CN103207358A - 高压电力电缆无损检测装置 - Google Patents

Abstract

一种高压电力电缆无损检测装置，用于检测电力电缆的缺陷，包括交流耐压测试系统和局放测试系统；所述交流耐压测试系统包括电源、高压电抗和分压器，所述电源、高压电抗和分压器串联形成回路；在测试被测电缆端部或中间接头处接入高频阻波器、电容分压器、高频电流互感器、和局放测试仪，通过设置高压电抗，可满足长距离大容量电缆的试验要求；高频阻波器可抑制电源侧的高频干扰，高频电流互感器可感应脉冲并能在局放测试仪形成局放信号，与标准局放信号对比可判断电缆是否存在隐性缺陷。

Description

高压电力电缆无损检测装置

技术领域

本发明涉及输变电设备绝缘状态监测领域，特别是涉及一种高压电力电缆无损检测装置。

背景技术

高压电力电缆是现代生活和工业用电传输必须用到的材料，若电力电缆内部有缺陷，会对电力电缆的安全运行带来极大的安全隐患，而且电力电缆大多数埋设在地下，运行环境恶劣，维护、故障探查都比较困难，所以，对高压电力电缆投入运行前的无损检测很有必要。

一般地，电力电缆缺陷采用耐压实验进行检测，高压电缆交流耐压试验装置的试验容量可以满足三公里110kV高压电缆的试验要求，并且热容量是按照每相5min设计，检测时针对整体的电力电缆，检测整体的电力电缆能否完整承受试验电压的考验，从而判断电力电缆是否有缺陷。

但是，现有高压电缆交流耐压试验装置的试验容量和热容量无法满足新电缆连续进行3小时耐压的要求；对电缆整体的检测不一定能发现局部非贯穿性的缺陷，且会促使电缆上的局部缺陷进一步发展恶化，加大电缆安全运行的风险。

发明内容

基于此，有必要针对无法对长距离大容量的高压电缆进行耐压试验、无法检测高压电力电缆局部隐性缺陷的问题提供一种高压电力电缆无损检测装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种高压电力电缆无损检测装置，用于检测电力电缆的缺陷，包括交流耐压测试系统和局放测试系统；

所述交流耐压测试系统包括电源、高压电抗和分压器，所述电源、高压电抗和分压器串联形成回路；

所述局放测试系统包括高频阻波器、电容分压器、第一高频电流互感器、第二高频电流互感器和局放测试仪；所述高频阻波器、电容分压器以及第一高频电流互感器串联、且均与所述分压器并联；所述第二高频电流互感器、被测电缆均与所述电容分压器并联，且所述被测电缆的接入端分别为电缆导体和电缆铠装；所述第一高频电流互感器和第二高频电流互感器均与所述局放测试仪接通；或

所述局放测试系统包括高频阻波器、耦合电容和第三高频电流互感器，在两根电缆铠装均接入耦合电容和第三高频电流互感器形成桥接电路；所述第三高频电流互感器均与所述局放测试仪接通。

在其中一个实施例中，电路串联、并联形成回路所用到的导线为防晕导线。

在其中一个实施例中，所述电源包括串联连接的发电机、无局放脉宽调制变频电源和励磁变压器，所述无局放脉宽调制变频电源结合局放测试仪的相位开窗，消隐0°和180°的局放信号。

