CN114487734A - 短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置及方法 - Google Patents

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CN114487734A CN202210117864.6A CN202210117864A CN114487734A CN 114487734 A CN114487734 A CN 114487734A CN 202210117864 A CN202210117864 A CN 202210117864A CN 114487734 A CN114487734 A CN 114487734A
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李洪杰
朱孟鑫
卢雨欣
金磊
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    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/1227—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials
    • G01R31/1263—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of solid or fluid materials, e.g. insulation films, bulk material; of semiconductors or LV electronic components or parts; of cable, line or wire insulation
    • G01R31/1272—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of solid or fluid materials, e.g. insulation films, bulk material; of semiconductors or LV electronic components or parts; of cable, line or wire insulation of cable, line or wire insulation, e.g. using partial discharge measurements

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Abstract

本发明公开短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置及方法，其装置包括工频交流电源、低压交流‑直流转换单元、电容器单元、直流‑交流调频逆变单元、升压变压器单元、电抗器单元、局放耦合及采集单元、电压及电流测量单元以及总控制与主机操作单元，其测试方法包括安装并运行于总控制与主机操作单元的控制策略、数据评估及相应软件；本发明提出了一种集耐受电压、局部放电、状态诊断等三种功能于一体的综合测试装置，不仅彻底解决了当前困扰业界的直流振荡波激励下积聚的空间电荷损害电缆绝缘的难题、介质损耗因数精度低的问题、PRPD谱图数据不足的问题，同时又保留了DAC测试装置轻量化、小型化的优点，且进一步减小了制作成本。

Description

短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置及方法
技术领域
本发明涉及电力设备的绝缘状态检测技术领域，尤其涉及短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置及方法。
背景技术
电力电缆线路在电力系统中广泛应用，是庞大的电力网络中众多设备之间交换能量、传递能量的大动脉，多年来，为确保大量电缆的安全运行，在电缆线路的建设、交接及日常运行中，电力部门开展着多种多样的绝缘测试，根据国际标准IEEE STD 400-2001的分类，这些测试主要划分三类：耐受电压测试、局部放电测试以及反映整体绝缘状态的直流电阻、泄漏电流、介质损耗因数等诊断测试，相应于这三类测试，业界先后研制了多种技术和设备，每种能够用于开展其中的一类或两类测试，但多年来鲜有能同时集三类测试功能于一体的技术和设备。
