CN113009299B - 一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统及其操作方法，所述系统包括：整流单元、逆变单元、三绕组变压器单元、干扰脉冲提取单元、谐振电抗器、检测单元、信号处理单元和主机；逆变单元包括2个并联的开关桥臂；三绕组变压器单元包括变比为1:3:1的绕组W1、绕组W2、绕组W3；绕组W1与逆变单元的输出端相连接；绕组W2一端与谐振电抗器相连接，另一端接地；绕组W3与干扰脉冲提取单元的输入端相连接；检测单元用于测量被测电力电缆的高压波形和局部放电波形并输出至信号处理单元；信号处理单元用于将干扰脉冲序列和局部放电波形进行差模处理，获取处理后的局部放电脉冲序列。本发明可显著提升局部放电灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于电力设备的绝缘状态检测技术领域，涉及电力电缆耐压试验和局部放电检测试验领域，特别涉及一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统及其操作方法。
背景技术
随着城市化改造的不断推进，电力电缆凭借其美观、安全性强等特点，已逐渐取代架空线路成为电力系统的主动脉，电力电缆的安全稳定运行对于提高供电系统的可靠性与以及改善供电质量至关重要；然而，受生产工艺、敷设施工质量和绝缘劣化等因素的影响，电缆及其附件中存有可能危及绝缘寿命的各类缺陷，实现缺陷检测、排查缺陷电缆是保障电网系统安全稳定运行的前提。
经过数十年的学术研究和工业应用，调频式串联谐振系统凭借其便携型好、控制简单、与工频等效性好等特点，已被广泛应用于电力电缆现场耐压试验中。随着应用案例的逐渐积累，发现一些局部非贯穿性的缺陷在耐压试验过程中并不一定会导致击穿故障，使得通过耐压试验的电力电缆在运行一段时间后发生故障的案例并不少见；因此，在开展耐压试验的同时对这类局部非贯穿性缺陷开展检测势在必行。
局部放电作为电力电缆绝缘故障早期的主要表现形式，既是引起绝缘老化的主要原因，又是表征绝缘状况的主要特征参数，因此局部放电检测是一种检测电力电缆非贯穿性缺陷的典型方法。传统的调频式串联谐振系统会产生幅值较大的脉冲干扰，该干扰脉冲与局部放电脉冲的特性较为相似，难以采用小波滤波等电信滤波手段滤波该干扰脉冲，导致传统的调频式串联谐振设备难以用于局部放电检测试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统及其操作方法，以解决上述存在的当前调频式串联谐振系统难以用于电力电缆局部放电检测试验的技术问题。本发明通过差模脉冲消除法滤除脉冲干扰，获取低噪声水平的局部放电信号，可显著提升局部放电灵敏度；可以提升电缆绝缘状态评估领域的技术水平，具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，包括：整流单元、逆变单元、三绕组变压器单元、干扰脉冲提取单元、谐振电抗器、检测单元、信号处理单元和主机；
所述整流单元的输出端与所述逆变单元的输入端相连接；
所述逆变单元包括2个并联的开关桥臂，采用等脉宽调制控制方法控制各开关的通断状态；
所述三绕组变压器单元包括变比为1:3:1的绕组W1、绕组W2、绕组W3；绕组W1与逆变单元的输出端相连接；绕组W2一端与谐振电抗器相连接，另一端接地；绕组W3与干扰脉冲提取单元的输入端相连接；其中，所述谐振电抗器用于与被测电力电缆形成谐振电路；所述干扰脉冲提取单元用于获取由逆变单元电路状态改变而产生的脉冲序列，并将测量得到的干扰脉冲序列发送至信号处理单元；
所述检测单元用于测量被测电力电缆的高压波形和局部放电波形并输出至信号处理单元；
所述信号处理单元用于将干扰脉冲序列和局部放电波形进行差模处理，获取处理后的局部放电脉冲序列；
所述主机用于输出试验的实时加压波形和处理后的局部放电脉冲序列。
本发明的进一步改进在于，所述整流单元能够输出的最大直流电压为538V，最大电流为500A，最大纹波小于5％，输入电压为幅值小于380V交流电压。
本发明的进一步改进在于，所述逆变单元能够产生频率在20～300Hz范围内可调的方波信号；所述逆变单元的开关桥臂包括两个串联的IGBT开关，每个IGBT开关耐压大于等于1200V，IGBT额定电流大于500A。
本发明的进一步改进在于，所述等脉宽调制控制方法的步骤具体包括：
