CN110208662A - 基于介质谱的超导电缆pplp绝缘检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统，其中的检测方法包括以下步骤：S1、对试品施加不同频率的激励电压，通过测量试品的电压和电流，计算不同频率下试品的阻抗值、复电容和介质损耗；S2、根据复电容、介质损耗以及对应的频率，获取试品的老化程度，即试品的绝缘检测结果。与现有技术相比，本发明是在不同的频率点上对PPLP的复电容、介质损耗进行测量计算，通过频率曲线的绘制以及拟合比对，评估试品的老化程度，能全面有效的对PPLP绝缘性能进行检测。

Description

基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电力设备绝缘检测技术领域，尤其是涉及一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统。

背景技术

高温超导(High-Temperature Superconducting，HTS)电缆是前沿尖端技术，具有大电流、低损耗、小体积的特点，传输容量是常规电缆的3～5倍，能够更好地满足电力能源传输和城市电网建设的需求，但其在国内外的相关试验和运行经验非常少，整体技术在全球范围内处于挂网示范、少量商业应用的阶段。上海市国产公里级高温超导示范工程预计于2019年底建成，但国际范围内尚无面向超导电缆的相关试验与运行标准：仅有日本Furukawa和韩国LS公司颁布了电缆部分性能测试的企业标准和规范；2013年由9个国家完成了CIGRE《超导电缆推荐试验》的工作报告，并在3个示范项目实施过程中，遵循该技术报告的相关规定开展测试，但仍没有形成统一试验标准或导则。

获得良好的绝缘性能是HTS电缆实用化的关键环节之一，电缆绝缘结构则是HTS电缆不可或缺的组成部分，能为超导电缆的安全运行提供必要的保障，目前HTS电缆的主流绝缘结构为液氮浸渍PPLP(Polypropylene Laminated Paper，聚丙烯层压纸)，PPLP是由多孔的纸浆材料同聚丙烯膜压制而成，具有良好的浸渍性能因此，PPLP的性能将直接影响到超导电缆的安全运行，现有的超导电缆绝缘检测基本上参照常规电缆的试验项目进行，比如电容测试、介质损耗测试等，然而在介质损耗测试中，缺少针对PPLP绝缘性能老化程度的相关检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，包括以下步骤：

S1、对试品施加不同频率的激励电压，通过测量试品的电压和电流，计算不同频率下试品的阻抗值、复电容和介质损耗；

S2、根据复电容、介质损耗以及对应的频率，获取试品的老化程度，即试品的绝缘检测结果。

优选的，所述复电容为：

ε^*(ω)＝ε′(ω)-iε″(ω)

其中，C^*(ω)是复电容，C'(ω)和C”(ω)分别是复电容的实部和虚部，并分别反映介质的实际电容量和损耗大小，ε^*(ω)是复介电常数，ε'(ω)和ε”(ω)分别是复介电常数的实部和虚部，A和w分别是试品的面积和距离。

优选的，所述介质损耗为：

其中，tanδ是介质损耗，具体为复电容虚部与实部的比值。

优选的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、分别绘制复电容、介质损耗与其对应频率值的频率特性曲线；

S22、拟合对比绘制的频率特性曲线与预设的曲线，并获取试品的老化程度。

优选的，所述步骤S22中获取试品的老化程度具体是利用最小二乘法遍历绘制的频率曲线与预设的曲线的残差，求出残差最小值，之后采用插值法得到试品的老化程度。

一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测系统，包括可控电压源、电压表、电流表、工控计算机以及试品，所述工控计算机的输出端连接到可控电压源的输入端，用于控制可控电压源输出不同频率的交流电压，所述可控电压源的第一输出端连接至试品的一端，以给试品施加不同频率的交流电压，可控电压源的第二输出端接地，所述试品的另一端依次通过电流表的第一测量端和第二测量端接地，所述电流表的输出端连接至工控计算机，用于测量试品的电流并将该电流数据传输给工控计算机，所述电压表的第一测量端连接至可控电压源与试品之间，电压表的第二测量端接地，电压表的输出端连接至工控计算机，用于测量试品的电压并将该电压数据传输给工控计算机，所述工控计算机根据测量的试品电流和电压数据计算试品的阻抗值、复电容和介质损耗，并进行绝缘分析。