1998年，荷兰德尔福特理工大学的Edward Gulski教授发明了电力电缆局部放电的振荡波测试方法(DAC)，一经提出就受到了学术界和工业界的广泛关注，DAC方法集耐压、局放、诊断三类测试功能于一体，具有一系列优点，主要包括：
(1)DAC的频率在20-500Hz之间，与电缆运行电压的频率接近；DAC的持续时间短，仅几百毫秒，对电缆无损害，可以看作是一种无损检测方法；
(2)由于彻底消除了电力电子器件的开关噪声，不仅能够高灵敏度地检测电缆局部放电，还能够定位局部放电；
(3)DAC测试系统对电源功率的需求极小，无需使用大型柴油发电机组或布置专用的低压供电电缆；DAC测试系统体积小、重量轻，便于运输与现场实施；
(4)连续施加50次的DAC，可以用于电缆耐受电压能力的考核；
(5)在DAC阶段可以评估电缆线路的介质损耗因数。
自DAC测试技术发明的20多年来，得到了电力工业界的高度认可，尤其在配电领域，在新建电缆交接试验及在役电缆日常运维中得到了广泛应用。DAC技术的工业实践经验反复证明了这样一个事实：只需对电缆施加适当水平、数百毫秒的振荡波高压就能够有效地激发绝缘缺陷产生局部放电，且其起始电压、熄灭电压、局放量等参数与工频电压作用下的局部放电特性具有较好的等价性。2000年以来，国内外已经制订了多种涉及DAC技术的标准用以指导和规范相关技术的研究、设备开发以及工业应用。国内标准涵盖中压振荡波、高压振荡波；国外标准涵盖振荡波现场测试方法。
然而，与DAC技术在配电电缆局部放电检测领域的广泛应用相比，该技术在输电电缆领域近些年只有少量应用，远没有得到应有的认可。最为致命的原因在于：输电电缆测试电压高，在输出DAC电压阶段之前需要一定时间的直流充电阶段，会导致空间电荷积聚，存在测试过程中或投运后损坏绝缘的危险。鉴于此，经过大量业内专家的论证，2021年9月份国际大电网组织(CIGRE)发布的最新输电电缆测试导则CIGRE TB 841《After layingtests on AC and DC cable systems with new technologies》，已经明确地指出：对于220kV及以上超高压(EHV)等级的交联聚乙烯(XLPE)电缆，不推荐使用DAC测试技术，即使是110kV及以下等级的高压(HV)电缆，也必须改造现有的直流单极性充电方式为双极性交替充电方式。此外，CIGRE TB 841也认为DAC技术还存在峰值电压持续时间短、衰减过快的不足，影响了局部放电的发生以及介质损耗因数的准确测量。还有，DAC在过电压作用下周波数偏少，生成PRPD谱图的数据不足，难以可靠挖掘局放类型信息。显然，DAC测试技术在向输电电缆绝缘测试领域拓展的过程中正面临着严峻的困难和挑战，因此，本发明提出短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置及方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置及方法，解决了当前困扰业界的直流振荡波激励下积聚的空间电荷损害电缆绝缘的难题、弥补了峰值持续时间过短的不足。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，包括工频交流电源、低压交流-直流转换单元、电容器单元、直流-交流调频逆变单元、升压变压器单元、电抗器单元、局放耦合及采集单元、电压及电流测量单元以及总控制与主机操作单元，所述工频交流电源通过低压交流-直流转换单元与电容器单元连接，所述电容器单元通过直流-交流调频逆变单元与升压变压器单元连接，所述升压变压器单元通过电抗器单元、局放耦合及采集单元和电压及电流测量单元连接于试品电缆并对试品电缆进行测量，所述总控制与主机操作单元向低压交流-直流转换单元和直流-交流调频逆变单元发送控制信号，并接收来自电容器单元、局放耦合及采集单元和电压及电流测量单元的测量信号。
进一步改进在于：所述低压交流-直流转换单元由变比为300：3000的变压器、耐压为5kV的整流硅堆、阻值为10Ω的保护电阻、常开开关K1和测量输出显示组件组成，所述低压交流-直流转换单元还包括后级电容器单元的放电回路，由常闭开关K2和阻值为1000Ω的放电电阻组成。
进一步改进在于：所述电容器单元采用模块化设计，并根据电缆试品的不同电容容量的选取不同数量的电容模块，单个所述电容模块为金属化膜电容器元件的串并联，单个所述电容模块容值为10mF，额定电压为3kV。
进一步改进在于：所述直流-交流调频逆变单元由4个耐压为3.3kV，通流能力为1200A的IGBT和反向并联的二极管组成的逆变桥构成，所述直流-交流调频逆变单元由总控制与主机操作单元控制。
