CN103323718B - 一种容性高压设备绝缘老化诊断试验系统及其工作方法 - Google Patents

一种容性高压设备绝缘老化诊断试验系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种容性高压设备绝缘老化诊断试验系统及其工作方法。该系统采用双频率时变信号进行叠加冲击试验,通过两路相互独立的DDS信号发生器及其带白噪声控制的功率放大器,以及一个幅值叠加单元,再加上与幅值叠加单元输出串联或并联的可控感性负载,形成复合混叠波形输出回路,并结合一套信息处理分析方法,对被试高压设备的绝缘老化进行试验诊断。与现有技术相比,本发明能够通过向被试高压设备施加低于额定电压的试验信号完成绝缘老化诊断试验,不会对高压设备造成绝缘损伤,试验可随时进行,便于现场测试,试验效率较高;与波形单一的现有诊断试验信号相比,叠加冲击试验信号能够获得丰富的测量参数,有利于发现高压设备潜在故障。

Description

一种容性高压设备绝缘老化诊断试验系统及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高压设备绝缘老化诊断试验系统,特别是涉及一种无需输出高压 设备额定电压即可进行诊断性试验的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统及其工作方法。
背景技术
[0002] 传统的高压设备绝缘试验方法,包括工频试验和冲击试验,通常做法是向被试高 压设备施加1-3倍额定电压值的电压,然后研宄该电压下的输出电流值或阻抗值。这种高 电压试验方法主要存在以下缺陷:(1)由于试验电压高达数万伏甚至百万伏,使得试验装 置体积较大,试验需要耗费巨大的人力物力,这也使得试验效率不高,同时对被试高压设备 还存在绝缘损伤。(2)过高电压的试验主要在标准试验基地进行,同时高压设备试验运行现 场需要考虑的环境和人身安全因素也较多,因此高电压试验一般是有针对性地安排进行, 不可能对高压设备进行频繁的高电压试验,而且大面积频繁的耐压试验也会导致高压设备 寿命缩短或绝缘破坏。(3)高电压试验方法是对设备的好与坏进行鉴定和排查,通过试验 的则继续运行,不通过试验的则已经损坏,而不易发现设备潜在的故障隐患;应用中经常发 生,高压试验合格后,设备投运不久就出现绝缘击穿等事故,这说明高电压试验环境和实际 高压设备运行环境存在差别,也说明高压设备故障隐患的测试具有重要意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的就是针对现有技术的不足,提供一种无需输出高压设备额定电压即 可进行诊断性试验的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统及其工作方法,无需笨重的升压 升流装置,向被试高压设备施加的信号输出电压低,便于现场测试,不存在绝缘损伤,同时 测量参数丰富,利于发现设备潜在故障。
[0004] 为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
[0005] 本发明提出一种容性高压设备绝缘老化诊断试验系统及其工作方法,其技术思路 是:容性高压设备在故障早期,电容值变化小,只对高频冲击信号敏感,因此通过冲击叠加 试验模型,更能发现极小的电容变化,从而快速诊断绝缘不良。基于此,本发明采用双频率 时变信号进行叠加冲击试验,通过两路相互独立的DDS信号发生器及其带白噪声控制的功 率放大器,以及一个幅值叠加单元,再加上与幅值叠加单元输出串联或并联的可控感性负 载,形成复合混叠波形输出回路,其输出峰值电压无需达到被试容性高压设备的额定工作 电压值(通常输出电压峰值在5kV以下);通过将两路频率、幅值、波形及相位独立受控的信 号叠加合成一路冲击叠加试验电源,以及通过对可控感性负载的控制来模拟高压设备的实 际运行环境,并结合一套信息处理与分析方法,首先测量该模拟环境下的负载与试验回路 的交互功率、反射电压,以及时域和频域特征阻抗等,然后通过计算冲击叠加试验环境下的 特征阻抗的频域特征曲线、冲击响应过渡阻抗频率时变特性STFT曲线等,对被试高压设备 的绝缘老化、绝缘缺陷进行试验诊断,特别是对故障进行精确定位。
[0006] 所述容性高压设备绝缘老化诊断试验系统具体包括:MCU中央控制器,负责整个 诊断试验系统的控制(控制内容包括扫频控制,波形控制,脉宽控制,波形幅度控制,阻抗调 节,相位控制,重复测试等),并将发送出的控制数据和接收到的采集数据输入至数据处理 分析器进行计算和分析;DDS信号发生器1,产生频率、幅值、波形可调控的冲击试验信号, 受MCU中央控制器控制;DDS信号发生器2,产生频率、幅值、波形可调控的基准试验信号, 受MCU中央控制器控制;相位控制器,受MCU中央控制器控制,分别调节冲击试验信号和基 准试验信号的输出相位;功率放大器1,对DDS信号发生器1产生的冲击试验信号进行功率 和电压放大,使其输出符合要求的电压及功率信号;功率放大器2,对DDS信号发生器2产 生的基准试验信号进行功率和电压放大,使其输出符合要求的电压及功率信号;白噪声发 生器,受MCU中央控制器控制,分别对功率放大器1和功率放大器2中的信号实现局部放 大与缩小,从而提高在现场恶劣环境的使用效果;幅值叠加单元,对来自功率放大器1和功 率放大器2的两路信号(变频信号或时变)进行幅值叠加,产生进入被试高压设备的复合叠 加输出信号;可调电感器,电感量受MCU中央控制器控制,与幅值叠加单元的输出串联或并 联,实现负载总阻抗的调节;双通道实时并行采集器,负责采集被试高压设备连接端的温度 和环境湿度,并将采集数据送入MCU中央控制器;射频功率信号检波与采集器,负责采集被 试高压设备连接端的电流时变信号和电压时变信号,并将采集数据送入MCU中央控制器; 数据处理分析器,接收来自MCU中央控制器的控制数据和采集数据,对扫频信号切换、阻抗 调整或相位调整时的输出阻抗对频率和时间变化的过渡过程、能量交互或振荡过程进行捕 捉和分析,实现在叠加冲击波形下的阻抗、或相位、或介质损失频率特性曲线,或/和基于 STFT短时傅立叶变换的阻抗或相位、频率及时间的三维特性曲线,或/和LRC储能频响曲 线,或/和基于TDR时域脉冲反射的电缆故障定位,还可以再结合被试高压设备的物理特性 (包括被试高压设备的尺寸、绝缘材料、电压等级、服役年限等)进行综合分析,得到被试高 压设备绝缘老化诊断结果。
