CN109669082A - 基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其主要技术特点是：包括交流变压器、空间电荷测试单元、交流相位匹配电路和高压脉冲源和示波器，所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接。本发明能够模拟现场运行中电缆的运行环境，通过升流器产生温度梯度场及交流电压的联合作用，利用电声脉冲法监测电缆试样中的空间电荷分布，并且利用监测到的电荷分布情况，避免电缆的击穿事故频繁发生，使电力电缆得到可靠安全的运行，为之后的电力电缆故障预警打下良好基础。

Description

基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统

技术领域

本发明属于高电压与绝缘技术领域，尤其是一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统。

背景技术

我国经济快速发展，电力需求越来越大，对输配电系统的可靠运行提出了更高的要求。在城市配电网中，考虑到对于环境美观和供电安全的要求，架空输电线路逐渐被电缆取代。随着我国城市化进程的加速和城市电网的不断改造，电力电缆已经广泛应用于高压输电线路和中低压配电网中。其中110kV及以上高压电缆已有数千公里，并且还在不断的增长。如何有效及时地检测电力电缆中的绝缘缺陷和潜伏的故障，避免由电缆突发性故障造成电网供电中断的恶性事故，是电缆预知性维护的重要部分，倍受电力企业的关注。

交联聚乙烯电缆绝缘中存在大量的陷阱，在电场作用下，陷阱捕获载流子形成空间电荷。研究表明，空间电荷的存在、转移和消失会对介质内部的局部电场起到削弱或加强的作用，从而影响电介质的绝缘性能。国际上已经普遍认可，空间电荷对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等各方面的电特性都有明显的影响。

研究电缆本体的老化机理，找到导致电缆绝缘击穿的关键因素，对于电缆故障的预判，保证电力系统可靠运行具有重要意义。大量的实际案例表明，导致电缆故障的根本原因是绝缘介质中空间电荷的积聚。由于现场的环境以及不可抗的外力作用导致的绝缘介质老化，使得空间电荷积聚，从而形成树枝，进一步发展后最终导致击穿。

因此，探寻电缆老化机理及其预防诊断的首要任务是检测绝缘介质中的空间电荷分布。现场运行的电力电缆受外界环境因素的影响很大，在实验室中进行试验的首要任务就是充分模拟现场中电缆的实际运行情况。目前国内外对电缆中空间电荷的检测手段多种多样，但是很少能在实验室中将温度场和交流电场的影响条件考虑在内。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确可靠且易于实现的基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，包括交流变压器、空间电荷测试单元、交流相位匹配电路和高压脉冲源和示波器，所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接。

所示示波器还连接一信号处理计算机实现空间电荷测试信号的的恢复和矫正功能。

所述交流相位匹配电路包括依次连接在一起隔离变压器、滤波器、过零比较器、相位矫正、信号发生器和光耦合器，所述隔离变压器的输入端与交流电压器相连接，所述光耦合器的输出端连接高压脉冲源。

所述高压脉冲源包括同轴电缆、充电电阻、MOSFET开关及电阻分压器，所述同轴电缆的一端通过充电电阻与10kV高压电源相连接，该同轴电缆的另一端与MOSFET开关相连接，该MOSFET开关的另一端输出高压脉冲源与空间电荷测试单元相连接，该高压脉冲源通过电阻分压器输出另一幅值的高压脉冲源与示波器相连接。

所述MOSFET开关采用HTS100-12-uf MOSFET开关。

所述空间电荷测试单元采用电声脉冲法原理构成。

本发明的优点和积极效果是：

本发明在实验室中搭建温度梯度场和交流电压联合作用下的电缆本体空间电荷测试系统，能够模拟现场运行中电缆的运行环境，通过升流器产生温度梯度场及交流电压的联合作用，利用电声脉冲法监测电缆试样中的空间电荷分布，并且利用监测到的电荷分布情况，可以相应地得出电缆运行的寿命阈值并且确定容易发生击穿现象的电缆附件具体位置，从而更好地推广到实际工程应用中，避免电缆的击穿事故频繁发生，使电力电缆得到可靠安全的运行，为之后的电力电缆故障预警打下良好基础。