进一步改进在于：所述升压变压器单元的升压变压器铁芯采用半芯式设计，且电压变比为2100V：10500V，所述电抗器单元采用空芯、模块化设计，单节所述电抗器单元的电抗值为1.3H，耐压不小于70kV，局放量不大于5pC。
进一步改进在于：所述局放耦合及采集单元由高压耦合电容和检测阻抗串联而成，所述高压耦合电容的耐压为200kV，容值为2nF，所述检测阻抗由50Ω的电阻、1nF的电容和一个采用镍芯铁氧体E型磁芯的变压器组成，所述变压器励磁电感为25mH，所述电压及电流测量单元由串联至电路中的电阻R1和变比为10000：1的分压器组成，所述分压器的低压臂连接至高压臂。
短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，所述总控制与主机操作单元由总控制模块和操作主机组成，所述总控制模块包括控制策略软件、数据评估软件、FPGA和DSP控制电路和Wi-Fi组件，所述总控制与主机操作单元完成设备加压的一个完整的短时交流高压激励过程，分为谐振升压阶段、高压保持阶段和振荡波阶段三个阶段，以及低压交流-直流转换单元的控制、检测数据的采集、信号的处理和测量结果，测量结果包括介质损耗因数和局部放电的PRPD谱图，并在操作主机上的显示。
短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的测试方法，包括以下步骤：
S1、确定试品电缆电容量参数：设电抗器单元电感为L，施加方波电压至试品电缆回路，得到响应波形周期为T，则试品电缆电容量为C＝T2/(4·π2·L)；
S2、确定电路响应：根据短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的电路拓扑与元件参数确定系统状态方程，得到状态变量解的表达式，其中状态变量选择电感电流和电容电压，包括试品电缆上的电压uCo(t)，以及电容器单元电压uC(t)；
S3、确定谐振加压时长：设目标电压幅值为U，根据uCo(t)的表达式，得到|uCo(t)|＝U的时刻，取电压在uCo(t)在该周期达到峰值的时刻t0作为加压时长，此时峰值电压为UCom；
S4、确定电容器单元充电电压：控制电容器单元上充电的初始电压UC＝2500·(U/UCom)；
S5、确定高压保持阶段占空比：先重新求解电容电压表达式，引入未知量a表示占空比，得到包括a与t的函数表达式uCo(a，t)，再以目标正弦电压作为参考时间，得到取极值时间t＝T/2，并带入uCo(a，t)，得到极大值表达式为uCo(a)，接着取uCo(a)＝U，求得占空比a，随后将求解得到的a带入，重新求解表达式为uCo(t)，最大值为UCom，然后取误差ε％＝|(U-UCom)|/U·100％，当ε％<0.5％时，占空比即取a，否则再进行迭代求解，其中，参考时间取uCo(t)取极值时的时间，其他过程不变，最终得到满足误差ε％<0.5％要求的占空比a；
S6、加压准备：给定试品电缆后，确定谐振频率f、试品电缆电压幅值U与高压保持周期数n、S1-S4获得的电容器单元充电电压UC以及谐振加压时长t0；
S7、低压直流充电：通过控制策略软件确定电容器单元电压幅值为UC，先打开低压交流-直流转换单元中的常闭开关K2，并合上常开开关K1，再将电容器单元充电至UC，随后断开常开开关K1；
S8、谐振加压阶段：控制策略软件根据给定的频率参数，通过输出不同的控制波在试品电缆与电抗器之间产生快速升压的谐振波形，在谐振加压阶段，完成局部放电起始电压参量的测量；
S9、高压保持阶段：在达到设定的电压后，通过改变S5计算得到的占空比a，使电压保持在设定的电压幅值，保持周期数为n，在高压保持阶段，测量电压电流波形并计算获得介质损耗因数，同时记录发生信息，供生成PRPD谱图；
S10、振荡波阶段：高压在保持n个周期后停止开关的动作，此时试品电缆上产生欠阻尼振荡波，在振荡波阶段，通过局放耦合及采集单元测量局部放电起始电压和局部放电，完成输电电缆线路绝缘一体化综合测试。
进一步改进在于：计算获得介质损耗因数时采用电压及电流测量单元进行测试，并采用总控制与主机操作单元进行测量计算，具体包括以下步骤：
A1、测量电阻R1上的电压uR1，则电流i为uR1/R1，分压器低压侧电压为u；
A2、对采集得到电压u、电流i数据进行滤波与放大后，传输至FPGA进行存储；
A3、所有测量完成后，将FPGA中存储的数据传输至检测主机；
A4、采用加汉宁窗与汉宁窗卷积的双窗FFT对电压电流离散信号进行处理，获得电压电流相位分别为