[0007] 所述诊断试验系统还包括与MCU中央控制器相连的加热装置,实现所述诊断试验 系统在低温现场环境下的稳定工作。所述诊断试验系统还包括光电转换单元,将双通道实 时并行采集器和射频功率信号检波与采集器的信号进行电光转换和光电转换,然后将信号 送入MCU中央控制器,以实现冲击叠加诊断试验系统输出与MCU中央处理器的安全隔离。
[0008] 所述诊断试验系统通过信号叠加放大的模式,可实现冲击试验信号与基准试验信 号的叠加,最后产生叠加冲击试验信号,可模拟电力线路运行时雷电冲击信号叠加到工频 信号上的效果,或模拟高压开关异常切换或合闸时的冲击波叠加到工频信号上的效果,或 模拟电力线路周期正弦信号的局部幅值跳跃或陡降。叠加冲击试验信号的输出相位及峰 值由参与叠加的基准试验信号和冲击试验信号的相位及幅值决定,叠加冲击试验信号的频 率由基准试验信号频率决定。由于所述诊断试验系统通过双路叠加电压法试验,且输出频 率可达数百兆赫兹,因此对因故障导致的阻抗微弱变化非常敏感,可以较灵敏地检测到因 阻抗变化带来的输出电流变化,因此输出电压可以较大幅度降低。设高频条件下输出阻抗 为1M欧姆,那么输出最高5kV,最大电流为5kV/lM=5mA,是现有检测设备能够轻易实现的, 即使输出阻抗为1000M欧姆,最大电流为5uA,也是现有检测技术不难实现的;且随着频率 增高,高压设备更趋于容性,等效容性阻抗会快速降低,阻抗值会远低于1M欧姆。因此所 述诊断试验系统主要基于峰值5kV以下的输出是合理的,该输出电压模式下可以实现较为 轻便的设备,相较传统施加额定电压的耐压试验设备,较低电压的输出与控制更加安全可 靠。所述诊断试验系统虽然要求的峰值为5kV电压输出,但在检测灵敏度提高的硬件设备 支撑下,可以实现PA级电流的测量,那么输出峰值电压可以降低到lkV以下,设备将会更加 轻便。另一方面,由于单纯的冲击试验所需功率大,容易受到杂散电容及现场接线不良的影 响,所以将模拟冲击脉冲的冲击试验信号叠加到一定幅值上的基准试验信号之上,既起到 了抑制环境干扰的目地,又可以通过基准试验信号单独试验输出和叠加输出的对比来排除 接线不良等导致的数据误差;同时,部分环境干扰或故障对相位敏感,通过调整不同叠加相 位,也能起到提高抑制干扰和查找故障的目地。
[0009] 可调电感器的加入,用于研宄叠加试验输出条件下,高压设备容性绝缘层与感性 负载之间的能量交互振荡过程,并根据振荡的中心频率、振荡高频电流幅值相位特征和反 射波形来分析高压设备绝缘层的故障或特性老化,以及通过不同频率反射信号的功率衰减 时差的时域脉冲反射计法TDR或统计时域脉冲反射计法STDR来实现电缆的故障定位等;振 荡及反射信号的研宄频率范围为〇. 5M-5GHZ范围。
[0010] 上述容性高压设备绝缘老化诊断试验系统的工作方法,具体包括以下步骤:
[0011] A、产生试验信号:将幅值叠加单元的输出线与被试高压设备相连;在MCU中央控 制器中手工或程序受控的方式自动输入基准试验信号的频率带宽、幅值、波形和相位,冲击 试验信号的频率、幅值、波形和相位;MCU中央控制器根据输入参数控制DDS信号发生器1 产生冲击试验信号,控制DDS信号发生器2在基准试验信号的频率带宽范围内进行扫频输 出试验、产生相应的基准试验信号,控制相位控制器对冲击试验信号和基准试验信号的输 出相位进行调节;基准试验信号可以单独提前输出,再叠加冲击试验信号,也可以同时输出 基准试验信号和冲击试验信号。
[0012] B、试验信号叠加:功率放大器1和功率放大器2分别对冲击试验信号和基准试验 信号进行功率和电压放大,同时白噪声发生器在MCU中央控制器下分别对功率放大器1和 功率放大器2中的信号实现局部放大与缩小;经过放大后的两路试验信号进入幅值叠加单 元进行幅值叠加,产生进入被试高压设备的复合叠加输入信号;
[0013] C、信号响应采集:MCU中央控制器控制可调电感器的电感量,实现负载总阻抗的 调节;通道实时并行采集器采集被试高压设备连接端的温度和环境湿度,射频功率信号检 波与采集器采集被试高压设备连接端的电流时变信号和电压时变信号,所有采集数据被送 入MCU中央控制器;
[0014] D、绝缘老化诊断:MCU中央控制器将发送出的控制数据和接收到的采集数据输入 至数据处理分析器,数据处理分析器进行计算和分析,得出绝缘老化诊断分析结果;分析模 式为以下至少一种:
[0015] a)叠加冲击介质响应分析:绘制叠加冲击波形下阻抗频率特性曲线,或相位频率 特性曲线,或介质损失频率特性曲线,或奈奎斯特曲线。这里绘制的阻抗、相位、介质损失, 及奈奎斯特曲线,是指输出叠加冲击试验电源的条件下,通过计算出平均值或峰值得来的, 即每个频率和相位对应的阻抗测量值是唯一的。
[0016] b)STFT冲击叠加阻抗短时傅式分析:改变可调电感器或改变试验输出电压或改 变基准试验频率或改变冲击叠加试验频率调节下测量快速时变输出电压电流及相位信号 的变化过程,绘制叠加冲击波形下基于STFT短时傅立叶变换的阻抗或相位、频率、时间三 维特性曲线。STFT被用于研宄冲击叠加条件下被试容性高压设备的绝缘介质稳定性,老化 越严重的设备,稳定性越差。细节为描述发生在扫频信号切换时的阻抗变化过程,或研宄LC 能量交互波形时,交互电压和交互电流的频率和时间特性。
