空间电荷和PD联合测试实验设备与实验方法

空间电荷和pd联合测试实验设备与实验方法
技术领域
1.本发明涉及一个空间电荷和pd联合测试实验设备及实验方法，更具体地，涉及一个由电源产生系统、局部放电测量系统、空间电荷测量及应力调节系统、应力测量系统、温度控制及测量系统组成的空间电荷和pd联合测试实验设备。本发明还涉及基于空间电荷和pd联合测试实验设备的空间电荷和pd多物理参数联合测试的实验方法。


背景技术：

2.柔性直流输电(简称柔直)可控性强、运行方式灵活、适应场景多，被国际大电网会议(cigre)命名为“电压源换流器高压直流输电”(vsc-hvdc)。
3.柔直输电的直流电缆(简称柔直电缆)实际运行中面临着复杂的运行条件，主要体现在：
4.(1)空间电荷。直流电缆空间电荷的积累与变化会造成电场分布的畸变，长期作用会加速绝缘介质的老化。
5.(2)电流。柔直潮流控制灵活，电流波动相对较大，而海上风电的柔直系统，其风电机组发电量的频繁变化会导致柔直电缆中的电流波动大。
6.(3)温度。电流不断变化会改变电缆中的温度场，并进一步影响绝缘介质的电导率，电导率的变化对直流电场的影响大，“在一定的温差下，甚至发生绝缘外侧场强高于内侧场强的电场反转现象”，这对电缆绝缘带来很大的挑战。
7.(4)谐波。柔直的换流器在充电过程中会产生3％-7％的谐波，而柔直系统一般没有平波电抗器，因此谐波会随直流电压输送到电缆中，对电缆绝缘带来不利影响。
8.(5)应力。柔直电缆运行过程中，因为芯线和绝缘材料温度的变化带来的热胀冷缩效应，会使得绝缘材料的受力发生变化，尤其是材料界面遗留的杂质、微粒、气隙附近的受力变化较大。
9.这些条件下的局部放电(简称pd)的研究在国际上尚处于起步阶段，主要难点含：复杂条件下的pd产生机理尚不明确；直流pd表征困难，识别难度大。


技术实现要素：

10.本发明为揭示复杂运行条件下柔直电缆pd的产生机理、通过特征知识挖掘优选直流电缆pd表征新特征，提供了一个空间电荷和pd联合测试实验设备与实验方法。
11.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
12.空间电荷和pd联合测试实验设备，由电源产生系统、局部放电测量系统、空间电荷测量及应力调节系统、应力测量系统、温度控制及测量系统组成，其特征在于：电源产生系统的高压放大器与空间电荷测量及应力调节系统的上电极相连；电源产生系统的高压直流电源与局部放电测量系统的同步控制装置相连；局部放电测量系统的示波器与空间电荷测量及应力调节系统的超声传感器、天线传感器、放大器和测量电极的输出端相连；应力测量系统的示波器与空间电荷测量及应力调节系统的压电传感器相连；应力测量系统、温度控
制及测量系统分别与局部放电测量系统的同步控制装置相连。
13.所述的电源产生系统由波形发生模块、高压直流电源和高压放大器组成，波形发生模块产生的谐波信号，和高压直流电源产生的直流信号一同输入高压放大器后接入空间电荷测量及应力调节系统的上电极。
14.所述的局部放电pd测量系统由局放测量示波器、同步控制装置、下电极接地电路组成，局放测量示波器与同步控制装置相连，下电极接地电路与空间电荷测量及应力调节系统的下电极相连。
15.所述的空间电荷测量及应力调节系统包含两个子系统：空间电荷测量子系统和应力调节子系统；
16.空间电荷测量子系统由纳秒脉冲源、保护电极、上电极外绝缘外壳、上电极浸油腔、上电极内绝缘外壳、上电极、pvdf压电传感器、有机玻璃吸收层、超声传感器、天线传感器、上片状试样、下片状试样、测量电极、下电极、下电极外绝缘外壳、下电极内绝缘外壳、下电极浸油腔、放大器和绝缘支架组成；实验环境整体由保护电极和绝缘支架包围，防止内部的电极损坏；纳秒脉冲源与上电极相连，绝缘支架安置在保护电极下方，用于支撑保护电极和上方实验装置；上电极浸油腔以上电极内绝缘外壳作为浸油腔壁；上电极外绝缘外壳包裹上电极内绝缘外壳，防止闪络；上电极紧贴上片状试样，置于上电极浸油腔中，提供正电压；下片状试样与上片状试样紧贴，缺陷位于两试样夹层中；下电极外绝缘外壳嵌置于绝缘支架中，包裹下电极内绝缘外壳，防止闪络，与上电极安装相同，下电极浸油腔以下电极内绝缘外壳作为浸油腔壁，下电极与下片状试样紧贴，置于下电极浸油腔中；pvdf压电传感器上方紧贴下电极，下方紧贴有机玻璃吸收层，用于吸收声波能量，防止声波反射；天线传感器和超声传感器放置于上片状试样和下片状试样旁，超声传感器和天线传感器的输出端与局放测量示波器相连；测量电极为环状，置于下片状试样的下方，嵌置于下电极内绝缘外壳中，输入端与下电极相连，输出端与局放测量示波器相连；放大器的输入端接有机玻璃吸收层，输出端接局部放电测量系统的示波器。
