CN105004971B - 一种电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法及装置。在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；在指数波的上升沿或下降沿通过波形电压和电流的频域相位关系计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线；还包括耐压检测：提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险，并记录该最高电压值；随着电缆寿命增长重复该耐压检测，记录随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性。设备体积小，更加轻便；激励源设备体积小；不存在电荷累积效应；对电缆损伤更小；激励电压等级可调；能够用于检测高压配电电缆的介质谱。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力设备绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法及装置，特别是涉及一种适用于电力电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法及装置。
背景技术
近年来，为了改善城市环境，保障电网的安全可靠运行，配电电缆正逐步替代传统的架空线，越来越广泛的应用于配电网建设中。然而随着近年来我国电缆制造行业技术进步以及城市输配电网大量采用地下电力电缆,由于电力电缆本体绝缘制造缺陷、电缆及附件施工安装质量缺陷和电缆附件制造质量缺陷导致电缆线路运行故障的现象日益严重。由于电缆埋于地下，一旦出现故障，其故障查找非常困难、耗时长，影响电网的正常运行，造成较大的经济损失，对居民的日常生活、生产部门的日常生产以及其他社会非生产部门的照常运转造成诸多不便。
国内外已有了大量不同种类的电缆绝缘状态检测技术。相比较可以看出，超低频电压检测技术有着其他几种检测技术没有的优点，在保证测试设备体积轻便的基础上，既能准确的反映出tanδ的变化，更为重要的是，超低频下电缆的tanδ值与其水树化程度呈现很好的相关性，而在较高频率下两者的关系并不明显。按照美国电机学会给出的超低频试验导则，适用于配电电缆超低频检测的电压波形有四种：余弦方波，正弦波，双极性矩形波，调制的其他正负极性变化的直流阶跃波。超低频正弦波产生或需要调制和解调的过程，对滤波功能要求较高，要么使用旋转电机，体积庞大，不够灵活；而余弦方波产生过程中开关的控制策略复杂，需要时刻判断电容峰值。矩形波类似于直流耐压试验，仅仅是多了5s一次的换向过程，无法很好的等效电缆的正常工作状态，而调制的直流阶跃波需要更加复杂的工业数字控制技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种控制结构简单，能测试多频率下介质损耗无法得到介质谱函数的，对电缆损伤更小的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法及装置。
本发明采用的技术方案如下：一种电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法，具体方法为：在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；在指数波的上升沿或下降沿通过波形电压和电流的频域相位关系计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线；
所述周期变化的指数波形电压的波形满足以下表达式：
其中，U0为所述周期变化的指数波形电压的波形；Vin为预设的电压幅值；α为指数波形衰减参数，其值由指数波形激励源设定参数与被检测电缆电容容值和绝缘电阻参数决定；t0～t4依次等时间间隔分布；
所述方法还包括耐压检测：提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险，并记录该最高电压值；随着电缆寿命增长重复该耐压检测，记录随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性。
作为优选，所述方法还包括：根据介质损耗检测结果和耐压检测结果，利用识别模拟法对被检测绝缘电缆的电缆绝缘状态进行评估。
作为优选，所述计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线的具体方法为：将被检测绝缘电缆两端采样得到的电压和电流波形进行信号提取，提取上升沿信号间的电压电流波形信号，并对其进行傅里叶变换，得到电压和电流频域幅值相位波形，进而计算二者的相位差δ，计算tanδ即可得到被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线(即介质谱函数)。
一种电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，包括；
指数波形电压激励源，用于产生周期变化的指数波形电压，并施加在被检测绝缘电缆上；
耦合采样单元，在指数波的上升沿或下降沿采集指数波波形电压和电流；
介质谱计算模块，通过所采集的波形电压和电流的频域相位关系计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线；