[0017] c)故障定位分析:基于TDR时域脉冲反射计算方法进行电缆故障定位。具体操 作流程如下:采集冲击叠加试验电压下的高频脉冲信号,或高频振荡信号及其反射信号, 分别记做TF1,TF2 ;选择信号沿着电缆传输的速率V,标准值为光传播速率,但实际上有修 正,略低于光传播速率;通过测量方式获得电缆长度L,计算故障缺陷点的位置,计算式为 D=VX (t2-tl)/2,其中V为信号TF1或TF2的传输速率,tl、t2分别为从故障点直接返回和 从电缆终端返回的时间,t2-tl即为两路信号返回到起始位置的时间差,D即为故障点与当 前测试接线端处的距离。
[0018] d) LRC储能响应分析:对基频试验频率滤波后进行LRC能量交互分析、谐振峰值电 压分析、谐振峰值电流分析,绘制LRC储能频响曲线。主要通过高频法实现高灵敏的绝缘故 障分析,该方法可用于分析划伤、磨损等轻微故障带来的阻抗和吸收功率的变化。
[0019] 可以通过改变可调电感器进行上述方法的重复测试;可以通过搜索或计算特殊频 率段进行上述方法的重复测试;可以通过记录不同时间的测试结果来实现曲线或数据的稳 定性、关联和差异性分析;可以通过改变可调电感量,改变加热温度,改变测试时间,改变基 准试验信号或冲击试验信号的相位,改变叠加信号的幅度,或改变通过白噪声对功率放大 信号的局部放大或缩小的程度来综合分析以上四种分析方法获得的数据或曲线之间的关 联性。考虑到被试高压设备的制造工艺、材料、运行环境不同,单一试验环境可能不能发现 问题,所以结合以上四种分析模式可以较全面地捕捉高压设备绝缘材料的老化特性,同时 结合被试高压设备的机械参数、投运年限、绝缘材料等可以对分析结果进行修正或验证初 步的分析结论。因此,所述诊断试验系统的工作方法还包括:在上述分析模式的基础上,结 合被试高压设备的尺寸、绝缘材料、电压等级、服役年限,综合得出绝缘老化诊断分析结果。
[0020] 所述方法通过测量冲击叠加试验时输出负载回路产生的高频振荡信号及高频反 射信号的相位、幅值、频率和功率密度来分析故障的严重程度或位置,并通过振荡信号的 电压电流及相位计算等效高压设备的电容值,并通过分析不同振荡频率下的电容值大小、 冲击叠加试验功率输出、冲击叠加试验峰值功率频率点、冲击叠加阻抗的短时傅立叶变换 STFT来分析高压设备的绝缘老化状态。分析高压设备的绝缘老化方法或是以上相位、幅值、 频率、功率、电容等参数的统计分析结果,或是与历史数据的差异比对分析结果,或是结合 以上参数(相位、幅值、频率、功率、电容)与被试高压设备的绝缘材料、环境温湿度、海拔、机 械尺寸、年龄等综合因素考虑的统计或数据挖掘方法。
[0021] 所述基准试验信号为频率范围luHz_500MHz的正弦波、或余弦波、或三角波,或频 率范围luHz-lOOOkHz、脉冲宽度1%-99%可调的阶跃矩形波;所述冲击试验信号为频率范 围0. 5MHz-1000MHz、脉冲宽度1%-99%可调的矩形波,或上升沿脉宽0. 01uS-100uS、总脉宽 luS-1000uS可调的雷电冲击波形;所述可调电感器的电感量为0-2000mH。
[0022] 所述幅值叠加单元的叠加模式为普通晶体三极管叠加与放大,或绝缘栅双极型功 率管IGBT差模输入叠加与放大,或双极结型晶体管BJT叠加与放大,或M0SFET管叠加与放 大,或达灵顿晶体管叠加与放大,或先通过小信号集成混频芯片叠加后外接放大器的放大 输出模式。
[0023] 所述容性高压设备为电力电缆,或变压器,或互感器,或容性套管。所述诊断试验 系统输出接线简单,只需要将输出两条线接到高压设备绝缘层两端即可。具体接线均按照 标准试验接线方法进行:(1)电力电缆接线,一端接导体,一端接地线,如图2所示,即诊断 试验系统输出端与电缆的中心导体相连,被试电缆的金属护套或金属屏蔽层与接地端相 连,该接地端同样与诊断试验系统的接地端相连。被试电缆可以是各种电压等级的XLPE交 联乙烯电缆,或充油电缆,或SF6气体绝缘式电缆,或其他复合绝缘类型的电缆,可以是单 相或单芯电缆,也可以是多芯电缆或并联的多条电缆。电缆并联时,各电缆的中心金属导体 采用金属铜线或其他连接铜排并联,金属护套或金属屏蔽层先并联后再接大地。(2)变压 器和互感器接线,一端接初级绕组(绕组端子之间短路),一端接次级绕组(绕组端子之间短 路),将已经短路的初级或次级(任选一端)接地作为地端。变压器接线如图3所示,被试变 压器高压绕组全部短接后与诊断试验系统的输出端相连,被试变压器的低压绕组短接后直 接接地,低压绕组的接地端与诊断试验系统的接地端为同一接地系统;图中的高压绕组和 低压绕组的位置可以调换,即诊断试验系统的输出接被试变压器已经短接的低压绕组,高 压绕组短接后统一接地。被试变压器可以是三相变压器,也可以是单相变压器。单相变压器 需要将高压端和低压端分别进行短接,三相变压器需要将高压端的三相绕组和低压端的三 相绕组分别短接。互感器构造与接线均与变压器相同,不再重复说明。(3)容性套管接线, 一端导体,一端地线,即诊断试验系统输出端接容性套管的金属导体,诊断试验系统的接地 端与容性套管末屏的接地引出端相连。接地端可以悬浮,也可以与大地相连。(4)其他容性 高压设备接线,按照标准试验接线方法,一端导体,一端地线,即诊断试验系统输出端接容 性高压设备的金属导体,然后将诊断试验系统的接地端和被试容性高压设备的接地端或金 属屏蔽层相连。
[0024] 理想情况下,被试高压设备绝缘层为一纯电容值,实际上被等效成RLC复合 电路,其中电容C占主要成分。当串联或并联感性负载L (即可调电感器)后,即将输 出负载的阻抗向量进行了改变,通过改变阻抗向量有利于抑制电源噪音,环境干扰,还 有利于优化配置试验输出功率,使得试验电源工作在最佳状态,但为了防止长时间发 生LC谐振以带来输出功率过大的问题,一般感性负载的调整是迅速的,需要很快调 节到较低电感值的位置,因此在调整电感值的这个过程中,要求采集信号能够快速捕 捉信号变化,并进行短时傅立叶频谱分析(Short-Time Fourier Transform-STFT)。 在本发明中STFT短时傅立叶分析还用在冲击叠加脉冲输出电压施加到被试高压 设备的初始瞬间的阻抗频率时间三维特性的分析。STFT采用经典理论的算法:
