CN111551833A - 一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其主要技术特点是：包括交流电压源、高压电极、接地电极、屏蔽箱与局部放电采集装置；高压电极、接地电极和待测试样安装在屏蔽箱内用来屏蔽电磁干扰信号，高压电极通过保护电阻连接交流电压源的高压侧，接地电极连接交流高压源的地线侧，待测试样放置于高压电极和接地电极之间并紧密接触，局部放电采集装置安装在接地电极与交流电压源的地线侧之间。本发明将高压电极、接地电极及待测试样安装在屏蔽箱内，有效屏蔽了外界的噪声信号，更准确地进行数据测量，能够对局部放电脉冲波形分析，并通过模糊聚类分析区分不同类型的放电源，实现放电信号的分离，满足了局部放电测试要求。

Description

一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统
技术领域
本发明属于高压设备技术领域，尤其是一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统。
背景技术
随着我国经济的不断发展，电力需求也不断增长。而我国负荷中心与能源中心呈现逆向分布的特点，为了解决这一问题，我国采用“西电东输”发展战略。电缆输电具有可靠性高、安全性好与适应性强等特点，是未来输电的主要方式。由于高压交联聚乙烯电缆具有优异的力学性能、稳定的化学性能与良好的电气性能而被广泛的应用，据不完全统计高压XLPE电缆的使用率已经超过90％，其安全稳定运行对输电网络具有重要影响。
近些年来，高压XLPE电缆故障时有发生，经过解剖发现故障点多位于绝缘屏蔽层与铝护套之间的缓冲层中。缓冲层作为电缆的重要结构，由于行业内标准尚不规范，近些年来关注度较少。经过初步检测发现，缓冲层内存在放电烧蚀痕迹。同时根据现场测试结果，发现部分电缆内部可以检测到局部放电信号。局部放电检测是电缆状态评估的一种常用手段，然而目前针对电缆的局部放电检测多集中于电缆的绝缘层中，而对缓冲层内的局部放电检测较少。因此搭建缓冲层局部放电测试平台，进行电缆缓冲层局部放电测试，对于深入分析电缆缓冲层故障机理来说至关重要。
有些研究机构进行了电缆内部放电故障分析与机理研究，发现当电缆铝护套出现松动时，可以检测到明显的局部放电信号。当电缆铝护套出现松动时，缓冲层与铝护套接触状态发生变化，缓冲层内存在气隙，通过时域有限元仿真计算可知，气隙内的最大电场强度超过空气击穿场强，最终引起局部放电。不仅缓冲层接触状态变化会引起放电现象，缓冲层性能突变与结构改变同样可以引起其内部电场分布的变化，当电场强度超过阈值时会引发局部放电。
缓冲层内的电场分布是实际电缆运行中不可忽视的因素，实际工况下由于部分电缆铝护套加工工艺不当，易在其表面形成金属尖端，当出现铝护套松动现象时易引起严重的电场畸变。如何进行极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试并分析电场分布对缓冲层局部放电特性的影响是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，解决了在极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试以及对分析电场分布对缓冲层局部放电特性的影响的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，包括交流电压源、高压电极、接地电极、屏蔽箱与局部放电采集装置；所述高压电极、接地电极和待测试样安装在屏蔽箱内用来屏蔽电磁干扰信号，所述高压电极通过保护电阻连接交流电压源的高压侧，所述接地电极连接交流高压源的地线侧，所述待测试样放置于高压电极和接地电极之间并紧密接触，所述局部放电采集装置安装在接地电极与交流电压源的地线侧之间。
所述屏蔽箱的屏蔽信号频率范围为10kHz-100MHz，电场屏蔽性能10dB，适用温度范围为-10℃-50℃，湿度范围为5％-40％，并且符合局部放电测试条件。
所述局部放电采集装置包括高频电流互感器、局部放电分析仪、计算机终端以及同步装置；所述高频电流互感器、局部放电分析仪及计算机终端依次相连接，该高频电流互感器连接在交流电压源接地侧和接地电极之间，该高频电流互感器通过BNC接头与局部放电分析仪相连接，该局部放电分析仪通过网线实现与计算机终端的网络连接；所述同步装置安装在局部放电分析仪附近以保证局部放电分析仪采样时的同步频率。
所述同步装置由一个直插式白炽灯、同步线圈组成，其同步频率为50Hz。
所述局部放电分析仪采用PDCheck局部放电分析仪。
