脫氣處理對高壓XLPE絕緣直流電纜空間電荷影響研究

嚴 彥,吳小兵,顧偉偉,周萬鵬,繆海峰,徐宇峰

(1.中天科技海纜股份有限公司,江蘇 南通 226010;2.江蘇省海洋能源與信息傳輸重點實驗室,江蘇 南通 226010)

0 引言

隨著新型換流技術的誕生與發展,近年來交聯聚乙烯(XLPE)絕緣直流電纜的研究與應用受到越來越多的關注[1-2],柔性直流輸電技術實現了傳統直流輸電系統不具備的靈活控制和多端互聯功能,緩解了交流電纜輸電損耗大、線路建設成本高等弊端[3-4],是建設大容量、遠距離電網乃至全球能源互聯的關鍵裝備[5]。

XLPE電纜生產過程中會產生交聯副產物,主要包括甲基苯乙烯、苯乙酮等,這些交聯副產物在電纜運行過程中會分解為極性小分子,在外加電場作用下解離為正負離子,解離的正負離子向極性相反電極遷移形成異極性空間電荷[6]。空間電荷積聚會影響電場分布,如果空間電荷密度很高,局部電場強度將超過絕緣擊穿強度并引起初始電擊穿。即使局部電場強度不太高,空間電荷積累也會逐漸使電介質發生老化,導致絕緣缺陷的形成,從而降低高壓直流電纜長期運行的可靠性和使用壽命[7-8]。

國內外研究表明,脫氣處理能有效降低XLPE絕緣交聯副產物,提高直流電纜絕緣擊穿強度[9]。Chong等[10]研究表明,XLPE絕緣脫氣時間、脫氣溫度及試樣厚度會影響XLPE空間電荷分布;Fu等[11]研究表明,XLPE絕緣脫氣過程也會影響空間電荷衰減速率。

但目前大部分研究均對切片或短樣進行脫氣及空間電荷研究,未針對實際工況應用大長度直流電纜,因此研究大長度直流電纜絕緣脫氣處理對空間電荷影響很有意義。

本文采用氣相色譜檢測和空間電荷測試研究不同脫氣階段直流電纜交聯副產物及異極性空間電荷情況,在成品電纜上進行全尺寸空間電荷測試,研究結果為后續直流電纜研發提供理論支持。

1 絕緣脫氣研究

DCP作為XLPE的交聯劑,在交聯過程中DCP將受熱分解,如圖1所示。根據FT-IR的測試結果,在XLPE交聯過程中,甲基苯乙烯、苯乙酮等是XLPE試樣的主要交聯副產物。

圖1 DCP受熱分解過程

如果絕緣層內部交聯副產物在脫氣過程中不及時去除,當電纜在直流電場長期工作時將形成異極性空間電荷。絕緣介質中積聚的大量空間電荷導致電場在絕緣層中發生畸變,降低電纜使用壽命。因此,去除交聯線芯中的副產物是一項重要工序,脫氣效果對電纜的電氣性能和長期穩定運行產生較大影響。

在電纜脫氣期間每隔8 d對大長度脫氣電纜進行取樣,對電纜進行氣相色譜檢測和空間電荷測試。

1.1 氣相色譜檢測

氣相色譜檢測是利用色譜分離技術和檢測技術,對多組分的復雜混合物進行定性和定量分析。

利用氣相色譜法針對每一批樣品內層、中層和外層分別測量交聯副產物甲基苯乙烯、苯乙酮含量(見圖2)。

圖2 氣相色譜檢測結果

在前幾批次試樣中,甲基苯乙烯的含量一直是中層最大,且隨著脫氣時間的延長,后幾批次試樣中已經檢測不出甲基苯乙烯,這表明這種交聯副產物可能比較容易脫出。

在不同批次的試樣中,苯乙酮的最大含量有時出現在內層,有時出現在中層,外層中也出現過,這可能是因為前一階段電纜絕緣層中的濃度分布會影響之后的脫出速率。

不同批次之間同種交聯副產物的含量沒有完全隨著脫氣時間的延長而單調下降,這可能是因為,盡管同為電纜內層、中層或外層,但取樣位置仍有差異,而交聯副產物在電纜絕緣層中的分布并不是理想的均勻分布。