Figure CN103323718BD00091
式中w(t)为窗函 数,x(t)为阻抗时间变化信号,X(t,《)为傅式变换,《为角频率。
[0025] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:能够通过向被试容性高压设备施加低于 额定电压的试验信号完成绝缘老化的诊断试验,不会对高压设备造成绝缘损伤,同时这种 试验可随时、重复进行,便于现场测试,试验效率较高,不仅能够对高压设备的制造有较好 的试验验证作用,而且对于现场已经运行的电缆、变压器、套管等高压设备同样能够进行诊 断试验;另一方面,与波形单一的现有诊断试验信号相比,叠加冲击试验信号能够获得丰富 的测量参数,有利于发现高压设备潜在故障。本发明的诊断试验系统及其工作方法提出了 一种早期绝缘缺陷及老化的绝缘状态快速诊断新思路,能够有力补充现有试验诊断技术的 空缺,有利于提尚检修生广效率。
附图说明
[0026] 图1是本发明的诊断试验系统的结构示意图。
[0027] 图2是诊断试验系统与电力电缆的接线方式示意图。
[0028] 图3是诊断试验系统与变压器的接线方式示意图。
[0029] 图4是实施例1中以阻抗大小表征灰度深浅的时间频率特性曲线效果示意图。
[0030] 图5是实施例1中冲击叠加阻抗频率响应特性曲线。
[0031] 图6是实施例1中冲击叠加阻抗角频率响应特性曲线。
[0032] 图7是实施例1中冲击叠加扫频试验功率频率响应曲线。
[0033] 图8是实施例1中谐振峰值功率频率特性曲线。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图,对本发明的优选实施例作进一步的描述。
[0035] 实施例1
[0036] 如图1所示。针对变压器进行绝缘老化诊断,试验设备为一种容性高压设备绝缘 老化诊断试验系统,包括MCU中央控制器,DDS信号发生器1,DDS信号发生器2,相位控制 器,功率放大器1,功率放大器2,白噪声发生器,幅值叠加单元,可调电感器,双通道实时并 行采集器,射频功率信号检波与采集器,以及数据处理分析器。MCU中央控制器负责控制两 路DDS信号发生器、白噪音发生器、相位控制器、可调电感器及相应的采集装置,最后获取 的采集数据被送入数据处理分析器进行运算和统计分析。数据处理分析器可以是单独的 MCU处理器,或移动PC,或工控电脑,或平板电脑,或其他具备数据接入和运算能力的掌上 移动智能设备。所述幅值叠加单元的叠加模式为普通晶体三极管叠加与放大。除上述部件 外,另设一加热装置与MCU中央控制器相连。
[0037] 采用上述诊断试验系统对110kV单相变压器进行冲击叠加绝缘老化诊断试验,接 线方式与传统交流耐压试验接线方式完全相同。所述诊断试验系统工作时,步骤如下:
[0038] A、产生试验信号:将幅值叠加单元的输出线与被试高压设备相连,接线方式如下 表1所示。对照110kV单相变压器的额定工作电压等级,在MCU中央控制器中手工输入相 关参数,如下表1所示。
[0039]
Figure CN103323718BD00111
[0040] 表1接线方式及设置参数表
[0041] MCU中央控制器根据输入参数控制DDS信号发生器1产生冲击试验信号,控制DDS 信号发生器2产生基准试验信号,控制相位控制器对冲击试验信号和基准试验信号的输出 相位进行调节。
[0042] B、试验信号叠加:功率放大器1和功率放大器2分别对冲击试验信号和基准试验 信号进行功率和电压放大,同时白噪声发生器在MCU中央控制器下分别对功率放大器1和 功率放大器2中的信号实现局部放大与缩小;经过放大后的两路试验信号进入幅值叠加单 元进行幅值叠加,产生进入被试高压设备的复合叠加输入信号。
[0043]C、信号响应采集:MCU中央控制器控制可调电感器的电感量,实现负载总阻抗的 调节;通道实时并行采集器采集被试高压设备连接端的温度和环境湿度,射频功率信号检 波与采集器采集被试高压设备连接端的电流时变信号和电压时变信号,所有采集数据被送 入MCU中央控制器。
[0044] D、绝缘老化诊断:MCU中央控制器将发送出的控制数据和接收到的采集数据输入 至数据处理分析器,数据处理分析器进行计算和分析,得出绝缘老化诊断分析结果。采集数 据如下表2所示,相应的门限峰值电流/有效值如下表3所示,可知试验1、试验2、试验3 的电流均未超过门限值,可以初步判断没有绝缘破坏,但是是否存在老化状态,还得借助扫 频测试,STFT分析及其重复测试来进行。
[0045]
Figure CN103323718BD00112
L1N丄丄8 d H 5/丄OJA
Figure CN103323718BD00121
[0046] 表2采集数据表
[0047]
Figure CN103323718BD00122
[0048] 表3冲击叠加试验对应的门限电流峰值/有效值
[0049] 表2的数据可用于对被试容性高压设备绝缘状态的初略判别,即输出峰值电流或 有效值电流越大的,可认为阻抗越小,绝缘状态越差。需要说明的是由于该阻抗是冲击叠加 试验条件下获取的数据,不能直接和传统耐压试验的数据比较,而需要根据实际情况进行 修正或直接与历史冲击叠加试验的数据进行比对。
[0050] 由于冲击叠加试验的峰值波形表现陡峭,采用稳态平均值或简单的峰值不能完整 的描述高压容性设备在快速冲击叠加试验条件下的响应特性,STFT快速傅立叶分析能够对 一定时窗信号中富含的频率成分进行较好的描述。本发明中,STFT用于分析在一定时域特 征的信号条件下富含的频率成分,或一定频率信号的时间特性,最终通过描述频率与时间 的关联特性来分析高压容性设备绝缘层的健康状态。