优选的，所述工控计算机内安装有用于计算阻抗值、复电容和介质损耗的软件。

优选的，所述工控计算机内安装有曲线绘制软件及拟合对比分析软件，所述曲线绘制软件用于绘制复电容、介质损耗与其对应频率值的频率特性曲线；所述拟合对比分析软件用于拟合对比绘制的频率特性曲线与预设的曲线，并根据拟合结果计算试品的老化程度。

优选的，所述可控电压源的输出频率范围为0.0001～1000Hz。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明基于介质谱原理，采用给介质PPLP施加不同频率交流电压的检测手段，能有效获取测试数据，通过计算并分析复电容、介质损耗与对应频率的关系，能获得比传统工频介质损耗测试更丰富的信息，有助于全面有效地对PPLP绝缘性能进行检测。

二、本发明通过计算不同频率下电介质材料的阻抗值，可计算出其对应的复电容和介质损耗，计算过程简单可靠，并且采用绘制频率曲线以及拟合比对频率曲线的分析方法，能获取试品的老化程度，从而为超导电缆PPLP绝缘检测的分析提供可靠数据。

附图说明

图1为本发明的超导电缆PPLP绝缘检测方法流程示意图；

图2为本发明的超导电缆PPLP绝缘检测系统结构示意图；

图中标记说明：1、可控电压源，2、电压表，3、电流表，4、工控计算机，5、试品。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，包括以下步骤：

S1、对试品施加不同频率的激励电压，通过测量试品的电压和电流，计算不同频率下试品的阻抗值、复电容和介质损耗；

S2、根据复电容、介质损耗以及对应的频率，获取试品的老化程度，即试品的绝缘检测结果。

其中，上述步骤中复电容为：

ε^*(ω)＝ε′(ω)-iε″(ω)

式中，C'(ω)和C”(ω)分别是复电容C^*(ω)的实部和虚部，并分别反映介质的实际电容量和损耗大小，ε^*(ω)是复介电常数，ε'(ω)和ε”(ω)分别是复介电常数的实部和虚部，A和w分别是试品的面积和距离；

介质损耗为：

式中，tanδ是介质损耗，具体为复电容虚部与实部的比值；

在计算得到试品的复电容与介质损耗数据后，通过绘制复电容、介质损耗与对应频率的频率特性曲线，并将绘制的频率特性曲线与预设曲线进行拟合对比，进一步计算得到试品的老化程度。

采用上述方法的一种基于介质谱的超导电缆绝缘检测系统，其结构如图2所示，包括可控电压源1、电压表2、电流表3、工控计算机4以及试品5，工控计算机4的输出端连接到可控电压源1的输入端，用于控制可控电压源1输出不同频率的交流电压；

可控电压源1的第一输出端连接至试品5的一端，以给试品5施加不同频率的交流电压，可控电压源1的第二输出端接地；

试品5的另一端依次通过电流表3的第一测量端和第二测量端接地，电流表3的输出端连接至工控计算机4，用于测量试品5的电流并将该电流数据传输给工控计算机4；

电压表2的第一测量端连接至可控电压源1与试品5之间，电压表2的第二测量端接地，电压表2的输出端连接至工控计算机4，用于测量试品5的电压并将该电压数据传输给工控计算机4；

工控计算机4根据测量的电流和电压数据计算试品5的阻抗值、复电容和介质损耗，并进行绝缘分析。

本实施例中，采用瑞典Pax Diagnostics公司生产的IDAX系列自动介损频率特性测试仪IDAX-206进行PPLP的介质谱测试，IDAX-206能集成上述可控电压源、电压表和电流表的功能，其自动化程度高、体积小、测试接线简单，便于现场实施，IDAX-206的测量频段为0.0001～1000Hz；

本实施例的工控计算机利用软件计算出试品的复电容和介质损耗，并将所计算得出的复电容和介质损耗与其对应的频率值绘制成频率特性曲线，再根据工控计算机内预设的经验曲线进行对比分析，或者利用IDAX-206配套的MODS分析软件进行曲线拟合，便可以计算出被试品的老化程度。

