CN207516452U

CN207516452U - 一种工频叠加多谐波电压的xlpe电缆老化试验装置

Info

Publication number: CN207516452U
Application number: CN201721386668.XU
Authority: CN
Inventors: 郭金明; 覃秀君; 田树军; 郭丽娟; 朱时阳; 赵坚; 李婧; 黄锋; 黎大健
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2027-10-25

Abstract

本实用新型公开了一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，涉及电力电缆检测技术领域。所述工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，包括交流电源、工频叠加多谐波发生单元、工频叠加多谐波控制单元、中间变压器、补偿电抗器、标准电容单元、电压分析仪以及试验回路单元；实现了工频叠加多谐波电压信号的同时传输、各次谐波电压幅值及其含量的精确控制、工频电压与多谐波电压的一体化控制与输出、工频叠加多谐波电压作用下中压XLPE电缆及其附件的绝缘性能试验。

Description

一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置

技术领域

本实用新型属于电力电缆检测技术领域，尤其涉及一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置。

背景技术

近年来，随着电网技术的飞速发展，多元化用电需求的持续增加，间歇式分布式能源的大量接入，导致用户侧设备的复杂性越来越高，电网谐波问题变得日益严重。目前，城市配电网以及电铁牵引供电系统中存在大量在运的中压XLPE电缆及其附件，而电缆终端事故是导致电缆线路跳闸事故的主要原因，且工频叠加多谐波源对电缆终端绝缘劣化的影响极为明显。实践证明，一些传统中压XLPE电缆终端在工频叠加多谐波作用下，其老化明显加剧、寿命大大缩短，甚至导致绝缘事故的发生。

基于此，本实用新型提出一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，用于中压XLPE电缆及其附件的绝缘性能试验，在输出工频的同时,实现叠加多种频率谐波源的精确控制和模拟。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置。

本实用新型是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，包括交流电源、工频叠加多谐波发生单元、工频叠加多谐波控制单元、中间变压器、补偿电抗器、标准电容单元、电压分析仪以及试验回路单元；所述交流电源、工频叠加多谐波发生单元、中间变压器、补偿电抗器以及标准电容单元依次连接；所述标准电容单元还分别与所述电压分析仪、试验回路单元连接；所述工频叠加多谐波控制单元还分别与所述电压分析仪、工频叠加多谐波发生单元连接；

所述工频叠加多谐波发生单元，用于在输出工频的同时，实现了叠加多种频率谐波源的精确控制和模拟；所述工频叠加多谐波控制单元，用于对工频叠加多谐波发生单元的输出电压进行闭环控制和调节，使输出的电压信号满足输入设置的要求；所述中间变压器，用于将工频叠加多谐波发生单元输出的工频叠加谐波电压升高至设定的电压值；所述补偿电抗器，用于补偿工频叠加谐波电压；所述标准电容单元，用于测量中间变压器输出电压的相关信息；所述电压分析仪，用于对输入电压信号进行分析和分离，以获得工频电压幅值及各次谐波电压幅值和含量，并将相关信息反馈至工频叠加多谐波控制单元，从而实现工频叠加多谐波试验电压的闭环控制与调节；所述试验回路单元，用于将XLPE电缆及其附件按绝缘配合要求进行连接，以提供试验回路；

所述试验回路单元包括两个预制式电缆终端、两个GIS气室以及XLPE电缆；所述两个预制式电缆终端分别为第一预制式电缆终端和第二预制式电缆终端；所述两个GIS气室分别为第一GIS气室和第二GIS气室；所述第一预制式电缆终端和第二预制式电缆终端的一端分别插入所述第一GIS气室和第二GIS气室，另一端通过导线相互连接；所述第一GIS气室和第二GIS气室通过XLPE电缆相互连接。

进一步的，所述工频叠加多谐波发生单元包括依次连接的输入滤波模块、功率模块以及输出滤波模块；所述功率模块由两个背靠背功率单元通过级联的方式构成，每个所述的背靠背功率单元均包括依次连接的PWM整流桥、直流侧储能电容以及PWM逆变桥；每个所述的背靠背功率单元分别对应一个输入滤波模块，两个输入滤波模块的输出端分别与两个背靠背功率单元的PWM整流桥输入端连接；所述PWM整流桥，用于建立稳定的直流电压，所述PWM逆变桥，用于生成给定的电压信号。通过两个PWM逆变桥逆变侧级联的连接方式构成功率模块的主拓扑结构，采用单极倍频载波移相正弦脉宽调制技术，提高谐波频率，确保高次谐波的精确输出；在输出工频的同时，实现了叠加多种频率谐波源的精确控制和模拟，提高了谐波输出带宽，使得本实用新型工频叠加多谐波试验装置可较好地满足中压XLPE电缆及其附件工频叠加多谐波试验的谐波频率要求。