[0051] 采用STFT冲击叠加阻抗短时傅式分析,即:绘制叠加冲击波形下基于STFT短时傅 立叶变换的阻抗、频率、时间三维特性曲线。输出试验1下基于阻抗的STFT分析数据如下表 4中所示,根据表4中数据可以绘制出STFT三维曲线;或将阻抗代表灰度值,绘制时间-频 率特性曲线,效果示意图如图4所示,图4中纵坐标为频率,横坐标为时间,不同灰度值代表 不同阻抗值。
[0052]
Figure CN103323718BD00123
[0053] 表4输出试验1下基于阻抗的STFT分析数据表
[0054] 还可以绘制叠加冲击波形下基于STFT短时傅立叶变换的相位、频率、时间三维特 性曲线。输出试验1下基于相位的STFT分析数据如下表5中所示,根据表5中数据可以绘 制出STFT三维曲线或以相位大小表征灰度的时间频率特性曲线。需要补充说明的是,除了 用灰度深浅来表征阻抗值或相位值外,也可以用色度表示,即不同颜色代表不同的阻抗或 相位大小,如:红色代表阻抗值最低,说明绝缘状态最差,黑色代表阻抗值最高,绝缘状态最 好。
[0055]
Figure CN103323718BD00131
[0056] 表5输出试验1下基于相位的STFT分析数据表
[0057] 输出试验2下基于阻抗和基于相位的STFT分析数据表如下表6、7所示。输出试 验3下基于阻抗和基于相位的STFT分析数据表如下表8、9所示。
[0058]
Figure CN103323718BD00132
[0059] 表6输出试验2下基于阻抗的STFT分析数据表
[0060]
Figure CN103323718BD00133
Figure CN103323718BD00141
[0061] 表7输出试验2下基于相位的STFT分析数据表
[0062]
Figure CN103323718BD00142
[0063] 表8输出试验3下基于阻抗的STFT分析数据表
[0064]
Figure CN103323718BD00143
[0065] 表9输出试验3下基于相位的STFT分析数据表
[0066] 进行基于冲击叠加试验的变压器扫频诊断测试。在扫频试验模式下,基准试验信 号频率不是固定的,而是采用的扫频输出模式,冲击试验信号频率不变。扫频频率范围为 300-50000HZ,基准目标输出电压为lkV,冲击脉冲频率为1MHz、占空比50%的方波,冲击脉 冲电压幅值20V,叠加相位在基准试验信号90度位置,采用表1试验1的接线方式,获得的 采集及计算数据如下表10所示。
[0067]
Figure CN103323718BD00151
[0068] 表10采集数据表(表1中试验1接线)
[0069] 根据表10的数据可以绘制阻抗频率特性曲线,功率频率特性曲线,相位频率特性 曲线。表10中的数据可以是峰值,也可以是均方根值。在表10基础上还可以计算和绘制介 损频率特性曲线,即相位的正切值(tg<i>)与频率的关系曲线,以及增益频率特性曲线,即功 率的对数(201og(S),S为峰值功率,对数运算后增益的单位为dB)与频率的特性曲线;或可 绘制奈奎斯特曲线,即一定频率范围下阻抗的虚部与实部的关系曲线;以上各种频率特性 曲线可以与历史数据进行比较,分析曲线的差异,如图5、图6、图7所示。由图5可见,有三 处以上当前测试曲线(虚线)曲线明显偏离历史测试曲线(实线),有关取舍曲线明显偏离点 的个数,可以通过设置差异值来决定,也可以通过统计固定频率点对应曲线上的纵坐标的 差异个数,或直观通过肉眼粗略识别;历史测试数据与表10类似,历史数据也可以是长期 测试建立的标准参考曲线,这里不再描述。由图6可见,实线为历史曲线或标准参考曲线, 虚线为最新测试曲线,随着频率增高,曲线差异明显增大,对于变压器等容性高压设备,在 频率增高时,应该接近纯容性,即相角接近-90度,因此通过比对发现,最新测试曲线(虚线) 偏离较大,存在老化现象。由图7可见,在高频段,较历史参考曲线(实线),测试曲线(虚线) 偏离越来越大,可认为是变压器绝缘介质的高频等效阻抗下降或有其他内部缺陷导致的分 布电容增多,从而使得扫频功率增大。结合图5、图6、图7,在高频段,三组曲线均表现为差 异偏大,因此可以认为被试变压器有较明显的绝缘不良或老化现象。
[0070] 进行基于冲击叠加试验的LRC储能响应分析。本试验是在一定冲击叠加试验条件 下通过调节可调电感来获得峰值电压、峰值电流等参数,然后进行LRC储能响应分析。LRC 储能响应分析是建立在该冲击叠加试验环境下得到的谐振信号,即获取谐振信号时,应当 滤除基准试验电压和冲击试验电压的频率。获取的LRC储能响应分析的基础数据包括谐振 峰值电压、谐振峰值电流、谐振峰值频率、谐振峰值功率、谐振峰值阻抗等。
[0071] 采用表1试验1的接线方式,设置信息及采集数据如下表11、12所示。
[0072]
Figure CN103323718BD00152
[0073] 表11冲击叠加试验条件
[0074]
Figure CN103323718BD00153
Figure CN103323718BD00161
[0076] 表12LRC储能响应分析采集数据(可调电感与输出负载串联)
[0077] 由表12,可以绘制谐振峰值功率与谐振频率的关系曲线。在变压器绝缘状态良好 的情况下,峰值功率与谐振频率的曲线是相对稳定的,如果出现部分谐振频率点对应的峰 值功率较历史分析值偏大,或者有多处峰值功率出现严重偏离,可以认为变压器内部出现 故障缺陷,与冲击叠加试验系统的可调电感L及等效直流电阻R的能量交互时,变压器的等 效电容C出现了明显变化,从而改变了 LRC的储能结构。同样的,不仅可以通过谐振峰值功 率的频率特性进行描述,还可以绘制谐振峰值电流的频率特性,或通过峰值谐振电压和峰 值谐振电流计算峰值谐振阻抗,并绘制峰值谐振阻抗的频率特性曲线等。谐振峰值功率频 率特性曲线如图8所示。由图8,曲线1为历史试验,曲线2为最新试验,曲线2的谐振功率 在高频段明显高于曲线1,可认为变压器的高频等效电容发生了较明显的变化,这是早期老 化或故障的表现,应立即采取相关维护措施。
