CN115808603A - 一种高压电缆耐压试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压电缆耐压试验系统及方法，涉及高压电缆检测技术领域，所述系统包括：高压直流电源、输入端与高压直流电源相连输出端与被测电缆相连的充放电模块、与被测电缆相连的电压电流测量模块和与电压电流测量模块相连的控制单元；还包括输入端与高压直流电源相连、输出端与充放电模块相连的电压补偿模块，充放电模块和电压补偿模块在控制单元作用下，输出正负幅值相等的超低频电压信号至被测电缆；如果流过被测电缆的电流超过了设定的击穿阈值，则认为被测电缆击穿。本发明正负幅值相等的超低频电压信号，解决了现有技术因存在衰减使输出的超低频电压信号负半周幅值小于正半周幅值的问题。

Description

一种高压电缆耐压试验系统及方法

技术领域

本发明属于高压电缆检测技术领域，具体涉及一种高压电缆耐压试验系统及方法。

背景技术

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对电能的依赖越来越大，电能已成为人类必不可少的一种能源形式。把电能从发电厂输送到城市、农村及工厂，实现农业、工业、服务业的电气化，输电线路是不可或缺的。根据结构传输线路可分为架空传输线路和地下传输线路。 前者由电线、线杆和绝缘子等组成，并竖立在地面上；后者主要采用电缆，敷设在地下或水下。与架空线相比，电缆的优点有：线路之间的绝缘距离小、占地面积小、电缆的地下铺设不占地面空间；它不受周围环境的影响，具有较高的动力传输可靠性；地下铺设电缆对人们安全可靠，不暴露目标，适合作战准备。随着工业的发展，对供电可靠性越来越高。电缆凭借较高的供电可靠性，在整个传输线路中所占的比重越来越大。在各种电力电缆中，交联聚乙烯（XLPE）电力电缆兼具辅助设备少、安装限制少和更加优良的电气机械性能等优点，占据城市输配电系统中的主体地位。但是交联聚乙烯电力电缆也存在着耐放电性能较差的不足，在长期的工作电压下不断老化，最终将会导致绝缘击穿，严重影响输配电系统的可靠性。交联聚乙烯电力电缆能否在现场安全可靠地运行，必须经过严格的绝缘试验进行验证，其中耐压试验是电力电缆绝缘试验的重要环节。

电缆耐压试验主要分为直流耐压试验、工频耐压试验和超低频耐压试验。每种试验方法都各具有其优缺点，但每种试验方法的关键都是必须具有一个高质量的高压电源，能够输出一个理想的试验电压波形至被测电缆。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高压电缆耐压试验系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明提供一种高压电缆耐压试验系统，包括：以市电为初始电源的高压直流电源、输入端与高压直流电源相连输出端与被测电缆相连的充放电模块、与被测电缆相连的电压电流测量模块和与电压电流测量模块相连的控制单元；还包括输入端与高压直流电源相连、输出端与充放电模块相连的电压补偿模块，充放电模块和电压补偿模块在控制单元作用下，输出正负幅值相等的超低频电压信号至被测电缆；高压直流电源在控制单元作用下输出逐步升高的直流电压，如果流过被测电缆的电流超过了设定的击穿阈值，则认为被测电缆击穿。

进一步地，所述高压直流电源包括依次相连的整流电路、高频逆变器、升压变压器和整流硅堆，所述逆变器的输出频率大于10MHz。

更进一步地，所述充放电模块包括：电感L，电容C，二极管D1、D2，电阻R1、R2，控制端与控制单元相连的电子开关K1、K2、K3、K4；K4与R2串联后并接在高压直流电源输出端与地之间；K4与高压直流电源输出端的连接点还与R1的一端相连，R1的另一端与K1的一端相连，K1的另一端与C相连，C的另一端接地；D1、K2串联支路与D2、K3串联支路并联后再与L串联组成的混联电路与C并联。

更进一步地，所述电压补偿模块包括相互串联的电子开关K5和电阻R3，K5的另一端与高压直流电源的整流电路的输出端相连，R3的另一端与L的非接地端相连。

更进一步地，充放电模块和电压补偿模块的工作流程包括：

S1、试验开始时，即t＝0时，K1导通，K2、K3、K4、K5断开，高压直流电源输出电压U对C和与C并联的被测电缆充电；

S2、当C和被测电缆的电压V达到U时，K1断开，V保持U不变；

S3、K2、K4导通，K1、K3、K5断开，D1导通、D2断开，C和被测电缆通过K2、D1向L放电；

S4、当V下降到0时，K2、K4、K5导通，K1、K3断开，D1导通、D2断开，高压直流电源的整流电路的输出电压U1通过K2、D1为C和被测电缆补充反向充电；K4导通Δt1后再断开Δt2，并按此间隔重复通断操作，直到V=-U时，K4断开；

