CN103630803A - 一种电缆局部放电带电校正方法 - Google Patents

一种电缆局部放电带电校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电缆局部放电带电校正方法,包括以下步骤:将第一电容耦合传感器B1的铜电极及第二电容耦合传感器B2的铜电极缠绕在电缆接头两端的电缆外半导电层上,再将第一阻抗及第一阻抗分别并联在电缆的两端;信号发生器产生若干第一脉冲阶跃信号,将所述第一脉冲阶跃信号输入到第一电容耦合传感器B1中,并通过第二电容耦合传感器B2获取相应的第一检测信号,然后再根据所述第一脉冲阶跃信号及第一检测信号得电缆的第一校正系数;根据电缆的第一校正系数通过仿真的方法得到电缆端部校正电路;然后再根据电缆端部校正电路得电缆的第二校正系数,然后根据电缆的第二校正系数对电缆进行校正。本发明可以准确的获取电缆的校正系数。

Description

一种电缆局部放电带电校正方法
技术领域
本发明涉及一种电缆校正的方法,具体涉及一种电缆局部放电带电校正方法。
背景技术
交联聚乙烯(XLPE)电缆由于其优越的电性能、机械性能以及热性能而广泛应用于城市电力的传输,随着城市和现代工业的迅速发展,110kV以上高电压等级的XLPE电缆在我国城市电网中具有越来越广泛的应用。
虽然XLPE电缆有优良的电性能、热性能和机械性能,但是跟其他任何绝缘材料一样,随着运行年限的延长及受到外界因素的影响,交联聚乙烯的绝缘性能会逐渐降低,最后导致其绝缘击穿。运行经验和研究均表明,XLPE电力电缆的各类典型缺陷大多会产生局部放电(PD),而PD进一步发展则是造成XLPE电力电缆绝缘失效的主要原因之一。PD检测能有效发现电缆绝缘缺陷,避免故障的发生,所以有必要研究XLPE电力电缆及附件局部放电的在线检测技术。
国家标准规定了对电缆的离线校正方法,其原理是将低幅值方波电压U0通过小电容量C0串接至被试品Cx两端,向被试品注入校正电荷q0=C0U0,根据测量仪器的读数h0,确定校正系数,k0=q0/h0。在电缆的加压试验或者运行电压下的PD检测中,根据所测脉冲的幅值计算出PD的视在放电电荷量的pC值(参考文献:局部放电测量[S].GB/T7354-2003:北京:中国标准出版社)。但是电缆导电线芯与外屏蔽层之间接入放电量校正装置只能适应离线状态。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种电缆局部放电带电校正方法,该方法可以在电缆带电的情况下准确获得电缆的校正系数。
为了达到上述目的,本发明所述的电缆局部放电带电校正方法包括以下步骤:
1)在制作电缆接头时,切开接头两端待校正电缆的外护套及金属屏蔽层,将第一电容耦合传感器的铜电极及第二电容耦合传感器的铜电极分别缠绕在电缆接头两端电缆的外半导电层上,恢复外半导电层的屏蔽后,再将第一阻抗及第二阻抗分别并联在电缆的两端,其中,第一阻抗与第二阻抗的阻抗值均与电缆的匹配阻抗值相同;
2)信号发生器产生若干第一脉冲阶跃信号,并将所述第一脉冲阶跃信号输入到第一电容耦合传感器中,同时通过第二电容耦合传感器获取相应的第一检测信号,然后再根据所述第一脉冲阶跃信号及第一检测信号得电缆的第一校正系数;
3)根据电缆的第一校正系数通过仿真的方法得到电缆端部校正电路;
4)信号发生器产生若干第二脉冲阶跃信号,并将所述第二脉冲阶跃信号输入到电缆端部校正电路的信号输入端,同时从电缆端部校正电路的信号输出端获取第二检测信号,再根据第二脉冲阶跃信号及第二检测信号得电缆的第二校正系数,然后根据电缆的第二校正系数对电缆进行校正。
步骤3)的具体操作为:信号发生器产生若干第三脉冲阶跃信号,并将所述第三脉冲阶跃信号输入到传感器之间校正的等效电路的信号输入端中,并从传感器之间校正的等效电路的信号输出端获取第三检测信号,根据所述第三脉冲阶跃信号及第三检测信号得电缆的第三校正系数,当所述第三校正系数不等于第一校正系数时,调整传感器之间校正的等效电路内的第二杂散电容及第三杂散电容,使第三校正系数等于第一校正系数,当第三校正系数与第一校正系数相等时,得第二杂散电容的电容值,第二杂散电容的电容值与第三杂散电容的电容值及电缆端部校正电路中第一杂散电容的电容值均相同;