[0078] 需要补充说明的是,谐振频率主要是通过调节可控电感器实现的,因此为了获得 丰富的谐振频率点,可控电感器的调节应该更加平滑,实现多个档位的调节。同样的,不同 的故障缺陷受试验电压及频率的影响表现特征不同,通过改变基准试验信号及冲击试验信 号的电压、频率及叠加相位,会获得更丰富的LRC储能分析数据,该方法的好处是,可以捕 捉到更丰富的因不同类型绝缘缺陷表现出来的变压器高频等效电容的变化,如变压器绝缘 层含水量较高可能对较低试验频率敏感,变压器的划伤或毛刺则需要较高的基准试验频 率,而变压器的早期的整体介损老化,需要较高的冲击试验电压。
[0079] 进行基于冲击叠加试验的变压器老化综合评估。以基于表1的试验1为例,现将 以上所有测试结果归类如下:
[0080]
Figure CN103323718BD00162
[0081] 表13基于冲击叠加试验的变压器老化综合分析表格
[0082] 单频率测试指单一冲击叠加试验频率下的绝缘状态,通常以试验条件下的电流 值、阻抗值来表示,如表2试验1数据所示,4. 3mA/3mA为试验时采集电流数据的峰值/有 效值,7. OmA/4. 95mA为门限峰值/有效值,因此采集值并未超过门限值,可认为该变压器的 冲击叠加阻抗是合格的,在表13中记做0,即故障数量为0。扫频阻抗响应是通过一定频带 的冲击叠加阻抗来分析的,如表10、图5、图6所示(这里的故障数量需要补充说明:故障数 量即曲线差异点的数量,不需要完全精确的统计,只需要设定最大值,如10,即从1-10分别 代表故障的数量同时也反映故障的严重程度,10代表故障数据已经达到极限,统计故障数 量只是为了分析不同试验检测方法下的分析结果,各种检测方法出现的故障数量的精确度 对老化综合分析结果的影响不大)。STFT阻抗频率时间三维特性分析如表4所示,通过与历 史数据或参考数据比较,STFT阻抗频率时间三维特性发现有1个明显差异点,记做故障数 为1。STFT相位频率时间三维特性分析如表5所示,STFT相位频率时间三维特性分析与历 史数据或参考数据比较未发现明显差异,记做故障数为0。LRC储能响应分析可以参考峰值 功率频率响应曲线,峰值阻抗频率特性曲线等,只要有一种曲线与历史数据或参考数据比 较发生明显偏移,则记故障数1 ;参考图8,峰值功率频率特性曲线出现偏移记做故障数1, 设峰值阻抗频率特性曲线未发生明显偏移,则最终记录故障数为1,如表13所示。同时结合 变压器投运年限5年,环境温度为标准环境温度,无异常,记做0值。通过完成表11,可发 现,针对单频率的冲击叠加阻抗试验,该变压器是合格的,但仅能作为绝缘整体状态的初略 判断。深入分析时,结合表格中其他项目,如扫频阻抗频率特性、STFT特性等,有助于对早 期的缺陷进行识别,这些故障缺陷虽然未对绝缘状态直接构成破坏性影响,但是若不能及 时发现并处理,后期则可能累积成严重的绝缘击穿事故或严重的绝缘老化。
[0083] 需要补充说明的是,处于现场试验的考虑,针对老化试验的内容,可以按表13的 内容全部测试,也可以有选择的针对几个项目进行测试。或者只进行单一频率冲击叠加试 验,对冲击叠加在条件的绝缘阻抗进行测试。特别是在单频率冲击叠加试验时已经得到了 不合格的结果,可以不再进行后续的扫频,STFT或LRC储能响应分析测试。在条件许可情 况下,还可以增加重复测试的次数,或者与同类规格的变压器测试参数进行比较,丰富表13 的分析项目,当分析项目较多的时候,借助计算机程序或相应的数学挖掘,统计等方法能够 得到更加深入的分析结果。
[0084] 实施例2
[0085] 如图1所示,与实施例1相同的地方不再重复叙述,不同之处在于:针对电缆进行 冲击叠加绝缘老化试验。被试电缆为额定220kV,长度40公里的XLPE绝缘式单相电缆。基 准试验信号频率1000Hz、幅值2kV,冲击试验信号上升沿luS、总脉宽20uS、幅值200V,叠加 相位90度,可调电感值为0。
[0086] 本试验模式不仅可对容性绝缘层进行阻抗、相位、功率及STFT等参数的测试与分 析,还可以通过时域脉冲反射方法对电缆的故障及缺陷位置进行查找与识别。本发明提出 的TDR是基于冲击叠加试验环境下的,因此获取的脉冲信号和传统试验的脉冲信号是有差 别的,在冲击叠加试验环境下,由于试验源频率调整范围更宽,可以认为获取的脉冲信号更 加丰富。本发明获得的TDR信号主要有两种,一种是因为电缆存在绝缘故障,冲击试验电压 施加到被试电缆上时,信号传输到故障点时会发生跳变或反射,产生直接从故障点反射回 来的脉冲信号和到达电缆终端后返回的信号,该两路信号的时差并结合电缆的传输速率, 即可计算出故障点的位置。
[0087]由于本发明提出的冲击叠加试验环境还包括输出可调的电感器,当电缆出现某个 绝缘故障的时候,其等效电容会和可调电感器产生高频振荡,该振荡信号一般较为微弱,会 叠加到冲击试验电源的波形之上,因此实际操作时,需要通过一定滤波措施,将冲击叠加的 基准信号和冲击信号滤除后,才能得到振荡信号。该振荡信号同样会从故障点和电缆终端 两路返回,从而形成时间差,最终采用同样的计算方法(即D=VX(t2-tl)/2)来得到故障点 的位置。所以,通过调节可调电感器的值,可以改变谐振回路的中心频率,用于反复验证故 障点的位置,对前期的测试数据进行比对和修正,同时也有利于发现存在多个故障点的情 况。
[0088] 本发明描述的基于冲击叠加试验的TDR时域脉冲计算只是基本原理,在此基础上 的统计时域脉冲方法STDR,更有利于提高诊断的准确性,这里不再说明。有关冲击叠加单 频率试验、扫频试验、LRC储能响应试验及STFT试验分析及数据格式与实施例1相同,这里 不做描述。由于针对电力电缆的试验,TDR是一较为特殊的功能,因此最后建立的老化综合 分析如下表14所示。如表14,在距离测试电缆的端部1公里及1. 35公里处分别发现故障 点。如果有更多故障可以按故障点3,故障点4,依次类推。故障点越多,老化情况越严重。