S5、K3、K4导通，K1、K2、K5断开，D1断开、D2导通，C和被测电缆通过K3、D2向L充电，直到V=0，完成一个充放电周期，返回S1开始下一个充放电周期。

更进一步地，所述充放电模块还包括与电容C串联的电子开关K6，当K1导通、K2~K6均断开时，所述充放电模块输出高压直流电压至被测电缆，用于对被测电缆进行直流耐压试验。

进一步地，所述电压电流测量模块包括：串联在充放电模块与被测电缆之间的电流采样模块，并联在被测电缆两端的电压采样模块，分别与电流采样模块和电压采样模块相连的第一电压调理电路和第二电压调理电路。

更进一步地，所述第一电压调理电路和第二电压调理电路均包括依次相连的电压放大器、光耦隔离器和A/D转换器。

进一步地，所述高压直流电源的最高输出电压为30KV，且输出大小可调。

第二方面，本发明提供一种应用所述系统进行高压电缆耐压试验的方法，包括以下步骤：

调整高压直流电源的输出电压，使其输出初始电压；

实时测量流过被测电缆的电流和被测电缆两端的电压；

如果所述电流没有超过设定的击穿阈值，按步长升高高压直流电源的输出电压；重复上述步骤，直到所述电流超过设定的击穿阈值，得到被测电缆的击穿电压；

如果被测电缆两端的电压达到高压直流电源的最高输出电压时，所述电流仍然没有超过设定的击穿阈值，则被测电缆的击穿电压高于所述最高输出电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明通过设置高压直流电源、输出端与被测电缆相连的充放电模块、电压补偿模块、电压电流测量模块和控制单元，充放电模块和电压补偿模块在控制单元作用下，输出正负幅值相等的超低频电压信号至被测电缆，高压直流电源在控制单元作用下输出逐步升高的直流电压，如果流过被测电缆的电流超过了设定的击穿阈值，则认为被测电缆击穿，实现了高压电缆的超低频耐压测量。本发明通过设置电压补偿模块，可输出高质量的正负幅值相等的超低频电压信号，解决了现有技术因存在衰减使输出的超低频电压信号负半周幅值小于正半周幅值的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一种高压电缆耐压试验系统的方框图。

图2为超低频电压波形示意图。

图3为充放电模块+电压补偿模块的电路原理图。

图4为本发明实施例一种应用所述系统进行耐压试验的流程图。

附图标记说明：1、高压直流电源；2、充放电模块；3、被测电缆；4、电压电流测量模块；5、电压补偿模块；6、控制单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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做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。

图1为本发明实施例一种高压电缆耐压试验系统的方框图，所述系统包括：以市电为初始电源的高压直流电源1、输入端与高压直流电源1相连输出端与被测电缆3相连的充放电模块2、与被测电缆3相连的电压电流测量模块4和与电压电流测量模块4相连的控制单元6；还包括输入端与高压直流电源1相连、输出端与充放电模块2相连的电压补偿模块5，充放电模块2和电压补偿模块5在控制单元6作用下，输出正负幅值相等的超低频电压信号至被测电缆3；高压直流电源1在控制单元6作用下输出逐步升高的直流电压，如果流过被测电缆3的电流超过了设定的击穿阈值，则认为被测电缆3击穿。

本实施例中，所述系统主要由高压直流电源1、充放电模块2、电压补偿模块5、电压电流测量模块4和控制单元6组成，各个模块的连接关系如图1所示。下面对每个模块的功能原理分别进行介绍。

高压直流电源1，用于提供高压电缆耐压试验需要的高压直流电源1，其输出加至充充电模块产生耐压试验需要的高压波形（比如本实施例的超低频电压信号）。高压直流电源1以市电为初始电源，也就是将输入的220V/50HZ的交流电压转换成高压直流电压。高压直流电源1输出的电压幅度根据具体的试验需求设定，由于是对高压电缆进行耐压试验，因此一般要求输出数万伏以上的高压，比如30KV。为了获得比较精确的耐压值，高压直流电源1的输出还应在一定范围内可调，试验时从小到大逐步升高输出电压，得到被测电缆3的击穿电压。

