《高压xlpe电缆绝缘检测及评估系统设计与实现1123》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高压xlpe电缆绝缘检测及评估系统设计与实现1123（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 电缆绝缘状态检测及评估原理前已指出，我们研究的内容是将局部放电试验、交流耐压试验和定位技术整合在一起，更加科学地判断被试电缆的绝缘状态。本章着重阐述试验设计及实现过程中用到的原理，具体包括：脉冲电流法测电缆局部放电、变频谐振技术、放电量的校准、干扰抑制、电缆长度测量及故障定位。2.1 脉冲电流法测电缆局部放电2.1.1 脉冲电流法概述局部放电是绝缘介质内部发生的局部重复击穿和熄灭现象，这种放电一般发生在电缆的局部缺陷处，放电量很小，在放电初期基本不会影响电力电缆的绝缘能力，但如果这种放电长期发生，则会逐渐的损坏电缆的绝缘，缩短电缆寿命。由于局部放电时，电缆的绝缘电阻、介质损耗和泄露电流
2、都不会有太大变化，因此，检测以上参数是无法判断出局部放电的。但在绝缘发生局部放电的时候，一般都会产生电脉冲、电磁波放射、光、热、声、噪普等现象，这些现象就可以作为局放检测的对象。根据检测物理量的不同，其方法有：脉冲电流法（测试试样两端电荷的变化）、电桥法（测放电能量损耗）、无线电干扰电压法（测放电产生的无线电干扰电压），以及许多非电检测法（测局部放电所发生的声、光、热以及放电生成物等）。其中脉冲电流法的灵敏度最高，而且可以测得放电量（视在放电电荷）、放电重复率及平均电流、放电能量等，是最基本最为广泛应用的一种方法。脉冲电流法对局部放电频谱中的较低频段（一般为数千赫兹至数百千赫兹或至多数兆赫兹，
3、局部放电信号能量主要集中在该段频带内）成分进行测量，以避免无线电干扰，是一种选择视在放电电荷作为测量局部放电量的方法。由于局部放电引起电荷转移，在试验回路中就产生高频电流脉冲，电流脉冲流经检测阻抗就变成电压脉冲，电压脉冲的波形和幅值可以用示波器来测量。电压脉冲波的大小正比于视在放电量q，这个量的单位是pC（微微库）。这种方法最初由英国电气研究协会（ERA）提出，从70 年代起就得到国际电工委员会（IEC）的推荐，现在在我国已被广泛地采用。图2-1 为脉冲电流法基本原理示意图。L-单位长度电缆的电感 C- 单位长度电缆的电容 Cc-放电气隙的电容 Cb-与气隙串联部分介质的电容2.1.2 电缆中
4、局部放电测量对于电机线棒、套管、电容器以及绝缘材料等试样，可以把试样看作一个集中参数Cx，但对于长电缆就不能看作集中参数。长电缆中局部放电产生的脉冲电压在终端可能产生反射或振荡，这时局部放电等效电路就必需用分布参数来表示（如图2-2 所示），局部放电的特性可以用分布参数的等效电路中出现的行波来表征，这种测量方法称为行波法。L-单位长度电缆的电感 C- 单位长度电缆的电容 Cc-放电气隙的电容 Cb-与气隙串联部分介质的电容电缆缺陷处产生的局部放电脉冲将以一定的传播速度沿电缆长度传播，并在末端发生反射，反射后继续传播，。行波检测法是测量电缆终端检测阻抗上局部放电产生的脉冲电压幅值，或脉冲电压产生
5、的视在放电电荷。为简化计算，可用电缆的特性阻抗ZC 来代替L 与C，等效电路如图2-3 所示：当气隙发生放电时，脉冲电流ib 同时通过两侧特性阻抗ZC，因此在电缆终端也就是特性阻抗两端出现的电压为：U0=ibzc2 设一次放电时间为 0 t ，则电压波所围的面积为: Q 相当于视在放电电荷。由此可见，A 正比于q。只要测出电缆终端电压波所围的面积就可计算出视在放电电荷。在内部气隙放电时，单个放电波形近似为一个方波如图2-4 所示。这时在0 t 时间内电压幅值都保持为0 U ，因此上面式子可改写为：在这种情况下，可以用电缆终端出现的电压幅值来表示视在放电电荷7。2.1.3 局部放电测试回路根据测
