CN102890226A - 电力系统xlpe电缆水树老化状态测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：包括高压电源、电流比较器高压电桥、损耗电流波形显示和分析系统，所述电流比较器高压电桥包括电流比较器，所述电流比较器包括主铁芯、检测绕组线圈、比例绕组线圈，所述检测绕组线圈为高压同轴屏蔽电缆，所述检测绕组线圈一端与被测电缆高压线芯相连接，另一端与高压电源相连。本发明采用电流比较器高压电桥测试回路，平衡掉被测电缆容性电流，实现损耗电流的高精度测量，同时采用高压同轴电缆做为穿心式电流比较器高压电桥中电流比较器的比例线圈绕组，消除了引线电缆电容和漏导对测试结果的影响。

Description

电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统中电缆线路中XLPE电力电缆水树老化状态离线测试系统及其测试方法，应用在电力系统城市电网电力设备绝缘诊断领域。

背景技术

XLPE电力电缆由于其优异电气绝缘性能和安装、运行维护方便等优点，在城市电网中得到广泛应用，在220kV及以下电缆线路中基本替代了传统油纸绝缘电力电缆。而XLPE绝缘在水和电场作用下发生水树老化导致电缆绝缘性能下降，严重时可引起电缆绝缘的击穿，即XLPE绝缘水树老化是影响电缆安全运行的主要因素之一。为此，有效的XLPE电缆绝缘水树老化状态诊断方法是确保电缆线路安全稳定运行的重要基础，也倍受国内外电力运行部门的广泛重视。国内外的研究者先后提出了损耗因数法、恢复电压法、等温电流衰减法、直流分量法和损耗电流分量法等，其中损耗电流谐波分量法工程实用价值最高。

所谓的“损耗电流”是指用并联等效电路描述绝缘结构时，与外施电压同相位的电流；而将超前外施电压90度的电流称为容性电流（或无损耗电流）。损耗电流、容性电流和绝缘的总电流关系如图1所示向量图。XLPE电缆水树老化后，由于电缆绝缘的电导是非线性的，当施加标准正弦电压后，具有非线性电导特性的绝缘中的损耗电流将发生波形畸变，即可测到损耗电流的谐波分量。因此可用损耗电流谐波分量的测试诊断XLPE电缆绝缘水树老化程度。

在现有技术中，发现水树老化后，在实验室条件下，标准正弦波电压激励下XLPE电缆绝缘可测到损耗电流的谐波分量，并进行了大量基础研究，得出损耗电流谐波分量与电缆水树老化程度的相关关系。在实验室研究结果的基础上，日本研究者与相应的电力公司合作，开发了适合现场电缆诊断的电缆测试车，车载式损耗电流谐波分量测试系统采用信号发生器产生标准正弦波，而后通过线性功率放大器放大成为可驱动实验变压器的大功率电压信号，高压实验变压器输出标准正弦波的高电压用于测试的电源。由于线性功率放大器的造价成本很高，并且试验设备重达4吨，不利于测试系统的普及应用。同时，日本测试系统中，采用高压电流互感器获得电缆绝缘电流信息，没有补偿掉被测电缆绝缘的容性电流，因此损耗电流测试精度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于测试电力系统XLPE电缆水树老化状态的系统，其结构简单，操作方法，并且测试精度高。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：包括高压电源、电流比较器高压电桥、损耗电流波形显示和分析系统，所述电流比较器高压电桥包括电流比较器，所述电流比较器包括主铁芯、检测绕组线圈、比例绕组线圈，所述检测绕组线圈为高压同轴屏蔽电缆，所述检测绕组线圈一端与被测电缆高压线芯相连接，另一端与高压电源相连。

前述的电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：所述检测绕组线圈包括可调线圈D1′、可调线圈D2′、可调线圈D3′、可调线圈D1、可调线圈D2、可调线圈D3、可调线圈D4、可调线圈D5和可调线圈D6，可调线圈D1′的滑动端与可调线圈D2′的端点一相连、可调线圈D2′的滑动端与可调线圈D3′的端点一相连，可调线圈D1′的端点一接地，可调线圈D3′的端点二为Na端；可调线圈D1的滑动端与可调线圈D2的端点一相连、可调线圈D2的滑动端与可调线圈D3的端点一相连，可调线圈D3的端点二为Ns端（Na、Ns为图2中所示的绕组线圈右端点）；可调线圈D4与可调线圈D6为同一线圈，可调线圈D4的滑动端与可调线圈D5的端点一相连，可调线圈D5的端点二为Ns′端；可调线圈D4的端点一接地。

