CN115877152B - 一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统及方法，该工频谐振系统由可调式部分铁芯变压器、电子电抗器、电压测量单元、局部放电测量单元、主机系统组成；一次绕组匝数连续可调，二次绕组匝数多级可调，在实现对变比精确控制的同时还可以调整谐振电路的等效电感值；利用电子电抗器准确调节谐振电路的等效电感值，使谐振频率与工频差值小于0.2Hz；电压测量单元和局部放电测量单元实现对被测电缆电压和局部放电信号的监测，并将信号反馈给主机系统，用于控制其他单元的工作状态并评估被测电缆的绝缘状态。本发明解决了调频式串联谐振系统存在脉冲噪声影响局部放电检测灵敏度的问题，具有优异的工频等效性和检测有效性。

Description

一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统及方法

技术领域

本发明属于输电电气设备绝缘检测技术领域，涉及一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统及方法。

背景技术

随着架空线路落地化改革的不断推进，输电电缆凭借其美观、安全、可靠性高、空间占用率低等优点已成为电力网络中重要组成部分之一，日渐复杂的电缆网络也对试验技术和检测系统提出了更高的要求。

串联谐振系统凭借其经济性高、工频等效性好等特点，已在电力电缆耐压试验领域得到了一定程度运用，并取得了工业界和学术界的广泛认可。串联谐振系统凭借其谐振原理主要可以分为调频式谐振系统和调感式谐振系统两种。调频式谐振系统通过调整输入正弦电压的频率，使电抗器和被测电缆处于谐振状态。调感式谐振系统通过调整电抗器的电感值，使电抗器和被测电缆的谐振频率近似为50Hz。调频式谐振系统一般采用整流加逆变的方案实现对正弦电压的频率控制，然而逆变单元中半导体开关的通断会产生高幅值脉冲信号，此类脉冲信号与局部放电信号特征较为相似，会严重影响局部放电检测的灵敏度和有效性，此外调频式谐振系统的试验电压频率范围一般为30Hz-500Hz，在极端情况下与电缆实际工况的50Hz存在一定的偏差，其工频等效性仍存在一定的争议。调感式谐振系统一般采用调节铁芯电抗器中铁芯气隙的方式实现对铁芯电抗器电感值的连续调整，但铁芯气隙的机械调整结构较为复杂，导致该类铁芯电抗器体积、重量较大，便携性极低，此外相较于空心电抗器，铁芯电抗器还存在线性度低、损耗大、噪声高等缺点，因此调感式谐振系统一般仅用于电压等级较低的配电电缆检测试验。

综上所述，基于调感式串联谐振技术，提出一种兼具便携性、有效性的低噪声工频谐振式输电电缆绝缘检测系统迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有技术的不足，提供一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统及方法，该工频谐振系统利用可调式部分铁芯变压器将传统调感式串联谐振系统中的自耦变压器、励磁变压器和谐振电抗器合为一体，利用电子电抗器和可调式部分铁芯变压器相结合的方案实现了谐振电感值的连续、精确调节，在保证工频谐振系统的便携性、紧凑型的同时，还实现了局部放电检测的高灵敏度检测。

本发明采用的技术方案是：一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统，由可调式部分铁芯变压器、电子电抗器、电压测量单元、局部放电测量单元、主机系统组成；可调式部分铁芯变压器的一次侧与交流工频电源相连，所述可调式部分铁芯变压器的二次侧与电子电抗器、以及被测电缆串联组成谐振电路；电压测量单元和局部放电测量单元分别与被测电缆并联，实现对被测电缆电压、局部放电信号的检测，并将测量数据上传至主机系统；主机系统结合电压、局部放电信号控制可调式部分铁芯变压器和电子电抗器。

更具体地是，所述的可调式部分铁芯变压器，由内而外依次是铁芯、二次绕组和一次绕组。

更具体地是，所述铁芯为圆柱结构，一次绕组高度与铁芯高度相同，二次绕组高度为一次绕组高度的二至四倍。

更具体地是，所述铁芯的工作线性区范围为30Hz-70Hz，磁路不封闭。

更具体地是，所述一次绕组的高压端引线与一次绕组触头连接，一次绕组触头可上下移动，一次绕组匝数连续可调。

更具体地是，所述二次绕组的高压端引出线具有多个二次绕组静触头和一个二次绕组动触头，根据二次绕组内部是否有铁芯可将二次绕组分为铁芯段和空心段，二次绕组铁芯段匝数不可调，二次绕组空心段匝数可调。