Figure BDA0003497219890000071
则介质损耗因数
Figure BDA0003497219890000072
进一步改进在于：测量局部放电时采用局放耦合及采集单元进行测试，并采用总控制与主机操作单元进行处理，具体包括以下步骤：
B1、采集测量局部放电信号，包括幅值信息U和相位信息
Figure BDA0003497219890000073
B2、对采集得到的信号进行滤波处理，传输至FPGA进行存储；
B3、所有测量完成后，将FPGA中存储的数据传输至检测主机；
B4、以
Figure BDA0003497219890000081
和U分别为横纵坐标画点，得到PRPD谱图。
本发明的有益效果为：本发明在控制策略软件的控制下，输出频率在20-300Hz范围内、持续时间在0.5-1s范围内、幅值以及次数可调的短时交流高压，有效激发电缆本体中、中间接头中、电缆终端中的绝缘缺陷产生局部放电，同时，控制局部放电耦合及采集单元、电压及电流测量单元，测量并存储这些电气量，进而启动数据评估软件，完成局部放电分析及局放相位分布谱图(PRPD)生成、耐压次数计数、介质损耗计算，使测试装置集耐受电压、局部放电、状态诊断等三种功能于一体，实现了对加压过程中有害的空间电荷的消除，实现了局部放电量、局部放电起始电压以及局部放电熄灭电压等局放参数的准确测量，实现了介质损耗的准确测量，实现了对严重劣化电缆的测试，不仅彻底解决了当前困扰业界的直流振荡波激励下积聚的空间电荷损害电缆绝缘的难题、介质损耗因数精度低的问题、PRPD谱图数据不足的问题，同时又保留了DAC测试装置轻量化、小型化的优点，且进一步减小了制作成本，对于电力电缆相关行业的科研、设备开发以及现场测试都具有重要的学术意义与工业应用价值。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一中测试装置结构示意图；
图2是本发明实施例一中低压交流-直流转换单元的等效电路图；
图3是本发明实施例一中直流-交流调频逆变单元的等效电路图；
图4是本发明实施例一中局放耦合及采集单元的等效电路；
图5是本发明实施例一中电压及电流测量单元的等效电路图；
图6是本发明实施例三中检测到的PRPD图谱；
图7是本发明实施例三中测试时在试品电缆上产生的电压波形示意图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1、图2、图3、图4、图5，本实施例提供了短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，包括工频交流电源、低压交流-直流转换单元、电容器单元、直流-交流调频逆变单元、升压变压器单元、电抗器单元、局放耦合及采集单元、电压及电流测量单元以及总控制与主机操作单元，所述工频交流电源通过低压交流-直流转换单元与电容器单元连接，所述电容器单元通过直流-交流调频逆变单元与升压变压器单元连接，所述升压变压器单元通过电抗器单元、局放耦合及采集单元和电压及电流测量单元连接于试品电缆并对试品电缆进行测量，所述总控制与主机操作单元向低压交流-直流转换单元和直流-交流调频逆变单元发送控制信号，并接收来自电容器单元、局放耦合及采集单元和电压及电流测量单元的测量信号。
所述低压交流-直流转换单元由变比为300：3000的变压器、耐压为5kV的整流硅堆、阻值为10Ω的保护电阻、常开开关K1和测量输出显示组件组成，所述低压交流-直流转换单元还包括后级电容器单元的放电回路，由常闭开关K2和阻值为1000Ω的放电电阻组成。
所述电容器单元采用模块化设计，并根据电缆试品的不同电容容量的选取不同数量的电容模块，单个所述电容模块为金属化膜电容器元件的串并联，单个所述电容模块容值为10mF，额定电压为3kV。
所述直流-交流调频逆变单元由4个耐压为3.3kV，通流能力为1200A的IGBT和反向并联的二极管组成的逆变桥构成，所述直流-交流调频逆变单元由总控制与主机操作单元控制。
所述升压变压器单元的升压变压器铁芯采用半芯式设计，且电压变比为2100V：10500V，所述电抗器单元采用空芯、模块化设计，单节所述电抗器单元的电抗值为1.3H，耐压不小于70kV，局放量不大于5pC。
所述局放耦合及采集单元由高压耦合电容和检测阻抗串联而成，所述高压耦合电容的耐压为200kV，容值为2nF，所述检测阻抗由50Ω的电阻、1nF的电容和一个采用镍芯铁氧体E型磁芯的变压器组成，所述变压器励磁电感为25mH，所述电压及电流测量单元由串联至电路中的电阻R1和变比为10000：1的分压器组成，所述分压器的低压臂C1连接至高压臂C2。
