10_kV配电电缆绝缘耐压与局放一体化测试方法研究_沈谢林.pdf

10 kV配电电缆绝缘耐压与局放一体化测试方法研究沈谢林1，王利2，郭建钊1，钱渊泉1，杨赛柯2，李洪杰2（1.国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建 泉州362000；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049）摘要：振荡波与超低频正弦测试技术是电力电缆绝缘状态检测的有效方法。文中提出了一种新型的超低频正弦与振荡波一体化测试技术，能够大大提高现场检测效率。该方法在传统串级倍压电路拓扑结构的基础上，创新性地拓展了其功能，研制了电缆测试的一体化系统，可以实现电缆绝缘的超低频正弦耐压以及振荡波局部放电一体化测试。文中针对所提出的系统，详细分析了两种不同电压的产生原理及其波形特性，并利用MATLAB/Simulink进行仿真分析，进一步验证了该一体化测试方法的可行性。最后，建立了实验室样机系统，通过实验室测试，证明该一体化系统的合理性。关键词：一体化绝缘检测技术；配电电缆；振荡波；超低频；局部放电Research on Integrated Method for Withstanding Voltage and Partial Discharge Test of10 kV Power Cable InsulationSHEN Xielin1，WANG Li2，GUO Jianzhao1，QIAN Yuanquan1，YANG Saike2，LI Hongjie2（1.State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd.，Quanzhou Power Supply Company，Fujian Quanzhou 362000，China；2.School ofElectrical Engineering，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract:Oscillating waveform and very low frequency（VLF）test technologies are effective methods for insulationstate detection of power cable.In this paper，a kind of a new type of VLF with sinusoidal waveform and DAC integrated test technology is proposed，which can greatly improve detection efficiency at site.The method，on the basis of traditional cascade voltage doubling circuit topology，innovatively expands its function.The integrated system of cabletest is developed，which can achieve integrated test of VLF withstanding voltage and PD of oscillating waveform.Inview of the system proposed in this paper，the generation principle and its waveform characteristic of two kinds of different voltages are analyzed in detail.The simulation analysis is performed by the use of MATLAB/Simulink and thefeasibility of the integrated test method is verified further.Finally，the prototype system of the test laboratory is set upand the practicability of the integrated test system is proved further by the test in the test laboratory.Key words:integrated insulation test method；power cable；oscillating waveform；very low frequency testing；partial discharge0引言随着中国城市化进程的不断推进，在配电系统中，电力电缆因其可靠性高、土地成本低、负载能力强等优势逐步取代架空线路，成为配电系统的关键设备。因此，电力电缆的安全运行对于保障供电可靠性至关重要1-3。电力电缆的绝缘状态检测是电力部门排查安全隐患、保证可靠供电的重要手段。通过多年的研究与发展，多种电缆绝缘测试方法应运而生4-11。超低频正弦电压因其类工频特性被广泛应用于电缆绝缘的耐压与介质损耗特性测试。IEEE与第59卷第2期：012001262023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01200126Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.016_收稿日期：20220812；修回日期：20221015基金项目：国网福建省电力有限公司科技项目(配电电缆绝缘状态现场一站式测试及数据管理技术研究与应用)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd.(Research and Application ofOnsite Integrated Testing and Data Management Technology of Distribution Cable Insulation).IEC的相关规程中给出了超低频正弦电压测试系统的结构以及性能要求12-13。柳淑艳等学者提出了一种将传统机械式超低频发生器与现代电力电子技术相结合产生超低频正弦电压的方法14。高磊等学者应用级联多电平逆变器及载波移相SPWM调制算法实现0.1 Hz超低频正弦电压15。沈谢林等学者通过设置专用充放电支路以及极性转换开关，实现了超低频正弦电压16。同时，振荡波测试作为电力电缆局部放电检测的有效方法，已被国内外学者广泛认可17-20。赵学风等学者提出了一种基于变频谐振原理的振荡波检测技术21。陈玉豪等学者为避免空间电荷的累积而对电缆绝缘造成损伤，提出了一种串联电容式的振荡波测试系统22。李成榕等学者基于传统的振荡波电压产生原理，通过设计专用的高压固态放电开关提出了一种用于35 kV的振荡波测试系统23-24。现场应用过程中，不同检测手段相结合的测试方法能够获得更为准确的绝缘状态判断依据。然而，现行的电缆绝缘状态检测系统具备分别独立的硬件结构，不利于多种检测手段现场测试的同时开展。因此，研究超低频与振荡波一体化检测方法对于提高现场测试效率，简化测试流程意义重大。但是，在已有的文献中，超低频正弦与振荡波电压一体化测试的方法还未被提及。文中通过设计具备双向导通能力的高压固态开关，提出了一种新型的超低频正弦与振荡波一体化测试技术，以用于配电电力电缆的绝缘测试。通过对该一体化测试系统工作原理的详细分析、硬件实现以及实验室样机测试，验证了该一体化测试方法的有效性以及实用性。1一体化测试系统的原理与设计文中提出的电力电缆绝缘测试系统能够实现超低频正弦耐压与振荡波局部放电测试一体化，相较现有的测试系统，文中提出的方法具备紧凑式电路拓扑，使得现场测试设备实现小型化与高效化成为可能。1.1主电路拓扑结构根据超低频正弦波电压与振荡波电压的形成原理，文中提出的一体化测试系统结构见图1。该电路拓扑主要由高频电压源、升压变压器、双向串级倍压模块、模式控制单元、待测试品、数据采集单元以及控制系统组成。高频电压源由整流逆变单元组成，为串级倍压模块提供电压支持，同时，通过高频电压的实现，能够提高试品的充电速度，减小纹波系数。升压变压器为高频变压器，能够大大缩减一体化检测设备的体积以及重量。双向串级倍压电路基于传统倍压电路，将二极管替换为一组背靠背绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)串联组成的高压双向开关，每个IGBT芯片均含有反向并联二极管，为双向工作状态提供电流通路。模式控制单元由高压固态继电器K、低通滤波电阻RLP、空心电感L组成。K为单刀双掷高压继电器，当该系统运行于超低频正弦模式下，开关K闭合于触点1，滤波电阻与电缆试品等效电容共同构成低通滤波电路，抑制超低频正弦电压中的脉动高频噪声；当该系统运行于振荡波模式下，开关K闭合于触点2，具有良好线性度的空心电抗器与试品电容构成谐振回路，用于形成振荡波电压。1.2超低频正弦波模式滞环控制法是文中所提出的电缆绝缘一体化测试系统实现超低频正弦电压的基本原理，见图2。图2超低频正弦电压形成原理Fig.2Formation principle of VLFsin voltage图1一体化测试系统拓扑结构Fig.1Topology of integrated test system研究与分析沈谢林，王 利，郭建钊，等.10 kV配电电缆绝缘耐压与局放一体化测试方法研究 1212023年2月第59卷第2期图2中：目标输出电压为u*；滞环带宽为u。通过设置不同频率、不同峰值的参考电压u*，即可产生满足试验要求的超低频正弦电压。该方法是基于闭环反馈设计而来，具有电压响应速度快、硬件成本低等特性，但是缺点在于会在输出的超低频正弦电压中引入高次谐波。因此，合理的电路拓扑与参数的确定以抑制高次谐波，是获得满足试验要求的超低频正弦电压的重要保证。当该系统运行于超低频正弦模式时，首先将高压固态继电器K闭合于触点1，低通滤波电阻RLP接入系统，高压开关Tia、Tic导通，Tib、Tid关断(其中i=1，2，下同)，为试品电缆正向充电，通过试品端的电压反馈电路实时监测电压值。若输出电压达到上限阈值u*+u，则关断高压开关Tia、Tic，停止充电，同时将Tib与Tid导通，高压直流电源将对试品电缆反向充电。若输出电压达到下限阈值u*-u，则关断高压开关Tib、Tid，停止反向充电，同时导通高压开关Tia、Tic，继续为试品电缆正向充电。令此控制过程循环进行，即可实现基于滞环控制原理的超低频正弦电压。1.3振荡波模式将高压继电器K闭合于触点2，滤波电阻退出运行，空心电感接入系统，一体化测试系统将运行于振荡波模式。首先将高压开关Tia、Tic导通，根据试验要求，为试品电缆充电至预设电压值，充电完成后，切断高频电压源，将Tia、Tib、Tic、Tid同时导通，由电感与电容组成的谐振回路进行放电，见图3，即可在试品电缆端形成振荡波电压。图3振荡波形成等效回路Fig.3Equivalent circuit generated by DAC voltage试品两端振荡波电压见式(1)-(5)：UCx(t)=U0Ae-(t-t0)cos(t-t0)+(1)A=1-R2LCx4L(2)a=RL2L(3)=1LCx-RL2L2(4)=arccosA(5)式(1)-(5)中：U0、t0分别为振荡波形成的初始电压以及初始时刻；L为空心电抗器等效电感值；RL为空心电抗器等效电阻值；Cx为试品电缆等效电容值。2系统仿真与参数特性分析为了验证文中提出的电缆绝缘一体化检测技术的可行性，文中利用MATLAB/Simulink对该系统进行了仿真研究。根据上述两种电压模式下的工作原理，滞环带宽、低通滤波电阻以及负载情况会直接决定超低频正弦电压的波形特性，而振荡波电压极易受到电缆绝缘电阻的影响。因此，文中将在上述不同参数下