6、试回路的特点，行波检测法可分为“直测法”和“平衡法”两种。所谓直测法，指直接测量局部放电所产生的脉冲电流在检测阻抗两端响应的脉冲电压，有并联法（检测阻抗与耦合电容器串联）与串联法（检测阻抗与电缆Cx 串联）两种。平衡法须要两个检测阻抗，一个与耦合电容器串联，一个与电缆Cx 串联，主要特点在抗外来干扰的能力强。Ck耦合电容器；Zd检测阻抗；Zm阻塞阻抗；PDD测试仪器；HV高压电源其中，阻塞阻抗Zm 亦称高压滤波器，它可抑制从试验电源侧窜进试验回路的干扰，也可阻止试样的局部放电脉冲通过试验电源泄露掉。既有效地抑制来自电网的干扰，又较好地提高局部放电的检测灵敏度。以上三种测试回路大同小异，不论哪种
7、测试回路，都是由电缆、耦合电容器（隔离电容器）Ck 以及检测阻抗Zd 组成。耦合电容的作用是将试样局部放电产生的脉冲信号耦合到检测阻抗上去。在并联测试回路中耦合电容器Ck 又起隔离工频高压的作用，使检测阻抗处于低电位。耦合电容器在试验电压下不允许产生局部放电，而且残余的电感要足够小，以免在测试回路中产生振荡。检测阻抗的作用是取样，当试样产生局部放电时，测试回路中就有脉冲电流，于是检测阻抗两端就会出现脉冲电压，这个电压的幅值与波形是与局部放电的大小、快慢以及测试回路的各参数，特别是检测阻抗有关。2.1.3.1 检测阻抗检测阻抗，也称为输入单元，主要作用是取得局部放电所产生的高频脉冲信号，对试验电
8、压的工频及其谐波的低频信号则予以抑制。检测阻抗是连接试品与仪器主体部分的一个关键部件，对仪器的频率特性与灵敏度有直接关系。常用的检测阻抗有RC 型和RCL 型两种如图2-6 所示：电容Cd 主要由至仪器主体连接电缆的电容、放大器输入电容等组成。当试样产生局部放电时，试样两端有电荷变化为qa，如果试样两端不接测试回路，则试样两端的电压变化为x=qacx (2-5)在上述测试回路中试样两端的电压变化为由于这个脉冲电压的上升时间很短，在上述测试回路中Ck、Zd 上电压初始值都可以看作与其电容量成反比，这时检测阻抗两端的电压初始值为式中， CT=Cx1+CdCk+Cd ,Cx 为试样的电容（pF），C
9、k 为耦合电容（pF），Cd 检测阻抗的电容（pF），qa 视在放电电荷（pC）从式（2-7）可以看出以下几点：1） 当测试参数已定之后，Ud 与qa 成正比，因此可以用检测阻抗两端的电压来代替放电量。2） 当试样的电容量增大时，Ud 减小，因此对于大电容量的试样如电容器、长电缆等若要测得较小的放电量就需要测试仪器具有更高的灵敏度。3） 在测试仪器的灵敏度一定时，增大Ck 或减小Cd 可以提高测试灵敏度。但Cd受引线分布电容所限，在调谐回路中还受调谐条件所限。在串联回路中，增大Ck 就会抬高检测阻抗两端的工频电压，从安全和放大器正常工作的要求出发不允许在检测阻抗两端出现高的工频电压。而且Ck
10、增大通过检测阻抗的电流也要增大，因此检测阻抗的容量也要相应地增大7。2.1.3.2 放大器从检测阻抗取得的局部放电信号是很微小的，例如当试样电容为10-6F，放电量为10-12C 时，试样两端电压变化约为1V，而且获得的检测脉冲信号中混有数值相对可能高得多的工频电压或其谐波分量。为了只放大局部放电脉冲信号，放大电路一般由高通滤波器及适当频带宽度的放大器组成。放大器对显示的脉冲波形、响应特性、灵敏度及噪声性能等都有直接影响。放大器要低噪声（信/噪比应不小于2：1）、高放大倍数（增益在80dB 左右），频带要与测试回路的频带匹配。根据放大器的频率特性，可将放大器分为两类，如图2-7（a）、（b）所