所述传感器之间校正的等效电路包括信号输入端、信号输出端、第三电容、第四电容、第二杂散电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻及第三杂散电容,信号输入端与第三杂散电容组成了一个串联回路,第四电容、第三电容及第二杂散电容组成了一个串联电路与第三杂散电容并联连接,第三电容与第二杂散电容的串联电路与第六电阻并联连接,第四电阻与第三电容并联连接,第七电阻与第四电容并联连接,第二杂散电容与第五电阻并联连接,信号输出端与第六电阻并联连接,其中,第三电容与第四电容的电容值均为
Figure BDA0000408703150000031
其中,ε0为真空介电常数,εr为电缆绝缘层所用绝缘材料的相对介电常数,l为第一电容耦合传感器的铜电极宽度,D1为电缆绝缘层的外直径,D0为电缆绝缘层的内直径;第七电阻的电阻值与第四电阻的电阻值均为电缆的绝缘电阻,电缆的绝缘电阻的电阻值
Figure BDA0000408703150000032
其中,ρ为电缆绝缘层的电阻率;第五电阻的电阻值与第二电容耦合传感器的内阻相等;第六电阻的电阻值为 Z X = L / C , 其中 L = μ 0 μ r 2 π ln D 1 D 0 , C = 2 π ϵ 0 ϵ r ln D 1 D 0 , μ0为真空的磁导率,μr为电缆绝缘层所用绝缘材料的相对磁导率。
步骤4)中所述电缆端部校正电路包括信号输入端、信号输出端、第一电容、第二电容、第一杂散电容、第一电阻、第二电阻及第三电阻,信号输入端、第一电容、第二电容及第一杂散电容依次组成了一个串联回路,第二电容与第一杂散电容组成的串联电路与第三电阻并联连接,第一电阻与第二电容并联连接,第二电阻与第一杂散电容并联连接,信号输出端与第三电阻并联连接,其中,第一电容的电容值为选取的已知量;第二电容的电容值与第三电容的电容值及第四电容的电容值均相同;第一电阻与第七电阻的电阻值及第四电阻的电阻值均相同;第二电阻与第五电阻的电阻值相同;第三电阻的电阻值为Zx/2。
所述第一电容耦合传感器的铜电极连接有用于输入第一脉冲阶跃信号及第二脉冲阶跃信号的第一同轴信号线;
所述第二电容耦合传感器的铜电极上连接有用于输出第一检测信号及第二检测信号的第二同轴信号线。
本发明具有以下有益效果:
本发明所述的电缆局部放电带电校正方法在对电缆进行校正的过程中,通过在制作电缆接头时,直接切除一段电缆的外护套及金属屏蔽层,并将第一电容耦合传感器及第二电容耦合传感器与电缆外半导电层相连接,从而预先安装在电缆上的内置电容耦合传感器进行的。在检测过程中,先获取第一电容耦合传感器及第二电容耦合传感器与电缆的杂散电容,即可根据获取的杂散电容得到电缆的校正系数,从而可以在电缆带电的情况下实现校正,同时经检测,校正结果与国家标准规定的方法得到的结果相符合。
附图说明
图1为本发明中电缆与第一电容耦合传感器B1及第二电容耦合传感器B2的连接示意图;
图2为本发明中传感器之间校正的等效电路图;
图3为本发明中电缆端部校正电路的电路图;
图4为本发明中传感器之间校正的等效电路所得结果在合过程中的示意图;
图5为本发明中电缆端部校正电路所得结果拟合过程中的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
电缆由内到外依次设有线芯、内半导电层、电缆绝缘层、外半导电层、屏蔽层及外护套。
参考图1,本发明所述的电缆局部放电带电校正方法,包括以下步骤:
1)在制作电缆接头时,切开接头两端待校正电缆的外护套及金属屏蔽层,将第一电容耦合传感器B1的铜电极及第二电容耦合传感器B2的铜电极分别缠绕在电缆接头两端电缆的外半导电层上,恢复外半导电层的屏蔽后,再将第一阻抗Zo1及第二阻抗Zo2分别并联在电缆的两端,其中,第一阻抗Zo1与第二阻抗Zo2的阻抗值均与电缆的匹配阻抗值相同;