所述总控制与主机操作单元由总控制模块和操作主机组成，所述总控制模块包括控制策略软件、数据评估软件、FPGA和DSP控制电路和Wi-Fi组件，所述总控制与主机操作单元完成设备加压的一个完整的短时交流高压激励过程，分为谐振升压阶段(0.1-0.3秒)、高压保持阶段(0.3-0.4秒)和振荡波阶段(0.1-0.3秒)三个阶段，以及低压交流-直流转换单元的控制、检测数据的采集、信号的处理和测量结果，测量结果包括介质损耗因数和局部放电的PRPD谱图，并在操作主机上的显示。
实施例二
本实施例提供了短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的测试方法，包括以下步骤：
S1、确定试品电缆电容量参数：设电抗器单元电感为L，施加方波电压至试品电缆回路，得到响应波形周期为T，则试品电缆电容量为C＝T2/(4·π2·L)；
S2、确定电路响应：根据短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的电路拓扑与元件参数确定系统状态方程，得到状态变量解的表达式，其中状态变量选择电感电流和电容电压，包括试品电缆上的电压uCo(t)，以及电容器单元电压uC(t)；
S3、确定谐振加压时长：设目标电压幅值为U，根据uCo(t)的表达式，得到|uCo(t)|＝U的时刻，取电压在uCo(t)在该周期达到峰值的时刻t0作为加压时长，此时峰值电压为UCom；
S4、确定电容器单元充电电压：控制电容器单元上充电的初始电压UC＝2500·(U/UCom)；
S5、确定高压保持阶段占空比：先重新求解电容电压表达式，引入未知量a表示占空比，得到包括a与t的函数表达式uCo(a，t)，再以目标正弦电压作为参考时间，得到取极值时间t＝T/2，并带入uCo(a，t)，得到极大值表达式为uCo(a)，接着取uCo(a)＝U，求得占空比a，随后将求解得到的a带入，重新求解表达式为uCo(t)，最大值为UCom，然后取误差ε％＝|(U-UCom)|/U·100％，当ε％<0.5％时，占空比即取a，否则再进行迭代求解，其中，参考时间取uCo(t)取极值时的时间，其他过程不变，最终得到满足误差ε％<0.5％要求的占空比a；
S6、加压准备：给定试品电缆后，确定谐振频率f、试品电缆电压幅值U与高压保持周期数n、S1-S4获得的电容器单元充电电压UC以及谐振加压时长t0；
S7、低压直流充电：通过控制策略软件确定电容器单元电压幅值为UC，先打开低压交流-直流转换单元中的常闭开关K2，并合上常开开关K1，再将电容器单元充电至UC，随后断开常开开关K1；
S8、谐振加压阶段：控制策略软件根据给定的频率参数，通过输出不同的控制波在试品电缆与电抗器之间产生快速升压的谐振波形，如图3所示Q1和Q4，Q2和Q3两组IGBT交替导通，此阶段持续时间由控制策略软件确定为t0,在谐振加压阶段，完成局部放电起始电压参量的测量；
S9、高压保持阶段：在达到设定的电压后，通过改变S5计算得到的占空比a，使电压保持在设定的电压幅值，保持周期数为n，在高压保持阶段，测量电压电流波形并计算获得介质损耗因数，同时记录发生信息，供生成PRPD谱图；
计算获得介质损耗因数时采用电压及电流测量单元进行测试，并采用总控制与主机操作单元进行测量计算，具体包括以下步骤：
A1、测量电阻R1上的电压uR1，则电流i为uR1/R1，分压器低压侧电压为u；
A2、对采集得到电压u、电流i数据进行滤波与放大后，传输至FPGA进行存储；
A3、所有测量完成后，将FPGA中存储的数据传输至检测主机；
A4、采用加汉宁窗与汉宁窗卷积的双窗FFT对电压电流离散信号进行处理，获得电压电流相位分别为
Figure BDA0003497219890000131
则介质损耗因数
Figure BDA0003497219890000132
S10、振荡波阶段：高压在保持n个周期后如图3所示Q3、Q4同时导通,并停止开关的动作，此时试品电缆上产生欠阻尼振荡波(DAC)，在振荡波阶段，通过局放耦合及采集单元测量局部放电起始电压和局部放电，完成输电电缆线路绝缘一体化综合测试；
测量局部放电时采用局放耦合及采集单元进行测试，并采用总控制与主机操作单元进行处理，具体包括以下步骤：
B1、采集测量局部放电信号，包括幅值信息U和相位信息
Figure BDA0003497219890000133
B2、对采集得到的信号进行滤波处理，传输至FPGA进行存储；
B3、所有测量完成后，将FPGA中存储的数据传输至检测主机；
B4、以
Figure BDA0003497219890000141
