CN110596544B - 一种电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，包括：变频电源、励磁变压器、分压器和电抗器；变频电源产生谐振频率的正弦波，励磁变压器将输出电压进行升压，电抗器与电缆试品构成电感‑电容串联谐振回路，分压器测量电缆试品高压端电压；局部放电传感器、电流互感器、采集单元和数据处理单元；采集单元采集分压器输出信号、局部放电传感器输出信号与电流互感器输出信号；本平台基于电缆局放信号传播特性，利用超高频传感器检测变频电源产生的脉冲干扰信号作参考，高频电流检测流经电缆接地线上的脉冲信号作主信号，通过两路信号作对比，实现脉冲信号的滤除及局部放电脉冲信号的提取。

Description

一种电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台
技术领域
本发明涉及电气设备绝缘状态与故障诊断领域，具体地，涉及一种电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台。
背景技术
交联聚乙烯(XLPE)电力电缆因其优良电气及机械性能，在我国城市输配电网中得到了广泛的应用。为保证电力电缆运行的安全可靠性，对于新竣工的电力电缆工程必须通过耐压试验考验其绝缘性能的好坏。变频串联谐振耐压法因设备功率小，与工频等效性好，现场实施可行性高等优点被认为是目前最有效的耐压试验方法。除此外，业内标准推荐电缆耐压同时进行局部放电测试，用以检测电缆系统是否存在潜伏性缺陷，如电缆本体气泡，接头附件气隙、半导体突起等。
对比现有技术发现，专利号为CN00259594.X，名称为“变频谐振电源”的中国实用新型专利公开了一种基于SPWM调制的变频谐振电源，具有体积小，效率高，但存在由开关器件产生的强烈的脉冲干扰信号，在此条件下进行局部放电检测的关键在于局放脉冲的提取；专利号为CN201210010921.7，名称为“电缆局部放电信号检测系统及方法”的中国发明专利提供了一种基于串联调频谐振系统的局部放电测试方法，该方法使用检测阻抗用于测试局部放电信号，利用检测阻抗法的高通低阻特性抑制工频及谐振的低频信号，但是由调频电源产生的脉冲干扰含有较广的频域成分，仍有部分干扰信号无法通过此方法滤除，从而干扰测试结果；为了进一步抑制由变频电源所产生的干扰，专利号CN201210190992.X，名称为“采用调频移相的串联谐振耐压局放试验方法”的中国发明专利采用方波调制方式的变频电源，将干扰信号限定在二、四象限相位区间，利用局放信号出现在一、三象限特性进行局放测试，但是试验系统的偏谐度会增加变频电源的无功输出及干扰脉冲幅值。
发明内容
为了克服现有技术缺陷，本发明提供一种基于超高频传感器(UHF)与高频电流传感器 (HFCT)结合的电力电缆变频谐振下局部放电测试平台，基于电缆局放信号传播特性，利用超高频传感器检测变频电源产生的脉冲干扰信号(不包括局放信号)作参考，高频电流检测流经电缆接地线上的脉冲信号(包括干扰信号与局放信号)作主信号，通过两路信号作对比，实现脉冲信号的滤除及局部放电脉冲信号的提取。
具体地，本发明提供的电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，包括以下内容：
测试平台结构：
谐振耐压及局放测试平台包括：变频谐振系统和局部放电测试系统；
