直流疊加沖擊電壓下PEA法空間電荷測量系統(tǒng)的研制

崔伯男，劉 帥，姜泉旭，王 霞

（1.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710115；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

電力系統(tǒng)中許多電纜線路與架空線路相連，直流電纜在正常運行過程中，操作過電壓與雷擊過電壓可能會導致沖擊電壓侵入電力系統(tǒng)中[1]。據(jù)統(tǒng)計，變電站電力設備平均每年遭受雷電沖擊電壓入侵達數(shù)十次[2]，按照30年使用壽命計算，其使用期間承受雷電沖擊電壓達上千次，電力設備每日正常的投切設備則會使其承受數(shù)萬次操作沖擊過電壓[3-4]。雖然直接由沖擊電壓引起的電纜絕緣故障不多見，但直流電壓與沖擊電壓的疊加作用對電纜絕緣的累積影響不容忽視，會加速電纜絕緣的老化[5-6]。

電纜在沖擊電壓下的電場分布可能會發(fā)生改變[7]，許多學者對于直流電纜絕緣在沖擊電壓下電樹枝的引發(fā)特性、影響因素與生長規(guī)律等方面均有所研究[8-10]。DU B X等[11]指出絕緣材料在直流疊加同極性沖擊條件下，直流電壓越高，電樹枝的生長速度越快；疊加異極性時則隨直流電壓的升高，電樹枝的生長速度減慢，且疊加的沖擊極性決定了電樹枝的結構。但直流疊加沖擊電壓過程中空間電荷的遷移及演變特性未見報道，也未見有關可進行直流疊加沖擊電壓空間電荷測量方法的相關報道。

電聲脈沖（PEA）法以其技術簡單、成本低、精度高在國內(nèi)外得到了廣泛應用[12-13]，目前根據(jù)設備運行工況的不同，研究者逐漸開發(fā)出不同測試條件的PEA測量系統(tǒng)，諸如交/直流/方波電場[13]、溫度梯度場、同軸電纜適用型[14]等。同時測試手段和數(shù)據(jù)處理技術也得到了完善和發(fā)展[15]。眾所周知，空間電荷的產(chǎn)生被認為是絕緣材料老化加劇的主要原因，而沖擊電壓或高頻震蕩波作用期間介質(zhì)內(nèi)部電荷的注入、抽出和累積過程的研究仍屬空白。因此，本文通過對傳統(tǒng)的PEA法空間電荷測量系統(tǒng)進行改造，研制了一套適用于直流疊加沖擊電壓下的空間電荷測量系統(tǒng)，短時間內(nèi)多次施加的沖擊電壓可以等效為絕緣材料多年承受的沖擊電壓次數(shù)，在研制設備的基礎上測量直流疊加沖擊電壓下XLPE試樣中的空間電荷特性，研究XLPE在長期經(jīng)受沖擊電壓下電荷積聚特性的演變規(guī)律。

1 電聲脈沖法的測量原理

圖1為PEA法測量空間電荷的基本原理[15]。納秒脈沖電壓通過電極施加到試樣上，直流電壓作用下試樣內(nèi)部感應的空間電荷在納秒脈沖的作用下發(fā)生微弱的振動出現(xiàn)位移從而形成聲波，聲信號經(jīng)過PVDF壓電傳感器后轉(zhuǎn)換為電信號通過示波器輸出。對于交流或方波電壓下的周期性電場，測量系統(tǒng)設計的難點在于交變電場與脈沖電壓的同步；當疊加沖擊電壓在施加電壓上時，關鍵問題是如何實現(xiàn)沖擊電壓與納秒脈沖電壓的解耦，即實現(xiàn)兩者電壓之間的隔離。

圖1 電聲脈沖法基本原理Fig.1 Basic principles of PEA method

1.1 納秒脈沖耦合

電聲脈沖法的測量等效電路如圖2所示[16]。在電聲脈沖法測量中，由于測試樣品具有極大的電阻率且為容性負載，在電路中可以等效為電容Cs。在電聲脈沖法測量中，納秒脈沖屬于高頻交流信號，通過耦合電容Cp和Cs的分壓作用將脈沖電壓施加到試樣上。此外，與納秒脈沖電源串聯(lián)的Cp還可以阻擋直流電壓，起到保護納秒脈沖電源的作用[17]。