作为优选，还包括：绝缘状态评估模块，根据介质损耗检测结果和耐压检测结果，利用识别模拟法对被检测绝缘电缆的电缆绝缘状态进行评估。
作为优选，所述指数波形电压激励源包括交流变压器、半导体开关模块、波形适应模块和总控单元；所述交流变压器的两个输入端通过一次侧切断装置与交流电源相连；所述变压器的两个输出端，一端通过保护电阻与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块和第二半导体开关模块；所述第一半导体开关模块仅在正向充电回路与反向放电回路中工作；所述第二半导体开关模块仅在正向放电回路与反向充电回路中工作；所述波形适应模块包括，与高压硅堆相连的第一输入端和与交流变压器另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路变压器一次侧；所述总控单元与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；
所述交流变压器的输出电压为0到30kV。
作为优选，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGTB芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连。
作为优选，所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容；还包括串联与第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。
作为优选，所述耦合采样单元包括电流采样电阻和电阻分压器；所述电流采样电阻一端与被检测绝缘电缆的金属屏蔽层相连，另一端接地；所述电阻分压器的一端与被检测绝缘电缆的线芯相连，另一端接地。
作为优选，所述电阻分压器包括串联的高压电阻阻隔电阻和低压电阻阻隔电阻，所述高压电阻阻隔电阻的一端与被检测绝缘电缆的线芯相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、采用指数波形电压激励，检测设备体积小，更加轻便；激励源设备体积小，试验回路包含的功能单元数量少，通过设计合理结构的电力电子开关还能够进一步缩小体积，减小重量；2、指数波形交流电压存在电压换向，不存在电荷累积效应；3、指数波电压换向过程比余弦方波更慢，比正弦波快，是一种对电缆损伤更小的检测电压；4、激励源波形形状能够随被检测绝缘电缆不同而发生适应性变化，激励电压等级可调，能够充分、全面的对试品电缆进行绝缘状态评估，具有重要的工程实用价值；5、指数波电压包含的频域分量更多，通过探索tanδ的计算算法，能够用于检测高压配电电缆的介质谱，这是正弦波电压所不具备的。
附图说明
图1为本发明其中一实施例采用的指数波形形状示意图。
图2为本发明其中一实施例的指数波形电压激励源结构示意图。
图3为本发明其中一实施例的半导体开关模块结构示意图。
图4为本发明其中一实施例的波形适应模块结构示意图。
图5为本发明其中一实施例的耦合采集单元结构图示意。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
一种电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法，具体方法为：在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；在本具体实施例中，在指数波的上升沿通过波形电压和电流的频域相位关系，计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线；
如图1所示，所述周期变化的指数波形电压的波形满足以下表达式：
其中，U0为所述周期变化的指数波形电压的波形；Vin为预设的电压幅值；α为指数波形衰减参数，其值由指数波形激励源(如图4所示，在本具体实施例中，通过IGBT晶体管的开关选择性动作，对传入指数波形电压激励源的电阻阻值进行变化，达到修改α值进而调节施加于被检测绝缘电缆两端指数波电压波形的目的。)设定参数与被检测电缆电容容值和绝缘电阻参数决定；t0～t4依次等时间间隔分布。
所述方法还包括耐压检测：提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值(3倍额定电压)或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险，并记录该最高电压值；随着电缆寿命增长重复该耐压检测，记录随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性；
根据介质损耗检测结果和耐压检测结果，利用识别模拟法对被检测绝缘电缆的电缆绝缘状态进行评估。
在本具体实施例中，所述指数波形电压为0.1Hz周期变化，t0～t4依次等时间间隔分布，每个时间间隔持续2.5s，电压波形周期为10s。
所述计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线的具体方法为：将被检测绝缘电缆两端采样得到的电压和电流波形进行信号提取，提取上升沿(在本具体实施例中为t0-t1和t2-t3部分)信号间的电压电流波形信号，并对其进行傅里叶变换，得到电压和电流频域幅值相位波形，进而计算二者的相位差δ，计算tanδ即可得到被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线(即介质谱函数)。