搭建谐振耐压及局放测试平台，如图1，所述变频谐振系统包括变频电源，励磁变压器，分压器，电抗器。变频电源产生谐振频率的正弦波，输出调制方式包括不限于SPWM调制、方波调制。励磁变压器将变频电源输出电压变换至千伏级高压，电抗器与试品电缆构成电感- 电容串联谐振回路，分压器测量电缆高压端电压，作为变频电源输出调节信号与局放装置触发信号。局部放电测试系统包括UHF传感器、HFCT、高速采集单元、数据处理单元，HFCT 为电流互感器。高速采集单元至少有3路采集通道，分别采集分压器输出信号、UHF传感器输出信号与HFCT输出信号，UHF传感器为局部放电传感器；数据处理单元对原始数据进行处理(包括窄带干扰去除、脉冲提取与干扰脉冲消除)与存储。UHF传感器采用平板型天线，用于采集变频电源干扰脉冲。HFCT为卡扣式，其截止频率不低于15MHz。变频电源输出与励磁变压器相连，励磁变压器与电抗器一端相连，电抗器与分压器高压侧及试品电缆缆芯相连，电缆屏蔽层通过接地线与大地相连。将HFCT卡扣于电缆终端引出的接地线上或电缆本体，可同时采集变频电源干扰与电缆局放信号。UHF传感器面向变频电源，背向电缆试品，保持与变频电源距离d1，且与电缆试品距离为d2，考虑到电磁波信号自由空间损耗为：
L＝32.4+20×log(d)+20×log(f)，其中d为传播距离，单位为km，f为频率，单位为MHz。当变频电源脉冲干扰辐射至空间衰减3dB(功率衰减50％)，其距离约为6.7cm(f＝500MHz)，故取d1<5cm，d2>1m，保证电缆试品中的局放信号因长距离衰减而不被UHF检测，同时仅检测到变频电源干扰。UHF与HFCT传感器通过同轴电缆连接至高速采集单元，再传输至数据处理单元。
数据处理单元的功能：
(1)两路信号的脉冲提取；
首先通过软件滤波，滤除原始信号中窄带干扰。而后，通过滑动时间窗分别对UHF传感器与HFCT两路原始数据进行脉冲提取。设置阈值Vth1、Vth2与时间窗长Tw，滑动步长为Tw/2， Vth1为UHF传感器所测信号白噪声幅值的2倍，Vth2为HFCT所测信号白噪声幅值的2倍， Tw取1-2μs。将原始信号取绝对值，利用滑动时间窗截取所采集的数据，与阈值进行比较，当出现时间窗内数据大于阈值的情况时，将时间窗起始位置记为脉冲起始时刻，滑动窗继续后移，直到出现时间窗内数据小于阈值的情况，将时间窗起始位置记为脉冲终止时刻。滑动窗滑至原始数据末端结束脉冲搜索。最终得到UHF传感器与HFCT脉冲及索引序列：PUHF＝[P1；P2；…；Pm]；PHFCT＝[P1；P2；…；Pn]；LocUHF＝[L1,L2,…,Lm,]，LocHFCT＝[L1,L2,…,Ln,]，其中Pi代表一个脉冲序列，Li为对应脉冲在原始数据中的索引，m为UHF传感器检测到的脉冲个数，n为HFCT检测到的脉冲个数，n≥m。
(2)干扰脉冲消除
判断由HFCT所采集的脉冲信号位置与UHF所采集到的脉冲信号位置是否存在交集，即判断LocHFCTi∩LocUHF(i∈[1,2,…,n])是否为空集，若为空集，记PHFCTi为有效脉冲，保留LocHFCTi；若为非空集，则记PHFCTi为干扰脉冲，删除PHFCTi、LocHFCTi。
(3)局放源判别
通过采集100个正弦周期数据，提取PHFCT单脉冲峰值及对应索引，绘制局部放电相位谱图，根据谱图模式进行局放源类型判别。
在本发明的上述技术方案中，为降低设备成本，可在UHF传感器后加装检波器，降低对采样装置采样率的要求；为降低电晕干扰，应在电抗器高压端、电缆试品加装均压环，连接导线使用防晕导线。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1.本发明对变频串联谐振系统无特定硬件改进需求，对于变频电源而言，其调制方式包括但不限于SPWM调制、方波调制方式等，因此本方法适用性好。
2.双传感器配置方式简单、易实现，大大降低了对试验人员专业技术水平要求。
3.本发明基于双传感器的噪声相消技术，实现变频电源强干扰的滤除，算法简单易实现。
4.本发明不受限于待测电缆的电压等级，可配合不同电压等级谐振系统电力电缆进行耐压与局放同步测试。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为本发明测试平台的组成示意图；
