CN115047302A - 基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统及方法 - Google Patents

基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统及方法，该系统由变频单元、半铁芯变压器、空芯变压器、局部放电测量单元、脉冲提取单元等构成；半铁芯变压器和空芯变压器一次侧绕组串联后与变频单元的输出端相连；半铁芯变压器二次侧绕组一端接地，另一端与试品电缆相连，电压测量单元和局部放电测量单元并联在试品电缆的线芯和接地之间；空芯变压器的二次侧绕组与脉冲提取单元相连。本发明可实现在电缆串联谐振耐压试验的同时开展高灵敏度局部放电检测，显著提升了电缆离线检测试验的工作效率。

Description

基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统及方法
技术领域
本发明属于电缆绝缘检测技术领域，涉及一种基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统及方法。
背景技术
电缆安全稳定运行对于提高城市电网的供电可靠性至关重要。然而，由于生产工艺、施工质量、运行环境等因素的影响，电缆及其附件在整个生命周期内均可能产生绝缘缺陷，进而导致电网事故，因此电缆缺陷检测和排查是保障城市电网安全稳定运行的前提。
调频式串联谐振系统凭借其便携性好、经济性优异、工频等效性高等特点，已被广泛应用于电缆现场耐压试验中。然而随着应用案例的逐渐积累，发现部分存在非贯穿性缺陷的输电电缆在耐压试验过程中并不会出现击穿现象，而在运行一段时间后出现故障，因此，在开展耐压试验的同时对这类非贯穿性缺陷开展检测势在必行。
局部放电作为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缆非贯穿性缺陷的典型方法。然而传统的调频式串联谐振系统中存在变频单元，变频单元工作时其内部的半导体开关器件动作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，难以采用常见的数字滤波手段滤除干扰脉冲。部分厂家和学者试着通过外置传感器或滤波电路提取变频电源的干扰脉冲，但由于外置传感器和滤波电路均会导致干扰脉冲的畸变，无法检测出干扰脉冲的原始波形，因此只能采用时域开窗法——即将抛弃检测到干扰脉冲时间段的所有数据，这种做法确实可以避免将干扰脉冲误判为局部放电脉冲，但当局部放电脉冲与干扰脉冲在统一时间段时，也会抛弃有效的局部放电脉冲，影响局部放电检测。
CN201910832574公开了一种电缆变频串联谐振下局部放电测试平台，该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，高频电流检测流电缆接地线上的脉冲信号作为主信号，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。这种方法只能提取具有明显差异的局部放电脉冲信号，无法适用于干扰脉冲与局部放电脉冲的特性较为相似时的脉冲信号提取。
CN113009299 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，利用一种铁芯三绕组变压器单元和滤波降噪手段提取脉冲干扰，但由于其原信号中类工频电压幅值远高于脉冲干扰电压幅值，利用滤波降噪手段提取的脉冲干扰信号与原信号存在一定偏差，只能抛弃与干扰脉冲在同一时间段内的所有数据，无法分离开与干扰脉冲重合在一起的局放脉冲。该专利利用等脉宽调制控制方法，使一个正弦电压周期内每个开关状态只变化两次，即每个周期内只产生2个脉冲干扰，以此减少干扰脉冲数量，因此并不适用于现在广泛应用的正弦脉宽调制技术（SPWM）。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述现有技术的不足，提供一种基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统及方法，它利用空芯变压器和半铁芯变压器对不同频率的电压传输特性上的差异，实现了对高频和类工频电压的分离，提取出干扰噪声脉冲，实现同时间段内干扰和局部放电混合脉冲的信号分离，显著提升了局部放电检测的灵敏度。