11、示：f1-频带下限频率 f2-频带上限频率 f0-谐振频率 f-频带宽度1、宽带及低频放大器频带的下限频率f1 一般为数kHz（3dB 点），以阻止工频及其谐波电压侵入。宽带放大器的上限频率f2一般取一至数十MHz（3dB点）；而低频放大器的f2一般为（100300）kHz（3dB 点）。宽带放大器一般与RC 型检测阻抗相配，而低频放大器一般与RCR 型检测阻抗相配8。宽带放大器由于易受外界噪声影响，限制了它的广泛应用。仅在少数场合（例如行波法定位）下获得应用。低频放大器受外界干扰的影响较小，易获得高增益，灵敏度仍较高，故成为脉冲电流法测试仪主要采用的放大器类型。2、 调谐放大器又分为窄频带与
12、中频带两种方式。窄频带放大器主要在无线电干扰电压法（RIV 法）中应用。因频带窄（约10 kHz），中心频率f0 可调节，以避开外干扰大的频域，故有实用意义。但其包络线范围大，分辨率差，其脉冲分辨时间可达200s 以上，而且脉冲极性不能判别，我国应用较少8。中频带调谐放大器是针对窄带放大器的分辨率太低所进行的改良，随着f 频带展宽至100kHz 左右，脉冲分辨率有改善，但仍不能判别放电脉冲波的极性。在实际测量中，由于测试装置对脉冲信号总是要有一定的时间响应，致使最终测得的脉冲电压幅值与检测阻抗和放大器的频率响应都有关。2.2 变频谐振技术单位长度圆形单芯电缆的电容8式中：0真空介电常数，0 =
13、8.861012 (F/m)； 绝缘材料的相对介电常数，挤塑绝缘常用绝缘材料的（相对）介电常数见表2-1；e D 绝缘外径（不包括外半导电屏蔽层厚度）；c D 线芯导体外径（包括线芯表面半导电屏蔽层厚度）。与其它电工产品相比，电缆的电容量很大。采用传统的工频试验变压器笨重、庞大，且大电流的工作电源在现场不易取得，因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备（50Hz），但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大都采用调频式串联谐振试验设备，可以得到更高的品质数（Q 值），并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的
14、组合方式（单件重量大为下降）等优点。综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。国际大电网会议第21、09工作组发布的试验导则，建议频率范围为30300Hz。串联谐振亦称电压谐振。串联变频谐振试验的工作原理如图2-8所示。（1） 变频电源：频率在30300Hz连续可调的功率源。（2） 励磁变压器：用于给电感、电容谐振系统提供能量的变压，特点是变压器的铁芯特性能适应较宽频率下的电压响应，与变频源配套使用。（3） 谐振电抗器：用于同试品电容进行谐振，以获得高电压（大电流）的电抗器。规格有：30H/20kV/2A、40H/40kV/3A等，一般配13个可根据需要串并组合（4）
15、电容分压器：用于精确测量试品端所加电压值。图中，交流220V、50Hz 电源经变频器输出30300Hz 频率可调的电压，输入励磁变压器T，升压至02000V，再经谐振电抗器L (可以是串并联组合的电抗器) 和被试电缆Cx，构成高压主谐振回路，电容分压器为纯电容式，用来测量试验电压，其中，C1 、C2 分别为电容分压器的高压臂和低压臂。串联变频谐振试验原理的等效电路如图2-9所示。R为高压试验回路等效电阻，C为被试电缆、电容分压器及引线分布电容等综合电容之和，简称为试品电容。在这样的R、L、C串联回路中，当变频电源的频率f 逐步升高时，谐振电抗器的感抗XL = 2fL 逐步增大，而试品电容的容抗XC = 1/ (2fC) 随着频率f 的增大，反而逐步减小。当达到电容中的某一频率时，回路中的感抗与容抗相等(XL = XC)，电感中的电磁场能量与试品电容中的电场能量相互来回反馈补偿，试品所需的无功功率全部由电抗器供给，电源只提供回路的有功损耗。此时，电路达到谐振状态，谐振频率为 f = 12LC (2-9)设回路电流为I，则励磁电压 UT = IR (2-10