[0089]
Figure CN103323718BD00181
[0090]表14冲击叠加试验条件下电缆IDR定位分析结果
[0091]需要说明的是,该TDR故障定位分析是建立在一定基准试验频率和冲击试验信号 频率条件下的试验分析结构,由于电缆结构、材质不同,现场安装环境的差异,因此故障点 表现的频率特征及阻抗特征不同,通过改变冲击叠加试验环境,即基准试验和冲击试验信 号的频率、相位、幅值以及可调电感值等,能够获得更加全面的分析结果。即通过多个不同 冲击叠加试验环境的TDR测试,可以将所有的故障点汇总,以便于对电缆故障点的全面了 解。但改变冲击叠加试验环境不可避免的耗费更多的试验时间。
[0092] 最后建立的老化分析框架如下表15所示:
[0093]
Figure CN103323718BD00182
[0094] 表15基于冲击叠加试验的电缆老化综合分析表格
[0095]如表15可见,单频率测试、电缆阻抗或峰值电流合格,但通过扫频测试,STFT测 试,LRC储能响应测试发现,该电缆均出现一定程度的故障或缺陷点,同时通过TDR时域脉 冲定位还发现了 2个故障位置,结合电缆的投运年限,可以认为该电缆已经出现较严重的 老化状态,需要及时处理,否则可能在较短时间内发生绝缘击穿或其他安全事故。
[0096]需要补充说明的是,处于现场试验的考虑,针对老化试验的内容,可以按表15的 内容全部测试,也可以有选择的针对几个项目进行测试。或者只进行单一频率冲击叠加试 验,对冲击叠加条件下的绝缘阻抗进行测试。特别是在单频率冲击叠加试验时已经得到了 不合格的结果,可以不再进行后续的扫频、STFT或LRC储能响应分析测试。在条件许可情 况下,还可以增加重复测试的次数,或者与同类同长度的电缆进行比较,丰富表15的内容, 当分析项目较多的时候,借助计算机程序或相应的数学挖掘,统计等方法能够得到更加深 入的分析结果。
[0097] 实施例3
[0098] 如图1所示,与实施例1相同的地方不再重复叙述,不同之处在于:针对容性套管 进行冲击叠加绝缘老化试验。容性套管的容量较小,LRC储能响应获取的参值比较微弱,可 选择不做LRC储能响应分析,同时由于长度较短,与变压器相同,容性套管也不做TDR分析 功能。其他单一频率的冲击叠加试验,冲击叠加扫频试验,STFT试验数据与格式均与实施 例1相同。
[0099]
Figure CN103323718BD00191
[0100] 表16基于冲击叠加试验的容性套管老化综合分析表格
[0101] 由表16所示,容性套管单频率冲击叠加试验的阻抗合格,可认为该套管未发生明 显的绝缘下降,通过扫频阻抗响应和扫频相位谱值分析均发现异常点,分别记做故障数1, STFT分析结论合格,可认为该套管有轻微的绝缘缺陷,应重点观察,必要时进行检修处理。
[0102] 同样需要补充说明的是,同变压器,电缆试验方法一样,可以针对某一个项目进行 测试,如果发现单频率测试已经不合格,可以认为套管的绝缘状态不佳,不必再做其他项目 的测试。当然,在条件允许条件下,全部进行以上项目的测试能够对绝缘状态不佳或老化的 严重程度进行深入的识别。
[0103] 最后需要重点补充说明的是,冲击叠加试验需重点关注的调整参数为:基准试验 频率及幅值,冲击试验频率(或脉冲宽度)及幅值,冲击叠加试验相位,可调电感值等。由于 多个参数的配合调整需要一定经验和时间,因此通过冲击叠加扫频试验入手,能够起到搜 索关键频率范围的作用,从而提高试验效率,并同时提高试验诊断的准确性。特别是早期, 容性高压设备绝缘未出现明显故障时,通过单一频率的功率或阻抗表现不明显,比如电缆 油纸绝缘层长期运行过程中吸收了一定程度的水分,该水分的存在短期还未导致阻抗频谱 的明显变化,但是长期存在可能导致绝缘的急速下降。但是在该阶段的某个频率范围,其老 化特征仍旧是明显的,因此通过缩小试验频率范围,对于准确诊断被试容性高压设备的老 化是非常有用的。本发明还提供了受MCU控制的白噪声发生器,可以在试验环境中出现测 试数据不稳定,或噪音数据区分有难度时,用于对部分频率信号的局部放大或缩小,或直接 将白噪声当作背景噪音处理,以观察冲击叠加试验获得的数据的变化特性。
[0104] 另外,当试验环境是在户外超低温条件下,试验系统的电子元器件正常工作所需 的预热时间可能较长,甚至出现部分元器件不能正常工作的情况。为确保冲击叠加试验稳 定运行,本发明内部可通过MCU控制的加热装置可以在超低温环境起到很好的均热作用, 一定程度保证了冲击叠加试验系统的可靠性。

Claims (10)

1. 一种容性高压设备绝缘老化诊断试验系统,其特征在于:所述诊断试验系统包括: MCU中央控制器,负责整个诊断试验系统的控制,并将发送出的控制数据和接收到的采 集数据输入至数据处理分析器进行计算和分析; DDS信号发生器1,产生频率、幅值、波形可调控的冲击试验信号,受MCU中央控制器控 制; DDS信号发生器2,产生频率、幅值、波形可调控的基准试验信号,受MCU中央控制器控 制; 相位控制器,受MCU中央控制器控制,分别调节冲击试验信号和基准试验信号的输出 相位; 功率放大器1,对DDS信号发生器1产生的冲击试验信号进行功率和电压放大; 功率放大器2,对DDS信号发生器2产生的基准试验信号进行功率和电压放大; 白噪声发生器,受MCU中央控制器控制,分别对功率放大器1和功率放大器2中的信号 实现局部放大与缩小; 幅值叠加单元,对来自功率放大器1和功率放大器2的两路信号进行幅值叠加,产生进 入被试高压设备的复合叠加输出信号; 可调电感器,电感量受MCU中央控制器控制,与幅值叠加单元的输出串联或并联,实现 负载总阻抗的调节; 双通道实时并行采集器,负责采集被试高压设备连接端的温度和环境湿度,并将采集 数据送入MCU中央控制器; 射频功率信号检波与采集器,负责采集被试高压设备连接端的电流时变信号和电压时 变信号,并将采集数据送入MCU中央控制器; 数据处理分析器,接收来自MCU中央控制器的控制数据和采集数据,实现在叠加冲击 波形下的阻抗、或相位、或介质损失频率特性曲线,或/和基于STFT短时傅立叶变换的阻抗 或相位、频率及时间的三维特性曲线,或/和LRC储能频响曲线,或/和基于TDR时域脉冲 反射的电缆故障定位,得到被试高压设备绝缘老化诊断结果。