充放电模块2，用于将输入的高压直流电压转换成试验需要的超低频电压信号。充放电模块2的功能相当于一个超低频逆变器，将输入的直流信号转换成超低频交流信号。由于输出电压信号频率太低，最低频率可小于0.1HZ，如图2所示，所述充放电模块2不能采用常用的逆变器电路结构。后面的实施例将给出充放电模块2一种具体的电路结构。

电压补偿模块5，是充放电模块2的辅助电路，用于与充放电模块2配合产生正负幅值相等或对称的超低频交流信号。充放电模块2一般采用LCR（电感、电容、电阻）阻尼振荡电路，由于存在阻尼衰减，输出的负半周电压信号幅度小于正半周电压信号幅度，即波形上下不对称。为了解决这一问题，设置电压补偿模块5在负半周时对电容进行补充充电，使充放电模块2输出一个正负幅值相等的超低频交流信号。后面的实施例将给出电压补偿模块5一种具体的电路结构。

电压电流测量模块4，用于与控制单元6配合测量被测电缆3的电压和电流。电压电流测量模块4一般由电压、电流采样电路和信号放大及A/D转换电路等组成，控制单元6根据采样电压、电流的大小计算被测电缆3的电压和电流。

控制单元6，是所述系统的控制与数据处理中心，用于通过输出各种控制信号协调各模块的工作，并完成必要的数据处理任务。比如，通过改变输出的PWM的占空比调节高压直流电源1输出的电压；按照一定时序输出控制信号至充放电模块2和电压补偿模块5使它们正常工作；计算被测电缆3的电压和电流，并判定被测电缆3是否发生击穿等。

本实施例通过设置电压补偿模块5，可输出高质量的正负幅值相等的超低频电压信号，解决了现有技术因存在衰减使输出的超低频电压信号负半周幅值小于正半周幅值的问题。

作为一可选实施例，所述高压直流电源1包括依次相连的整流电路、输出频率远大于工频的逆变器、升压变压器、整流硅堆。

本实施例给出了高压直流电源1的一种技术方案。本实施例的高压直流电源1主要由整流电路、高频逆变器、升压变压器和整流硅堆组成。输入的220V交流电压经整流电路输出400V左右的直流电压，然后经一个输出频率高于10MHz的高频逆变器输出高频交流信号。逆变器输出高频信号的目的是减小后面升压变压器的体积。逆变器工作需要控制单元6输入一个PWM脉冲信号，控制单元6通过调节PWM的占空比可改变逆变器输出信号的幅度，从而改变高压直流电源1输出电压的大小。升压变压器用于提高输出电压幅度。最后的整流硅堆用于将交流电压转换成直流电压。为了进一步提高输出电压幅度，所述整流硅堆一般采用倍压整流。

作为一可选实施例，所述充放电模块2包括：电感L，电容C，二极管D1、D2，电阻R1、R2，控制端与控制单元6相连的电子开关K1、K2、K3、K4；K4与R2串联后并接在高压直流电源1输出端与地之间；K4与高压直流电源1输出端的连接点还与R1的一端相连，R1的另一端与K1的一端相连，K1的另一端与C相连，C的另一端接地；D1、K2串联支路与D2、K3串联支路并联后再与L串联组成的混联电路与C并联。

本实施例给出了充放电模块2的一种具体的电路结构。如图3所示，充放电模块2的主体是一个LCR电路，被测电缆3等效为一个电容与电容C并联。除了L、C、R，4个电子开关K1~K4、二极管D1、D2也是充放电模块2的重要组成部件，通过控制单元6控制K1~K4的通断并利用D1、D2的单向导电性形成不同的充放电回路，从而产生如图2所示的超低频脉冲信号。电子开关K1~K4一般采用高压继电器，当然也可以采用高压开关管。另外，准确地说图2所示的波形是一个正弦波限幅信号，而不是标准的矩形脉冲信号。当然，只有充放电模块2工作时是无法得到图2所示的正负幅值相等的信号波型的，图2所示波型是充放电模块2和电压补偿模块5同时工作时产生的。后面的实施例将给出充放电模块2和电压补偿模块5的详细工作过程。