圖2 電聲脈沖法等效電路Fig.2 Equivalent circuit of PEA method

直流高壓通過串聯(lián)保護電阻Rd將直流電壓完全耦合到試樣上，Rd可以防止試樣在加壓過程中發(fā)生擊穿導致電源發(fā)生破壞，也可以增大直流電源的等效內(nèi)阻，防止納秒脈沖電壓對直流電源的工作產(chǎn)生干擾，因此Rd應具有高阻值。

1.2 沖擊電壓耦合

圖3為直流疊加沖擊電壓的等效電路。從圖3可以看出，直流電壓支路中通過串聯(lián)電阻使直流電壓耦合到試樣上，沖擊電壓則通過空氣球隙或耦合電容器耦合到被測試樣上?？紤]到空氣球隙在低電壓梯度時可能會使球隙斷開，在異極性沖擊時會導致測試對象發(fā)生放電，使空氣球隙無法穩(wěn)定實現(xiàn)直流電壓與沖擊電壓的疊加，因此在裝置中選取耦合電容器。耦合電容器作為大阻抗用于阻隔交、直流電壓，沖擊電壓通過耦合電容器將電壓耦合到試樣上。沖擊電壓回路上耦合電容器與Cs為兩個電容器串聯(lián)，為保障耦合效率應保證耦合電容器的值遠大于Cs。

圖3 直流疊加沖擊電壓等效電路Fig.3 Equivalent circuit of DC superimposed impulse voltage

2 測量系統(tǒng)參數(shù)選擇

以常用的XLPE薄膜試樣為例，其厚度為0.2～0.5 mm，相對介電常數(shù)為2.3左右[18]。PEA測量系統(tǒng)中，測量電極的接觸面為圓形，直徑為15 mm，可計算得到試樣的等效電容約為10～50 pF。在選擇參數(shù)時，設定試樣電容為20 pF，采用公式推導與Pspice仿真相結合。改進后的直流疊加沖擊電壓空間電荷測量電路與Pspice的仿真電路如圖4所示。

圖4 改進后的PEA測量回路及仿真電路Fig.4 Improved PEA measurement circuit and simulation circuit

2.1 電容Cp的選取

在計算電路參數(shù)時假定各電壓源為理想電源，納秒脈沖電源施加到試樣上的耦合效率可以表示為式（1）。

式（1）中：j為虛數(shù)單位；ωp為施加沖擊電壓的頻率。

在PEA測量系統(tǒng)中，納秒脈沖的脈寬為10 ns，頻率主要分布在100 MHz～5 GHz范圍?？紤]到與試樣Cs并聯(lián)的支路阻抗Ri+1/ωpCi和Rd+1/ωpL比試樣在脈沖頻率分量下的阻抗1/ωpCs大10倍，將式（1）進行簡化可得式（2）。

由式（2）可知，Cp的增大有助于提升脈沖耦合效率。以寬度為10 ns的脈沖進行計算，對于Cp參數(shù)取不同的數(shù)值，得到不同Cp取值時試樣的脈沖耦合效率如圖5所示。

圖5 納秒脈沖耦合效率Fig.5 Coupling efficiency of nanosecond pulse

從圖5可以看出，當Cp增大時，耦合效率增大并趨于飽和。同時需考慮Cp作為沖擊電壓負載電容，取值過大會降低耦合到試樣上的沖擊電壓，且PEA測量過程對納秒脈沖電壓幅值要求較低，納秒脈沖電壓達到1～2 kV即可滿足要求，不需要極高的耦合效率，因此選取Cp電容值為100 pF代入后續(xù)計算。

2.2 電阻Ri的選取

沖擊電壓施加到試樣上的耦合效率表達式如式（3）所示。

式（3）中，ωi為納秒脈沖頻率。

為了確保納秒脈沖的分壓效率不會過低，試樣與直流電壓相連的電阻Rd應為高電阻。為了簡化分析，先將直流支路視為斷路，忽略分子與分母中Rd+jωiL項。此外，由于Rm的阻值固定且遠小于1/ωiCp，同樣可忽略該項，簡化后的耦合效率如式（4）所示。

考慮到?jīng)_擊電壓的變化速度很快，電壓頻率分布廣泛，且能量主要集中在快速變化的階段。以IEC 60060-1-2010規(guī)定 的1.2/50μs雷 電 過 電 壓與250/2 500μs的操作過電壓為例[19]，對兩種過電壓快速升壓部分進行頻域變換，得到兩種標準沖擊電壓的頻譜分布如圖6所示。