前述的电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：所述可调线圈D1的端点一通过电容器Cf接至变压器Uf的输出端的低电压端相连，可调线圈D1的端点一通过同时接入运算放大器的正输入端，运算放大器的输出端接变压器Uf的输入端的高压端，运算放大器的负输入端与变压器Uf的输入端的低压端相连并接地；电流比较器的输出线圈端点一经过选择开关K1后，第一路径直接连接至通道，第二路径经过指零仪连接至通道，同时电流比较器的输出线圈端点二直接连接至通道，通道与示波器相连，示波器与计算机相连；可调线圈D2′的滑动端通过开关K1分别与第一电阻R1、第二电阻R2、和第三电阻R3相连，第一电阻R1、第二电阻R2分别连接至变压器输出端的滑动端点一和

滑动端点二，变压器输出端的高压端连接至示波器，同时连接至一可调电位器R4的输入端，第三电阻R3连接至可调电位器R4的滑动端，变压器输出端的端点三接地；可调线圈D3的滑动端通过标准电容器Cs连接至高压电源。

前述的电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：所述高压电源为变频串联谐振高压电源。

本发明所达到的有益效果： 本发明的测试系统能够对XLPE电缆水树老化情况进行离线的检测，实现被测电缆绝缘电流在高压侧的测量采样以及容性电流的补偿，这样在获得损耗电流波形信息的同时，也获得损耗因数和被测电缆等效电容值，为水树老化状态的诊断提供更多的信息，同时也提高了损耗电流的测试精度。 

附图说明

图1为损耗电流、容性电流和绝缘的总电流与外施电压关系向量图；

图2为本发明的XLPE电缆水树老化状态测试系统原理图；

图3为试验电压、损耗电流及谐波分量波形图；

图4为不含有水树老化的电缆线路试验电压、损耗电流及谐波分量波形图；

图5为含有水树老化的电缆线路试验电压、损耗电流及谐波分量波形图；

图6为损耗电流三次谐波幅值与施加电压的关系图；

图7为介质损耗与施加电压的关系图。

具体实施方式

图1中根据电气绝缘相关基础知识，被测电缆绝缘可用并联等效电路来描述，在外施电压作用小，流过绝缘的电流可分为阻性电流IR和容性电流Ic，其中阻性电流IR又称为损耗电流I_loss。日本学者在实验室水树老化试样上发现了水树老化测度与损耗电流谐波分量的相关性，水树长度增加表现损耗电流三次谐波幅值增加和相位减小。

图2为本发明测试系统原理图，本发明采用电缆线路现场耐压实验用变频串联谐振电源，替代传统的由信号发生器+线性大功率放大器+试验变压器所构成的工频标准正弦波电源。提出了串联变频谐振电源下损耗电流谐波分量法XLPE电缆水树老化状态的诊断系统，并开发相应的测试装置，大大降低了传统设备的重量和造价。

本发明的电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，包括高压电源、电流比较器高压电桥、损耗电流波形显示和分析系统，所述电流比较器高压电桥包括电流比较器，所述电流比较器包括主铁芯、检测绕组线圈、比例绕组线圈，所述检测绕组线圈为高压同轴屏蔽电缆1，所述检测绕组线圈一端与被测电缆2高压线芯相连接，另一端与高压电源相连。测试主回路采用电流比较器高压电桥，电流比较器高压电桥原理图如图2大虚线框内所示。电流比较器高压电桥的核心为高压电流比较器，其源流如第二个小虚线框内所示。本发明的高压电流比较器的特殊之处是采用高压同轴屏蔽电缆为电流比较器高压电桥的比例线圈，同时也作为高压引线电缆与被测电缆高压线芯相连接，通过该电缆的屏蔽在电桥入口出接地，消除引线电容和漏导对测试结果的影响。

所述检测绕组线圈包括可调线圈D1′、可调线圈D2′、可调线圈D3′、可调线圈D1、可调线圈D2、可调线圈D3、可调线圈D4、可调线圈D5和可调线圈D6，可调线圈D1′的滑动端与可调线圈D2′的端点一相连、可调线圈D2′的滑动端与可调线圈D3′的端点一相连，可调线圈D1′的端点一接地，可调线圈D3′的端点二为Na端；可调线圈D1的滑动端与可调线圈D2的端点一相连、可调线圈D2的滑动端与可调线圈D3的端点一相连，可调线圈D3的端点二为Ns端；可调线圈D4与可调线圈D6为同一线圈，可调线圈D4的滑动端与可调线圈D5的端点一相连，可调线圈D5的端点二为Ns′端；可调线圈D4的端点一接地。