本发明的技术方案是，基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，由整流单元、变频单元、半铁芯变压器、空芯变压器、电压测量单元、局部放电测量单元、脉冲提取单元以及主机系统构成；整流单元由外部电源供电，整流单元的输出端与变频单元的输入端相连；半铁芯变压器和空芯变压器一次侧绕组串联后与变频单元的输出端相连；半铁芯变压器二次侧绕组一端接地，另一端与试品电缆相连，电压测量单元和局部放电测量单元并联在试品电缆的线芯和接地之间；空芯变压器的二次侧绕组与脉冲提取单元相连；变频单元由主机系统控制，脉冲提取单元、电压测量单元和局部放电测量单元所测量到的数据均上传至主机系统进行计算处理。本发明所述局部放电测量单元是用于测量局部放电信号的测量装置。
更具体地，所述整流单元将交流电压转换为直流电压。
更具体地，所述变频单元将直流电压转换为频率为f的正弦电压，使半铁芯变压器二次侧和试品电缆处于谐振状态。
更具体地，所述半铁芯变压器的铁芯材料的工作频率大于300Hz但小于1000Hz，且在频率为30Hz-300Hz范围内时铁芯材料相对磁导率大于8000；当频率大于100kHz时铁芯材料相对磁导率小于10。
更具体地，所述空芯变压器与半铁芯变压器的绕组结构完全相同，但没有铁芯部分。
更具体地，电压测量单元在有效值为128kV的正弦电压作用下局部放电量小于5pC。所述局部放电测量单元由耦合电容和检测阻抗串联而成，在有效值为128kV的正弦电压作用下局部放电量小于5pC。
更具体地，所述脉冲提取单元的电路结构与局部放电测量单元基本相同，电气参数取值也与局部放电测量单元一致，但没有耐压和局部放电量要求。
更具体地，半铁芯变压器包括铁芯、一次侧绕组、二次侧绕组，铁芯、一次侧绕组、二次侧绕组由内而外依次设置，铁芯为条状，铁芯磁路不封闭，铁芯高度与一次侧绕组高度相等，二次侧绕组高度为一次侧绕组高度的两倍。
本发明还提供基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测方法，对无局部放电的试品电缆进行加压测试，对比测试过程中同一个时间段内局部放电测量单元和脉冲提取单元的测量数据，记录局部放电测量单元记录数据所有脉冲最大幅值的平均值为V 1，记录脉冲提取单元记录数据所有脉冲最大幅值的平均值为V 2，比例校正系数k=V 1/V 2；在主机系统中设置目标试验电压和目标试验时长；设置变频单元输出正弦电压，实时观测试品电缆上的电压值，寻找整个频率变化过程中试品电缆电压的最大值及其所对应的频率，该频率即为谐振频率；保持变频单元输出正弦电压频率为谐振频率，逐渐提升正弦电压幅值试品电缆上的电压也随之升高，直至电缆电压达到目标试验电压，保持变频单元输出状态不再变化；利用局部放电测量单元和脉冲提取单元实时测量数据，利用数字滤波器将脉冲提取单元测量的测量数据滤除干扰后，将滤波后数据乘以比例校正系数k，局部放电测量单元的测量数据与处理后的脉冲干扰数据进行差分计算，实现干扰脉冲与局部放电脉冲的信号分离，获取局部放电数据并输出。
本发明在传统的调频式串联谐振系统中增加空芯变压器和脉冲提取单元，空芯变压器一次绕组与半铁芯变压器一次绕组串联，在30Hz-300Hz的类工频范围内，半铁芯变压器的励磁阻抗远大于空芯变压器，而当频率高于100kHz时，铁芯材料相对磁导率极低，半铁芯变压器与空芯变压器特性基本一致，因此类工频电压几乎全部分在半铁芯变压器一次侧，而分在半铁芯变压器和空心变压器一次侧的脉冲电压信号则基本一致，由此可以提取出脉冲干扰信号，对脉冲干扰信号进行校正、滤波处理，再将局部放电测量单元的测量数据与脉冲干扰信号进行差模运算，则可获取较为纯净的局部放电信号。
本发明的有益效果是，通过本串联谐振局部放电检测系统，可以在进行电缆耐压试验的同时开展高灵敏度、低噪声局部放电检测，不仅可以全面可靠的评估电缆绝缘状态，还可以提升电缆离线检测试验工作效率，具有广阔的应用前景。
本发明适用于电缆离线局部放电检测试验和耐压试验。
附图说明
图1为本发明的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统结构示意图。
图2为半铁芯变压器的横截面示意图。
图3为试品电缆上的电压波形。
图4为局部放电测量单元测量数据曲线图。
图5为处理后的脉冲干扰数据曲线图。
图6为处理后的局部放电数据曲线图。
图中：100-整流单元、200-变频单元、300-半铁芯变压器、400-空芯变压器、500-主机系统600-电压测量单元、700脉冲提取单元、800-局部放电测量单元、900-试品电缆、301-铁芯、302-一次侧绕组、303-二次侧绕组。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细阐明本发明。