作为一可选实施例，所述电压补偿模块5包括相互串联的电子开关K5和电阻R3，K5的另一端与高压直流电源1的整流电路的输出端相连，R3的另一端与L的非接地端相连。

本实施例给出了电压补偿模块5的一种具体的电路结构。电压补偿模块5的用处是在充放电模块2输出负半周信号时，向电容C补充充电，使正、负半周输出的电压幅度相等。因此，电压补偿模块5仅需一个用于补充充电的电源和一个充电限流电阻。当然，由于补充充电只在负半周进行，因此还需要一个电子开关。如图3（左下角矩形框内）所示，电压补偿模块5由相互串联的电子开关K5和电阻R3组成，补充充电的电源采用高压直流电源1的整流电路输出的400V直流电压。

作为一可选实施例，所述充放电模块2和电压补偿模块5的工作流程包括：

S1、试验开始时，即t＝0时，K1导通，K2、K3、K4、K5断开，高压直流电源输出电压U对C和与C并联的被测电缆充电；

S2、当C和被测电缆的电压V达到U时，K1断开，V保持U不变；

S3、K2、K4导通，K1、K3、K5断开，D1导通、D2断开，C和被测电缆通过K2、D1向L放电；

S4、当V下降到0时，K2、K4、K5导通，K1、K3断开，D1导通、D2断开，高压直流电源的整流电路的输出电压U1通过K2、D1为C和被测电缆补充反向充电；K4导通Δt1后再断开Δt2，并按此间隔重复通断操作，直到V=-U时，K4断开；

S5、K3、K4导通，K1、K2、K5断开，D1断开、D2导通，C和被测电缆通过K3、D2向L充电，直到V=0，完成一个充放电周期，返回S1开始下一个充放电周期。

本实施例给出了充放电模块2和电压补偿模块5联合工作的流程。这两个模块的联合工作流程，实际上是在控制单元6的作用下，通过K1~K5的通断控制并利用D1、D2的单向导电性，使L、C完成充放电周期以输出波形参数符合要求的超低频正弦限幅信号的过程。上面已非常详细地描述了两个模块的联合工作流程，这里不再赘述。

作为一可选实施例，所述充放电模块2还包括与电容C串联的电子开关K6，当K1导通、K2~K6均断开时，所述充放电模块2输出高压直流电压至被测电缆3，用于对被测电缆3进行直流耐压试验。

本实施例给出了充放电模块2的一种特殊应用。本实施例通过设置一个与电容C串联的电子开关K6，可以使充放电模块2输出两种截然不同的电压信号，一种就是前述的超低频正弦限幅信号，当然此时需要K6导通，K1~K5的状态同上一实施例；另一种是输出直流电压信号，此时需要K2~K6均断开，只有K1导通。当充放电模块2输出直流电压信号时，可对被测电缆3进行直流耐压试验。因此，本实施例可提供两种不同方式的耐压试验。

作为一可选实施例，所述电压电流测量模块4包括：串联在充放电模块2与被测电缆3之间的电流采样模块，并联在被测电缆3两端的电压采样模块，分别与电流采样模块和电压采样模块相连的第一电压调理电路和第二电压调理电路。

本实施例给出了电压电流测量模块4的一种技术方案。本实施例的电压电流测量模块4主要由三部分组成，分别是电流采样模块、电压采样模块和电压调理电路，电压调理电路包括第一电压调理电路和第二电压调理电路，分别用于对电流采样模块和电压采样模块的输出电压进行放大变换等处理，最后输出数字电压信号至控制单元6。电流采样模块可由一个与被测电缆3串联的采样电阻实现，通过测量采样电阻两端的电压再除以采样电阻得到流过被测电缆3的电流。电压采样模块可由并联在被测电缆3两端的串联分压电阻实现，通过测量其中一个电阻上的电压再除以分压比得到被测电缆3两端的电压。

作为一可选实施例，所述第一电压调理电路和第二电压调理电路均包括依次相连的电压放大器、光耦隔离器和A/D转换器。

本实施例给出了电压调理电路的一种技术方案。本实施例的第一电压调理电路和第二电压调理电路均由电压放大器、光耦隔离器和A/D转换器组成。电压放大器用于对采样的电压信号进行放大。光耦隔离器主要用于高压隔离，防止后面的低压电路如A/D转换器和控制器等被损坏。A/D转换器用于将模拟电压信号转换成控制单元6能够处理的数字信号。

优选的，所述高压直流电源的最高输出电压为30KV，且输出大小可调。

图4为本发明实施例一种应用所述系统进行高压电缆耐压试验的方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤101，调整高压直流电源1的输出电压，使其输出初始电压；