圖6 沖擊電壓升壓段頻譜Fig.6 Spectra of impulse voltage boost phase

從圖6可以看出，兩種沖擊電壓的能量在頻率為103～106Hz較為集中，因此將103～106Hz作為ωi的頻率范圍。從式（4）可以看出，為了使沖擊電壓有較高的耦合效率，1/Ci+ωiRi應當足夠小，即Ri較小，Ci較大。首先忽略Ci的影響，對沖擊電壓和納秒脈沖的耦合效率在不同Ri下進行頻率掃描，結果如圖7所示。由圖7可知，在低頻段（103～104Hz）無論Ri取何值沖擊電壓都具有較高的耦合效率，可以認為Ri的取值范圍較大。當Ri較低時，脈沖電壓在高頻下的耦合效率較高。但為了保證樣品上的納秒脈沖電壓不會過低，Ri的值應大于100Ω。因此，選取Ri的值為500Ω。

圖7 不同Ri下耦合效率頻譜Fig.7 Coupling efficiency spectrum under different Ri

2.3 電容Ci的選取

圖8為前述參數(shù)確定，以Ci為變量進行仿真計算時沖擊電壓與納秒脈沖在不同頻率分量下的耦合效率。從圖8(a)可以看出，Ci的取值對納秒脈沖電壓在高頻下的耦合效率影響很小，但對于其耦合頻帶會有一定影響，考慮到納秒脈沖為高頻信號，其對耦合頻帶的影響可以忽略。從圖8(b)可以看出，隨著Ci的增大，耦合到試樣上的沖擊電壓升高，并逐漸達到飽和?？紤]到Ci增大會增加直流電壓源的負載電容，因此Ci不應取值過大，應取值為10 nF。

圖8 不同Ci下耦合效率頻譜Fig.8 Coupling efficiency spectra under different Ci

2.4 電阻Rd的選取

電阻Rd起到保護直流電源的作用，既要阻擋沖擊電壓又要將直流電壓施加到試樣上，考慮到直流電壓充電時間的問題，線路的時間常數(shù)Rd(Ci+Cp+Cs)不應過大，即Rd的阻值不應過大。對Rd進行參數(shù)掃描，通過仿真得到試樣上直流電壓的充電過程，如圖9所示。從圖9可以看出，當Rd大于1 GΩ時，樣品完全充電時間超過10 s，考慮到空間電荷測量的采樣頻率和脈沖施加頻率較高，會影響空間電荷的測量和信號的采集，因此在參數(shù)取值時Rd應小于1 GΩ。

圖9 不同Rd下直流電壓充電時間Fig.9 Charging time of DC voltage under different Rd

圖10為不同Rd下的耦合效率頻譜。從圖10可以看出，Rd的取值不會影響納秒脈沖的耦合，但Rd越大，沖擊電壓的頻帶就越寬，影響最終的測量結果，因此Rd的取值為100 MΩ。

圖10 不同Rd下耦合效率頻譜Fig.10 Coupling efficiency spectra under different Rd

根據(jù)上述分析，Cp、Ri、Ci和Rd分別取100 pF、500Ω、5 nF和100 MΩ，電感L的值設置為0.1 H。

3 測量系統(tǒng)結構

圖11為直流疊加沖擊電壓PEA空間電荷測量系統(tǒng)，主要由以下7部分組成：

圖11 直流疊加沖擊電壓PEA空間電荷測量系統(tǒng)Fig.11 DC superimposed impulse voltage PEA spacecharge measurement system

（1）直流電源：產(chǎn)生高壓直流信號，可調(diào)節(jié)范圍為0～60 kV。

（2）雙路信號發(fā)生器：可產(chǎn)生多種函數(shù)波形，輸出電壓幅值為1 mV～20 V連續(xù)可調(diào)，輸出頻率為0.1～6.0 MHz連續(xù)可調(diào)，使用時通道1輸出方波信號觸發(fā)納秒脈沖開關，通道2輸出指數(shù)波形經(jīng)放大后產(chǎn)生沖擊電壓。

（3）Trek 30任意波形放大器：將輸入的任意周期信號波形放大3 000倍，輸出電壓幅值為0～30 kV，提供沖擊電壓。

（4）納秒脈沖：由高頻高壓開關HTS-50-08-uf搭建而成，檢測到方波上升沿時，產(chǎn)生一個20 ns脈寬、峰值為0～1 000 V的納秒窄脈沖[20]。