每个开关在一个周期中状态变化2次，开关周期取决于谐振电抗器的电感值L和被测电力电缆的等效电容值C，由式(1)计算获得开关周期T；
本发明的进一步改进在于，所述干扰脉冲提取单元具有带通滤波功能，通带频率为100kHz～100MHz，滤除20Hz～300Hz的正弦电压。
本发明的进一步改进在于，所述谐振电抗器的电感值L大于2H，电阻值R小于10Ω，在峰值为30kV交流电压作用下局部放电量小于2pC，在峰值为10A正弦电流作用30分钟后温升小于40℃；
谐振电抗器与被测电力电缆形成的谐振电路的品质因素Q由谐振电抗器的电感值L、电阻值R以及被测电力电缆的等效电容C决定，品质因素Q应大于60，满足式(2)所示的关系，
本发明的进一步改进在于，所述检测单元包括并联的高压检测模块和局部放电检测模块；
所述高压检测模块包括电容分压器和低通滤波器，所述电容分压器分压比为2000:1，所述低通滤波器通带频率为0Hz～1000Hz；
所述局部放电检测模块包括高压耦合电容、检测阻抗和带通滤波器；其中，所述高压耦合电容与所述检测阻抗串联，所述检测阻抗的输出端与所述带通滤波器的输入端相连接。
本发明的进一步改进在于，所述信号处理单元由数据采集模块与数据处理模块组成；
所述数据采集单元具有三个数据采集通道，其中一个为低速通道，另外两个为高速通道；所述低速通道的输入端与所述高压检测模块的输出端相连接；两个高速通道的输入端分别与局部放电检测模块以及干扰脉冲提取单元的输出端相连接。
本发明的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统的操作方法，包括以下步骤：
设置试验电压和试验时长；
将逆变单元输出频率由20Hz逐渐增大到300Hz，在频率变化过程中保持占空比不变；获得在整个频率变化过程中被测电力电缆的电压最大值，获取对应的逆变单元输出频率，得到测试频率f；通过公式T＝1/f计算获得开关周期；
逆变单元保持开关周期不变；在加压过程中利用检测单元测量被测电力电缆电压幅值，并将被测电力电缆电压与预设电压相比较，若被测电力电缆电压小于等于预设电压的95％，将占空比增大1％；若被测电力电缆电压大于预设电压的95％且小于99％，将占空比增大1％；若被测电力电缆电压与预设电压误差小于1％，保持占空比不变，持续预设的加压时长，进行局部放电检测；
利用检测单元测量局部放电信号，利用干扰脉冲提取单元测量逆变单元产生的干扰脉冲信号，利用信号处理单元对局部放电信号和干扰脉冲信号进行时域差模处理，获取纯净的局部放电信号并传输至主机，以时域波形图的形式显示。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的装置由整流单元、逆变单元、三绕组变压器单元、干扰脉冲提取单元、谐振电抗器、检测单元、信号处理单元和系统主机组成，通过差模脉冲消除法滤除由逆变单元产生的脉冲干扰，获取低噪声水平的局部放电信号，显著提升局部放电灵敏度。本发明可以提升电缆绝缘状态评估领域的技术水平，具有广阔的应用前景。具体地，本发明利用等脉宽调制控制方式，降低了逆变单元在每个逆变周期中的动作次数，显著减少了干扰脉冲的数量；本发明利用三绕组变压器和差模脉冲消除法滤除了混杂在局部放电信号中的脉冲干扰，显著提升的局部放电检测灵敏度；本发明实现了电力电缆耐压试验和局部放电检测试验的同步开展，显著提高了检测效率。
本发明的方法，在调频式串联谐振试验原理的基础上进行改进，在保留其便携性、检测有效性的基础上，使其适用于电力电缆局部放电检测试验；利用等脉宽调制技术降低逆变单元电路状态改变的频率，从而减少干扰脉冲的数量；利用三绕组变压器实现了对干扰脉冲的提取，解决了干扰脉冲与局部放电脉冲易混淆的问题；利用差模脉冲消除法滤除了混杂在局部放电信号中的脉冲干扰，显著提升的局部放电检测灵敏度。本发明能够提升电力电缆现场试验水平，实现耐压试验和高精度局部放电检测试验的同步开展，在工程上具有重要的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种基于差模脉冲消除法的电缆耐压和局部放电一体化试验系统的整体示意图；
图2是本发明实施例中，等脉宽调制技术开关通断状态以及干扰脉冲序列示意图；
图3是本发明实施例中，差模脉冲消除法示意图；