更具体地是，所述可调式部分铁芯变压器的变比可调范围为N₁/10（N₂+M·N₃）至N₁/（N₂+M·k·N₃），其中N₁为一次绕组最大匝数，N₂为二次绕组铁芯段匝数，N₃为二次绕组空心段最大匝数，M为互感系数，k为二次绕组空心段设置的档位数。

更具体地是，所述电子电抗器由若干个模拟电感单元串并联组成，若干个模拟电感单元并联在一起组成并联模块，若干个并联模块串联组成串联模块，即得电子电抗器。

更具体地是，所述模拟电感单元由第一电阻R₁、电容C₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一高压运算放大器D₁和第二高压运算放大器D₂组成，第一电阻R₁、电容C₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄串联，第一高压运算放大器D₁并联在第一电阻R₁和电容C₁两端，第二高压运算放大器D₂并联在第二电阻R₂和第三电阻R₃两端。

本发明还提供一种输电电缆绝缘状态检测方法，过程如下：

利用标准电容器对工频谐振系统进行标定工作；将可调式部分铁芯变压器的一次绕组触头和二次绕组动触头均调整至最高位置，将电子电抗器的第一电阻R₁的电阻值调为0Ω；对标准电容器前施加电压，分别测量可调式部分铁芯变压器一次侧输入电压U_in和标准电容器上施加的电压U_c；

将标准电容器替换为被测电缆，其他参数保持不变，测量被测电缆电压U_test；

计算可得被测电缆等效电容值C_load：

计算目标谐振电感值L：

式中，f_power为交流工频电源的频率；

调整二次绕组动触头位置，使变压器二次侧等效电感值接近且略小于目标谐振电感值L；再通过调整电子电抗器的第一电阻R₁的电阻值精确调整谐振电路的等效电感值，以满足谐振频率范围要求；

通过调整可调式部分铁芯变压器一次绕组触头位置减小一次绕组实际匝数，增加变比，逐渐提升被测电缆电压至预设值，观测被测电缆电压波形和局部放电信号评估电缆绝缘状态。

本发明的有益效果是：可调式部分铁芯变压器取代了传统串联谐振系统中调压单元、励磁变压器和谐振电抗器的功能，一次绕组匝数连续可调，二次绕组匝数多级可调，在实现对变比精确控制的同时还可以调整谐振电路的等效电感值；利用电子电抗器准确调节谐振电路的等效电感值，使谐振频率与工频差值小于0.2Hz；电压测量单元和局部放电测量单元实现对被测电缆电压和局部放电信号的监测，并将信号反馈给主机系统，用于控制其他单元的工作状态并评估被测电缆的绝缘状态。通过本发明的工频谐振系统，可以便携、高效的对输电电缆开展耐压和局部放电检测试验，使试验时的被测电缆电压波形与电缆实际工况几乎一致，实现局部放电信号低噪声、高灵敏度的有效检测，全面可靠评估被测电缆的绝缘状态，显著提升输电电缆离线检测试验的工作效率和检测有效性，具有广阔的应用前景。本发明适用于输电电缆离线局部放电检测试验和耐压试验。

附图说明

图1为本发明一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统的结构示意图；

图2为可调式部分铁芯变压器的结构示意图；

图3为电子电抗器的结构示意图。

图中：1-可调式部分铁芯变压器、2-电子电抗器、3-电压测量单元、4-局部放电测量单元、5-主机系统、6-被测电缆、11-铁芯、12-二次绕组、13-一次绕组、121-二次绕组静触头、122-二次绕组动触头、131-一次绕组触头。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细阐明本发明。

一种用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统，由可调式部分铁芯变压器1、电子电抗器2、电压测量单元3、局部放电测量单元4、主机系统5组成；可调式部分铁芯变压器1的一次侧与交流工频电源相连，所述可调式部分铁芯变压器1的二次侧与电子电抗器2、以及被测电缆6串联组成谐振电路，实现了对输入电压幅值控制的同时还达到了交流工频电源与谐振电路的电气隔离的目的；电压测量单元3和局部放电测量单元4分别与被测电缆6并联，实现对被测电缆6电压、局部放电信号的检测，并将测量数据上传至主机系统5；主机系统5结合电压、局部放电信号控制可调式部分铁芯变压器1和电子电抗器2，主机系统5通过光纤与可调式部分铁芯变压器1、电子电抗器2、电压测量单元3和局部放电测量单元4相连，实现电气隔离，确保操作人员的人身安全。

所述的可调式部分铁芯变压器1，由内而外依次是铁芯11、二次绕组12和一次绕组13，铁芯11为圆柱结构，一次绕组13高度与铁芯11高度近似相同，二次绕组12高度为一次绕组13高度的二至四倍。