和U分别为横纵坐标画点，得到PRPD谱图。
该一体化综合测试装置，在控制策略软件的控制下，输出频率在20-300Hz范围内、整体持续时间在0.5-1s范围内、幅值以及施加次数可调的短时交流高压(STAC)与短时交流电流，有效激发电缆本体中、中间接头中、电缆终端中的绝缘缺陷产生局部放电，同时控制局部放电耦合及采集单元、电压及电流测量单元，测量并存储这些电气量，进而启动数据评估软件，完成局部放电分析及局放相位分布谱图(PRPD)生成、耐压次数计数、介质损耗因数计算。
实施例三
本实施例提供了短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的使用步骤，步骤如下：
步骤1：给试品电缆施加方波电压激励，得到试品电缆上的电压周期为T，计算得到电缆电容量为C，总控制与主机操作单元根据算法给出谐振充电时间t0与电容器单元上充电电压UC；
步骤2：通过总控制与主机操作单元给出充电指令，低压交流-直流转换单元工作，低压交流-直流转换单元中开关K1导通，电容器单元充电，充电电压由总控制与主机操作单元根据不同的试品参数来确定，当电压充至预设电压UC后，开关K1关断，完成充电过程；
步骤3：给定高压保持阶段的周期数n与试品上的目标电压幅值U，由总控制与主机操作单元根据试品参数给出直流-交流调频逆变单元控制信号，逆变桥两桥臂(Q1、Q4和Q2、Q3)以谐振周期f交替导通，将直流电压逆变为交流，试品上的电压谐振上升，快速加压至电缆试验最大U；
步骤4：通过调整直流-交流调频逆变单元控制信号占空比，进入高压保持阶段，并维持n周期。在高压保持阶段测量电压电流，并传输至FPGA存储；
步骤5：导通直流-交流调频逆变单元中的两下桥臂，在被试电缆或其他试品上获得欠阻尼振荡波，并在该阶段进行通过局放耦合及采集单元完成局部放电测量，并传输至FPGA存储；
加压过程中，试品上的电压波形如图7所示，根据加压方式的不同分整个短时交流高压激励过程为谐振升压阶段、高压保持阶段、振荡波阶段，其中，在高压保持阶段进行电压电流测量与数据存储，以便完成介质损耗因数计算，在振荡波阶段进行局部放电测量与数据存储，图7中，以目前业界对110kV电缆测试为例，最高测试电压施加到180kV；
步骤6：接收测量数据至操作主机上的数据评估软件，显示电压电流波形，完成介质损耗因数的计算，绘制局放波形与PRPD谱图，如图6所示，显示电压保持时间与周期数，测量结束。
本发明的测试装置在所制定的控制策略的总体指挥下，应用所提出的数据分析和评估方法，根据电缆电容量的大小，能够输出频率在20-300Hz范围内、持续时间在0.5-1s范围内、幅值可调、次数可调的短时交流高压，如图7所示：每次施加一个完整的短时交流高压过程中，(1)在谐振升压阶段，这一阶段持续时间在0.1-0.3s范围内。如果电缆线路中存在缺陷，并激发出局部放电，可以确定局部放电的起始电压；(2)在高压保持阶段，这一阶段持续时间在0.3-0.4s范围内，电压呈现等幅振荡特征，可以开展高灵敏度、低误差的介质损耗角正切的测试；(3)在振荡波阶段，这一阶段持续时间在0.1-0.3s范围内，电压呈现幅值衰减振荡特征，由于所有电子开关处于关闭状态，电力电子脉冲干扰彻底消除，可以开展高灵敏度的局部放电的测试；此外，通过施加多次短时交流高压，可以开展耐压能力的测试，具体施加次数可以参照IEEE Std 400.4-2015，实现了集成了耐压、局放、诊断三种功能于一体的绝缘状态综合测试；
装置工作过程中避免了对输电电缆的直流充电过程，施加在电缆上的电压是始终纯粹的交流电压，彻底解决了当前直流振荡波(DAC)所面临的空间电荷积聚的难题，为当前输电电缆的DAC测试技术的研究、测试设备开发及应用开辟了一条新的路线，实现了对加压过程中有害的空间电荷的消除；
测试装置在每次一个完整的加压过程中，在振荡波阶段之前也存在谐振升压阶段、高压保持阶段，更有益于充分地激发局部放电的发生，从而提升局部放电量、局部放电起始电压以及熄灭电压等局放参数测量的准确度，实现了局部放电量、局部放电起始电压以及局部放电熄灭电压等局放参数的准确测量；
测试装置在每次一个完整的加压过程中，在振荡波阶段之前也存在一定的高压保持阶段，在这个高压等幅振荡阶段开展介质损耗因数测量，所得的量更符合介质损耗的物理定义，解决了现在DAC阶段介质损耗因数测量精度低、物理含义不明确的问题，实现了介质损耗的准确测量；
由于严重劣化的电缆，绝缘电阻低，泄漏电流大，当前直流充电型DAC技术会面临直流充电持续时间过长，甚至无法充电至预设测试电压的问题，而本发明测试装置，很轻松地彻底解决了这个问题，实现了对严重劣化电缆的测试；