参照图1，基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统由整流单元100、变频单元200、半铁芯变压器300、空芯变压器400、电压测量单元600、局部放电测量单元800、脉冲提取单元700以及主机系统500构成；整流单元100由外部电源供电，整流单元100的输出端与变频单元200的输入端相连；半铁芯变压器300和空芯变压器400一次侧绕组串联后与变频单元200的输出端相连；半铁芯变压器300二次侧绕组一端接地，另一端与试品电缆900相连，电压测量单元600和局部放电测量单元800并联在试品电缆900的线芯和接地之间；空芯变压器400的二次侧绕组与脉冲提取单元700相连；变频单元200由主机系统500控制，脉冲提取单元700、电压测量单元600和局部放电测量单元800所测量到的数据均上传至主机系统500进行计算处理。
半铁芯变压器300的结构如图2所示，由内而外依次是铁芯301、一次侧绕组302、二次侧绕组303，铁芯301为条状，其磁路不封闭，铁芯301高度与一次侧绕组302高度相等，二次侧绕组303高度为一次侧绕组302高度的两倍。
本实施例中，整流单元100将交流电压转换为直流电压。变频单元200将直流电压转换为的正弦电压，使半铁芯变压器的二次侧绕组和试品电缆处于谐振状态。本实施例中，半铁芯变压器300的铁芯材料的工作频率大于300Hz但小于1000Hz，在频率为30Hz-300Hz范围内时铁芯材料相对磁导率大于8000；当频率大于100kHz时铁芯材料相对磁导率小于10。
本实施例中，空芯变压器400的变比与半铁芯变压器300的绕组结构完全相同，但没有铁芯部分。
本实施例中，电压测量单元在有效值为128kV的正弦电压作用下局部放电量小于5pC。局部放电测量单元800由耦合电容和检测阻抗串联而成，在有效值为128kV的正弦电压作用下局部放电量小于5pC。
本实施例中，脉冲提取单元700的电路结构与局部放电测量单元800基本相同（等效电路完全相同，电路中器件的参数（电容值、电阻值、电感值等）完全一致，但由于耐压和局部放电量要求不一样，所以结构上存在一定的差别，比如缺少均压罩，比如电容的容值一样，但耐压值不一样，所以电容的体积、重量也有差别），电气参数取值也与局部放电测量单元800一致，但没有耐压和局部放电量要求。
本实施例中，主机系统500接收局部放电测量单元800和脉冲提取单元700上传的数据，利用信号分离法对局部放电数据进行处理，获取较为纯净的局部放电信号。
基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统的试验过程主要分为以下几个步骤：
1、确定比例校正系数
在试验前，利用该系统对无局部放电的试品电缆900进行加压测试，对比测试过程中同一个时间段50ms内局部放电测量单元800和脉冲提取单元700的测量数据，记录局部放电测量单元800记录数据所有脉冲最大幅值的平均值为V 1，记录脉冲提取单元700记录数据所有脉冲最大幅值的平均值为V 2，比例校正系数k=V 1/V 2；
2、设置试验电压与试验时长
在主机系统500中设置目标试验电压和目标试验时长，对于运行时间不超过3年电缆线路，建议设置试验电压为2倍的电缆额定电压，设置试验时长为60min；对于运行时间在3年以上电缆线路，建议设置试验电压为1.6倍的电缆额定电压，设置试验时长为60min；
3、确定谐振频率
设置变频单元200输出正弦电压的有效值为30V保持不变，正弦波的频率从30Hz逐渐增大至300Hz，实时观测试品电缆上的电压值，寻找整个频率变化过程中试品电缆电压的最大值及其所对应的频率，该频率即为谐振频率f；
4、提升试验电压
保持变频单元200输出正弦电压频率为谐振频率f，逐渐提升正弦电压幅值，试品电缆上的电压也随之升高，直至电缆电压达到目标试验电压，保持变频单元200输出状态不再变化，此时试品电缆上的电压如图3所示；
5、局部放电测量与数据处理