所述铁芯的工作线性区范围为30Hz-70Hz，磁路不封闭。

所述一次绕组13的高压端引线与一次绕组触头131连接，一次绕组触头131可上下移动，因此一次绕组13匝数连续可调，可调范围为0.1N₁至N₁（N₁为一次绕组最大匝数）。

所述二次绕组12的高压端引出线具有多个二次绕组静触头121和一个二次绕组动触头122，二次绕组动触头122上装有均压装置，避免产生局部放电影响试验检测。通过调节二次绕组动触头122位置可调整等效电感值，改变谐振电路的谐振频率。根据二次绕组内部是否有铁芯可将二次绕组12分为铁芯段和空心段，二次绕组铁芯段匝数不可调，二次绕组空心段匝数可调，可调档位为k·N₃，N₃为二次绕组空心段最大匝数，其中k为二次绕组空心段设置的档位数。二次绕组12在有效值为128kV的工频电压作用下，局部放电量应小于5pC。

所述可调式部分铁芯变压器1的变比可调范围为（N₁/10（N₂+M·N₃））至（N₁/（N₂+M·k·N₃）），其中N₁为一次绕组最大匝数，N₂为二次绕组铁芯段匝数，N₃为二次绕组空心段最大匝数，M为互感系数，可通过标定得到。互感系数M的标定方式具体为：将一次绕组触头131和二次绕组动触头122均调至最高处，即一次绕组实际匝数为N₁，二次绕组空心段实际匝数为N₃。对一次绕组施加频率为50Hz的电压U₁，测量得到二次绕组输出电压为U₂，计算可得互感系数M=（U₂·N₁-U₁·N₂）/N₃。

所述电子电抗器2由若干个模拟电感单元串并联组成，若干个模拟电感单元并联在一起组成并联模块，若干个并联模块串联组成串联模块，即得电子电抗器2，并联模块额定电流应大于300A，电子电抗器耐压应大于10kV。

所述模拟电感单元由第一电阻R₁、电容C₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一高压运算放大器D₁和第二高压运算放大器D₂组成，第一电阻R₁、电容C₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄串联，第一高压运算放大器D₁并联在第一电阻R₁和电容C₁两端，第二高压运算放大器D₂并联在第二电阻R₂和第三电阻R₃两端。模拟电感单元电感值=R₁C₁R₂R₄/R₃。

本实施例中，选择DQ133-30型硅钢片作为可调式部分铁芯变压器1的铁芯材料，设置可调式部分铁芯变压器的一次绕组匝数约为950匝，设置二次绕组铁芯段匝数为1500匝，二次绕组空心段匝数为2300匝。模拟电感单元中的第一高压运算放大器D₁和第二高压运算放大器D₂的型号为APEX公司的PA85A，电容C₁的容值为100μF，第二电阻R₂的电阻值为50Ω，第四电阻R₄的电阻值为30Ω，第三电阻R₃的电阻值为0.1Ω，第一电阻R₁的电阻值在0-5Ω范围内可调。电子电抗器2的并联模块由20个模拟电感单元并联，再由30个并联模块串联组成电子电抗器2，每个并联模块均由电池组独立供电。电压测量单元3采用电容分压器结构，局部放电测量单元4采用耦合电容与检测阻抗串联的结构。

利用本发明的工频谐振系统对输电电缆开展检测试验的过程主要分为以下几个步骤：

1、试验前准备

在试验前，利用容值为1μF的标准电容器对工频谐振系统进行标定工作。将可调式部分铁芯变压器1的一次绕组触头131和二次绕组动触头122均调整至最高位置，将电子电抗器2的第一电阻R₁的电阻值调为0Ω。对标准电容器前施加电压，分别测量可调式部分铁芯变压器一次侧输入电压U_in和标准电容器上施加的电压U_c。将标准电容器替换为被测电缆6，其他参数保持不变，测量被测电缆电压U_test；

计算可得被测电缆等效电容值C_load：

计算目标谐振电感值L：

式中，f_power为交流工频电源的频率；

调整二次绕组动触头122位置，使变压器二次侧等效电感值接近且略小于目标谐振电感值L；再通过调整电子电抗器的第一电阻R₁的电阻值精确调整谐振电路的等效电感值（电子电抗器电感值与变压器二次侧等效电感值之和），以满足谐振频率处于49.8Hz-50.2Hz范围内的要求。

2、试验参数选择

根据被测电缆类型在主机系统5中设置试验时长和试验电压，对于运行时间不超过3年被测电缆，建议设置被测电缆电压U_test为2倍的被测电缆额定电压，设置试验时长为60min；对于运行时间在3年以上被测电缆，建议设置被测电缆电压U_test为1.6倍的被测电缆额定电压，设置试验时长为60min；