17.实验过程中，为防止闪络，一方面将下电极的模块嵌入到绝缘支架里面，另一方面，两个片状试样的尺寸远大于电极尺寸。两个片状试样都为100mm*100mm的正方形，上电极、下电极都为直径20mm的圆柱电极。实验时pvdf压电传感器与下电极、下电极与试样、上电极与上片状试样之间均涂抹硅油作为声耦合剂，这样有利于声波传导。
18.应力调节子系统由绝缘支撑杆、细准螺旋、粗准螺旋、传动杆、传动底座、刻度尺、两个压电传感器组成；绝缘支撑杆呈把手状，安装于保护电极表面，防止操作者触电；粗准螺旋、细准螺旋分别安置于绝缘支撑杆上，粗准螺旋用于粗调，细准螺旋用于微调；传动杆连接粗准螺旋、细准螺旋和传动底座，传动底座为绝缘体，紧贴上片状试样；在绝缘支撑杆靠近传动底座的底部开一个细而长(3mm*100mm)的孔，孔自上而下标有长度刻度，即为刻度尺；传动底座一端伸出保护电极，末端打薄能伸进刻度尺，实现视觉读数。可以调节粗细准螺旋的旋钮可改变传动杆对传动底座的压力，从而实现对应力的调节；压电传感器为环状，放置于上片状试样与下片状试样中间，两个压电传感器均与应力测量示波器相连，注意避免与缺陷接触，防止设备损坏。
19.所述的应力测量系统为应力测量示波器，应力测量示波器与同步控制装置相连，以实现同步测量，外部计算机获取应力测量示波器的信号能计算出对应应力大小。
20.所述的温度控制及测量系统由四根输油管、两套高/低压恒温循环浴装置组成，第一套高/低压恒温循环浴装置301通过两根输油管与空间电荷测量子系统上电极浸油腔相连，第二套高/低压恒温循环浴装置304通过另两根输油管与空间电荷测量子系统下电极浸油腔相连，调节油温即可实现对电极温度的控制，两高/低压恒温循环浴装置均接同步控制装置，以实现同步测量。
21.一种利用所述的空间电荷和pd联合测试实验设备的实验方法，其特征在于按以下步骤进行：
22.s1：开展空间电荷-温度联合测试实验，该实验保持应力不变，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，控制温度，研究温度变化时复合片状试样不同类型缺陷的空间电荷分布特点；温度变化会使试样发生形变，此时需要应力调节子系统使试样所受应力保持不变，实验过程中同步记录pd数据；
23.s2：开展空间电荷-谐波联合测试实验，该实验保持温度、应力不变，模拟柔直电缆运行中不同的谐波信号，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，记录不同类型缺陷的空间电荷分布特点，实验过程中同步记录pd数据；
24.s3：开展空间电荷-应力联合测试实验，该实验保持温度不变，通过调节绝缘支撑杆的粗细螺旋的旋钮能改变传动杆对复合片状试样的压力，从而实现对应力的调节；分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展不同应力下的加压测试，记录不同类型缺陷的空间电荷分布特点；实验过程中同步记录pd数据；
25.s4：开展pd-温度联合测试实验，该实验保持应力不变，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，控制温度，研究温度变化时复合片状试样不同类型缺陷的pd起始特性和动态特性；温度变化会使试样发生形变，此时需要调节应力调节子系统使试样所受应力保持不变；
26.s5：开展pd-谐波联合测试实验，该实验保持温度、应力不变，模拟柔直电缆运行中不同的谐波信号，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，记录不同类型缺陷的pd起始特性和动态特性；
27.s6：开展pd-应力联合测试实验，该实验保持温度不变，通过调节绝缘支撑杆的粗细螺旋旋钮能改变传动杆对复合片状试样的压力，从而实现对应力的调节；分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展不同应力下的加压测试，记录不同类型缺陷的pd起始特性和动态特性。