图2为本发明电力电缆变频谐振下局部放电测试方法流程示意图；
图3为本发明实施例1中绘制的由UHF采集到的干扰脉冲波形与同时刻由HFCT采集到脉冲波形图；
图4为本发明实施例1中绘制的由HFCT提取到局放脉冲波形与同时刻UHF采集到的波形图(无脉冲信号)。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例的电力电缆变频谐振下局部放电测试流程如图2所示，被试品采用型号为 YJV22-26/35-1*95mm2长度为4m的电力电缆，近端电缆终端内置尺寸为100mm*1mm*1mm的刀痕缺陷，变频谐振条件下局放测试具体步骤如下：
(1)测试平台搭建
搭建谐振耐压及局放测试平台，如图1，电缆试品缆芯与变频谐振系统输出相连，电缆屏蔽层通过接地线与大地相连，UHF传感器采用平板型天线，面向变频电源，保持与变频电源距离d1为0.02m，且与电缆试品距离d2为5m，以保证电缆试品中的局放信号因长距离衰减而无法被UHF检测，而仅检测到变频电源干扰。将HFCT卡扣于电缆终端引出的接地线上，可同时采集变频电源干扰与电缆局放信号。UHF与HFCT传感器通过同轴电缆连接至高速采集单元，再传输至数据处理单元。此外取分压器信号连接至数据采集单元，作触发信号。
(2)两路信号的脉冲提取
通过软件滤波，滤除原始信号中窄带干扰。而后，通过滑动时间窗分别对UHF传感器与 HFCT两路原始数据进行脉冲提取。设置阈值Vth1、Vth2与时间窗长Tw，滑动步长为Tw/2，Vth1为UHF传感器所测信号白噪声幅值的2倍，Vth2为HFCT所测信号白噪声幅值的2倍，Tw取1.5μs。将原始信号取绝对值，利用滑动时间窗截取所采集的数据，与阈值进行比较，当出现时间窗内数据大于阈值的情况时，将时间窗起始位置记为脉冲起始时刻，滑动窗继续后移，直到出现时间窗内数据小于阈值的情况，将时间窗起始位置记为脉冲终止时刻。滑动窗滑至原始数据末端结束脉冲搜索。最终得到UHF传感器与HFCT脉冲及索引序列：PUHF＝[P1；P2；…； Pm]；PHFCT＝[P1；P2；…；Pn]；LocUHF＝[L1,L2,…,Lm,]，LocHFCT＝[L1,L2,…,Ln,]，其中Pi代表一个脉冲序列，Li为对应脉冲在原始数据中的索引，m为UHF传感器检测到的脉冲个数，n为HFCT 检测到的脉冲个数。
(3)干扰脉冲消除
判断由HFCT所采集的脉冲信号位置与UHF所采集到的脉冲信号位置是否存在交集，即判断LocHFCTi∩LocUHF(i∈[1,2,…,n])是否为空集，若为空集，记PHFCTi为有效脉冲，保留LocHFCTi；若为非空集，则记PHFCTi为干扰脉冲，删除PHFCTi、LocHFCTi。
(4)局放源判别
通过采集100个正弦周期数据，提取PHFCT单脉冲峰值及对应索引，绘制局部放电相位谱图，根据谱图模式进行局放源类型判别。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，其特征在于，所述平台包括：
变频谐振系统和局部放电测试系统；所述变频谐振系统包括：变频电源、励磁变压器、分压器和电抗器；变频电源产生谐振频率的正弦波，励磁变压器将变频电源输出电压进行升压，升压后输入电抗器与电缆试品构成电感-电容串联谐振回路，分压器测量电缆试品高压端电压，测量的电压信号作为变频电源输出调节信号与局部放电测试系统触发信号；
局部放电测试系统包括：局部放电传感器、电流互感器、采集单元和数据处理单元；采集单元设有若干采集通道，分别采集分压器输出信号、局部放电传感器输出信号与电流互感器输出信号；数据处理单元对采集单元采集的数据进行处理与存储；