3、试验测试与数据分析

保持可调式部分铁芯变压器1的二次绕组动触头122和电子电抗器2参数不变，连续且平稳的降低一次绕组触头131位置，减少一次绕组实际工作匝数，增加二次侧输出电压幅值，从而提升被测电缆电压U_test。在升压过程中，持续观测被测电缆实时电压波形和局部放电信号波形，若电压波形出现明显畸变则可能发生击穿故障，应立即降低被测电缆电压U_test停止试验；若局部放电量超过800pC，则保持被测电缆电压U_test不变，持续观测10min，若放电次数逐渐减少且局部放电量逐渐降低，则急需提升被测电缆电压U_test，若局部放电并没有减弱甚至出现加剧的现象，则应立即降低被测电缆电压U_test停止试验；若升压过程中电压波形和局部放电信号波形一切正常，则提升至目标电压后保持不变，施加目标时间后，若仍没有发现异常，则可以判断被测电缆绝缘状态良好。

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 (4)

1.一种输电电缆绝缘状态检测方法，其特征是，用于输电电缆绝缘状态检测的工频谐振系统由可调式部分铁芯变压器、电子电抗器、电压测量单元、局部放电测量单元、主机系统组成；可调式部分铁芯变压器的一次侧与交流工频电源相连，所述可调式部分铁芯变压器的二次侧与电子电抗器、以及被测电缆串联组成谐振电路；电压测量单元和局部放电测量单元分别与被测电缆并联，实现对被测电缆电压、局部放电信号的检测，并将测量数据上传至主机系统；主机系统结合电压、局部放电信号控制可调式部分铁芯变压器和电子电抗器；所述的可调式部分铁芯变压器，由内而外依次是铁芯、二次绕组和一次绕组；所述一次绕组的高压端引线与一次绕组触头连接，一次绕组触头可上下移动，一次绕组匝数连续可调；所述二次绕组的高压端引出线具有多个二次绕组静触头和一个二次绕组动触头，根据二次绕组内部是否有铁芯可将二次绕组分为铁芯段和空心段，二次绕组铁芯段匝数不可调，二次绕组空心段匝数可调；所述电子电抗器由若干个模拟电感单元串并联组成，若干个模拟电感单元并联在一起组成并联模块，若干个并联模块串联组成串联模块，即得电子电抗器；所述模拟电感单元由第一电阻R₁、电容C₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一高压运算放大器D₁和第二高压运算放大器D₂组成，第一电阻R₁、电容C₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄串联，第一高压运算放大器D₁并联在第一电阻R₁和电容C₁两端，第二高压运算放大器D₂并联在第二电阻R₂和第三电阻R₃两端；利用标准电容器对工频谐振系统进行标定工作；将可调式部分铁芯变压器的一次绕组触头和二次绕组动触头均调整至最高位置，将电子电抗器的第一电阻R₁的电阻值调为0Ω；对标准电容器前施加电压，分别测量可调式部分铁芯变压器一次侧输入电压U_in和标准电容器上施加的电压U_c；

将标准电容器替换为被测电缆，其他参数保持不变，测量被测电缆电压U_test；

计算可得被测电缆等效电容值C_load：

；

计算目标谐振电感值L：

；

式中，f_power为交流工频电源的频率；

调整二次绕组动触头位置，使变压器二次侧等效电感值接近且略小于目标谐振电感值L；再通过调整电子电抗器的第一电阻R₁的电阻值精确调整谐振电路的等效电感值，以满足谐振频率范围要求；

通过调整可调式部分铁芯变压器一次绕组触头位置减小一次绕组实际匝数，增加变比，逐渐提升被测电缆电压至预设值，观测被测电缆电压波形和局部放电信号评估电缆绝缘状态。

2.根据权利要求1所述的输电电缆绝缘状态检测方法，其特征是，所述铁芯为圆柱结构，一次绕组高度与铁芯高度相同，二次绕组高度为一次绕组高度的二至四倍。

3.根据权利要求1所述的输电电缆绝缘状态检测方法，其特征是，所述可调式部分铁芯变压器的变比可调范围为N₁/10（N₂+M·N₃）至N₁/（N₂+M·k·N₃），其中N₁为一次绕组最大匝数，N₂为二次绕组铁芯段匝数，N₃为二次绕组空心段最大匝数，M为互感系数，k为二次绕组空心段设置的档位数。

4.根据权利要求1所述的输电电缆绝缘状态检测方法，其特征是，所述铁芯的工作线性区范围为30Hz-70Hz，磁路不封闭。

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