所述测试试样包括两层阻水带试样与一层半导电屏蔽层试样，上述试样均为圆片形试样，其直径为50mm，厚度为1mm。
所述测试试样为干燥出来后的试样。
所述高压电极和接地电极均采用与电缆外层铝护套相同的铝材制成，其中，高压电极为针状电极，其曲率半径为0.3mm；接地电极为圆片形电极，其直径为100mm，厚度为2mm。
所述高压电极和接地电极是经过电解液电解后的电极。
所述交流电压源的输出电压范围是10V-20kV，输出电流范围是0-5A。
本发明的优点和积极效果是：
1、本测试系统将高压电极、接地电极及待测试样安装在屏蔽箱内并采用局部放电分析仪进行电缆缓冲层局部放电检测、故障诊断，能够有效屏蔽外界的噪声信号，可以更准确地进行数据测量，具有带宽高、速度快与储存容量大等优点，能够对局部放电脉冲波形分析，并通过模糊聚类分析区分不同类型的放电源，实现放电信号的分离，满足了电缆缓冲层局部放电测试要求。
2、本测试系统对测试试样进行干燥处理并对电极进行预处理，进一步保证了测量的精度。
附图说明
图1是本发明的电缆缓冲层局部放电测试系统连接图；
图2是本发明所用试样结构示意图；
图3是本发明所用的实验预处理平台结构图；
图4是电缆缓冲层在室温条件下不同放电阶段局部放电特征谱图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，如图1所示，包括交流电压源、高压电极、接地电极、屏蔽箱与局部放电采集装置。所述高压电极、接地电极和待测试样安装在屏蔽箱内，用以降低电磁干扰。该高压电极通过保护电阻连接交流电压源的高压侧，该接地电极连接至交流高压源的地线侧，所述待测试样放置于高压电极和接地电极之间，所述局部放电采集装置安装在接地电极与交流电压源的地线侧之间。本测试系统可以进行长期局部放电测试，并提取不同时期的局部放电的统计特征与波形特征参数。
所述测试试样包括两层阻水带试样与一层半导电屏蔽层试样，其中两类试样均为圆片形试样，其直径50mm，厚度1mm，如图2所示。测试试样需要放置于真空干燥箱内进行干燥处理。
所述屏蔽箱用来屏蔽电磁信号干扰，屏蔽信号频率范围为10kHz-100MHz，电场屏蔽性能10dB，适用温度范围-10℃-50℃，湿度范围5％-40％，符合局部放电测试条件。
所述局部放电采集装置包括高频电流互感器、Techimp PDCheck局部放电分析仪、计算机终端以及同步装置。所述高频电流互感器、Techimp PDCheck局部放电分析仪及计算机终端依次相连接，该高频电流互感器连接在交流电压源接地侧和接地电极之间，并且高频电流互感器通过BNC接头与Techimp PDCheck局部放电分析仪相连接，该PDCheck局部放电分析仪通过网线实现与计算机的网络连接。所述同步装置安装在Techimp PDCheck局部放电分析仪附近，该同步装置由一个直插式白炽灯、同步线圈组成，目的在于确保局部放电分析仪采样时的同步频率是50Hz。
在本实施例中，高频电流互感器采用罗氏线圈。
所述交流电压源的输出电压范围是10V-20kV，输出电流范围是0-5A。
在本实施例中，高压电极采用铝制针电极，针电极的材质与电缆外层铝护套材质相同，其中针电极的曲率半径为0.3mm；接地电极采用为圆片形电极，其直径为100mm，厚度为2mm。
所述电极需要通过电解平台进行预处理，该电解平台用于模拟缓冲层因受潮而在其内部出现氧化层的现象。主要由低压直流源、石墨电极、高压电极与聚丙烯酸钠溶液组成，其中低压直流源输出电压范围为0-30V，电流范围为0-1A。
本发明的使用方法为：
步骤1、制作试样并进行干燥处理：将故障电缆剥开，将电缆内部的阻水带与半导电屏蔽层裁剪成如图2所示圆形试样，该试样包括两个厚度为1mm的阻水带和一个厚度为1mm的绝缘屏蔽层，该试样的直径为50mm。将试样放置于真空干燥箱内，控制温度为80℃，干燥时间控制为24小时用以去除试样中的水分。
步骤2、制作电极：选择与电缆铝护套相同类型的材料，加工成高度为20mm，曲率半径为0.3mm的针电极(高压电极)，并用砂纸将电极表面抛光。同时采用相同的材料加工成直径100mm，厚度2mm的圆柱形铝片，镜面抛光后作为接地电极。
步骤3、搭好实验预处理平台对电极进行预处理，如图3所示，将加工好的针电极连接电源负极，将石墨电极连接电源正极，将聚丙烯酸钠溶于水，配制好电解液。打开电源控制输出电流为0.1A，电解时间24小时，电解完成后取出针电极。电解处理后，为减少电晕放电的影响对电极表面的氧化膜进行适当打磨。
步骤4、将经过实验预处理的高压电极连接在高压侧，按照图1所示的测试系统进行连接。将测试电极放入屏蔽箱内，采用网线将Techimp局部放电采集仪与计算机终端连接，将电流互感器接入交流电源的地线侧，采用BNC接头将Techimp局部放电采集装置通道与高频电流互感器连接。