图1中，11、整流单元；12、逆变单元；13、三绕组变压器单元；14、干扰脉冲提取单元；15、谐振电抗器；16、检测单元；17、信号处理单元；18、主机；19、被测电力电缆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种基于差模脉冲消除法的电缆耐压和局部放电一体化试验系统，主要由整流单元11、逆变单元12、三绕组变压器单元13、干扰脉冲提取单元14、谐振电抗器15、检测单元16、信号处理单元17和主机18组成；其中，试验时接入被测电力电缆19。
本发明实施例中，所述整流单元11的输出端与所述逆变单元12的输入端相连接；优选的，所述整流单元11可输出最大538V的直流电压，最大电流为500A，最大纹波小于5％，输入电压为幅值小于380V交流电压。所述逆变单元12由2个开关桥臂并联而成，采用等脉宽调制控制方法控制各开关的通断状态，可产生频率在20～300Hz范围内可调的方波信号。本发明实施例中利用等脉宽调制技术降低逆变单元12电路状态改变的频率，从而减少干扰脉冲的数量。
本发明实施例中，所述逆变单元12的开关桥臂由两个IGBT开关串联而成；优选的，每个IGBT开关耐压大于等于1200V，IGBT额定电流大于500A。
请参阅图2，所述的等脉宽调制控制方式，其开关通断状态如图2所示，每个开关在一个周期中状态变化2次，开关周期取决于谐振电抗器15的电感值L和被测电力电缆19的等效电容值C，由式(1)可计算出开关周期T。占空比D与设置的目标测试电压Uref存在正相关关系，增大占空比D可以显著增大施加在被测电力电缆19上的正弦电压。在每次开关状态发生改变时，由于电路拓扑结构突变导致产生脉冲干扰，脉冲干扰示意图如图2所示。
所述三绕组变压器单元13的变比为1:3:1，三个绕组依次编号为W1、W2、W3，其中绕组W1与逆变单元12的输出端相连；绕组W2一端与谐振电抗器15相连，另一端接地；绕组W3与干扰脉冲提取单元14的输入端相连。
所述干扰脉冲提取单元14具有带通滤波功能，通带频率为100kHz～100MHz，有效的滤除20Hz～300Hz的正弦电压，获取由逆变单元12电路状态改变而产生的脉冲序列，并将测量得到的干扰脉冲序列发送至信号处理单元17。
所述谐振电抗器15的电感值L大于2H，电阻值R小于10Ω，在峰值为30kV交流电压作用下局部放电量小于2pC，在峰值为10A正弦电流作用30分钟后温升小于40℃。谐振电抗器15与被测电力电缆19形成谐振电路，谐振电路的品质因素Q由谐振电抗器15的电感值L、电阻值R以及被测电力电缆19的等效电容C决定，品质因素Q应大于60，满足式(2)所示的关系。
所述检测单元16由高压检测模块和局部放电检测模块并联而成，检测单元16同时测量被测电力电缆19的高压波形和局部放电波形并输出至信号处理单元17。
所述高压检测模块由电容分压器和低通滤波器组成，电容分压器分压比为2000:1，低通滤波器通带频率为0Hz-1000Hz。
所述局部放电检测模块由高压耦合电容、检测阻抗和带通滤波器组成，高压耦合电容与检测阻抗串联，检测阻抗输出端与带通滤波器的输入端相连。高压耦合电容容值为5nF，在峰值为30kV交流电压作用下局部放电量小于2pC，检测阻抗采用RLC型检测电路，带通滤波器采用七阶椭圆滤波器，通带频率为100kHz-1000MHz。
所述信号处理单元17由数据采集模块与数据处理模块组成，分别采集干扰脉冲提取单元14和检测单元16输出的信号，并将处理后的数据以无线的方式传输至系统的主机18。
所述数据采集单元具有三个数据采集通道，其中一个低速通道带宽为10kHz，采样率为1kS/s，另外两个高速通道带宽为500MHz，采样率为100MS/s，三个通道均为12位分辨率，存储深度为1GB。低速通道的输入端与高压检测模块的输出端相连，用于测量高压信号；两个高速通道的输入端分别与局部放电检测模块以及干扰脉冲提取单元14的输出端相连，用于测量局部放电信号和干扰脉冲信号。
请参阅图3，所述数据处理模块利用如图3所示的差模脉冲消除法，将数据采集单元测量得到的局部放电信号和干扰脉冲信号进行差模处理，从而滤除局部放电信号中的干扰脉冲，获取较为纯净的局部放电脉冲序列。
所述主机由可视化界面和系统控制软件组成，可视化界面用于输出实时加压波形和局部放电测量波形，操作人员亦可通过可视化界面下达试验指令，设置试验电压，选择试验时长。系统控制软件将操作人员通过可视化界面下达的试验指令转换为相应的控制策略，控制系统各部件的工作状态。