所述第一电容耦合传感器B1的铜电极连接有用于输入第一脉冲阶跃信号及第二脉冲阶跃信号的第一同轴信号线,所述第二电容耦合传感器B2的铜电极上连接有用于输出第一检测信号及第二检测信号的第二同轴信号线。
2)信号发生器产生若干第一脉冲阶跃信号,并将所述第一脉冲阶跃信号输入到第一电容耦合传感器B1中,同时通过第二电容耦合传感器B2获取相应的第一检测信号,然后再根据所述第一脉冲阶跃信号及第一检测信号得电缆的第一校正系数;
在根据所述若干个第一脉冲阶跃信号及相应的第一检测信号得到电缆的第一校正系数的过程中时,以第一脉冲阶跃信号的电荷量为纵坐标,并第一检测信号的电压为横坐标建立直角坐标系,然后通过线性拟合的方法得到拟合直线,所述第一校正系数为拟合直线的斜率。
3)根据电缆的第一校正系数通过仿真的方法得到电缆端部校正电路;
4)信号发生器产生若干第二脉冲阶跃信号,并将所述第二脉冲阶跃信号输入到电缆端部校正电路的信号输入端Uil,同时从电缆端部校正电路的信号输出端Uo1获取第二检测信号,再根据第二脉冲阶跃信号及第二检测信号得电缆的第二校正系数,然后根据电缆的第二校正系数对电缆进行校正。
所述再根据所述根据第二脉冲阶跃信号及相应的第二检测信号得到电缆的第二校正系数的过程中,以第二脉冲阶跃信号的电荷量为纵坐标,并第二检测信号的电压为横坐标建立直角坐标系,然后通过线性拟合的方法得到拟合直线,所述第二校正系数的大小为拟合直线的斜率。
参考图2,步骤3)的具体操作为:信号发生器产生若干第三脉冲阶跃信号,并将所述第三脉冲阶跃信号输入到传感器之间校正的等效电路的信号输入端Ui中,并从传感器之间校正的等效电路的信号输出端Uo获取第三检测信号,根据所述第三脉冲阶跃信号及第三检测信号得电缆的第三校正系数,当所述第三校正系数不等于第一校正系数时,调整传感器之间校正的等效电路内的第二杂散电容Ca及第三杂散电容Cc,使第三校正系数等于第一校正系数,当第三校正系数与第一校正系数相等时,得第二杂散电容Ca的电容值,第二杂散电容Ca的电容值与第三杂散电容Cc的电容值及电缆端部校正电路中第一杂散电容CS的电容值均相同;
所述传感器之间校正的等效电路包括信号输入端Ui、信号输出端Uo、第三电容C2、第四电容C3、第二杂散电容Ca、第四电阻R3、第五电阻RS1、第六电阻R4、第七电阻R5及第三杂散电容Cc,信号输入端Ui与第三杂散电容Cc组成了一个串联回路,第四电容C3、第三电容C2及第二杂散电容Ca组成了一个串联电路与第三杂散电容Cc并联连接,第三电容C2与第二杂散电容Ca的串联电路与第六电阻R4并联连接,第四电阻R3与第三电容C2并联连接,第七电阻R5与第四电容C3并联连接,第二杂散电容Ca与第五电阻RS1并联连接,信号输出端Uo与第六电阻R4并联连接,其中,第三电容C2与第四电容C3的电容值均为
Figure BDA0000408703150000081
其中,ε0为真空介电常数,εr为电缆绝缘层所用绝缘材料的相对介电常数,l为第一电容耦合传感器B1的铜电极宽度,D1为电缆绝缘层的外直径,D0为电缆绝缘层的内直径;第七电阻R5的电阻值与第四电阻R3的电阻值均为电缆的绝缘电阻,电缆的绝缘电阻的电阻值
Figure BDA0000408703150000082
其中,ρ为电缆绝缘层的电阻率;第五电阻RS1的电阻值与第二电容耦合传感器B2的内阻相等;第六电阻R4的电阻值为 Z X = L / C , 其中 L = μ 0 μ r 2 π ln D 1 D 0 , C = 2 π ϵ 0 ϵ r ln D 1 D 0 , μ0为真空的磁导率,μr为电缆绝缘层所用绝缘材料的相对磁导率。
参考图3,步骤4)中所述电缆端部校正电路包括信号输入端Ui1、信号输出端Uo1、第一电容C0、第二电容C1、第一杂散电容CS、第一电阻R1、第二电阻RS及第三电阻R2,信号输入端Ui1、第一电容C0、第二电容C1及第一杂散电容CS依次组成了一个串联回路,第二电容C1与第一杂散电容CS组成的串联电路与第三电阻R2并联连接,第一电阻R1与第二电容C1并联连接,第二电阻RS与第一杂散电容CS并联连接,信号输出端Uo1与第三电阻R2并联连接,其中,第一电容C0的电容值为选取的已知量;第二电容C1的电容值与第三电容C2的电容值及第四电容C3的电容值均相同;第一电阻R1与第七电阻R5的电阻值及第四电阻R3的电阻值均相同;第二电阻RS与第五电阻RS1的电阻值相同;第三电阻R2的电阻值为Zx/2。