1.2 空間電荷測試

采用電聲脈沖法(PEA)對每批樣品進行空間電荷測試,測試期間在電纜兩端電極加上電脈沖擾動源,電纜中的空間電荷和電極界面收到脈沖電場力作用產生相應的電脈沖,利用壓電電聲脈沖傳感器接受并測試電脈沖,獲得空間電荷分布信息。

每批試樣取樣后先在20 kV/mm場強下加壓1 200 s,隨后在短路過程中短路10 s,300 s和600 s下分別觀察試樣內部的空間電荷分布(見圖3)。

圖3 空間電荷測試結果

當脫氣時間較短時,試樣中積累的空間電荷以異極性電荷為主,即陽極附近積累負極性電荷,陰極附近積累正極性電荷。這可能是試樣中殘留的交聯副產物分子在外加電場作用下發生解離并向相反極性電極遷移,最終積累在兩電極附近造成的。

隨著脫氣時間的延長,試樣中積累的電荷逐漸以負電荷為主。沒有觀察到兩電極附近均積累異極性電荷的情況,這表明試樣中的交聯副產物含量降低,交聯副產物解離作用減弱,試樣中負電荷的分布可能是由陰極注入的負電荷逐漸向陽極遷移并積下來造成的。

2 電纜全尺寸空間電荷測試

為進一步研究脫氣后高壓直流電纜絕緣層空間電荷分布情況,在成品電纜上進行全尺寸空間電荷測試。在全尺寸空間電荷的測量過程中,高壓電源給電纜試樣加上直流高壓后,在直流高壓的作用下電纜導體與絕緣層之間的接觸面、電纜與測量電極之間的接觸面和電纜絕緣層內會產生空間電荷。脈沖通過測量電極注入,與空間電荷作用形成聲波。聲波被緊貼在測量電極下的 PVDF 轉換為電信號,經放大器放大之后由示波器進行數據采集。全尺寸空間電荷測量系統設計示意如圖4所示。

圖4 全尺寸空間電荷測量系統設計示意圖

測試過程首先將直流電纜剝切至金屬屏蔽,然后在測量點處用酒精擦拭后粘貼鋁箔,并在電極上涂敷硅脂,用夾具夾緊。電光轉換器通過光纖實現信號的遠距離傳輸,再將光信號轉換為電信號由示波器和筆記本電腦采集,如圖5所示。

圖5 全尺寸空間電荷測試

給定脈沖激勵信號,在此條件下開展0 kV,100 kV,200 kV,300 kV,400 kV和500 kV直流高壓的空間電荷信號測量。每個電壓等級下測試20 min,每隔5 min采集1次信號,可以看出,隨著電壓的升高,電纜的空間電荷聲波信號會顯著增大。但依然存在較明顯的背景干擾,利用不同電壓等級下的空間電荷信號與噪聲進行濾波處理,去除試驗中存在的高頻噪聲信號,可以得到去噪之后的信號波形。

利用信號處理軟件,將得到的空間電荷聲波信號測量波形轉化為電荷波形,處理得到的500 kV電壓下電纜的空間電荷信號如圖6a所示。可以看出,隨著施加電壓的增大,界面空間電荷的積聚明顯。進一步繪制出500 kV等級下的電纜絕緣電場分布,如圖6b所示。可以看出,隨著施加電壓的增加,界面處電場強度相應增大,且通過與理論計算電場對比,未發現電場明顯畸變,顯示該直流電纜在500 kV電壓下絕緣層內部空間電荷注入不明顯,電纜絕緣具有較好的抑制空間電荷能力。

圖6 全尺寸空間電荷測試校準結果及電場分布情況

3 結語

本文介紹了脫氣處理對高壓直流電纜絕緣空間電荷的影響情況。

采用空間電荷測試和氣相色譜分析對高壓直流電纜進行XLPE交聯脫氣研究,發現隨著脫氣時間延長,交聯副產物甲基苯乙烯含量比較容易脫出,苯乙酮含量沒有完全隨著脫氣時間的延長而單調下降,試樣中積累的電荷逐漸以負電荷為主。

針對脫氣后高壓直流電纜進行全尺寸空間電荷研究,結果顯示直流電纜在500 kV電壓下絕緣層內部空間電荷注入不明顯,電纜絕緣具有較好的抑制空間電荷能力。

脫氣處理能夠有效改善高壓XLPE絕緣直流電纜空間電荷分布,提高電纜使用壽命。