进一步的，所述输出滤波模块和两个输入滤波模块均采用RLC滤波方式。

进一步的，所述工频叠加多谐波控制单元包括主控制器和单元控制器，所述主控制器包括相连接的主控DSP和主控FPGA；所述主控DSP和主控FPGA分别与所述工频叠加多谐波发生单元连接；所述单元控制器分别与所述工频叠加多谐波发生单元和主控FPGA相连接；所述主控DSP与上位机连接，用于接收上位机下发的指令和工频叠加多谐波发生单元信息的上传，同时还用于系统流程控制、数据处理、工频叠加多谐波发生单元主回路保护以及与主控FPGA之间的信息交互；所述主控FPGA，用于实现系统状态量监测、工频叠加多谐波发生单元逆变控制及其回路保护；所述单元控制器，用于实现整流控制和信息监测，并下发PWM整流与逆变控制信息。工频叠加多谐波控制单元的这种控制模式充分利用了DSP运算速度快和FPGA逻辑处理强的优点，实现了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性。

进一步的，所述主控DSP和主控FPGA通过RS485相连接。

进一步的，所述主控DSP和主控FPGA分别通过光纤与所述工频叠加多谐波发生单元连接；所述单元控制器通过光纤分别与所述工频叠加多谐波发生单元和主控FPGA相连接。

进一步的，所述主控DSP通过RS422四线接口与上位机连接。

进一步的，所述中间变压器的铁芯为带状非晶材料卷绕制成的无气隙铁芯；其绕组为高压线圈与低压线圈间隔绕制，且采用多槽骨架绕法进行分段绕制，可满足50Hz～2500Hz的能量传递，有效减少了气隙漏磁和涡流损耗；利用电磁感应原理将工频叠加多谐波发生单元输出的工频叠加谐波电压升高至设定的电压值，经补偿电抗器补偿后作用于中压XLPE电缆及其附件试验回路单元，从而实现相关试品的绝缘性能试验。

与现有技术相比，本实用新型所提供的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，包括交流电源、工频叠加多谐波发生单元、工频叠加多谐波控制单元、中间变压器、补偿电抗器、标准电容单元、电压分析仪以及试验回路单元；实现了工频叠加多谐波电压信号的同时传输、各次谐波电压幅值及其含量的精确控制、工频电压与多谐波电压的一体化控制与输出、工频叠加多谐波电压作用下中压XLPE电缆及其附件的绝缘性能试验；此外，本实用新型采用中间变压器的方式将工频叠加多谐波的输出电压升高至所需的电压值，一方面提高了输出电压的上限和试验容量，可实现电压等级较高、长度较大的XLPE电缆的绝缘试验；另一方面减少了工频叠加多谐波发生单元中背靠背功率单元的级联数量，仅采用两个背靠背功率单元级联的方式大幅降低了单极倍频载波移相正弦脉宽调制技术控制逻辑的复杂性，减少了多个背靠背功率单元间协调动作有可能产生的不一致性，提高了工频叠加多谐波试验电压生成的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一个实施例，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是本实用新型一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置的结构示意图；

图2是本实用新型工频叠加多谐波发生单元主回路的结构示意图；

图3是本实用新型工频叠加多谐波控制单元的原理框图；

其中：1-交流电源，2-工频叠加多谐波发生单元，3-中间变压器，4-补偿电抗器，5-标准电容单元，6-电压分析仪，7-试验回路单元，8-第一预制式电缆终端，9-第二预制式电缆终端，10-第一GIS气室，11-第二GIS气室，12-XLPE电缆，13-工频叠加多谐波控制单元，14-输入滤波模块，15-功率模块，16-输出滤波模块，17-PWM整流桥，18-PWM逆变桥。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型所提供的一种中压XLPE电缆13及其附件工频叠加多谐波试验装置，包括交流电源1、工频叠加多谐波发生单元2、工频叠加多谐波控制单元13、中间变压器3、补偿电抗器4、标准电容单元5、电压分析仪6以及试验回路单元7；交流电源1、工频叠加多谐波发生单元2、中间变压器3、补偿电抗器4以及标准电容单元5依次连接；标准电容单元5还分别与电压分析仪6、试验回路单元7连接；工频叠加多谐波控制单元13还分别与电压分析仪6、工频叠加多谐波发生单元2连接。

