振荡波测试系统调研报告Word格式.docx

振荡波测试系统调研报告Word格式.docx

《振荡波测试系统调研报告Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《振荡波测试系统调研报告Word格式.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

其次，不论预防性试验采用上述哪种试验方法，其所选取的试验电压均很高，实际上是对电缆主绝缘进行一次损伤，相应缩短了电缆安全运行寿命。

但在目前还没有更好的试验方法诞生之前，这些试验方法无疑是比较热门的研究课题，亦是人们可以选用的试验方法。

随着供电可靠性要求提高，在线检测，状态检修是国内外电力企业今后发展的必然趋势。

大型电气设备如变压器、开关等在线检测技术发展较快，已进入实际运用阶段。

特别是变电站无人值守、远程控制和数据图像远程传输等技术的发展，实现XLPE绝缘电力电缆在线检测、逐步达到状态检修的要求迫在眉睫。

我国电力电缆在线检测技术研究和应用与国外发达国家差距不大，包括表1所示的在线检测技术的理论研究，如小波理论、神经网络和专家系统等，基本与国际先进国家同步。

然而，现有的关于XLPE绝缘电力电缆绝缘在线监测技术尚不完善，均没有得到推广应用，特别是发现电缆绝缘早起缺陷的有效性和可靠性、以及抗干扰能力、缺陷信号提取技术和识别技术还需要从理论和实践上做进一步创新。

电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘一定存在这可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。

准确测量XLPE绝缘电力电缆的局部放电量，特别是现场在线测量或现场在线巡回测量。

是当前判断该电缆绝缘品质的最直观、最理想、最有效的试验方法，同时，亦是研究开发难度最大的方法。

振荡波测试系统（OWTS，OscillatingWaveTestSystem）是近年来国内外应用效果较为良好的一种用于XLPE电力电缆的检测技术。

研究表明，振荡波电压与交流电压具有良好的等效性，且与交流电压、超低频电压相比，作用时间短、操作方便，还可以发现XLPE电力电缆中的各种缺陷，不会对电缆造成损伤，因此OWTS具有良好的应用前景。

OWTS系统是一种用于电缆状态诊断的重要工具。

它具有简单实用、体积小、便于运输、可在交流条件下进行非破坏性实验等优点，方便地用于电缆的现场测试和诊断，能为计划性维修提供了依据，使运行人员能及有效时地了解电缆的运行状况。

为确保北京奥运会和残奥会电力设施设备的安全运行，有效预防设备事故，由北京电力试验研究院负责，对33个奥运会和残奥会比赛场馆及相关设施进行配电设备状态检测工作中，就是用OWTS系统对10kV配电电缆进行振荡波局放测量

和定位。

主要用于发现电缆中间接头、终端头是否存在局部放电，通过测量局部放电的大小判断电缆缺陷的严重程度，为是否更换电缆、中间接头或终端头提供参考。

振荡波电压与交流电压的绝缘试验等效性较好,前者作用时间短,操作方便,即使耐压试验时所加电压超过电缆的额定电压一定幅值,也不会在电缆中引发新的缺陷。

应用振荡波电压检测电力电缆中的气隙缺陷及施工中留下的缺陷很有效,在检测电缆中的电树枝时,电树枝起始电压与电缆击穿电压有一定差距。

因此应用振荡波电压进行电力电缆竣工或维修后的交接试验是较理想的实验方法。

振荡波电压和50Hz交流电压下的局放定位结果一致,说明了振荡波电压和交流电压的等效性。

振荡波电压下XLPE电缆局放起始电压与振荡波电压频率无关,而局放量随振荡波电压频率降低而增加,通过合理选择振荡波频率,可检测XLPE

电缆局放。

利用振荡波电压进行XLPE电缆耐压试验时结合局放检测,可更加有效发现电缆缺陷,且系统具有轻便、灵活、易于实现的特点,较适合于现场试验,具有广阔的应用前景【16】。