在试验过程中利用局部放电测量单元800和脉冲提取单元700实时测量电压数据，利用数字滤波器将脉冲提取单元700测量的数据滤除1000Hz以内的工频干扰后，将滤波后数据乘以比例校正系数k，局部放电测量单元800的测量数据与处理后的脉冲干扰数据进行差分计算，从而滤除混淆在局部放电信号的脉冲干扰信号，获取较为纯净的局部放电数据并输出。半铁芯变压器两个变压器一次侧串联分压，但对于类工频电压，由于铁芯和空芯存在较大的差别，所以半铁芯变压器一次侧的类工频电压远大于空芯变压器一次侧的类工频电压；而对于干扰脉冲而言，铁芯与空芯所表现的性质基本相同，所以二者分得的高频电压也较为相近；局部放电测量单元测量到的测量数据如图4所示，其中包括被试电缆在试验过程中的局部放电信号和变频单元所产生的干扰脉冲信号，两者混淆在一起，并不能直接分离开；利用空心变压器和脉冲提取单元可以测量到变频单元的脉冲干扰信号，再对脉冲干扰信号进行滤波、校正后所得的波形如图5所示；将图4和图5所示的数据进行差分计算，即可消去图4波形中的脉冲干扰信号，实现干扰脉冲与局部放电脉冲的信号分离，获取纯净的局部放电数据如图6所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：由整流单元、变频单元、半铁芯变压器、空芯变压器、电压测量单元、局部放电测量单元、脉冲提取单元以及主机系统构成；整流单元由外部电源供电，整流单元的输出端与变频单元的输入端相连；半铁芯变压器和空芯变压器一次侧绕组串联后与变频单元的输出端相连；半铁芯变压器二次侧绕组一端接地，另一端与试品电缆相连，电压测量单元和局部放电测量单元并联在试品电缆的线芯和接地之间；空芯变压器的二次侧绕组与脉冲提取单元相连；变频单元由主机系统控制，脉冲提取单元、电压测量单元和局部放电测量单元所测量到的数据均上传至主机系统进行计算处理。
2.根据权利要求1所述的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：所述整流单元将交流电压转换为直流电压。
3.根据权利要求1所述的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：所述变频单元将直流电压转换为频率为f的正弦电压，使半铁芯变压器的二次侧和试品电缆处于谐振状态。
4.根据权利要求1所述的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：所述半铁芯变压器包括铁芯、一次侧绕组、二次侧绕组，铁芯、一次侧绕组、二次侧绕组由内而外依次设置，铁芯为条状，铁芯磁路不封闭，铁芯高度与一次侧绕组高度相等，二次侧绕组高度为一次侧绕组高度的两倍。
5.根据权利要求4所述的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：所述半铁芯变压器的铁芯材料的工作频率大于300Hz但小于1000Hz，且在频率为30Hz-300Hz范围内时铁芯材料相对磁导率大于8000；当频率大于100kHz时铁芯材料相对磁导率小于10。
6.根据权利要求1所述的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：所述空芯变压器与半铁芯变压器的绕组结构完全相同，但没有铁芯部分。
7.根据权利要求1所述的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：电压测量单元在有效值为128kV的正弦电压作用下局部放电量小于5pC。
8.根据权利要求1所述的基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测系统，其特征是：所述局部放电测量单元由耦合电容和检测阻抗串联而成，在有效值为128kV的正弦电压作用下局部放电量小于5pC。
9.一种基于双变压器的电缆串联谐振局部放电检测方法，其特征是：利用权利要求1所述系统对无局部放电的试品电缆进行加压测试，对比测试过程中同一个时间段内局部放电测量单元和脉冲提取单元的测量数据，记录局部放电测量单元记录数据所有脉冲最大幅值的平均值为V 1，记录脉冲提取单元记录数据所有脉冲最大幅值的平均值为V 2，比例校正系数k=V 1/V 2；在主机系统中设置目标试验电压和目标试验时长；设置变频单元输出正弦电压，实时观测试品电缆上的电压值，寻找整个频率变化过程中试品电缆电压的最大值及其所对应的频率，该频率即为谐振频率；保持变频单元输出正弦电压频率为谐振频率，逐渐提升正弦电压幅值，试品电缆上的电压也随之升高，直至电缆电压达到目标试验电压，保持变频单元输出状态不再变化；利用局部放电测量单元和脉冲提取单元实时测量数据，利用数字滤波器将脉冲提取单元测量的测量数据滤除干扰后，将滤波后数据乘以比例校正系数k，局部放电测量单元的测量数据与处理后的脉冲干扰数据进行差分计算，实现干扰脉冲与局部放电脉冲的信号分离，获取局部放电数据并输出。
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