综上，本发明实施例的装置利用等脉宽调制控制方式，降低了逆变单元在买个逆变周期中的动作次数，显著减少了干扰脉冲的数量；利用三绕组变压器和差模脉冲消除法滤除了混杂在局部放电信号中的脉冲干扰，显著提升的局部放电检测灵敏度；本发明实施例的装置实现了电力电缆耐压试验和局部放电检测试验的同步开展，显著提高了检测效率。
本发明实施例的一种基于差模脉冲消除法的电缆耐压和局部放电一体化试验系统的使用方法，具体包括以下步骤：
1、试验参数设置
在主机中设置试验电压和试验时长；其中，对于运行时间不超过3年、且电压等级小于18/30kV的电缆线路，建议设置2倍的电缆额定电压测试60min；对于运行时间在3年以上、且电压等级小于18/30kV的电缆线路，建议设置1.6倍的电缆额定电压测试60min；
2、寻找开关周期T
将逆变单元输出频率20Hz逐渐增大到300Hz，在频率变化过程中保持占空D为5％始终不变。寻找在整个频率变化过程中被测电力电缆的电压最大值，并获取所对应的逆变单元输出频率，从而得到测试频率f，进而计算可知开关周期T＝1/f。
3、施加试验电压
逆变单元保持开关周期T不变，占空比初始值为5％。在加压过程中利用检测单元测量被测电力电缆电压幅值，并将被测电力电缆电压与预设电压相比较，若被测电力电缆电压小于预设电压的95％，则将占空比增大1％；若被测电力电缆电压大于预设电压的95％且小于99％，则将占空比增大1％；若被测电力电缆电压与预设电压误差小于1％，则保持占空比不变，持续步骤1中预设的加压时长，同时开始局部放电检测。
4、局部放电检测
利用检测单元测量局部放电信号，利用干扰脉冲提取单元测量逆变单元产生的干扰脉冲信号，利用信号处理单元对局部放电信号和干扰脉冲信号进行时域差模处理，实时获取纯净的局部放电信号并传输至主机，以时域波形图的形式显示出来，便于操作人员评估被测电力电缆的绝缘状态。
本发明实施例的方法，创新性地利用等脉宽调制方式减少了调频式串联谐振设备中干扰脉冲数量，进而采用差模脉冲消除法滤除了剩余的脉冲干扰，显著的提高了局部放电检测灵敏度，实现了耐压试验和局部放电检测试验的同步开展，具有高效、安全和检测灵敏度高的特点。
综上所述，本发明实施例公开了一种基于差模脉冲消除法的电缆耐压和局部放电一体化试验系统的方法，该系统由整流单元、逆变单元、三绕组变压器单元、干扰脉冲提取单元、谐振电抗器、检测单元、信号处理单元和系统主机组成。经过现场学术研究和试验验证，电力电缆在频率为20～300Hz范围内的正弦电压与工频电压作用下的绝缘特性较为相似，鉴于调频式串联谐振系统的便携性和试验有效性，调频式串联谐振技术已经被广泛应用于电力电缆现场耐压试验中。然而调频式串联谐振系统存在脉冲干扰极为严重的问题，且其脉冲干扰特征与局部放电信号特征较为相近，利用常见数字滤波方法难以单独滤除脉冲干扰，限制了调频式串联谐振技术在局部放电检测领域的进一步发展。本发明基于调频式串联谐振技术在被测电力电缆上激发出正弦高压，利用等脉宽调制技术控制逆变单元，显著减少了由逆变单元电路状态变化都产生的干扰脉冲数量；利用三绕组变压器单元获取逆变单元所产生的脉冲干扰，利用差模脉冲消除法将脉冲干扰数据与检测单元测量数据进行时域差模处理，从而消除测量数据中的干扰脉冲，获取纯净的局部放电信号。本发明的一种基于差模脉冲消除法的电缆耐压和局部放电一体化试验系统，利用等脉宽调制技术减少干扰脉冲的数量，再通过差模脉冲消除发有效滤除测量信号中的干扰脉冲，显著的提升了局部放电检测灵敏度，提高了对电缆绝缘状态的诊断水平，具有重要的工程实用价值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，包括：整流单元(11)、逆变单元(12)、三绕组变压器单元(13)、干扰脉冲提取单元(14)、谐振电抗器(15)、检测单元(16)、信号处理单元(17)和主机(18)；
所述整流单元(11)的输出端与所述逆变单元(12)的输入端相连接；
所述逆变单元(12)包括2个并联的开关桥臂，采用等脉宽调制控制方法控制各开关的通断状态；
所述三绕组变压器单元(13)包括变比为1:3:1的绕组W1、绕组W2、绕组W3；绕组W1与逆变单元(12)的输出端相连接；绕组W2一端与谐振电抗器(15)相连接，另一端接地；绕组W3与干扰脉冲提取单元(14)的输入端相连接；其中，所述谐振电抗器(15)用于与被测电力电缆形成谐振电路；所述干扰脉冲提取单元(14)用于获取由逆变单元(12)电路状态改变而产生的脉冲序列，并将测量得到的干扰脉冲序列发送至信号处理单元(17)；