如图1所示，试验回路单元7包括两个35kV预制式电缆终端、两个GIS气室以及35kVXLPE电缆12；两个35kV预制式电缆终端分别为第一预制式电缆终端8和第二预制式电缆终端9；两个GIS气室分别为第一GIS气室10和第二GIS气室11；第一预制式电缆终端8和第二预制式电缆终端9的一端分别插入第一GIS气室10和第二GIS气室11，另一端通过导线相互连接；第一GIS气室10和第二GIS气室11通过35kV XLPE电缆12相互连接。

如图2所示，工频叠加多谐波发生单元2包括依次连接的输入滤波模块14、功率模块15以及输出滤波模块16；功率模块15由两个背靠背功率单元通过级联的方式构成，每个的背靠背功率单元均包括依次连接的PWM整流桥17、直流侧储能电容以及PWM逆变桥18；每个的背靠背功率单元分别对应一个输入滤波模块14，两个输入滤波模块14的输出端分别与两个背靠背功率单元的PWM整流桥17输入端连接；PWM整流桥17，用于建立稳定的直流电压，PWM逆变桥18，用于生成给定的电压信号。通过两个PWM逆变桥18逆变侧级联的连接方式构成功率模块15的主拓扑结构，采用单极倍频载波移相正弦脉宽调制技术，提高谐波频率，确保高次谐波的精确输出；在输出工频的同时，实现了叠加多种频率谐波源的精确控制和模拟，提高了谐波输出带宽，使得本实用新型工频叠加多谐波试验装置可较好地满足中压XLPE电缆及其附件工频叠加多谐波试验的谐波频率要求。

如图2所示，输出滤波模块16和两个输入滤波模块14均采用RLC滤波方式，L₁、L₂为输入滤波电感，R₁、R_/2为输入滤波电阻，C₁、C₂为输入滤波电容，C_D1、C_D2为直流侧储能电容，L₀为输出滤波电感，R₀为输出滤波电阻，C₀为输出滤波电容。

如图3所示，工频叠加多谐波控制单元13包括主控制器和单元控制器，主控制器包括通过RS485相连接的主控DSP和主控FPGA；主控DSP和主控FPGA分别通过光纤与工频叠加多谐波发生单元2连接；单元控制器分别通过光纤与工频叠加多谐波发生单元2和主控FPGA相连接；主控DSP通过RS422四线接口与上位机连接，用于接收上位机下发的指令和工频叠加多谐波发生单元2信息的上传，同时还用于系统流程控制、数据处理、工频叠加多谐波发生单元2主回路保护以及与主控FPGA之间的信息交互；主控FPGA，用于实现系统状态量监测、工频叠加多谐波发生单元2逆变控制及其回路保护；单元控制器，用于实现整流控制和信息监测，并下发PWM整流与逆变控制信息。工频叠加多谐波控制单元13的这种控制模式充分利用了DSP运算速度快和FPGA逻辑处理强的优点，实现了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性。

中间变压器3的铁芯为带状非晶材料卷绕制成的无气隙铁芯；其绕组为高压线圈与低压线圈间隔绕制，且采用多槽骨架绕法进行分段绕制，可满足50Hz～2500Hz的能量传递，有效减少了气隙漏磁和涡流损耗；利用电磁感应原理将工频叠加多谐波发生单元2输出的工频叠加谐波电压升高至设定的电压值，经补偿电抗器4补偿后作用于中压XLPE电缆及其附件试验回路单元7，从而实现相关试品的绝缘性能试验。

本实用新型的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置：工频叠加多谐波控制单元13向工频叠加多谐波发生单元2下发控制指令，控制工频叠加多谐波发生单元2在输出工频的同时，实现了叠加多种频率谐波源的精确控制和模拟；中间变压器3将工频叠加多谐波发生单元2输出的工频叠加谐波电压升高至设定的电压值，经补偿电抗器4补偿后作用于试验回路单元7，实现电缆及其附件的绝缘性能试验；标准电容单元5测量中间变压器3输出电压的相关信息，并传输至电压分析仪6，电压分析仪6对输入的电压信号进行分析和分离，以获得工频电压幅值及各次谐波电压幅值和含量，并将相关信息反馈至工频叠加多谐波控制单元13，从而实现工频叠加多谐波试验电压的闭环控制与调节；当输出的工频电压幅值、各次谐波电压频率及含量与输入值相比超过设定的极限偏差时，工频叠加多谐波控制单元13自动下发控制指令，调节工频叠加多谐波发生单元2的输出电压信号，直至输出电压与输入值相比小于设定的极限偏差。