测试装置避免了大量电力电子器件的应用，大幅减小了测试装置的制作成本，一台5kVA或10kVA的小型发电机即可满足测试需求，测试设备具有低成本、轻量化、小型化、模块化、对现场电源容量需求小等一系列优点，具有经济性和易用性；
可以应用于电力电容器、气体绝缘组合电器(GIS)、气体输电管道(GIL)等大容量容性设备的绝缘测试中，为这些电力设备绝缘性能的现场测试提供了一种新手段，具有多种用途。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，其特征在于：包括工频交流电源、低压交流-直流转换单元、电容器单元、直流-交流调频逆变单元、升压变压器单元、电抗器单元、局放耦合及采集单元、电压及电流测量单元以及总控制与主机操作单元，所述工频交流电源通过低压交流-直流转换单元与电容器单元连接，所述电容器单元通过直流-交流调频逆变单元与升压变压器单元连接，所述升压变压器单元通过电抗器单元、局放耦合及采集单元和电压及电流测量单元连接于试品电缆并对试品电缆进行测量，所述总控制与主机操作单元向低压交流-直流转换单元和直流-交流调频逆变单元发送控制信号，并接收来自电容器单元、局放耦合及采集单元和电压及电流测量单元的测量信号。
2.根据权利要求1所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，其特征在于：所述低压交流-直流转换单元由变比为300：3000的变压器、耐压为5kV的整流硅堆、阻值为10Ω的保护电阻、常开开关K1和测量输出显示组件组成，所述低压交流-直流转换单元还包括后级电容器单元的放电回路，由常闭开关K2和阻值为1000Ω的放电电阻组成。
3.根据权利要求1所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，其特征在于：所述电容器单元采用模块化设计，并根据电缆试品的不同电容容量的选取不同数量的电容模块，单个所述电容模块为金属化膜电容器元件的串并联，单个所述电容模块容值为10mF，额定电压为3kV。
4.根据权利要求1所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，其特征在于：所述直流-交流调频逆变单元由4个耐压为3.3kV，通流能力为1200A的IGBT和反向并联的二极管组成的逆变桥构成，所述直流-交流调频逆变单元由总控制与主机操作单元控制。
5.根据权利要求1所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，其特征在于：所述升压变压器单元的升压变压器铁芯采用半芯式设计，且电压变比为2100V：10500V，所述电抗器单元采用空芯、模块化设计，单节所述电抗器单元的电抗值为1.3H，耐压不小于70kV，局放量不大于5pC。
6.根据权利要求1所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，其特征在于：所述局放耦合及采集单元由高压耦合电容和检测阻抗串联而成，所述高压耦合电容的耐压为200kV，容值为2nF，所述检测阻抗由50Ω的电阻、1nF的电容和一个采用镍芯铁氧体E型磁芯的变压器组成，所述变压器励磁电感为25mH，所述电压及电流测量单元由串联至电路中的电阻R1和变比为10000：1的分压器组成，所述分压器的低压臂连接至高压臂。
7.根据权利要求1所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置，其特征在于：所述总控制与主机操作单元由总控制模块和操作主机组成，所述总控制模块包括控制策略软件、数据评估软件、FPGA和DSP控制电路和Wi-Fi组件，所述总控制与主机操作单元完成设备加压的一个完整的短时交流高压激励过程，分为谐振升压阶段、高压保持阶段和振荡波阶段三个阶段，以及低压交流-直流转换单元的控制、检测数据的采集、信号的处理和测量结果，测量结果包括介质损耗因数和局部放电的PRPD谱图，并在操作主机上的显示。
8.短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定试品电缆电容量参数：设电抗器单元电感为L，施加方波电压至试品电缆回路，得到响应波形周期为T，则试品电缆电容量为C＝T2/(4·π2·L)；