所述可调线圈D1的端点一通过电容器Cf接至变压器Uf的输出端的低电压端相连，可调线圈D1的端点一通过同时接入运算放大器的正输入端，运算放大器的输出端接变压器Uf的输入端的高压端，运算放大器的负输入端与变压器Uf的输入端的低压端相连并接地；电流比较器的输出线圈端点一经过选择开关K1后，第一路径直接连接至通道，第二路径经过指零仪3连接至通道，同时电流比较器的输出线圈端点二直接连接至通道，通道与示波器相连，示波器与计算机相连；可调线圈D2′的滑动端通过开关K1分别与第一电阻R1、第二电阻R2、和第三电阻R3相连，第一电阻R1、第二电阻R2分别连接至变压器输出端的滑动端点一和滑动端点二，变压器输出端的高压端连接至示波器，同时连接至一可调电位器R4的输入端，第三电阻R3连接至可调电位器R4的滑动端，变压器输出端的端点三接地；可调线圈D3的滑动端通过标准电容器Cs连接至高压电源。

图2中可调线圈D1、可调线圈D2、可调线圈D3为十进制可调线圈，实现Na和Ns的联动；可调线圈D4、可调线圈D5为十进制可调线圈，同时可调线圈D4和可调线圈D6采用同一绕组；第一电阻R1、第二电阻R2、和第三电阻R3为十进制精密电阻，分别为10、100、1000欧姆；可调电位器R4为10000欧姆；Cf为100微法级精密电容器。通过Uf可检测试验电压波形；当开关K2置测试通道是可得到损耗电流波形。电桥中标准电容的工作电压必须不小于测试电压，而标准电容器Cs的电容值根据被测电缆等效电容可选择100pF或1000pF。 

在上述测试装置中采用改造后电流比较器高压电容电桥，实现被测电缆绝缘电流在高压侧的测量采样以及容性电流的补偿，这样在获得损耗电流波形信息的同时，也获得损耗因数和被测电缆等效电容值，为水树老化状态的诊断提供更多的信息，同时也提高了损耗电流的测试精度。

采用准同步算法对所测得损耗电流的快速傅里叶变换，获得损耗电流三次谐波幅值和相位信息，克服了变频条件下不满足采样定理的不足。

在实验室和现场条件下采用现有电力电缆状态检测车的变频串联谐振耐压装置对电缆试样施加交流电压，所得到的激励电压、损耗电流典型波形和损耗电流傅里叶变换结果如图3所示。从图3中可以看出，变频谐振电源电压波形除含有高频的毛刺外，输出波形十分接近标准正弦波。叠加在正弦波上的高频毛刺为变频谐振电源电力电子器件关断时所产生的高频信号，其频率远远高于测试主频及其谐波所在频率段，对于损耗电流谐波分量的测量没有影响，从而验证了变频串联谐振电源的可行性。

串联变频谐振电源采用目前市场销售的用于电缆线路耐压的试验电源即可，可根据被测电缆线路长度和电压等级确定电源的容量和电压等级。

本发明在现有电流比较器高压电桥基础上进行改进，实现高压电流比较器替代电流互感器从高压侧采集被测电缆绝缘电流信息。从原理上讲仍是一个电桥，不同的是电桥中的核心部件电流比较器结构的改进。试验电源的引线采用高压同轴电缆，以单匝穿芯式结构穿过电流比较器后与被测电缆相连接，在电流比较器中形成匝数为1的比例线圈。电流比较器的具体结构中包括的组件有：主铁芯、检测绕组、内静电屏蔽、磁屏蔽、外静电屏蔽、比例绕组。

本发明的状态测试系统的工作过程为：当开关k1合，选择开关k2放置于指零仪位置时构成电桥， 开始调节电桥平衡，待谐振电压稳定后，调节流比器部分的容性补偿旋钮，灵敏度从1到7，放大倍数为10K，待波形处于幅值最小时开始微调，微调的过程中观察损耗电流的傅里叶变换波形，调节使对应谐振频率的相应波形达到幅值最低，同时损耗电流波形基本上为一直线即达到平衡；平衡后，得到被测试电缆等效电容值和损耗因数；而后k1断开，同时k2打到“通道”位置，此时电桥失去平衡，所输出的信息即为损耗电流的信息，通过示波器观察损耗电流波形，然后通过存储设备将数据从示波器中导出，然后传入计算机后进行准同步算法的数值傅里叶变换，从而损耗电流三次谐波幅值和相位信息。