所述检测单元(16)用于测量被测电力电缆的高压波形和局部放电波形并输出至信号处理单元(17)；
所述信号处理单元(17)用于将干扰脉冲序列和局部放电波形进行差模处理，获取处理后的局部放电脉冲序列；
所述主机(18)用于输出试验的实时加压波形和处理后的局部放电脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，所述整流单元(11)能够输出的最大直流电压为538V，最大电流为500A，最大纹波小于5％，输入电压为幅值小于380V交流电压。
3.根据权利要求1所述的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，所述逆变单元(12)能够产生频率在20～300Hz范围内可调的方波信号；
所述逆变单元(12)的开关桥臂包括两个串联的IGBT开关，每个IGBT开关耐压大于等于1200V，IGBT额定电流大于500A。
4.根据权利要求1所述的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，所述等脉宽调制控制方法的步骤具体包括：
每个开关在一个周期中状态变化2次，开关周期取决于谐振电抗器的电感值L和被测电力电缆的等效电容值C，由式(1)计算获得开关周期T；
5.根据权利要求1所述的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，所述干扰脉冲提取单元(14)具有带通滤波功能，通带频率为100kHz～100MHz，滤除20Hz～300Hz的正弦电压。
6.根据权利要求1所述的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，所述谐振电抗器(15)的电感值L大于2H，电阻值R小于10Ω，在峰值为30kV交流电压作用下局部放电量小于2pC，在峰值为10A正弦电流作用30分钟后温升小于40℃；
所述谐振电抗器(15)与被测电力电缆形成的谐振电路的品质因素Q由谐振电抗器(15)的电感值L、电阻值R以及被测电力电缆的等效电容C决定，品质因素Q应大于60，满足式(2)所示的关系，
7.根据权利要求1所述的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，所述检测单元(16)包括并联的高压检测模块和局部放电检测模块；
所述高压检测模块包括电容分压器和低通滤波器，所述电容分压器分压比为2000:1，所述低通滤波器通带频率为0Hz～1000Hz；
所述局部放电检测模块包括高压耦合电容、检测阻抗和带通滤波器；其中，所述高压耦合电容与所述检测阻抗串联，所述检测阻抗的输出端与所述带通滤波器的输入端相连接。
8.根据权利要求7所述的一种电缆耐压和局部放电一体化试验系统，其特征在于，所述信号处理单元(17)由数据采集模块与数据处理模块组成；
所述数据采集模块具有三个数据采集通道，其中一个为低速通道，另外两个为高速通道；所述低速通道的输入端与所述高压检测模块的输出端相连接；两个高速通道的输入端分别与所述局部放电检测模块以及干扰脉冲提取单元(14)的输出端相连接。
9.一种权利要求1所述的电缆耐压和局部放电一体化试验系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置试验电压和试验时长；
将逆变单元输出频率由20Hz逐渐增大到300Hz，在频率变化过程中保持占空比不变；获得在整个频率变化过程中被测电力电缆的电压最大值，获取对应的逆变单元输出频率，得到测试频率f；通过公式T＝1/f计算获得开关周期；
逆变单元保持开关周期不变；在加压过程中利用检测单元测量被测电力电缆电压幅值，并将被测电力电缆电压与预设电压相比较，若被测电力电缆电压小于等于预设电压的95％，将占空比增大1％；若被测电力电缆电压大于预设电压的95％且小于99％，将占空比增大1％；若被测电力电缆电压与预设电压误差小于1％，保持占空比不变，持续预设的加压时长，进行局部放电检测；
利用检测单元测量局部放电信号，利用干扰脉冲提取单元测量逆变单元产生的干扰脉冲信号，利用信号处理单元对局部放电信号和干扰脉冲信号进行时域差模处理，获取纯净的局部放电信号并传输至主机，以时域波形图的形式显示。
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