步骤5、调整局部放电采集装置的同步频率，将白炽灯插头的火线端与零线端分开，将局部放电外同步线圈穿过白炽灯火线，获取同步频率。开启计算机，进入信号采集界面，调整同步线圈位置，确保界面中的外同步频率稳定在50Hz。
步骤6、调整针电极位置，确保电极与试样之间接触良好。将交流电压源的高压侧连接针电极，将板电极连接地端，并采用万用表进行接地电阻测试，确保正常接地。
步骤7、确保测试系统按照图1连接无误后，开始加压，缓慢升压直至出现局部放电信号，并进行数据采集。随后以特定加压速率逐渐升高至所需电压，测试期间每1小时进行一次数据采集，直至试样击穿。结束后，依据测试结果进行放电阶段划分。
经上述测试得到电缆缓冲层在室温条件下不同放电阶段(起始阶段、发展阶段、停滞阶段和预击穿阶段)局部放电特征谱图，如图4所示。
综上所述，发明根据实际电缆结构构建一种极不均匀电场下的电缆缓冲层局部放电测试系统，通过采用高频脉冲电流法进行局部放电测试，能够提取不同时期的放电相位、放电幅值与脉冲频率等特征参数，并依据局部放电特征参数对放电阶段进行阶段划分，进行局部放电特性规律总结，对于研究电缆缓冲层局部放电发展过程，开展缓冲层状态评定具有重要的指导意义。
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 (10)

1.一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：包括交流电压源、高压电极、接地电极、屏蔽箱与局部放电采集装置；所述高压电极、接地电极和待测试样安装在屏蔽箱内用来屏蔽电磁干扰信号，所述高压电极通过保护电阻连接交流电压源的高压侧，所述接地电极连接交流高压源的地线侧，所述待测试样放置于高压电极和接地电极之间并紧密接触，所述局部放电采集装置安装在接地电极与交流电压源的地线侧之间。
2.根据权利要求1所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述屏蔽箱的屏蔽信号频率范围为10kHz-100MHz，电场屏蔽性能10dB，适用温度范围为-10℃-50℃，湿度范围为5％-40％，并且符合局部放电测试条件。
3.根据权利要求1所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述局部放电采集装置包括高频电流互感器、局部放电分析仪、计算机终端以及同步装置；所述高频电流互感器、局部放电分析仪及计算机终端依次相连接，该高频电流互感器连接在交流电压源接地侧和接地电极之间，该高频电流互感器通过BNC接头与局部放电分析仪相连接，该局部放电分析仪通过网线实现与计算机终端的网络连接；所述同步装置安装在局部放电分析仪附近以保证局部放电分析仪采样时的同步频率。
4.根据权利要求3所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述同步装置由一个直插式白炽灯、同步线圈组成，其同步频率为50Hz。
5.根据权利要求3所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述局部放电分析仪采用PDCheck局部放电分析仪。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述测试试样包括两层阻水带试样与一层半导电屏蔽层试样，上述试样均为圆片形试样，其直径为50mm，厚度为1mm。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述测试试样为干燥出来后的试样。
8.根据权利要求1至5任一项所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述高压电极和接地电极均采用与电缆外层铝护套相同的铝材制成，其中，高压电极为针状电极，其曲率半径为0.3mm；接地电极为圆片形电极，其直径为100mm，厚度为2mm。
9.根据权利要求1至5任一项所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述高压电极和接地电极是经过电解液电解后的电极。
10.根据权利要求1至5任一项所述的一种极不均匀电场下电缆缓冲层局部放电测试系统，其特征在于：所述交流电压源的输出电压范围是10V-20kV，输出电流范围是0-5A。
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