28.基于本发明空间电荷和pd联合测试实验设备，可开展空间电荷、pd与多物理参数联合测试实验，共包含以下六个实验：空间电荷-温度联合测试实验、空间电荷-谐波联合测试实验、空间电荷-应力联合测试实验、pd-温度联合测试实验、pd-谐波联合测试实验、pd-应力联合测试实验。空间电荷的三个多物理参数联合测试实验分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展不同应力下的加压测试，记录不同类型缺陷的空间电荷分布特点，并同步记录pd数据。pd的多物理参数联合测试实验分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，记录不同类型缺陷的pd起始特性和动态特性，记录pd产生、发展过程中的空间电荷、pd、应力、温度等数据。旨在解决复杂条件下的pd产生机理尚不明确和直流pd表征困难，识别难度大的问题。
附图说明
29.图1为本发明的空间电荷和pd联合测试实验设备示意图。
具体实施方式
30.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术和结构。对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
31.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
32.如图1所示，本发明的空间电荷和pd联合测试实验设备，由电源产生系统、局部放电测量系统、空间电荷测量及应力调节系统、应力测量系统、温度控制及测量系统组成，其特征在于：电源产生系统的高压放大器与空间电荷测量及应力调节系统的上电极相连；电源产生系统的高压直流电源与局部放电测量系统的同步控制装置相连；局部放电测量系统的示波器与空间电荷测量及应力调节系统的超声传感器、天线传感器、放大器和测量电极的输出端相连；应力测量系统的示波器与空间电荷测量及应力调节系统的压电传感器相连；应力测量系统、温度控制及测量系统分别与局部放电测量系统的同步控制装置相连。
33.本实施例中，所述的电源产生系统由波形发生模块101、高压直流电源102和高压放大器103组成，波形发生模块101产生的谐波信号，和高压直流电源102产生的直流信号一同输入高压放大器103后接入空间电荷测量及应力调节系统的上电极512，波形发生模块101是通过matlab和labview产生的谐波信号。
34.本实施例中，所述的局部放电pd测量系统由局放测量示波器202、同步控制装置201、下电极接地电路203组成，局放测量示波器202与同步控制装置201相连，下电极接地电路203与空间电荷测量及应力调节系统的下电极522相连。
35.本实施例中，所述的空间电荷测量及应力调节系统包含两个子系统：空间电荷测量子系统和应力调节子系统；
36.空间电荷测量子系统由纳秒脉冲源501、保护电极502、上电极外绝缘外壳508、上电极浸油腔510、上电极内绝缘外壳511、上电极512、pvdf压电传感器513、有机玻璃吸收层514、超声传感器515、天线传感器516、上片状试样517、下片状试样518、测量电极521、下电极522、下电极外绝缘外壳523、下电极内绝缘外壳524、下电极浸油腔525、放大器526和绝缘支架527组成；实验环境整体由保护电极502和绝缘支架527包围，防止内部的电极损坏；纳秒脉冲源501与上电极512相连，绝缘支架527安置在保护电极502下方，用于支撑保护电极502和上方实验装置；上电极浸油腔510以上电极内绝缘外壳511作为浸油腔壁；上电极外绝缘外壳508包裹上电极内绝缘外壳511，防止闪络；上电极512紧贴上片状试样517，置于上电极浸油腔510中，提供正电压；下片状试样518与上片状试样517紧贴，缺陷520位于两试样夹层中；下电极外绝缘外壳523嵌置于绝缘支架527中，包裹下电极内绝缘外壳524，防止闪络，与上电极安装相同，下电极浸油腔525以下电极内绝缘外壳524作为浸油腔壁，下电极522与下片状试样518紧贴，置于下电极浸油腔525中；pvdf压电传感器513上方紧贴下电极522，下方紧贴有机玻璃吸收层514，用于吸收声波能量，防止声波反射；天线传感器516和超声传感器515放置于上片状试样517和下片状试样518旁，超声传感器515和天线传感器516的输出端与局放测量示波器202相连；测量电极521为环状，置于下片状试样518的下方，嵌置于下
电极内绝缘外壳524中，输入端与下电极522相连，输出端与局放测量示波器202相连；放大器526的输入端接有机玻璃吸收层514，输出端接局部放电测量系统的示波器202。