局部放电传感器面向变频电源，背向电缆试品，局部放电传感器与变频电源距离为d1，局部放电传感器与电缆试品距离为d2，其中，取d1<5cm，d2>1m；
所述数据处理单元用于对输入的原始信号进行滤波处理，滤除原始信号中窄带干扰，滤波处理后通过滑动时间窗分别对局部放电传感器与电流互感器两路数据进行脉冲提取；
设置阈值Vth1、Vth2与时间窗长Tw，滑动步长为Tw/2，Vth1为局部放电传感器所测信号白噪声幅值的2倍，Vth2为电流互感器所测信号白噪声幅值的2倍，Tw取1-2μs；将滤波后的原始信号取绝对值，利用滑动时间窗截取所采集的数据，与阈值进行比较，当出现时间窗内数据大于阈值的情况时，将时间窗起始位置记为脉冲起始时刻，滑动窗继续后移，直到出现时间窗内数据小于阈值的情况，将时间窗起始位置记为脉冲终止时刻；滑动窗滑至原始数据末端结束脉冲搜索，最终得到局部放电传感器与电流互感器脉冲及索引序列：PUHF＝[P1；P2；…；Pm]；PHFCT＝[P1；P2；…；Pn]；LocUHF＝[L1,L2,…,Lm]，LocHFCT＝[L1,L2,…,Ln]，其中Pi代表一个脉冲序列，Li为对应脉冲在原始数据中的索引，m为UHF传感器检测到的脉冲个数，UHF传感器为局部放电传感器，n为HFCT检测到的脉冲个数，HFCT为电流互感器，n≥m，原始数据为滤波后的原始信号取绝对值获得的数据；
所述数据处理单元用于对干扰脉冲进行消除，具体包括：
判断由HFCT所采集的脉冲信号位置与UHF所采集到的脉冲信号位置是否存在交集，即判断LocHFCTi∩LocUHF(i∈[1,2,…,n])是否为空集，若为空集，记PHFCTi为有效脉冲，保留LocHFCTi；若为非空集，则记PHFCTi为干扰脉冲，删除PHFCTi、LocHFCTi，UHF传感器为局部放电传感器，n为HFCT检测到的脉冲个数，HFCT为电流互感器；
局部放电传感器用于采集变频电源干扰脉冲：电流互感器卡扣于试品电缆终端引出的接地线上或试品电缆本体，同时采集变频电源干扰与电缆局放信号。
2.根据权利要求1所述的电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，其特征在于，变频电源输出与励磁变压器相连，励磁变压器与电抗器一端相连，电抗器另一端与分压器高压侧及电缆试品缆芯相连，试品电缆屏蔽层通过接地线与大地相连，分压器输出端与采集单元中对应的采集通道连接。
3.根据权利要求1所述的电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，其特征在于，局部放电传感器为超高频传感器即UHF传感器，采用平板型天线；电流互感器为高频电流传感器即HFCT，其结构为卡扣式，电流互感器的输出端与采集单元中对应的采集通道连接。
4.根据权利要求1所述的电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，其特征在于，所述数据处理单元用于对局部放电源的类型进行判别，具体包括：
通过采集若干个正弦周期数据，基于采集的数据提取PHFCT单脉冲峰值及对应索引，基于PHFCT单脉冲峰值及对应索引，提取的绘制局部放电相位谱图，根据谱图模式进行局放源类型判别。
5.根据权利要求1所述的电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，其特征在于，所述系统还包括检波器，局部放电传感器的输出端与检波器连接。
6.根据权利要求1所述的电力电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，电抗器高压端、电缆试品加装均压环，连接导线使用防晕导线。
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