CN104965159B - 一种电缆绝缘状态耐压检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电缆绝缘状态耐压检测方法及检测装置。具体方法为：在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险；记录该最高电压值，实现对电缆绝缘状态的检测。采用指数波形电压激励进行耐压检测，从而使检测设备体积小，更加轻便；指数波形交流电压存在电压换向，因此不存在电荷累积效应。

Description

一种电缆绝缘状态耐压检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及一种电力设备绝缘状态检测中的耐压检测方法及检测装置，特别是涉及一种适用于电力电缆绝缘状态的耐压检测方法及检测装置。

背景技术

近年来，为了改善城市环境，保障电网的安全可靠运行，配电电缆正逐步替代传统的架空线，越来越广泛的应用于配电网建设中。然而随着近年来我国电缆制造行业技术进步以及城市输配电网大量采用地下电力电缆,由于电力电缆本体绝缘制造缺陷、电缆及附件施工安装质量缺陷和电缆附件制造质量缺陷导致电缆线路运行故障的现象日益严重。由于电缆埋于地下，一旦出现故障，其故障查找非常困难、耗时长，影响电网的正常运行，造成较大的经济损失，对居民的日常生活、生产部门的日常生产以及其他社会非生产部门的照常运转造成诸多不便。

国内外已有了大量不同种类的电缆绝缘状态检测技术。按照美国电机学会给出的超低频试验导则，适用于配电电缆超低频检测的电压波形有四种：余弦方波，正弦波，双极性矩形波，调制的其他正负极性变化的直流阶跃波。超低频正弦波产生或需要调制和解调的过程，对滤波功能要求较高，要么使用旋转电机，体积庞大，不够灵活；而余弦方波产生过程中开关的控制策略复杂，需要时刻判断电容峰值。矩形波类似于直流耐压试验，仅仅是多了5s一次的换向过程，无法很好的等效电缆的正常工作状态，而调制的直流阶跃波需要更加复杂的工业数字控制技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种控制结构简单，体积小，重量轻，不存在电荷累计效应的电缆绝缘状态耐压检测方法及检测装置。

本发明采用的技术方案如下：一种电缆绝缘状态耐压检测方法，具体方法为：

步骤一、在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；

步骤二、提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险；

步骤三、记录该最高电压值；

所述周期变化的指数波形电压的波形满足以下表达式：

其中，U₀为所述周期变化的指数波形电压的波形；V_in为预设的电压幅值；α为指数波形衰减参数，其值由指数波形激励源设定参数与被检测电缆电容容值和绝缘电阻参数决定；t₀～t₄依次等时间间隔分布。

作为优选，所述方法还包括，随着电缆寿命增长重复所述步骤一到步骤三，根据随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性，对被检测电缆的绝缘状态进行评估。

一种电缆绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，包括；

指数波形电压激励源，用于产生周期变化的指数波形电压，并施加在被检测绝缘电缆上。

作为优选，还包括绝缘状态评估模块，根据随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性，对被检测电缆的绝缘状态进行评估。

作为优选，所述指数波形电压激励源包括交流变压器、半导体开关模块、波形适应模块和总控单元；所述交流变压器的两个输入端通过一次侧切断装置与交流电源相连；所述变压器的两个输出端，一端通过保护电阻与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块和第二半导体开关模块；所述第一半导体开关模块仅在正向充电回路与反向放电回路中工作；所述第二半导体开关模块仅在正向放电回路与反向充电回路中工作；所述波形适应模块包括，与高压硅堆相连的第一输入端和与交流变压器另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路变压器一次侧；所述总控单元与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；

所述交流变压器的输出电压为0到30kV。

作为优选，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGTB芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连。

作为优选，所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容；还包括串联与第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。

一种指数波形电压激励源，其特征在于，包括交流变压器、半导体开关模块、波形适应模块和总控单元；所述交流变压器的两个输入端通过一次侧切断装置与交流电源相连；所述变压器的两个输出端，一端通过保护电阻与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块和第二半导体开关模块；所述第一半导体开关模块仅在正向充电回路与反向放电回路中工作；所述第二半导体开关模块仅在正向放电回路与反向充电回路中工作；所述波形适应模块包括，与高压硅堆相连的第一输入端和与交流变压器另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路变压器一次侧；所述总控单元与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；

所述交流变压器的输出电压为0到30kV。

作为优选，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGTB芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连。

作为优选，所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容；还包括串联与第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、采用指数波形电压激励进行耐压检测，检测设备体积小，更加轻便；2、指数波形交流电压存在电压换向，不存在电荷累积效应。

附图说明

图1为本发明其中一实施例采用的指数波形形状示意图。

图2为本发明其中一实施例的指数波形电压激励源结构示意图。

图3为本发明其中一实施例的半导体开关模块结构示意图。

图4为本发明其中一实施例的波形适应模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种电缆绝缘状态耐压检测方法，具体方法为：

步骤一、在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；

步骤二、提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值(3倍额定电压)或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险；

步骤三、记录该最高电压值，实现对电缆绝缘状态的检测；

如图1所示，所述周期变化的指数波形电压的波形满足以下表达式：

其中，U₀为所述周期变化的指数波形电压的波形；V_in为预设的电压幅值；α为指数波形衰减参数，其值由指数波形激励源(如图4所示，在本具体实施例中，通过IGBT晶体管的开关选择性动作，对传入指数波形电压激励源的电阻阻值进行变化，达到修改α值进而调节施加于被检测绝缘电缆两端指数波电压波形的目的。)设定参数与被检测电缆电容容值和绝缘电阻参数决定；t₀～t₄依次等时间间隔分布。