在其中一个实施例中，所述高压电抗为6个以上高压电抗器串联。

在其中一个实施例中，所述高频阻波器的电感值为50mH，对工频信号的阻抗为15.7Ω。

在其中一个实施例中，所述第一高频电流互感器、第二高频电流互感器、第三高频电流互感器的感应频率均为20KHz～20MHz。

在其中一个实施例中，所述被测电缆接入检测装置的部分设置有均压环。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明高压电力电缆无损检测装置，用于检测电力电缆是否存在缺陷，通过设置高压电抗，利用电感中磁场的能量与被测电缆电容的电场能量互相补偿，使得被测电缆上的电压为电源电压的Q倍，电源容量为被试电缆容量的1/Q倍，可减小高压感抗的体积、解决散热问题，使之满足长距离大容量电缆的试验要求。高频阻波器可抑制电源侧的高频干扰，可将检测装置中的干扰信号降到允许的范围内，再利用高频电流互感器感应脉冲，局放测试仪接收感应到的脉冲信号，且能在局放测试仪形成信号分类、脉冲信号频谱、波形等局放信号，与标准局放信号对比即可判断电力电缆是否存在隐性缺陷。

附图说明

图1为本发明高压电力电缆无损检测装置检测被测电缆端部结构示意图；

图2为本发明高压电力电缆无损检测装置检测被测电缆中间接头结构示意图；

图3为本发明高压电力电缆无损检测装置被测电缆结构示意图；

图4为本发明被测电缆端部局放测试原理图；

图5为本发明被测电缆中间接头处局放测试原理图；

图6为本发明高压电力电缆无损检测装置结构示意图与被测电缆线路结构示意图；

图7为本发明被测电缆局放信号分类图；

图8为本发明被测电缆典型局放信号频谱图；

图9为本发明被测电缆典型局放信号波形图；

图10为本发明被测电缆典型局放信号Ф-q谱图；

图11为本发明被测电缆标准局放信号校准图；

图12为本发明被测电缆与分压器接地线通道中局放波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示，一种高压电力电缆无损检测装置，用于检测电力电缆的缺陷，包括交流耐压测试系统10和局放测试系统20；所述交流耐压测试系统10包括电源100、高压电抗101和分压器，所述电源100、高压电抗101和分压器102串联形成回路。通过设置高压电抗101，利用电感中磁场的能量与被测电缆205电容的电场能量互相补偿，使得被测电缆205上的电压为电源100电压的Q倍，电源100容量为被测电缆205容量的1/Q倍，可减小高压感抗的体积、解决散热问题，使之满足长距离大容量电缆的试验要求。

测试被测电缆205端部时，所述局放测试系统包括高频阻波器200、电容分压器201、第一高频电流互感器202、第二高频电流互感器203和局放测试仪204；所述高频阻波器200、电容分压器201以及第一高频电流互感器202串联、且均与所述分压器并联；所述第二高频电流互感器203、被测电缆205均与所述电容分压器201并联，且所述被测电缆205的接入端分别为电缆导体和电缆铠装；所述第一高频电流互感器202和第二高频电流互感器203均与所述局放测试仪204接通；或

测试被测电缆205中间接头处时，所述局放测试系统包括高频阻波器200、耦合电容206和第三高频电流互感器207，在两根电缆铠装均接入耦合电容206和第三高频电流互感器207形成桥接电路；所述第三高频电流互感器207均与所述局放测试仪204接通。

在现场实施电缆局放试验时，干扰信号会严重影响电缆局放的检测和诊断，主要有临近试验现场的运行设备产生的电晕或者局放信号、交流耐压测试系统10自身的局部放电信号、交流耐压测试系统10回路的导线产生的电晕信号三个方面的因素。高频阻波器200可抑制电源100侧的高频干扰，可将检测装置中的干扰信号降到允许的范围内。再利用高频电流互感器感应脉冲，局放测试仪204接收感应到的脉冲信号，且能在局放测试仪204形成信号分类、脉冲信号频谱、波形等局放信号，与标准局放信号对比即可判断电力电缆是否存在隐性缺陷。

如图3、图4所示，当测试被测电缆205端部时，若被测电缆205内部发生了局部放电，高频电流互感器内部的耦合电容206瞬时对被测电缆205终端充电，成为闭合的回路，形成高频的脉冲充电电流波形，脉冲电流的幅值、发生的频度反映了被测电缆205内部局部放电的严重程度，局放信号传送至局放测试仪204分析处理可了解相应脉冲电流的幅值和发生的频度。

