激勵場下統(tǒng)一測評高壓擠出絕緣電纜絕緣品質(zhì)，同時促進電纜制造商優(yōu)化提升產(chǎn)品質(zhì)量與性能。
文檔編號G01R31/12GK103091607SQ201210559639
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者夏榮, 趙健康, 蒙紹新 申請人:中國電力科學(xué)研究院