在实际应用中，采用本发明提出的方法与系统分别对单芯HTS电缆、三芯HTS电缆以及三相同轴HTS电缆进行PPLP绝缘检测，其具体的接线方法为：

I、单芯HTS电缆的测试接线

将介质谱测试仪的高压电极接HTS电缆的导体，低压电极及接地极接HTS电缆的屏蔽层；将电缆对端的屏蔽层接地，导体悬空，测量导体和屏蔽层之间绝缘的介质谱；

II、三芯HTS电缆的测试接线

可以分别测量3相电缆的介质谱，也可以同时测量三相总的介质谱：

1)分别测量3相电缆的介质谱

与测量单芯HTS电缆介质谱的方法相同，依次测量3个单芯HTS电缆的介质谱；测量一相电缆时，另2个非试验相的导体和屏蔽层均接地；

2)测量三相电缆总的介质谱

将试验侧电缆的三相导体短路，并接入介质谱测试仪的高压电极；将试验侧电缆的三相屏蔽层短路，并接入介质谱测试仪的低压电极及接地极；将电缆对端的三相电缆导体悬空，三相电缆屏蔽层接地；

III、三相同轴HTS电缆的测试接线

三相同轴的结构在常规电缆中不采用，仅在HTS电缆中采用，三相同轴的设计会使其在每一相上有不同的电气参数，所以应对每一相分别进行介质谱测量，HTS三相同轴电缆，从内到外依次第一相、第二相、第三相导体，因此，可采用从内到外依次进行测试(测试顺序可反向进行)：

将第一相导体接入介质谱测试仪的高压电极，将第二相导体、第三相导体、屏蔽层短路，并接入介质谱测试仪低压电极及接地极，测量第一相导体和第二相导体之间绝缘的介质谱；

然后，将第一相导体和第二相导体短路，并接入介质谱测试仪的高压电极，将第三相和屏蔽层短路，并接入介质谱测试仪低压电极及接地极，测量第二相导体和第三相导体之间绝缘的介质谱；

最后，将三相导体均短路，并接入介质谱测试仪的高压电极，将屏蔽层接入介质谱测试仪低压电极及接地极，测量第三相导体和屏蔽层之间绝缘的介质谱。

本发明提出的超导电缆PPLP绝缘检测方法是在不同频率的激励电压下测量介质复电容、介质损耗等特征参量，然后通过分析特征参量在各频段内的变化情况对绝缘的整体状态进行诊断。不论在实验室进行PPLP绝缘试件、短段HTS电缆的老化及介质谱研究，还是在现场开展不同运行时间的HTS电缆系统的介质谱测试，都可以运用各种数学工具对数据进行分析，还可以对测得的曲线提取特征量。下面列举了部分介质谱曲线特征参量及分析方法：

(1)可分析的参量包括：介质损耗、复电容实部及虚部、电容值、功率因数等随频率的变化曲线；

(2)观察在不同频段(低频、中频、高频)，老化前后各参量数值的变化：往往中低频的数值变化对老化较为敏感；

(3)观察老化前后曲线峰值频率的移动：一般来说，介质损耗的峰值频率越低，劣化程度越严重；

(4)观察曲线的斜率：整个曲线的斜率会随着老化而发生变化，对于介质损耗频率特性曲线，低频段较大、高频段较小，同时曲线在最低频率和最高频率附近均呈现上翘的趋势；

(5)对特定频率范围(通常为0.01～1Hz)内的频域介质谱测量曲线所围面积进行积分，能得出反应绝缘材料劣化程度的特征值。

(6)典型曲线拟合方法：

(6.1)建立老化曲线库：在实验室制作PPLP绝缘的典型简化模型，并进行电老化对不同老化状态的PPLP模型进行介质谱测试，得到不同老化状态下的频域特性曲线，整理成数据库；

(6.2)现场测试HTS电缆的介质谱，获得待分析曲线；

(6.3)在数据库中寻找与待分析曲线最接近的曲线，并认为此曲线对应的老化程度即为待分析曲线的老化程度：具体实现过程中，利用最小二乘法遍历比较待分析曲线与数据库中每组曲线的残差，求出其中的最小值，然后再用相应曲线的老化程度插值求得现场HTS电缆的老化程度。

利用本发明提出的超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统，本实施例采用PPLP制成同轴圆柱试样，浸在液氮中，施加工频交流电压21kV，在13天时间里，总计耐压老化时间46h，在老化前后进行了介质谱测试。