在本具体实施例中，为一段长度为x的被检测绝缘电缆施加预设过波形参数α和电压等级的指数波电压，通过耦合采样单元采集到被检测绝缘电缆的单相电压波形，电流波形。将数据按照上文定义的t0—t4分为4段，在本具体实施例中，t0-t1和t2-t3用来分析被检测绝缘电缆的介质谱特性。对t0-t1和t2-t3的电压电流波形分别进行傅里叶变换，得到两段时间内电压、电流波形的频域波形，求取两波形的相位差随频率f的变化曲线δ(f)，再得到介质损耗值随频率变化的曲线tanδ(f)。
适用于以上电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，包括；
指数波形电压激励源，用于产生周期变化的指数波形电压，并施加在被检测绝缘电缆上；
耦合采样单元，在指数波的上升沿或下降沿采集指数波波形电压和电流；
介质谱计算模块，通过所采集的波形电压和电流的频域相位关系计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线。
还包括：绝缘状态评估模块，根据介质损耗检测结果和耐压检测结果，利用识别模拟法对被检测绝缘电缆的电缆绝缘状态进行评估。
如图2所示，所述指数波形电压激励源包括交流变压器32(在本具体实施中为升压变压器)、半导体开关模块、波形适应模块38和总控单元39；所述交流变压器32的两个输入端(一次端)通过一次侧切断装置31与交流电源(在本具体实施例中为市电电源)相连；所述变压器的两个输出端，一端通过保护电阻33与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆36与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块34和第二半导体开关模块35；所述第一半导体开关模块35仅在正向充电回路(t0-t1)与反向放电回路(t3-t4)中工作；所述第二半导体开关模块34仅在正向放电回路(t1-t2)与反向充电回路(t2-t3)中工作；所述波形适应模块38包括，与高压硅堆36相连的第一输入端和与交流变压器32另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元39(通过光纤)与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路变压器一次侧；所述总控单元(通过光纤)与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元(通过光纤)与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；
所述交流变压器的输出电压为0到30kV。
在本具体实施例中，一次侧切断装置31采用10A固态继电器；升压变压器32为220V输入，30kV输出，功率500W高压试验变压器；保护电阻33采用阻值为15kΩ，功率10W的高压无感电阻，高压硅堆36、37为30kV耐压，通流20A的高压硅堆，总控单元39为基于ARM控制的FPGA控制电路板，输出多路光/电信号，分别控制固态继电器、高压半导体开关和波形适应模块。
在本具体实施例中，所述第一和第二半导体开关模块两者具有相同的结构，如图3所示，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGTB芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连传递控制信号。在本具体实施例中，市电作为供电电压与隔离变压器的输入端相连，隔离变压器采用100W，隔离电压30kV的高压隔离变压器。
所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容51；还包括串联与第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。在本具体实施例中，通过半导体开关的选择性动作对模块38串入指数波形激励源的电阻阻值进行变化(短路电阻)，达到修改U0中α值进而调节试品两端指数波电压波形的目的。半导体开关512，513，…，521仅在高压半导体开关35工作时选择性导通，其他时刻全部关断；半导体开关52，53，…，511仅在高压半导体开关34工作时选择性导通，其他时刻全部关断。
如图4所示，在本具体实施例中，电容51采用500nF/30kV高压陶瓷电容，半导体开关52，53，…,511及512，513，…,521采用ixys公司的IGBT芯片IXB40N1000，单个IGBT芯片耐压3kV，通流40A；电阻522，523，…，531采用1.5MΩ，功率30W电阻串联。
如图5所示，所述耦合采样单元包括电流采样电阻64和电阻分压器；所述电流采样电阻64一端与被检测绝缘电缆的金属屏蔽层相连，另一端接地；所述电阻分压器的一端与被检测绝缘电缆的线芯相连，另一端接地。
所述电阻分压器包括串联的高压电阻阻隔电阻61和低压电阻阻隔电阻63，所述高压电阻阻隔电阻的一端与被检测绝缘电缆的线芯相连。
在本具体实施例中，电流采样电阻64为10kΩ，2W精密无感电阻，高压电阻阻隔电阻61采用3个50MΩ/10W高压玻璃釉电阻串联而成，低压电阻阻隔电阻63为150Ω/2W金属膜电阻。
低压电阻阻隔电阻63放入屏蔽盒中，减小空间电磁干扰。
Claims (9)
1.一种电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法，具体方法为：在被检测电缆上施加周期变化的指数波形电压；在指数波的上升沿或下降沿通过波形电压和电流的频域相位关系计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线；