实施例一
取一根长为3m的35kV电压等级三相XLPE电缆,分别在距离电缆两端1m左右处切开一段待校正电缆的外护套及金属屏蔽层,分别安装第一电容耦合传感器B1及第二电容耦合传感器B2,将宽度为5cm的第一电容耦合传感器B1及第二电容耦合传感器B2的铜电极紧绕在电缆的外半导电层上,再通过两个半圆形铝外壳相扣跨接在外金属屏蔽的断层,恢复外半导电层的屏蔽,然后分别在电缆两端并联与电缆特性阻抗相等的匹配阻抗以消除信号在电缆中的折反射。
使用型号为RIGOL DG3101A且输出阻抗为50Ω的信号发生器,并通过特性阻抗为50Ω的同轴信号线连接到第一电容耦合传感器B1上,然后向第一电容耦合传感器B1的输入端输入频率为1kHz、上升沿为5ns、占空比为50%、低电平为0V以及高电平幅值可调的方波信号,同时从第二电容耦合传感器B2的输出端获得第一检测信号,然后将所述第一检测信号通过特性阻抗为50Ω的同轴信号线输入到型号为TektronixTDS7254且输入阻抗为50Ω的示波器中,并观察第一检测信号的波形,然后再改变输入信号的幅值,并检测第一检测信号的幅值。
当第一电容耦合传感器B1及第二电容耦合传感器B2的电极宽度为5cm时,内外半导电层的等效电容分为103.65nF及25926nF,此时绝缘层的电容为7.95pF,因此三个电容串联得到电极与电缆线芯之间等效电容之间为7.95pF。
参考图4,注入电缆的电荷量为CUi,注入电荷量与输出信号幅值数据作图并用origin进行线性拟合,得到拟合直线,拟合直线的斜率为5.37,截距-2.37,即第一校正系数为5.37pC/mV。
经计算得,第二电容C1为7.95pF,ZX为电缆的特性阻抗33Ω,第二电阻Rs的阻抗为500Ω。第一电阻R1为4.4×1012Ω,用模拟仿真软件multisim对传感器之间校正的等效电路进行仿真,并且代入上述参数,输入Ui2为上升沿为5ns、振幅为4V的方波信号,将阻值为50Ω电阻串接在信号输出端,变换第二杂散电容Ca的电容值,当第二杂散电容Ca的电容值为73pF时,第三校正系数与第一校正系数相同,则电缆端部校正电路中的第一杂散电容CS为73pF。
通过计算得电缆端部校正电路中第二电容C1的电容值为7.95pF,第一电阻R1的电阻值为4.4×1012Ω,第三电阻的电阻值R2的电阻值为17Ω,第二电阻RS的电阻值为500Ω,第一杂散电容CS的电容值为73pF,第一电容C0的电容值选取10pF,并用multisim对电缆端部校正电路进行仿真。
参考图5,在仿真过程中,变换输入信号的幅值,然后在origin中作图,并进行线性拟合,其中,拟合得到的曲线斜率为2.94,截距为0.021,即第二校正系数为2.94pC/mV。该结果与根据标准GB/T7354-2003所规定的离线端部校正得到的校正系数为2.50pC/mV较为相符,证明了本发明的正确性和有效性。

Claims (4)

1.一种电缆局部放电带电校正方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在制作电缆接头时,切开接头两端待校正电缆的外护套及金属屏蔽层,将第一电容耦合传感器(B1)的铜电极及第二电容耦合传感器(B2)的铜电极分别缠绕在电缆接头两端电缆的外半导电层上,恢复外半导电层的屏蔽后,再将第一阻抗(Zo1)及第二阻抗(Zo2)分别并联在电缆的两端,其中,第一阻抗(Zo1)与第二阻抗(Zo2)的阻抗值均与电缆的匹配阻抗值相同;
2)信号发生器产生若干第一脉冲阶跃信号,并将所述第一脉冲阶跃信号输入到第一电容耦合传感器(B1)中,同时通过第二电容耦合传感器(B2)获取相应的第一检测信号,然后再根据所述第一脉冲阶跃信号及第一检测信号得电缆的第一校正系数;
3)根据电缆的第一校正系数通过仿真的方法得到电缆端部校正电路;