为了进一步验证变频电源条件下损耗电流谐波分量法诊断XLPE电力电缆绝缘水树老化状态的可行性，对多条电缆线路进行了测试。

不含有水树老化的电缆线路测试结果如图4所示，从图4中可以看出变频谐振电源施加在电缆试品上的电压接近理想的标准正弦波，虽然存在高频干扰，但其频率远大于十倍试验电压基波频率以上，不影响损耗电流谐波分量的测量。

测试结果表明：损耗电流的信号很大，而其它谐波分量为工频和其奇次谐波干扰，试验电源频率下的谐波分量几乎没有。

含有水树老化的电缆线路测试结果如图5所示，从图5中可以看出，损耗电流的波形明显发生了畸变，说明谐波分量比较大，且损耗电流三次谐波很明显，这预示被测电缆已经出现水树老化迹象。

为了更清晰说明这一事实，将损耗电流三次谐波分量随试验电压的变化规律用图6表示，在损耗电流谐波分量反映电缆水树老化的同时，损耗因数测试结果同样显示电缆发生了老化。

损耗因数随试验电压关系曲线如图7所示。测试结果表明：损耗电流三次谐波与介质损耗因数tanδ随施加电压的变化率成非线性，说明该测试电缆确实已存在水树老化区域，且介质损耗值tanδ已达到6.6%，根据参考标准：当电缆绝缘的tanδ大于5%时，则认为电缆中的水树有很多。

为了验证现场测试结果的正确性，对现场测试认定发生水树老化电力电缆切割取样，在实验室条件下，进行试样切片和染色处理，在光学显微镜下发现大量蝴蝶状水树枝的存在。水树枝观测结果证实了现场诊断结果的正确性。

Claims (4)

1.一种电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：包括高压电源、电流比较器高压电桥、损耗电流波形显示和分析系统，所述电流比较器高压电桥包括电流比较器，所述电流比较器包括主铁芯、检测绕组线圈、比例绕组线圈，所述检测绕组线圈为高压同轴屏蔽电缆，所述检测绕组线圈一端与被测电缆高压线芯相连接，另一端与高压电源相连。

2.根据权利要求1所述的电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：所述检测绕组线圈包括可调线圈D1′、可调线圈D2′、可调线圈D3′、可调线圈D1、可调线圈D2、可调线圈D3、可调线圈D4、可调线圈D5和可调线圈D6，可调线圈D1′的滑动端与可调线圈D2′的端点一相连、可调线圈D2′的滑动端与可调线圈D3′的端点一相连，可调线圈D1′的端点一接地，可调线圈D3′的端点二为Na端；可调线圈D1的滑动端与可调线圈D2的端点一相连、可调线圈D2的滑动端与可调线圈D3的端点一相连，可调线圈D3的端点二为Ns端；可调线圈D4与可调线圈D6为同一线圈，可调线圈D4的滑动端与可调线圈D5的端点一相连，可调线圈D5的端点二为Ns′端；可调线圈D4的端点一接地。

3.根据权利要求2所述的电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：所述可调线圈D1的端点一通过电容器Cf接至变压器Uf的输出端的低电压端相连，可调线圈D1的端点一通过同时接入运算放大器的正输入端，运算放大器的输出端接变压器Uf的输入端的高压端，运算放大器的负输入端与变压器Uf的输入端的低压端相连并接地；电流比较器的输出线圈端点一经过选择开关K1后，第一路径直接连接至通道，第二路径经过指零仪连接至通道，同时电流比较器的输出线圈端点二直接连接至通道，通道与示波器相连，示波器与计算机相连；可调线圈D2′的滑动端通过开关K1分别与第一电阻R1、第二电阻R2、和第三电阻R3相连，第一电阻R1、第二电阻R2分别连接至变压器输出端的滑动端点一和滑动端点二，变压器输出端的高压端连接至示波器，同时连接至一可调电位器R4的输入端，第三电阻R3连接至可调电位器R4的滑动端，变压器输出端的端点三接地；可调线圈D3的滑动端通过标准电容器Cs连接至高压电源。

4.根据权利要求2所述的电力系统XLPE电缆水树老化状态测试系统，其特征在于：所述高压电源为变频串联谐振高压电源。

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