2. 根据权利要求1所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统,其特征在于:所述诊 断试验系统还包括与MCU中央控制器相连的加热装置,实现所述诊断试验系统在低温现场 环境下的稳定工作。
3. 根据权利要求1或2所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统,其特征在于: 所述基准试验信号为频率范围luHz-500MHz的正弦波、或余弦波、或三角波,或频率范 围111抱-1000紐 2、脉冲宽度1%-99%可调的阶跃矩形波;所述冲击试验信号为频率范围 0. 5MHz-1000MHz、脉冲宽度1% -99%可调的矩形波,或上升沿脉宽0.0 luS-lOOuS、总脉宽 IuS-1000 uS可调的雷电冲击波形;所述可调电感器的电感量为0-2000mH。
4. 根据权利要求1或2所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统,其特征在于:所 述幅值叠加单元的叠加模式为普通晶体三极管叠加与放大,或绝缘栅双极型功率管IGBT 差模输入叠加与放大,或双极结型晶体管BJT叠加与放大,或MOSFET管叠加与放大,或达灵 顿晶体管叠加与放大,或先通过小信号集成混频芯片叠加后外接放大器的放大输出模式。
5. 根据权利要求1或2所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统,其特征在于:所 述容性高压设备为电力电缆,或变压器,或互感器,或容性套管。
6. 如权利要求1所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统的工作方法,其特征在 于,包括以下步骤: A、 产生试验信号:将幅值叠加单元的输出线与被试高压设备相连;在MCU中央控制器 中手工或程序受控的方式自动输入基准试验信号的频率带宽、幅值、波形和相位,冲击试验 信号的频率、幅值、波形和相位;MCU中央控制器根据输入参数控制DDS信号发生器1产生 冲击试验信号,控制DDS信号发生器2在基准试验信号的频率带宽范围内进行扫频输出试 验、产生相应的基准试验信号,控制相位控制器对冲击试验信号和基准试验信号的输出相 位进行调节; B、 试验信号叠加:功率放大器1和功率放大器2分别对冲击试验信号和基准试验信号 进行功率和电压放大,同时白噪声发生器在MCU中央控制器下分别对功率放大器1和功率 放大器2中的信号实现局部放大与缩小;经过放大后的两路试验信号进入幅值叠加单元进 行幅值叠加,产生进入被试高压设备的复合叠加输入信号; C、 信号响应采集:MCU中央控制器控制可调电感器的电感量,实现负载总阻抗的调节; 双通道实时并行采集器采集被试高压设备连接端的温度和环境湿度,射频功率信号检波与 采集器采集被试高压设备连接端的电流时变信号和电压时变信号,所有采集数据被送入 MCU中央控制器; D、 绝缘老化诊断:MCU中央控制器将发送出的控制数据和接收到的采集数据输入至数 据处理分析器,数据处理分析器进行计算和分析,得出绝缘老化诊断分析结果;分析模式为 以下至少一种: a) 叠加冲击介质响应分析:绘制叠加冲击波形下阻抗频率特性曲线,或相位频率特性 曲线,或介质损失频率特性曲线,或奈奎斯特曲线; b) STFT冲击叠加阻抗短时傅式分析:绘制叠加冲击波形下基于STFT短时傅立叶变换 的阻抗或相位、频率、时间三维特性曲线; c) 故障定位分析:基于TDR时域脉冲反射计算方法进行电缆故障定位; d) LRC储能响应分析:对基频试验频率滤波后进行LRC能量交互分析、谐振峰值电压分 析、谐振峰值电流分析,绘制LRC储能频响曲线。
7. 根据权利要求6所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统的工作方法,其特征在 于:在上述分析模式的基础上,结合被试高压设备的尺寸、绝缘材料、电压等级、服役年限, 综合得出绝缘老化诊断分析结果。
8. 根据权利要求6或7所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统的工作方法,其特 征在于:所述基准试验信号为频率范围luHz-500MHz的正弦波、或余弦波、或三角波,或频 率范围luHz-lOOOkHz、脉冲宽度1% -99%可调的阶跃矩形波;所述冲击试验信号为频率范 围0. 5MHz-1000MHz、脉冲宽度1% -99%可调的矩形波,或上升沿脉宽0. 01uS-100uS、总脉 宽IuS-1000 uS可调的雷电冲击波形;所述可调电感器的电感量为0-2000mH。
9. 根据权利要求6或7所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统的工作方法,其特 征在于:所述幅值叠加单元的叠加模式为普通晶体三极管叠加与放大,或绝缘栅双极型功 率管IGBT差模输入叠加与放大,或双极结型晶体管BJT叠加与放大,或MOSFET管叠加与放 大,或达灵顿晶体管叠加与放大,或先通过小信号集成混频芯片叠加后外接放大器的放大 输出模式。
10.根据权利要求6或7所述的容性高压设备绝缘老化诊断试验系统的工作方法,其特 征在于:所述容性高压设备为电力电缆,或变压器,或互感器,或容性套管。
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