所述周期变化的指数波形电压的波形满足以下表达式：
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其中，U0为所述周期变化的指数波形电压的波形；Vin为预设的电压幅值；α为指数波形衰减参数，其值由指数波形激励源设定参数与被检测电缆电容容值和绝缘电阻参数决定；t0～t4依次等时间间隔分布；所述方法还包括耐压检测：提高施加电压等级，直至达到被检测电缆最高允许施加电压值或加压过程中发现击穿现象或潜在击穿风险，并记录该最高电压值；随着电缆寿命增长重复该耐压检测，记录随着电缆寿命增长发生的耐压变化趋势与数据分散性。
2.根据权利要求1所述的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法，所述方法还包括：根据介质损耗检测结果和耐压检测结果，利用识别模拟法对被检测绝缘电缆的电缆绝缘状态进行评估。
3.根据权利要求1所述的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测方法，所述计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线的具体方法为：将被检测绝缘电缆两端采样得到的电压和电流波形进行信号提取，提取上升沿信号间的电压电流波形信号，并对其进行傅里叶变换，得到电压和电流频域幅值相位波形，进而计算二者的相位差δ，计算tanδ即可得到被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线。
4.一种电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，包括；
指数波形电压激励源，用于产生周期变化的指数波形电压，并施加在被检测绝缘电缆上；
耦合采样单元，在指数波的上升沿或下降沿采集指数波波形电压和电流；
介质谱计算模块，通过所采集的波形电压和电流的频域相位关系计算被检测绝缘电缆的介质损耗正切值曲线；
所述指数波形电压激励源包括交流变压器、半导体开关模块、波形适应模块和总控单元；所述交流变压器的两个输入端通过一次侧切断装置与交流电源相连；所述变压器的两个输出端，一端通过保护电阻与半导体开关模块相连，另一端接地；所述半导体开关模块通过高压硅堆与波形适应模块相连；所述半导体开关模块包括第一半导体开关模块和第二半导体开关模块；所述第一半导体开关模块仅在正向充电回路与反向放电回路中工作；所述第二半导体开关模块仅在正向放电回路与反向充电回路中工作；所述波形适应模块包括，与高压硅堆相连的第一输入端和与交流变压器另一输出端相连的第二输入端；所述波形适应模块还包括与被检测绝缘电缆线芯相连的第一输出端和与被检测绝缘电缆接地线极相连的第二输出端；所述总控单元与控制一次切断装置相连，在放电阶段切断电源，同时短路变压器一次侧；所述总控单元与第一和第二半导体开关模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的频率；所述总控单元与波形适应模块相连，来调节施加于被检测绝缘电缆上的指数电压的波形形状；
所述交流变压器的输出电压为0到30kV。
5.根据权利要求4所述的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，还包括：绝缘状态评估模块，根据介质损耗检测结果和耐压检测结果，利用识别模拟法对被检测绝缘电缆的电缆绝缘状态进行评估。
6.根据权利要求4所述的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，所述第一或第二半导体开关模块包括10个以上IGBT开关单元串联结构的电子电力开关，每个IGBT开关单元结构包括依次相连的隔离变压器、IGBT驱动电路、IGTB芯片和缓冲保护电路；总控单元与IGBT驱动电路相连。
7.根据权利要求4所述的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，所述波形适应模块包括连接于两个输入端或两个输出端之间的隔离电容；还包括串联于第一输入端和第一输出端之间的两个以上的IGBT模块；所述IGBT模块包括第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管两个IGBT晶体管和一个参数调节电阻；所述第一IGBT晶体管的发射极连接于参数调节电阻一端，集电极连接于参数电阻的另一端；所述第二IGBT晶体管的集电极连接于所述参数调节电阻一端，发射极连接于所述参数电阻的另一端；总控单元与所有IGBT晶体管的门极相连，控制每个IGBT晶体管的开断。
8.根据权利要求4所述的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，所述耦合采样单元包括电流采样电阻和电阻分压器；所述电流采样电阻一端与被检测绝缘电缆的金属屏蔽层相连，另一端接地；所述电阻分压器的一端与被检测绝缘电缆的线芯相连，另一端接地。
9.根据权利要求8所述的电缆绝缘介质谱及绝缘状态耐压检测装置，其特征在于，所述电阻分压器包括串联的高压电阻阻隔电阻和低压电阻阻隔电阻，所述高压电阻阻隔电阻的一端与被检测绝缘电缆的线芯相连。
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