在本具体实施例中，所述指数波形电压为0.1Hz周期变化，t₀～t₄依次等时间间隔分布，每个时间间隔持续2.5s，电压波形周期为10s。

所述方法还包括，随着电缆寿命增长，改变预设的波形参数α值，提高施加电压等级，重复所述步骤一到步骤三，根据随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性，对被检测电缆的绝缘状态进行评估。

适用于以上电缆绝缘状态检测方法的电缆绝缘状态耐压检测装置，包括；

指数波形电压激励源，用于产生周期变化的指数波形电压，并施加在被检测绝缘电缆上。

还包括绝缘状态评估模块，根据随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性，对被检测电缆的绝缘状态进行评估。

如图2所示，所述指数波形电压激励源包括交流变压器32(在本具体实施中为升压变压器)、半导体开关模块、波形适应模块38和总控单元39；所述交流变压器32的两个输入端(一次端)通过一次侧切断装置31与交流电源(在本具体实施例中为市电电源)相连；所述变压器的两个输出端，一端通过保护电阻33与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆36与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块34和第二半导体开关模块35；所述第一半导体开关模块35仅在正向充电回路(t₀-t₁)与反向放电回路(t₃-t₄)中工作；所述第二半导体开关模块34仅在正向放电回路(t₁-t₂)与反向充电回路(t₂-t₃)中工作；所述波形适应模块38包括，与高压硅堆36相连的第一输入端和与交流变压器32另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元39(通过光纤)与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路变压器一次侧；所述总控单元(通过光纤)与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元(通过光纤)与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；

所述交流变压器的输出电压为0到30kV。

在本具体实施例中，一次侧切断装置31采用10A固态继电器；升压变压器32为220V输入，30kV输出，功率500W高压试验变压器；保护电阻33采用阻值为15kΩ，功率10W的高压无感电阻，高压硅堆36、37为30kV耐压，通流20A的高压硅堆，总控单元39为基于ARM控制的FPGA控制电路板，输出多路光/电信号，分别控制固态继电器、高压半导体开关和波形适应模块。

在本具体实施例中，所述第一和第二半导体开关模块两者具有相同的结构，如图3所示，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGTB芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连传递控制信号。在本具体实施例中，市电作为供电电压与隔离变压器的输入端相连，隔离变压器采用100W，隔离电压30kV的高压隔离变压器。

所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容51；还包括串联与第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。在本具体实施例中，通过半导体开关的选择性动作对模块38串入指数波形激励源的电阻阻值进行变化(短路电阻)，达到修改U₀中α值进而调节试品两端指数波电压波形的目的。半导体开关512，513，…，521仅在高压半导体开关35工作时选择性导通，其他时刻全部关断；半导体开关52，53，…，511仅在高压半导体开关34工作时选择性导通，其他时刻全部关断。

在本具体实施例中，电容51采用500nF/30kV高压陶瓷电容，半导体开关52，53，…,511及512，513，…,521采用ixys公司的IGBT芯片IXB40N1000，单个IGBT芯片耐压3kV，通流40A；电阻522，523，…，531采用1.5MΩ，功率30W电阻串联。

Claims (9)

1.一种电缆绝缘状态耐压检测方法，具体方法为：

步骤一、在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；

步骤二、提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险；

步骤三、记录相应电压值；

所述周期变化的指数波形电压的波形满足以下表达式：

其中，U₀为所述周期变化的指数波形电压的波形；V_in为预设的电压幅值；α为指数波形衰减参数，其值由指数波形激励源设定参数与被检测电缆电容容值和绝缘电阻参数决定；t₀～t₄依次等时间间隔分布。

2.根据权利要求1所述的电缆绝缘状态耐压检测方法，所述方法还包括，随着电缆寿命增长重复所述步骤一到步骤三，根据随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性，对被检测电缆的绝缘状态进行评估。

3.一种电缆绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，包括；

指数波形电压激励源，用于产生周期变化的指数波形电压，并施加在被检测绝缘电缆上；

所述指数波形电压激励源包括交流变压器、半导体开关模块、波形适应模块和总控单元；所述交流变压器的两个输入端通过一次侧切断装置与交流电源相连；所述交流变压器的两个输出端，一端通过保护电阻与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块和第二半导体开关模块；所述第一半导体开关模块仅在正向充电回路与反向放电回路中工作；所述第二半导体开关模块仅在正向放电回路与反向充电回路中工作；所述波形适应模块包括，与高压硅堆相连的第一输入端和与交流变压器另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路交流变压器一次侧；所述总控单元与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；

所述交流变压器的输出电压为0到30kV。

4.根据权利要求3所述的电缆绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，还包括绝缘状态评估模块，根据随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性，对被检测电缆的绝缘状态进行评估。

5.根据权利要求3所述的电缆绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGBT芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连。

6.根据权利要求3所述的电缆绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容；还包括串联于第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数调节电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数调节电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。

7.一种指数波形电压激励源，其特征在于，包括交流变压器、半导体开关模块、波形适应模块和总控单元；所述交流变压器的两个输入端通过一次侧切断装置与交流电源相连；所述交流变压器的两个输出端，一端通过保护电阻与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块和第二半导体开关模块；所述第一半导体开关模块仅在正向充电回路与反向放电回路中工作；所述第二半导体开关模块仅在正向放电回路与反向充电回路中工作；所述波形适应模块包括，与高压硅堆相连的第一输入端和与交流变压器另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路交流变压器一次侧；所述总控单元与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；

所述交流变压器的输出电压为0到30kV。

8.根据权利要求7所述的指数波形电压激励源，其特征在于，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGBT芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连。

9.根据权利要求7或8所述的指数波形电压激励源，其特征在于，所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容；还包括串联与第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数调节电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数调节电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。