4)信号发生器产生若干第二脉冲阶跃信号,并将所述第二脉冲阶跃信号输入到电缆端部校正电路的信号输入端(Ui1),同时从电缆端部校正电路的信号输出端(Uo1)获取第二检测信号,再根据第二脉冲阶跃信号及第二检测信号得电缆的第二校正系数,然后根据电缆的第二校正系数对电缆进行校正。
2.根据权利要求1所述的电缆局部放电带电校正方法,其特征在于,步骤3)的具体操作为:信号发生器产生若干第三脉冲阶跃信号,并将所述第三脉冲阶跃信号输入到传感器之间校正的等效电路的信号输入端(Ui)中,并从传感器之间校正的等效电路的信号输出端(Uo)获取第三检测信号,根据所述第三脉冲阶跃信号及第三检测信号得电缆的第三校正系数,当所述第三校正系数不等于第一校正系数时,调整传感器之间校正的等效电路内的第二杂散电容(Ca)及第三杂散电容(Cc),使第三校正系数等于第一校正系数,当第三校正系数与第一校正系数相等时,得第二杂散电容(Ca)的电容值,第二杂散电容(Ca)的电容值与第三杂散电容(Cc)的电容值及电缆端部校正电路中第一杂散电容(CS)的电容值均相同;
所述传感器之间校正的等效电路包括信号输入端(Ui)、信号输出端(Uo)、第三电容(C2)、第四电容(C3)、第二杂散电容(Ca)、第四电阻(R3)、第五电阻(RS1)、第六电阻(R4)、第七电阻(R5)及第三杂散电容(Cc),信号输入端(Ui)与第三杂散电容(Cc)组成了一个串联回路,第四电容(C3)、第三电容(C2)及第二杂散电容(Ca)组成了一个串联电路与第三杂散电容(Cc)并联连接,第三电容(C2)与第二杂散电容(Ca)的串联电路与第六电阻(R4)并联连接,第四电阻(R3)与第三电容(C2)并联连接,第七电阻(R5)与第四电容(C3)并联连接,第二杂散电容(Ca)与第五电阻(RS1)并联连接,信号输出端(Uo)与第六电阻(R4)并联连接,其中,第三电容(C2)与第四电容(C3)的电容值均为
Figure FDA0000408703140000021
其中,ε0为真空介电常数,εr为电缆绝缘层所用绝缘材料的相对介电常数,l为第一电容耦合传感器(B1)的铜电极宽度,D1为电缆绝缘层的外直径,D0为电缆绝缘层的内直径;第七电阻(R5)的电阻值与第四电阻(R3)的电阻值均为电缆的绝缘电阻,电缆的绝缘电阻的电阻值
Figure FDA0000408703140000022
其中,ρ为电缆绝缘层的电阻率;第五电阻(RS1)的电阻值与第二电容耦合传感器(B2)的内阻相等;第六电阻(R4)的电阻值为 Z X = L / C , 其中 L = μ 0 μ r 2 π ln D 1 D 0 , C = 2 π ϵ 0 ϵ r ln D 1 D 0 , μ0为真空的磁导率,μr为电缆绝缘层所用绝缘材料的相对磁导率。
3.根据权利要求2所述的电缆局部放电带电校正方法,其特征在于,步骤4)中所述电缆端部校正电路包括信号输入端(Ui1)、信号输出端(Uo1)、第一电容(C0)、第二电容(C1)、第一杂散电容(CS)、第一电阻(R1)、第二电阻(RS)及第三电阻(R2),信号输入端(Ui1)、第一电容(C0)、第二电容(C1)及第一杂散电容(CS)依次组成了一个串联回路,第二电容(C1)与第一杂散电容(CS)组成的串联电路与第三电阻(R2)并联连接,第一电阻(R1)与第二电容(C1)并联连接,第二电阻(RS)与第一杂散电容(CS)并联连接,信号输出端(Uo1)与第三电阻(R2)并联连接,其中,第一电容(C0)的电容值为选取的已知量;第二电容(C1)的电容值与第三电容(C2)的电容值及第四电容(C3)的电容值均相同;第一电阻(R1)与第七电阻(R5)的电阻值及第四电阻(R3)的电阻值均相同;第二电阻(RS)与第五电阻(RS1)的电阻值相同;第三电阻(R2)的电阻值为Zx/2。
4.根据权利要求1所述的电缆局部放电带电校正方法,其特征在于,
所述第一电容耦合传感器(B1)的铜电极连接有用于输入第一脉冲阶跃信号及第二脉冲阶跃信号的第一同轴信号线;
所述第二电容耦合传感器(B2)的铜电极上连接有用于输出第一检测信号及第二检测信号的第二同轴信号线。
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