本实用新型实现了工频叠加多谐波电压信号的同时传输、各次谐波电压幅值及其含量的精确控制、工频电压与多谐波电压的一体化控制与输出、工频叠加多谐波电压作用下中压XLPE电缆及其附件的绝缘性能试验。此外，采用中间变压器3的方式将工频叠加多谐波的输出电压升高至所需的电压值，一方面提高了输出电压的上限和试验容量，可实现电压等级较高、长度较大的XLPE电缆的绝缘试验；另一方面减少了工频叠加多谐波发生单元2中背靠背功率单元的级联数量，仅采用两个背靠背功率单元级联的方式大幅降低了单极倍频载波移相正弦脉宽调制技术控制逻辑的复杂性，减少了多个背靠背功率单元间协调动作有可能产生的不一致性，提高了工频叠加多谐波试验电压生成的准确性和可靠性。

以上所揭露的仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：包括交流电源（1）、工频叠加多谐波发生单元（2）、工频叠加多谐波控制单元（13）、中间变压器（3）、补偿电抗器（4）、标准电容单元（5）、电压分析仪（6）以及试验回路单元（7）；所述交流电源（1）、工频叠加多谐波发生单元（2）、中间变压器（3）、补偿电抗器（4）以及标准电容单元（5）依次连接；所述标准电容单元（5）还分别与所述电压分析仪（6）、试验回路单元（7）连接；所述工频叠加多谐波控制单元（13）还分别与所述电压分析仪（6）、工频叠加多谐波发生单元（2）连接；

所述试验回路单元（7）包括两个预制式电缆终端、两个GIS气室以及XLPE电缆（12）；所述两个预制式电缆终端分别为第一预制式电缆终端（8）和第二预制式电缆终端（9）；所述两个GIS气室分别为第一GIS气室（10）和第二GIS气室（11）；所述第一预制式电缆终端（8）和第二预制式电缆终端（9）的一端分别插入所述第一GIS气室（10）和第二GIS气室（11），另一端通过导线相互连接；所述第一GIS气室（10）和第二GIS气室（11）通过XLPE电缆（12）相互连接。

2.如权利要求1所述的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：所述工频叠加多谐波发生单元（2）包括依次连接的输入滤波模块（14）、功率模块（15）以及输出滤波模块（16）；所述功率模块（15）由两个背靠背功率单元通过级联的方式构成，每个所述的背靠背功率单元均包括依次连接的PWM整流桥（17）、直流侧储能电容以及PWM逆变桥（18）；每个所述的背靠背功率单元分别对应一个输入滤波模块（14），两个输入滤波模块（14）的输出端分别与两个背靠背功率单元的PWM整流桥（17）输入端连接；所述PWM整流桥（17），用于建立稳定的直流电压，所述PWM逆变桥（18），用于生成给定的电压信号。

3.如权利要求2所述的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：所述输出滤波模块（16）和两个输入滤波模块（14）均采用RLC滤波方式。

4.如权利要求1所述的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：所述工频叠加多谐波控制单元（13）包括主控制器和单元控制器，所述主控制器包括相连接的主控DSP和主控FPGA；所述主控DSP和主控FPGA分别与所述工频叠加多谐波发生单元（2）连接；所述单元控制器分别与所述工频叠加多谐波发生单元（2）和主控FPGA相连接；所述主控DSP与上位机连接，用于接收上位机下发的指令和工频叠加多谐波发生单元（2）信息的上传，同时还用于系统流程控制、数据处理、工频叠加多谐波发生单元（2）主回路保护以及与主控FPGA之间的信息交互；所述主控FPGA，用于实现系统状态量监测、工频叠加多谐波发生单元（2）逆变控制及其回路保护；所述单元控制器，用于实现整流控制和信息监测，并下发PWM整流与逆变控制信息。

5.如权利要求4所述的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：所述主控DSP和主控FPGA通过RS485相连接。

6.如权利要求4所述的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：所述主控DSP和主控FPGA分别通过光纤与所述工频叠加多谐波发生单元（2）连接；所述单元控制器通过光纤分别与所述工频叠加多谐波发生单元（2）和主控FPGA相连接。

7.如权利要求4所述的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：所述主控DSP通过RS422四线接口与上位机连接。

8.如权利要求1所述的工频叠加多谐波电压的XLPE电缆老化试验装置，其特征在于：所述中间变压器（3）的铁芯为带状非晶材料卷绕制成的无气隙铁芯；其绕组为高压线圈与低压线圈间隔绕制，且采用多槽骨架绕法进行分段绕制。