2023挤包绝缘直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测试方法.docx

挤包绝缘直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测试方法目 次前 言 II1 范围 12 规范性引用文件 13 术语和定义 14 测试设备 25 试样及测试温度要求 46 空间电荷测试 57 测试报告 6附录 A （资料性附录） 脉冲电声法测试系统技术要求 7附录 B （资料性附录） 数据反卷积 9附录 C （资料性附录） 信号衰减与色散补偿 11附录 D （资料性附录） 后处理过程 14I挤包绝缘直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测试方法1 范围本文件规定了160 kV～500 kV挤包绝缘直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测试试验方法，包括测试设备、试样准备、测试环境要求、测试程序和数据处理方法等要求本文件适用于挤包绝缘直流电缆空间电荷测量2 规范性引用文件下列文件的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款其中，注日期的引用文件， 仅所注日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件GB/T 31489.1 额定电压500 kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆系统第1部分：试验方法和要求JB/T 12927 固体绝缘材料中空间电荷分布的电声脉冲测试方法3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

3.1电缆绝缘层空间电荷 space charge in cable insulation存在于电缆绝缘层内部区域并会改变电缆绝缘层径向电场大小的电荷3.2全尺寸电缆 full-size cable与工程应用具有相同绝缘尺寸和结构的电缆，区别于开发试验的模型电缆3.3脉冲电声法 pulsed electro-acoustic method固体绝缘材料中的空间电荷在脉冲电场引起的库仑力作用下形成声波脉冲，并由压电传感器检测后转换为电压信号，根据声波脉冲强度以及压电传感器接收到声波脉冲的时间，获得空间电荷密度及分布位置的方法3.4激励电脉冲 electric pulse在试样内形成脉冲电场，与材料中空间电荷相互作用产生库仑力，形成声波脉冲3.517灵敏度 sensitivity测试系统能够分辨的最小空间电荷密度注：与测试系统中压电传感器灵敏度、放大器增益及所施加的激励电脉冲幅值等有关， 常用单位为库伦每立方米(C/m3)或微库仑每立方厘米(μC/cm3)3.6空间分辨率 spatial resolution测试系统能够分辨的空间电荷分布的最小空间尺度注：主要受激励电脉冲宽度和压电传感器厚度的影响，常用单位为微米(μm)，亦可用电缆试样厚度的百分比表示， 推荐值为2%~5%。

3.7反卷积 deconvolution消除由测试系统自身特性导致的电压信号过冲、振荡等畸变的数据处理方法3.8空间电荷极化时间 poling time施加的直流电压达到预定值时开始计时，直至撤去施加的直流电压所需的时间3.9加压测量 voltage-on measurement为获得空间电荷累积及迁移特性，在施加直流电压极化期间进行的空间电荷测量3.10短路测量 voltage-off measurement为获得空间电荷消散特性，在撤去直流电压并短路电缆试样期间进行的空间电荷测量3.11信号标定 signal calibration施加适当幅值的直流电压，试样内不产生空间电荷积累且能获得足够的测量信噪比，将测量得到的 电容电荷信号标定为电荷密度的过程3.12参考信号 reference signal为确定测试系统的响应函数与声波衰减、色散函数，将信号标定过程中测量得到的电压信号作为参 考信号，用于后续的信号恢复处理3.13信号恢复 signal recovery利用参考信号对测试信号进行声波衰减与色散补偿4 测试设备4.1 电极系统4.1.1 脉冲电声法空间电荷测试电极宜采用铝或铝合金材料制作，典型结构见图 1，包括弧式电极结构和平板式电极结构。

图1 高压直流电缆脉冲电声法测试电极结构4.1.2 测量电极厚度 d 宜满足下述条件：d > 3200 × dsa / vsa（1）式中：dsa —— 电缆绝缘层厚度，单位为毫米（mm）；vsa —— 电缆绝缘层中声速，单位为米每秒（m/s）对于交联聚乙烯挤包绝缘高压直流电缆，测量电极厚度不应小于电缆绝缘层厚度的 1.6 倍4.2 激励电脉冲4.2.1 可选的脉冲注入方式包括：a） 高压耦合脉冲注入法；b） 外半导电层局部剥离注入法； c）测量电极注入法不同的脉冲注入方式技术特征及选择参见附录 A.2.24.2.2 脉冲信号特征脉冲信号特征如下：a） 应具备重复频率输出特征，重复频率不宜小于 100Hz；b） 脉冲半峰宽DTp 应与声波脉冲在压电传感器中传播时间相近，可按式(2)计算：式中：DTp= h0× dsa ´100%vsa（2）h0 —— 空间电荷测试沿试样厚度方向的空间分辨率，推荐值为2%~5%；c） 脉冲幅值应根据测试系统的灵敏度合理选择，且应显著小于参考电压幅值，推荐值为参考电压的 0.1 倍4.3 信号采集系统4.3.1 压电传感器宜采用具有压电效应的聚合物类压电薄膜、压电陶瓷或压电晶体制作，压电传感器的厚度按式（3）计算：d = h × v× dsa ´100%（3）t t pvsaht —— 压电传感器沿试样厚度方向的位置分解率，推荐值为1%~2%；vp —— 压电传感器中声速。