步骤102，实时测量流过被测电缆3的电流和被测电缆3两端的电压；

步骤103，如果所述电流没有超过设定的击穿阈值，按步长升高高压直流电源1的输出电压；重复上述步骤，直到所述电流超过设定的击穿阈值，得到被测电缆3的击穿电压；

步骤104，如果被测电缆3两端的电压达到高压直流电源1的最高输出电压时，所述电流仍然没有超过设定的击穿阈值，则被测电缆3的击穿电压高于所述最高输出电压。

击穿阈值具体可以根据被测电缆3的规格和技术要求进行制定。

本实施例的方法，与图1所示装置实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述系统包括：高压直流电源、输入端与高压直流电源相连输出端与被测电缆相连的充放电模块、与被测电缆相连的电压电流测量模块和与电压电流测量模块相连的控制单元；还包括输入端与高压直流电源相连、输出端与充放电模块相连的电压补偿模块，充放电模块和电压补偿模块在控制单元作用下，输出正负幅值相等的超低频电压信号至被测电缆；高压直流电源在控制单元作用下输出逐步升高的直流电压，如果流过被测电缆的电流超过了设定的击穿阈值，则认为被测电缆击穿。

2.根据权利要求1所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述高压直流电源包括依次相连的整流电路、高频逆变器、升压变压器和整流硅堆，所述逆变器的输出频率大于10MHz。

3.根据权利要求2所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述充放电模块包括：电感L，电容C，二极管D1、D2，电阻R1、R2，控制端与控制单元相连的电子开关K1、K2、K3、K4；K4与R2串联后并接在高压直流电源输出端与地之间；K4与高压直流电源输出端的连接点还与R1的一端相连，R1的另一端与K1的一端相连，K1的另一端与C相连，C的另一端接地；D1、K2串联支路与D2、K3串联支路并联后再与L串联组成的混联电路与C并联。

4.根据权利要求3所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述电压补偿模块包括相互串联的电子开关K5和电阻R3，K5的另一端与高压直流电源的整流电路的输出端相连，R3的另一端与L的非接地端相连。

5.根据权利要求4所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，充放电模块和电压补偿模块的工作流程包括：

S1、试验开始时，即t＝0时，K1导通，K2、K3、K4、K5断开，高压直流电源输出电压U对C和与C并联的被测电缆充电；

S2、当C和被测电缆的电压V达到U时，K1断开，V保持U不变；

S3、K2、K4导通，K1、K3、K5断开，D1导通、D2断开，C和被测电缆通过K2、D1向L放电；

S4、当V下降到0时，K2、K4、K5导通，K1、K3断开，D1导通、D2断开，高压直流电源的整流电路的输出电压U1通过K2、D1为C和被测电缆补充反向充电；K4导通Δt1后再断开Δt2，并按此间隔重复通断操作，直到V=-U时，K4断开；

S5、K3、K4导通，K1、K2、K5断开，D1断开、D2导通，C和被测电缆通过K3、D2向L充电，直到V=0，完成一个充放电周期，返回S1开始下一个充放电周期。

6.根据权利要求5所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述充放电模块还包括与电容C串联的电子开关K6，当K1导通、K2~K6均断开时，所述充放电模块输出高压直流电压至被测电缆，用于对被测电缆进行直流耐压试验。

7.根据权利要求1所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述电压电流测量模块包括：串联在充放电模块与被测电缆之间的电流采样模块，并联在被测电缆两端的电压采样模块，分别与电流采样模块和电压采样模块相连的第一电压调理电路和第二电压调理电路。

8.根据权利要求7所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述第一电压调理电路和第二电压调理电路均包括依次相连的电压放大器、光耦隔离器和A/D转换器。

9.根据权利要求1所述的高压电缆耐压试验系统，其特征在于，所述高压直流电源的最高输出电压为30KV，且输出大小可调。

10.一种应用权利要求1所述系统进行高压电缆耐压试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

调整高压直流电源的输出电压，使其输出初始电压；

实时测量流过被测电缆的电流和被测电缆两端的电压；

如果所述电流没有超过设定的击穿阈值，按步长升高高压直流电源的输出电压；重复上述步骤，直到所述电流超过设定的击穿阈值，得到被测电缆的击穿电压；

如果被测电缆两端的电压达到高压直流电源的最高输出电压时，所述电流仍然没有超过设定的击穿阈值，则被测电缆的击穿电压高于所述最高输出电压。

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