如图3、图5所示，当测试被测电缆205中间接头处时，一根电缆导体2050与电缆铠装2051之间存在第一电容208，另一根电缆导体2050与电缆铠装2051之间存在第二电容209，如果在两根被测电缆205的中间接头处发生局部放电，那么形成第三电容210和第四电容211，此时第一电容208和第二电容209就会通过导体向第三电容210和第四电容211充放电，从而形成局放电流回路。在两根被测电缆205的铠装2051均接入耦合电容206和第三高频电流互感器207，形成桥接电路，就可以检测到局放的脉冲电流信号，将局放测试仪204接入测试线路，即可检测到局放信号分类图、局放信号频谱图、局放信号波形图等判断图形。同时，在两根被测电缆205中间接头处的局放测试接线之间设置有绝缘环213，可避免其中一根被测电缆205对另外一根被测电缆205的局放测试产生影响。

其中，第一高频电流互感器202、第二高频电流互感器203和第三高频电流互感器207的感应频率均相同；可通过第一高频电流互感器202和第二高频电流互感器203感应到的局放信号判断其极性，从而判断局放信号是由检测装置产生的还是被测电缆205产生。

在其中一个实施例中，电路串联、并联形成回路所用到的导线30为防晕导线。当检测装置线路中出现电晕现象时，电晕产生热效应和臭氧、氮的氧化物，使线圈内局部温度升高，导致胶粘剂变质、碳化，股线绝缘和云母变白，进而使股线松散、短路、绝缘老化，对绝缘造成很大的损害；防晕导线可消除电晕现象，减少了检测装置回路中的电晕干扰。

所述高频阻波器200的电感值为50mH，对工频信号的阻抗为15.7Ω。高频阻波器200用于抑制电源100侧的高频干扰，所设计的高频阻波器200的电感值为50mH，对工频信号的阻抗约为15.7Ω，对于10MHz信号的阻抗约为3.14MΩ，因而可实现对试验电源100侧高频干扰的抑制。同时，高频阻波器200可阻止高频脉冲信号向电源100侧传播，可提高局放检测的灵敏度。

上述防晕导线和高频阻波器200的作用是将检测装置中的干扰信号降到允许的范围内，达到有效识别现场被测电缆205真实局放的目的。

如图1、图2所示，在其中一个实施例中，所述电源100包括串联连接的发电机1000、无局放脉宽调制变频电源1001和励磁变压器1002，无局放脉宽调制变频电源1001基于方波脉宽调制的原理，通过合理控制晶闸管导通脉冲可实现频率的灵活调节，使得晶闸管的导通和切断时电路产生高频脉冲分量只在正弦波形的0°、180°相位处产生局部放电信号，在其它相位出可以保证无局放信号产生。所述无局放脉宽调制变频电源1001结合局放测试仪204通过相位开窗功能，消隐0°和180°的局放信号。结合局放测试仪204的相位开窗功能，将0°、180°的局放信号消隐，实现了无局放变频电源的功能。励磁变压器1002是专门为发电机1000励磁系统提供三相交流励磁电源的装置，励磁系统通过可控硅将三相电源转化为发电机1000转子直流电源。发电机1000、无局放脉宽调制变频电源1001和励磁变压器1002共同作用，为检测装置提供无局放的变频电源100。

在其中一个实施例中，所述高压电抗101为6个以上高压电抗器串联组成。串联高压电抗器的作用是在感抗与被测电缆205容抗相等时，利用电感中磁场的能量与被测电缆205电容的电场能量互相补偿，使得被测电缆205上的电压为电源100电压的Q倍，电源100容量为被测电缆205容量的1/Q倍。根据国标的要求，以国内厂家生产的变频电源100的输出频率范围和15公里长电缆为例，计算出试验所需要的电感电抗器的总电感值需小于6.34H，且额定电流需大于141.69A。将电抗器分成6个电抗器，每个电抗器的电感值小于38.04H，额定电流大于23.62A，这样可减小了高压电抗101的体积，解决了散热问题，可并联使用满足长距离大容量电缆的试验要求。当然，多于6个高压电抗器串联形成高压电抗101也同样可并联使用满足长距离大容量电缆的试验要求。