表1为老化前后的介质损耗数据，可见总体上，老化后PPLP绝缘介质损耗有所增加，在低频段更为明显，即老化后，中低频时介质损耗明显增加：

表1老化前后介损数据

频率	老化前介损	老化后介损
			1000	0.0010844	0.001277
470	0.00098881	0.001386
			220	0.0010046	0.001551
110	0.0013145	0.0018497
			70	0.0012698	0.0019465
40	0.001274	0.0021195
			20	0.001342	0.0023901
10	0.0016337	0.0027928
			4.6416	0.0016419	0.0033028
2.1544	0.0015851	0.0041918
			1	0.0016848	0.0058128
0.46416	0.0015133	0.0084952
			0.21544	0.0014738	0.012435
0.1	0.0018195	0.015495
			0.046416	0.0016663	0.013066
0.021544	0.0018875	0.016574
			0.01	0.0028981	0.0195
0.004642	0.0049366	0.02575
			0.002154	0.0091021	0.033464
0.001	0.024675	0.045641

表2为老化前后的复电容实部及虚部数据，老化后PPLP绝缘的复电容实部在整个频率范围里均有一定程度减少，复电容虚部在高频段变化不大，在中低频段，老化后有明显增加：

表2老化前后复电容数据

表3为老化前后的电容值和功率因数数据，老化后PPLP绝缘的电容值在整个频率范围里均有一定程度减少，功率因数在高频段变化不大，在中低频段，老化后有明显增加：

表3老化前后电容值和功率因数数据

Claims (9)

1.一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对试品施加不同频率的激励电压，通过测量试品的电压和电流，计算不同频率下试品的阻抗值、复电容和介质损耗；

S2、根据复电容、介质损耗以及对应的频率，获取试品的老化程度，即试品的绝缘检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，其特征在于，所述复电容为：

ε^*(ω)＝ε′(ω)-iε″(ω)

其中，C^*(ω)是复电容，C'(ω)和C”(ω)分别是复电容的实部和虚部，并分别反映介质的实际电容量和损耗大小，ε^*(ω)是复介电常数，ε'(ω)和ε”(ω)分别是复介电常数的实部和虚部，A和w分别是试品的面积和距离。

3.根据权利要求2所述的一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，其特征在于，所述介质损耗为：

其中，tanδ是介质损耗，具体为复电容虚部与实部的比值。

4.根据权利要求1所述的一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、分别绘制复电容、介质损耗与其对应频率值的频率特性曲线；

S22、拟合对比绘制的频率特性曲线与预设的曲线，并获取试品的老化程度。

5.根据权利要求4所述的一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，其特征在于，所述步骤S22中获取试品的老化程度具体是利用最小二乘法遍历绘制的频率曲线与预设的曲线的残差，求出残差最小值，之后采用插值法得到试品的老化程度。

6.一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测系统，其特征在于，包括可控电压源、电压表、电流表、工控计算机以及试品，所述工控计算机的输出端连接到可控电压源的输入端，用于控制可控电压源输出不同频率的交流电压，所述可控电压源的第一输出端连接至试品的一端，以给试品施加不同频率的交流电压，可控电压源的第二输出端接地，所述试品的另一端依次通过电流表的第一测量端和第二测量端接地，所述电流表的输出端连接至工控计算机，用于测量试品的电流并将该电流数据传输给工控计算机，所述电压表的第一测量端连接至可控电压源与试品之间，电压表的第二测量端接地，电压表的输出端连接至工控计算机，用于测量试品的电压并将该电压数据传输给工控计算机，所述工控计算机根据测量的试品电流和电压数据计算试品的阻抗值、复电容、介质损耗，并进行绝缘分析。

7.根据权利要求6所述的一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测系统，其特征在于，所述工控计算机内安装有用于计算阻抗值、复电容和介质损耗的软件。

8.根据权利要求6所述的一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测系统，其特征在于，所述工控计算机内安装有曲线绘制软件及拟合对比分析软件，所述曲线绘制软件用于绘制复电容、介质损耗与其对应频率值的频率特性曲线；所述拟合对比分析软件用于拟合对比绘制的频率特性曲线与预设的曲线，并根据拟合结果计算老化程度。

9.根据权利要求6所述的一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测系统，其特征在于，所述可控电压源的输出频率范围为0.0001～1000Hz。