37.实验过程中，为防止闪络，一方面将下电极522的模块嵌入到绝缘支架527里面，另一方面，两个片状试样的尺寸远大于电极尺寸。两个片状试样都为100mm*100mm的正方形，上电极512、下电极522都为直径20mm的圆柱电极。实验时pvdf压电传感器513与下电极522、下电极522与试样518、上电极512与上片状试样517之间均涂抹硅油作为声耦合剂，这样有利于声波传导。
38.应力调节子系统由绝缘支撑杆503、细准螺旋504、粗准螺旋505、传动杆506、传动底座507、刻度尺509、两个压电传感器519组成；绝缘支撑杆503呈把手状，安装于保护电极502表面，防止操作者触电；粗准螺旋、细准螺旋504分别安置于绝缘支撑杆503上，粗准螺旋505用于粗调，细准螺旋504用于微调；传动杆506连接粗准螺旋505、细准螺旋504和传动底座507，传动底座507为绝缘体，紧贴上片状试样517；在绝缘支撑杆503靠近传动底座507的底部开一个细而长(3mm*100mm)的孔，孔自上而下标有长度刻度，即为刻度尺509；传动底座507一端伸出保护电极502，末端打薄能伸进刻度尺509，实现视觉读数。可以调节粗细准螺旋的旋钮可改变传动杆506对传动底座507的压力，从而实现对应力的调节；压电传感器519为环状，放置于上片状试样517与下片状试样518中间，两个压电传感器519均与应力测量示波器401相连，注意避免与缺陷520接触，防止设备损坏。
39.本实施例中，所述的应力测量系统为应力测量示波器401，应力测量示波器401与同步控制装置201相连，以实现同步测量，外部计算机获取应力测量示波器401的信号能计算出对应应力大小。
40.本实施例中，所述的温度控制及测量系统由四根输油管(302，303，305，306)、两套高/低压恒温循环浴装置(301，304)组成，第一套高/低压恒温循环浴装置301通过两根输油管(302，303)与空间电荷测量子系统的上电极浸油腔510相连，第二套高/低压恒温循环浴装置304通过另两根输油管(305，306)与空间电荷测量子系统的下电极浸油腔525相连，调节油温即可实现对电极温度的控制，两高/低压恒温循环浴装置均接同步控制装置，以实现同步测量。
41.本实施例根据所搭建的空间电荷和pd联合测试实验设备，可开展空间电荷、pd与多物理参数联合测试实验，其特征在于具体步骤如下：
42.s1：开展空间电荷-温度联合测试实验，该实验保持应力不变，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，控制温度，研究温度变化时复合片状试样不同类型缺陷的空间电荷分布特点；温度变化会使试样发生形变，此时需要应力调节子系统使试样所受应力保持不变，实验过程中同步记录pd数据；
43.s2：开展空间电荷-谐波联合测试实验，该实验保持温度、应力不变，模拟柔直电缆运行中不同的谐波信号，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，记录不同类型缺陷的空间电荷分布特点，实验过程中同步记录pd数据；
44.s3：开展空间电荷-应力联合测试实验，该实验保持温度不变，通过调节绝缘支撑杆的粗细螺旋的旋钮能改变传动杆对复合片状试样的压力，从而实现对应力的调节；分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展不同应力下的加压测试，记录不同类型缺陷的空间电荷分布特点；实验过程中同步记录pd数据；
45.s4：开展pd-温度联合测试实验，该实验保持应力不变，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，控制温度，研究温度变化时复合片状试样不同类型缺陷的pd起始特性和动态特性；温度变化会使试样发生形变，此时需要调节应力调节子系统使试样所受应力保持不变；
46.s5：开展pd-谐波联合测试实验，该实验保持温度、应力不变，模拟柔直电缆运行中不同的谐波信号，分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展加压测试，记录不同类型缺陷的pd起始特性和动态特性；
47.s6：开展pd-应力联合测试实验，该实验保持温度不变，通过调节绝缘支撑杆的粗细螺旋旋钮能改变传动杆对复合片状试样的压力，从而实现对应力的调节；分别对四种典型缺陷的复合片状试样开展不同应力下的加压测试，记录不同类型缺陷的pd起始特性和动态特性。
48.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
49.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。