其中，被测高压电缆可以是110kV、220kV及500kV的高压电缆；交流耐压测试系统10中采用6个以上高压电抗器串联形成高压电抗101，可满足连续进行3小时耐压测试的要求。

所述第一高频电流互感器202的感应频率为20KHz～20MHz。当局放测试系统20线路中的频率不在20KHz～20MHz的范围内时，第一高频电流互感器202感应不到频率，局放测试仪204也就检测不到相应的频率，也就不会出现相应的频谱和波形；当局放测试系统20线路中的频率落在20KHz～20MHz的范围内时，第一高频电流互感器202感应到相应的频率，刺激局放测试仪204感应相应的频率，并可出现信号分类和信号频谱、波形。根据局放测试仪204检测到的局放信号分类图、局放信号频谱图、局放信号波形图、局放信号Ф-q谱图、电缆接地线通道局放波形图、校准与实测波形图与典型的局放信号图相对比，可判断被测电缆205是否有缺陷而产生了局放信号。第二高频电流互感器203、第三高频电流互感器207的电感值均为20KHz～20MHz。

如图6所示，所述被测电缆205接入检测装置的部分设置有均压环212。均压环212适用于电路中交流电压的均压，可将高压均匀分布在物体周围，保证在环形各部位之间没有电位差，从而达到均压的效果，从而将局放信号的高脉冲均匀分布，可改善试验电源100质量。

下述诊断判据可有效甄别并排除干扰信号、提取有效的信息、并根据其特征诊断被测电缆205的绝缘状态：

如图7所示，为局放信号分类图，根据频谱将局放信号进行分类，然后有选择的对每类局放信号逐一分析，排除干扰信号的影响。当然，图7中所显示的只有三类局放信号，实际检测到的局放信号可能少于、等于或大于三种。

如图8所示，为典型局放信号频谱图，可以看出典型局放信号的频谱高达数十兆赫兹。将局放测试仪204所显示的局放信号频谱与图8中的典型局放信号频谱相对比，与典型局放信号频谱趋势相同，即可判断产生了局放信号，被测电缆205有缺陷。

如图9所示，为典型局放信号波形图，典型局放信号的波形上升沿小于50ns，脉宽小于200ns。将局放测试仪204所显示的局放信号波形与图9中的典型局放信号波形相对比，与典型局放信号波形趋势相同，即可判断产生了局放信号，被测电缆205有缺陷。

如图10所示，为典型局放信号Ф-q谱图，局放信号的相位与试验电源100的相位具有180°或360°的相位特征，同时发生在一定宽度的相位上。将局放测试仪204所显示的局放信号Ф-q谱与图10中的典型局放信号Ф-q谱相对比，与典型局放信号Ф-q谱趋势相同，即可判断产生了局放信号，被测电缆205有缺陷。

如图9、图11所示，图10为校准波形图，图8为实测波形图，高压电缆局部放电的严重程度通过其局部放电量来反映，要测试局放量必须对测试系统进行校准，测试时参照校准信息就可以按照比例法计算出局放量的大小，即

如图12所示，为电缆205、分压器102接地线通道局放波形图，高压电缆发生局部放电时，电缆接地线通道中局放信号与电源100同极性、分压器102接地线通道中局放信号与电源100反极性。通过将局放测试仪204中显示的电缆接地线通道局放波形图与图11中所示局放波形图对比，即可判断局放信号的产生对象。若测试到的局放信号波形图与图11所示相符，则可判断局放信号由被测电缆205产生；若测试所得的局放信号波形图中电缆接地线通道局放波形与分压器接地线通道局放波形相同，则可判断局放信号由测试装置产生。