S2、确定电路响应：根据短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的电路拓扑与元件参数确定系统状态方程，得到状态变量解的表达式，其中状态变量选择电感电流和电容电压，包括试品电缆上的电压uCo(t)，以及电容器单元电压uC(t)；
S3、确定谐振加压时长：设目标电压幅值为U，根据uCo(t)的表达式，得到|uCo(t)|＝U的时刻，取电压在uCo(t)在该周期达到峰值的时刻t0作为加压时长，此时峰值电压为UCom；
S4、确定电容器单元充电电压：控制电容器单元上充电的初始电压UC＝2500·(U/UCom)；
S5、确定高压保持阶段占空比：先重新求解电容电压表达式，引入未知量a表示占空比，得到包括a与t的函数表达式uCo(a，t)，再以目标正弦电压作为参考时间，得到取极值时间t＝T/2，并带入uCo(a，t)，得到极大值表达式为uCo(a)，接着取uCo(a)＝U，求得占空比a，随后将求解得到的a带入，重新求解表达式为uCo(t)，最大值为UCom，然后取误差ε％＝|(U-UCom)|/U·100％，当ε％<0.5％时，占空比即取a，否则再进行迭代求解，其中，参考时间取uCo(t)取极值时的时间，其他过程不变，最终得到满足误差ε％<0.5％要求的占空比a；
S6、加压准备：给定试品电缆后，确定谐振频率f、试品电缆电压幅值U与高压保持周期数n、S1-S4获得的电容器单元充电电压UC以及谐振加压时长t0；
S7、低压直流充电：通过控制策略软件确定电容器单元电压幅值为UC，先打开低压交流-直流转换单元中的常闭开关K2，并合上常开开关K1，再将电容器单元充电至UC，随后断开常开开关K1；
S8、谐振加压阶段：控制策略软件根据给定的频率参数，通过输出不同的控制波在试品电缆与电抗器之间产生快速升压的谐振波形，在谐振加压阶段，完成局部放电起始电压参量的测量；
S9、高压保持阶段：在达到设定的电压后，通过改变S5计算得到的占空比a，使电压保持在设定的电压幅值，保持周期数为n，在高压保持阶段，测量电压电流波形并计算获得介质损耗因数，同时记录发生信息，供生成PRPD谱图；
S10、振荡波阶段：高压在保持n个周期后停止开关的动作，此时试品电缆上产生欠阻尼振荡波，在振荡波阶段，通过局放耦合及采集单元测量局部放电起始电压和局部放电，完成输电电缆线路绝缘一体化综合测试。
9.根据权利要求8所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的测试方法，其特征在于：计算获得介质损耗因数时采用电压及电流测量单元进行测试，并采用总控制与主机操作单元进行测量计算，具体包括以下步骤：
A1、测量电阻R1上的电压uR1，则电流i为uR1/R1，分压器低压侧电压为u；
A2、对采集得到电压u、电流i数据进行滤波与放大后，传输至FPGA进行存储；
A3、所有测量完成后，将FPGA中存储的数据传输至检测主机；
A4、采用加汉宁窗与汉宁窗卷积的双窗FFT对电压电流离散信号进行处理，获得电压电流相位分别为
Figure FDA0003497219880000051
则介质损耗因数
Figure FDA0003497219880000052
10.根据权利要求8所述的短时交流输电电缆线路绝缘一体化综合测试装置的测试方法，其特征在于：测量局部放电时采用局放耦合及采集单元进行测试，并采用总控制与主机操作单元进行处理，具体包括以下步骤：
B1、采集测量局部放电信号，包括幅值信息U和相位信息
Figure FDA0003497219880000053
B2、对采集得到的信号进行滤波处理，传输至FPGA进行存储；
B3、所有测量完成后，将FPGA中存储的数据传输至检测主机；
B4、以
Figure FDA0003497219880000054
和U分别为横纵坐标画点，得到PRPD谱图。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115825661A (zh) * 2023-01-06 2023-03-21 江苏安世朗智能科技有限公司 一种对地绝缘线的检测装置及系统
CN116381347A (zh) * 2022-12-05 2023-07-04 哈尔滨理工大学 基于峰值特性的大截面电缆导体交流等效电阻获取方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116381347A (zh) * 2022-12-05 2023-07-04 哈尔滨理工大学 基于峰值特性的大截面电缆导体交流等效电阻获取方法
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