附图说明

图1为本发明的测试系统整体示意图；

图2为电缆本体空间电荷的原理图；

图3为空间电荷测试单元的测试原理图；

图4为交流相位匹配电路框图；

图5为高压脉冲源的电路图；

图6升流器回路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，如图1所示，包括交流变压器1、空间电荷测试单元2、交流相位匹配电路、高压脉冲源、示波器以及信号处理计算机。所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接，信号处理计算机与示波器相连接可以对收集到的信号进行分析处理。下面对系统中的各个部分分别进行说明：

如图2及图3所示，空间电荷测试单元2采用电声脉冲法(PEA)测试电缆本体空间电荷，其测试基本原理是，在电缆线芯施加脉冲电压，使空间电荷振动，产生超声波，向下传播穿过下电极铝板，作用在PVDF压电传感器上产生正比于声波的电压信号。此信号经过放大器后输出到示波器。示波器采集到的电压随时间变化的波形即可反映电缆中垂直向下的半径方向的空间电荷的分布。

与直流电压下空间电荷波形保持不变不同，交流电压下空间电荷分布随着交流相位而变化，所以需要得到空间电荷波形对应的交流相位数据。这要求高压脉冲源触发时间可控，并且数据采集系统可分辨测试空间电荷的相位。

如图4所示，交流相位匹配电路包括依次连接在一起隔离变压器、滤波器、过零比较器、相位矫正、信号发生器和光耦合器，隔离变压器的输入端与交流电压器相连接，光耦合器的输出端连接高压脉冲源。该交流相位匹配电路具有直接从工频电压中获取交流相位的优点，可以与实际频率有所波动的工业用电很好地进行相位匹配，为实现空间电荷测试应用于现场打下基础。

如图5所示，该高压脉冲源包括同轴电缆、充电电阻、MOSFET开关及电阻分压器，并以脉冲线形成法为原理制成高压脉冲电源，10kV高压电源通过充电电阻(100k欧姆)连接同轴电缆，同轴电缆的另一端与MOSFET开关相连接，MOSFET开关的另一端输出一个幅值的高压脉冲源与空间电荷测试单元，同时通过电阻分压器输出另一幅值的高压脉冲源与示波器相连接。为使脉冲电压的波形达到最好，选取优质的无感电阻、无感电容，尽量缩短电路元器件连接线的长度以减少电感，并且各部件摆放位置合理避免杂散电容的出现。经过调试，高压脉冲电源可输出较为理想的脉冲电压波形，脉冲电压幅值5kV，脉宽50ns，上升沿和下降沿5ns，重复频率最高3kHz，满足电缆交流空间电荷测试的要求。

高压脉冲源采用脉冲功率技术中的单脉冲传输线理论，通过波过程产生特定脉宽的脉冲高压。按不产生空间电荷的最低电场强度为1kV/mm计算，电缆本体的空间电荷测试要求脉冲电压幅值为5kV。基于单脉冲形成线脉冲电压减半的原理，要求开关的耐受电压达10kV。为满足实验要求，本实施例的MOSFET开关采用德国Behlke公司生产的HTS100-12-ufMOSFET开关。HTS-UF(超高频)系列动态开关是专门为持续时间短，上升沿陡峭的高压脉冲发生器设计的，其显著特点是它的上升沿时间在高压下和负载下保持恒定。与传统的高压开关(如冷阴极管)相比，此开关具有非常低的震荡和抖动。在输入端只需要一个兼容的方波控制信号和一个5v的辅助电压。内部驱动电路负责信号调理，辅助电压监控，频率限制和温度保护。开关是由一个2到10v的正向脉冲触发的，对于标准设备，触发后的准点时间通常为200ns。

在本实施例中，信号处理计算机安装Labview程序编译波形恢复处理软件，实现空间电荷测试信号的的恢复和矫正。该软件不仅适用于常温下平板试样和XLPE电缆本体中的PEA测试信号的分析处理，而且可以分析温度梯度场下XLPE电缆本体中的PEA测试信号恢复处理。