判断被测电缆205是否产生了局放信号，需同时满足图7、图8、图9、图10、图11、图12所示的分析图。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图6所示，用基于变频技术的长距离大容量高压电力电缆无损检测装置对110kV高压电缆线路进行测试，具体情况如下：

110kV高压电缆线路为交联聚乙烯高压电缆线路，110kV高压电缆线路A线、110kV高压电缆线路B线起始终端位于甲站，终止终端位于乙站，在电缆中部有一个中间接头，全长为1.3km，600m处有一中间头，电缆导体2050截面1000mm²，电容量约0.231uF/km。两回电缆的金属护层接地方式为甲站内直接接地，中间接头井处在甲站侧带保护器接地、乙站侧直接接地，乙站内带保护器接地。

由于整流和逆变获取试验电源100中含有较高的脉冲成份，不能直接作为电缆局放试验的电源100施加于被测电缆205进行局放测试，必训采取有效措施对试验电源100进行预处理，通过设置串联高压电抗器、防晕导线、均压环212进行对试验电源100质量进行改善。

当交流试验电压升高至50kV电压下，局放测试系统20检测到局部放电信号，局放信号在相位图上具有180°的相位特征；局放信号的极性显示在试验电源100的正半波发生了正极性的局放信号，在试验电源100的负半波发生了负极性的局放信号；将局放信号与校准信号对比计算其局部放电量约9500pC，严重超出了电缆出厂试验局放量应小于10pC的要求，判定被测电缆205产生了局部放电。

高压电力电缆无损检测装置能在投运前及时发现高压电缆及其附件中存在的缺陷，有效减少了电缆带病投运后出现事故所带来的重复停电损失，具有可观的经济效益，对保障电网的安全运行具有重要价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种高压电力电缆无损检测装置，用于检测电力电缆的缺陷，其特征在于，包括交流耐压测试系统和局放测试系统；所述交流耐压测试系统包括电源、高压电抗和分压器，所述电源、高压电抗和分压器串联形成回路；

所述局放测试系统包括高频阻波器、电容分压器、第一高频电流互感器、第二高频电流互感器和局放测试仪；所述高频阻波器、电容分压器以及第一高频电流互感器串联、且均与所述分压器并联；所述第二高频电流互感器、被测电缆均与所述电容分压器并联，且所述被测电缆的接入端分别为电缆导体和电缆铠装；所述第一高频电流互感器和第二高频电流互感器均与所述局放测试仪接通；或

所述局放测试系统包括高频阻波器、耦合电容和第三高频电流互感器，在两根电缆铠装均接入耦合电容和第三高频电流互感器形成桥接电路；所述第三高频电流互感器均与所述局放测试仪接通。

2.根据权利要求1所述的高压电力电缆无损检测装置，其特征在于，电路串联、并联形成回路所用到的导线为防晕导线。

3.根据权利要求2所述的高压电力电缆无损检测装置，其特征在于，所述电源包括串联连接的发电机、无局放脉宽调制变频电源和励磁变压器，所述无局放脉宽调制变频电源结合局放测试仪的相位开窗，消隐0°和180°的局放信号。

4.根据权利要求2所述的高压电力电缆无损检测装置，其特征在于，所述高压电抗为6个以上高压电抗器串联。

5.根据权利要求2所述的高压电力电缆无损检测装置，其特征在于，所述高频阻波器的电感值为50mH，对工频信号的阻抗为15.7Ω。

6.根据权利要求2所述的高压电力电缆无损检测装置，其特征在于，所述第一高频电流互感器、第二高频电流互感器、第三高频电流互感器的感应频率均为20KHz～20MHz。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的高压电力电缆无损检测装置，其特征在于，所述被测电缆接入检测装置的部分设置有均压环。

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