（5）PEA電極：上電極向試樣施加沖擊電壓、直流電壓與納秒脈沖電壓，下電極及屏蔽盒接地，聲波信號由下電極處的PVDF薄膜轉(zhuǎn)換為電信號并由放大器輸出。

（6）示波器：顯示空間電荷測量結果。

（7）計算機：采集與處理空間電荷信號。

該測量系統(tǒng)可以測量直流疊加沖擊電壓下試樣的空間電荷特性，同時該測量系統(tǒng)也可以測量直流電壓與沖擊電壓單獨作用時介質(zhì)的空間電荷積聚情況。但是針對該測量系統(tǒng)仍然存在以下需要進行驗證的問題：①在仿真過程中沒有考慮各電壓源的內(nèi)阻，沖擊電壓是否會對納秒脈沖源和直流電源造成損壞；②該測量系統(tǒng)中沖擊電壓由高功率放大器產(chǎn)生，無法承受充放電過程中產(chǎn)生的大電流，需要串聯(lián)保護電阻，這可能會對電壓的波形造成畸變。針對以上兩個問題，在仿真電路中增加電源的內(nèi)阻以及串聯(lián)沖擊電源的保護電阻，將直流電壓設置為10 kV，將操作沖擊電壓設置峰值為10 kV，得到試樣上的電壓波形如圖12所示。

圖12 試樣上的疊加電壓波形Fig.12 Superimposed voltage waveform on the sample

從圖12可以看出，耦合到操作沖擊電壓沒有發(fā)生畸變，能夠完整地與直流電壓疊加。在實際的測試實驗中施加到試樣上的直流疊加沖擊電壓波形與圖12中是一致的，表明測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)完整的電壓疊加。

在直流電壓與沖擊電壓兩個高電壓中，電容能夠完全阻擋直流電壓，不需要考慮直流電壓對其他電源造成的影響，因此只對施加沖擊電壓時直流電源和納秒脈沖源上的電壓進行仿真計算，結果如圖13所示。從圖13可以看出，沖擊電壓耦合到直流電源和納秒脈沖源上的電壓很小，并不會對二者造成破壞。

圖13 直流電源和納秒脈沖源上的沖擊電壓Fig.13 Impulse voltage applied on DC source and nanosecond pulse source

4 直流疊加沖擊電壓下XLPE中空間電荷測量

基于上述直流疊加沖擊電壓PEA法空間電荷測量系統(tǒng)，測量XLPE試樣在直流電壓、沖擊電壓及直流疊加沖擊電壓下的空間電荷特性。

4.1 實驗方案

根據(jù)CIGRE TB496中針對直流電纜關于施加沖擊電壓幅值的建議[21]，同極性疊加時沖擊電壓幅值為直流電壓U0的1.1倍，合成電壓峰值為2.1U0；異極性疊加時沖擊電壓幅值為直流電壓U0的-2.2倍，合成電壓峰值為-1.2U0。

實驗過程中外施直流場強為+40 kV/mm，加壓時間為1 h。同極性沖擊場強為+44 kV/mm，作用時間為20 min，重復頻率為100 Hz；異極性沖擊場強為-88 kV/mm，作用時間與重復頻率同上。反復沖擊電壓的設定是由于考慮到實際電纜運行中，其承受沖擊電壓為含有數(shù)千赫茲高次諧波的振蕩波形，在電纜壽命周期可以承受數(shù)萬次的沖擊電壓[22]。

直流疊加沖擊方式下，當直流電壓作用30 min后開始施加沖擊電壓，沖擊電壓作用時間為1 min。每周期沖擊電壓波形結束的零點位作為空間電荷測量點。更詳細的直流疊加沖擊電壓作用方式參見文獻[23-24]。

4.2 直流電壓下XLPE中空間電荷特性

圖14為+40 kV/mm直流電場下XLPE中空間電荷及短路測量結果。從圖14(a)可以看出，XLPE試樣體內(nèi)出現(xiàn)了明顯的異極性電荷集聚。由圖14(b)可以看出，在正直流電壓下，電極附近主要以異極性電荷為主，由材料內(nèi)部的雜質(zhì)電離產(chǎn)生。在+40 kV/mm的場強下，材料內(nèi)部出現(xiàn)了少量正電荷的積聚，說明陽極發(fā)生了電荷的注入并發(fā)生了遷移，而陽極附近的異極性電荷可能是負離子積聚造成的。