下面对本发明的升流器回路工作原理进行说明：

如图6所示，升流器回路(也就是温度梯度回路)在电缆线芯形成大电流，发出热量，在电缆绝缘中产生温度梯度场。通过调节变压器输出电压，控制线芯电流的大小，实现对温度场的控制。设若升流器输出最大电流为1200A。计算线芯回路的电阻，进而得到升流器二次绕组电压。

导体不同温度下单位长度的交流电阻由下式给出：

R＝R'(1+Y_S+Y_P)

式中R——不同温度下导体的交流电阻；

R’——不同温度下导体的直流电阻，Ω/m；

Y_s——集肤效应因数；

Y_p——邻近效应因数。

由GB/T 3956-1997可得，导芯截面积为300mm²芯XLPE电缆的20℃时的最大直流电阻为6.01*10^-5Ω/m。电阻随温度的升高会发生改变，导体在不同工作温度下单位长度的直流电阻可由下式计算：

R'＝R₀×[1+α₂₀(θ-20)]

式中R₀——20℃时导体的直流电阻。

α₂₀—每一个绝对温度下20℃时的材料温度系数。

θ——导体的工作温度。

由公式计算得出的交流电阻，乘以通流量，并考虑充足的裕量，将二次绕组输出电压设定为1.33V，升流器容量设置为2kVA。

为了使升流器满足试验要求，需要合理的设置其铁芯的截面积。铁芯的截面积计算公式如下：

式中S——铁芯截面积，cm²；

U₂—二次绕组的电压，V；

f——电源频率，Hz；

N——二次绕组匝数；

B_T—磁通密度，T。

当升流器满负荷运行时，流经铁芯的磁通量达到最大，此时需要的截面积为按照此截面积来设置升流器铁芯的参数。

本发明的工作原理为：交流市电通过变压器升压后施加到电缆线芯，电缆外半导电层通过接触空间电荷测试单元的外壳而接地。电缆绝缘中产生由内向外辐射的同轴电场，在电场作用下积聚空间电荷。高压脉冲电源输出的脉冲高压通过高压电容施加到电缆线芯。为了使空间电荷测试时间与交流相位匹配，需要交流相位匹配电路控制高压脉冲源的动作时间，使其在特定的交流相位输出脉冲高压。高压脉冲源通过电阻分压器输出与脉冲高压同步的小脉冲信号，触发示波器采集空间电荷波形。同时示波器采集从电容分压器低压臂输出的工频相位信号。通过对示波器采集数据的分离和处理，得到平均滤波的空间电荷波形和对应的相位数据。

本发明的测试系统每一部分都对测试结果的准确性起到了重要作用。高压脉冲电源输出的脉冲波形将直接决定测试的空间电荷波形的质量；空间电荷测试单元要屏蔽外界干扰，且压电传感器和放大器要良好匹配以减小测试波形的过冲；相位匹配电路要求脉冲信号和交流正弦相位匹配准确，且要避免脉冲高压引起高频干扰的影响；示波器要求数据传输速度快、存储深度高；信号处理软件要求能处理空间电荷波形的过冲，恢复声波传输过程中的衰减和色散。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：包括交流变压器、空间电荷测试单元、交流相位匹配电路和高压脉冲源和示波器，所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接。

2.根据权利要求1所述基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：所示示波器还连接一信号处理计算机实现空间电荷测试信号的的恢复和矫正功能。

3.根据权利要求1或2所述基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：所述交流相位匹配电路包括依次连接在一起隔离变压器、滤波器、过零比较器、相位矫正、信号发生器和光耦合器，所述隔离变压器的输入端与交流电压器相连接，所述光耦合器的输出端连接高压脉冲源。

4.根据权利要求1或2所述基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：所述高压脉冲源包括同轴电缆、充电电阻、MOSFET开关及电阻分压器，所述同轴电缆的一端通过充电电阻与10kV高压电源相连接，该同轴电缆的另一端与MOSFET开关相连接，该MOSFET开关的另一端输出高压脉冲源与空间电荷测试单元相连接，该高压脉冲源通过电阻分压器输出另一幅值的高压脉冲源与示波器相连接。

5.根据权利要求4所述基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：所述MOSFET开关采用HTS100-12-ufMOSFET开关。

6.根据权利要求1或2所述基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：所述空间电荷测试单元采用电声脉冲法原理构成。