4.3.2 放大器带宽不宜小于 20MHz，放大倍率应满足测试系统的信噪比要求，推荐值为 45dB4.3.3 示波器的采样频率不应低于 2.5GS/s，带宽不应小于 300MHz4.3.4 连接线缆的连接方式应根据本标准第 4.2.1 条脉冲注入方式确定，要求如下：a） 采用高压耦合脉冲注入法或脉冲外半导电层局部剥离注入法时，压电传感器、放大器和示波器之间应通过同轴通信电缆连接；b） 采用脉冲测量电极注入法时，应将信号采集系统（含压电传感器、放大器和示波器）对地隔离， 并通过光电隔离与转换装置连接放大器和示波器4.4 其他组件耦合电容、保护电阻、屏蔽盒等其他组部件应满足脉冲耦合、系统安全防护及电磁屏蔽要求，选择 依据参见附录 A.2.45 试样及测试温度要求5.1 试样准备要求5.1.1 电缆试样长度应满足测试设备与温度控制设备的安装要求测试对象为 160kV 及以上电压等级的全尺寸电缆，电缆试样长度不宜少于 15m5.1.2 应根据测量电极与温度控制单元的安装要求，对电缆试样进行必需的机械预处理，包括非金属护套和铠装等部位的剥离机械预处理应尽量避免对电缆绝缘造成任何损伤，且切口处应进行必需防潮处 理。

5.2 测试电极安装要求5.2.1 采用金属夹具对测量电极与电缆试样的界面施加压力时，界面压强宜不大于 0.2Mpa，且应避免界面压强过大造成电缆绝缘的显著变形5.2.2 应在测量电极与电缆试样的界面处涂覆薄层的低密度硅油作为声耦合剂5.3 测试温度要求空间电荷测试过程中应控制电缆导体温度、电缆绝缘层温度差，电缆导体最高温度不小于电缆供货 商申明值，绝缘层内最大温度差由电缆供货商申明，不宜小于 40℃6 空间电荷测试6.1 信号标定6.1.1 在满足测量信噪比的情况下，信号标定过程中施加的平均直流电场宜不大于 5kV/mm，且电缆试样应不发生空间电荷积累6.1.2 信号标定过程中参考信号的采集宜在 2min 内完成6.2 空间电荷测试6.2.1 空间电荷测试应在信号标定后进行，测试步骤如下：a） 控制空间电荷测试回路中电缆导体温度和外护套温度，使电缆导体温度和绝缘层温差达到预定值且保持不少于 2h；b） 对电缆试样施加直流电压进行空间电荷的加压测量，加压测量的试验工况可参照 GB/T 31489.1中第 4.3 执行，加压测量的程序可参照表 1 和表 2 推荐方案c） 若需要观察电缆试样中的空间电荷消散特性，应按照测试系统的安全防护要求先对电缆导体进行短路，并在电缆导体短路后 2min 内进行空间电荷的短路测量。

表 1 空间电荷测量推荐方案试验工况ZLZLLCLCHLHL试验次数111111极化时间≥24 h≥24 h≥24 h≥24 h≥24 h≥24 h施加电压+ U0- U0+ U0- U0+ U0- U0注： ZL=零负荷，HL=高负荷，LC=负荷循环，各试验项目间电缆应短路 24h表 2 极性反转条件下空间电荷测量推荐方案试验工况ZLPRZL试验次数111T/CEC XXXXX—201X极化时间≥24 h2 min≥24 h施加电压+ U0+ U0~-U0- U0注： ZL=零负荷，PR=极性反转6.3 数据处理数据处理的过程如下：a） 数据反卷积，消除测试系统响应对输出电压信号造成的畸变，原理与方法参见附录 B；b） 信号衰减与色散补偿，消除材料中声衰减与色散效应对空间电荷测试结果的干扰，具体方法参见附录 C；c） 电场和电势计算，获得空间电荷对电场分布的影响，计算方法参见附录 D.27 测试报告空间电荷测量报告中应至少包括以下内容：a） 试样信息：包括电缆绝缘材料名称、规格、绝缘层厚度和处理方式等；b） 测试参数：包括参考电场、加压电场、加压时间、短路时间、绝缘层温度条件和测量温湿度等； c）测试数据：包括原始测量数据和经过恢复、标定的数据和电荷密度分布，必要时应包括电场分布。

附录 AA.1 测试系统结构（资料性附录）脉冲电声法测试系统技术要求挤包绝缘电缆脉冲电声法测试系统应包括电极系统、激励电脉冲、信号采集系统及相关组件测试 系统可按图 1 示意图布置图 A.1 脉冲电声法测试系统示意图A.2 组部件要求A.2.1 电极系统测量电极应配备紧固构件，满足空间电荷测试中对电缆试样施加均匀界面压力的要求，且应充分保 证测量电极表面的平整度和光滑度A.2.2 激励电脉冲激励电脉冲应具有输出重复频率脉冲的特征，重复频率由系统信噪比水平决定，一般不低于 100Hz； 输出阻抗宜为 50W，以适应测试系统中电脉冲信号传输的阻抗匹配要求可选的激励电脉冲注入方式如下：a） 高压耦合脉冲注入法采用高压耦合脉。