圖14 直流電壓下XLPE中空間電荷特性Fig.14 Space charge characteristics in XLPE under DC voltage

4.3 沖擊電壓下XLPE中空間電荷特性

圖15為沖擊電場下XLPE中空間電荷測量結果。在+44 kV/mm正沖擊場強作用下，XLPE體內(nèi)仍以異極性電荷為主，如圖15(a)所示。而當沖擊場強提高到-88 kV/mm時，XLPE體內(nèi)聚集了大量的同極性電荷，如圖15(b)所示。隨著沖擊電壓作用時間的延長，同極性電荷量逐漸增加并向試樣內(nèi)部遷移和復合。對比+40 kV/mm直流電壓作用，沖擊電壓作用下的電壓處于高電壓幅的時間較短，電荷積聚量明顯更少。

圖15 沖擊電壓下XLPE中空間電荷特性Fig.15 Space charge characteristics in XLPE under impulse voltage

4.4 直流疊加沖擊電壓下XLPE中空間電荷特性

圖16為直流疊加沖擊電壓下XLPE中空間電荷測量結果，試樣上施加的沖擊電壓次數(shù)等效為實際設備運行30年經(jīng)受的沖擊電壓次數(shù)。

圖16 直流疊加沖擊電壓下XLPE中空間電荷特性Fig.16 Space charge characteristics in XLPE under DC superimposed impulse voltage

從圖16可以看出，同極性疊加方式下，XLPE試樣體內(nèi)發(fā)生了明顯的同極性電荷注入和遷移過程；而異極性疊加方式下，電極注入和遷移特性不明顯。這可能是由于同極性疊加方式下合成電壓峰值2.1U0遠高于異極性疊加方式下的-1.2U0，因此同極性疊加方式下較高的等效電場更有利于電荷的注入和遷移。在疊加同極性沖擊電壓的實驗中，兩個電極附近積聚了同極性電荷，發(fā)生了同極性電荷的注入，且直流電場越高或施加沖擊時間越長，電荷注入和體內(nèi)遷移現(xiàn)象越明顯；在疊加異極性電壓的實驗中，Al電極側(cè)也發(fā)生了顯著的同極性正電荷（空穴）注入現(xiàn)象，且負極性沖擊作用時間越長，兩電極的同極性電荷注入和遷移現(xiàn)象越明顯。

對比不同電壓類型下XLPE材料中的電荷分布，計算了不同實驗條件下短路后XLPE中的平均電荷密度，結果如表1所示。從表1可以看出，沖擊電壓作用效果類似于同極性直流電壓，但對電荷的影響要小于相同電壓等級的直流電壓，當同極性沖擊電壓疊加在直流電壓上時，XLPE中積聚的電荷提升，而異極性沖擊電壓則降低了電荷的積聚。

表1 不同電壓下XLPE中平均電荷密度Tab.1 Average charge density of XLPE under different voltage application

通過直流疊加沖擊電壓下XLPE電荷積聚的實驗，可以看出長期多次的沖擊電壓作用于設備絕緣，可以等效為提升施加的電壓等級，設備絕緣電荷積聚增加，對其絕緣產(chǎn)生了不利的影響。

5 結論

（1）通過對傳統(tǒng)的空間電荷PEA測量系統(tǒng)的改進，結合直流疊加沖擊實驗電路，得出電容器比空氣球隙更適用于疊加實驗，最終確定能夠用于測量直流疊加沖擊電壓下空間電荷的等效電路，使得各電壓能夠耦合到試樣的同時與其他電壓源之間解耦。

（2）通過等效電路進行公式推導以及應用Pspice電路對等效電路進行仿真計算，得到空間電荷測量電路中各阻容元件的取值范圍，使其滿足試樣上的納秒脈沖測量要求，沖擊電壓和直流電壓具有極高的耦合效率。

（3）直流疊加同極性沖擊電壓比疊加異極性沖擊電壓更能促進XLPE試樣中同極性電荷的注入和遷移，沖擊電壓的作用類似電壓等級較低的同極性直流電壓，電力設備長期作用下受沖擊電壓影響，電荷積聚增加，不利于設備的運行。