1.2几种测试电缆绝缘状态方法的比较

1.2.1直流耐压试验

根据理论分析和有关资料介绍，XLPE电缆采用直流耐压试验存在如下问题：

XLPE电缆或其它挤包绝缘电缆，在直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于材料的电阻率，而在交流电压下的电场分布主要取决于各介质的介电常数，因此直流电压和交流电压下的电场强度分布是完全不一样的，以致在交流电压下的绝缘薄弱处却往往不能在直流电压试验中检测出[3]。

在直流电压作用下电子注入到XLPE电缆聚合物介质内部，特别是电缆的半导体凸出处和绝缘杂质处，形成空间电荷，使该处的电场强度降低，难于发生击穿，而这些部位在交流电压下却是绝缘薄弱处。

XLPE电缆致命的一个弱点是绝缘内易发生水树枝，随着外施电压的性质、幅值和加压时间不同，对介质内水树枝影响也不同，在直流电压下介质中的水树枝将迅速发展成电树枝，导致介质绝缘性能劣化，从而使电缆发生早期损伤。

XLPE电缆在直流电压下会产生电荷“记忆”，即直流电压下所产的单极性残余电荷要通过很长时间才能释放干净，如果在电缆投入运行时这种直流偏压（DCBOAS）叠加在交流电压上，容易使电缆击穿或在电缆终端头产生滑闪放电[9]。

1.2.2交流耐压试验的几种方法

（1）超低频法

常用的是0.1HZ耐压试验。

由于电缆的电容量很大，进行工频试验时所需的试验变压器的容量很大，而且需要现场提供相当大的试验电源，为电缆提供无功功率，导致这种方法不适用于现场，因此采用超低频作为试验电源，可以使试验变压器的容量大大降低，0.1HZ下理论容量为工频的1/500，在现场实施起来较容易。

但采用这种方法对检出XLPE等挤包绝缘电缆主绝缘和附件绝缘缺陷的效果不佳，目前这种方法已在中低压电缆试验中应用[12]。

（2）振荡电压法

对电缆进行直流充电，达到一定的电压后通过间隙对电阻电感放电，从而得到一个阻尼振荡电压，用以检查电缆主绝缘和附件的缺陷。

这种方法比直流耐压试验有效，但仍存在一定的问题，一是振荡电压存在衰减，难以满足长电缆的需要，二是较高频率的电压对电缆有较大伤害。

（3）谐振耐压法

谐振耐压试验方法是通过改变试验回路中的电感、频率，使回路处于谐振状态，采用这种方法能满足高电压、大电流的试验要求。

谐振耐压法按调节方式分为调感式和调频式；

按谐振方式分为串联谐振和并联谐振。

（4）调感式谐振耐压

通过调节回路电抗器的电感量使电抗器与电缆的电容在工频（50HZ）下产生谐振，从而达到试验要求。

（5）调频式谐振耐压

通过改变试验电源的输出频率使回路中固定电感量的电抗器与试品产生谐振以达到试验要求。

（6）串联谐振法

当试验变压器的电流满足试验要求而电压达不到试验电压时，采用电抗器与试品串联的方式进行试验，当回路处于谐振状态时，试品上可以产生Q倍（Q为回路品质因数）的变压器输出电压，电源供给的能量仅仅是回路中消耗的有功功率。

（7）并联谐振法

当试验变压器的电压满足试验要求而电流达不到要求时，采用电抗器与试品并联的方式使回路参数满足谐振要求进行试验，此时电抗器的感性电流补偿试品的容性电流[4]。

2振荡波测试系统的基本原理

2.1概述

交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆线路局部放电量与电力电缆及附件绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆及附件绝缘存在着可能危及线路安全运行的缺陷，因此，准确测量XLPE电力电缆线路的局部放电量并进行定位是判断其健康水平的最直观、最理想、最有效方法。

OWTS（OscillatingWaveTestSystem）振荡波局放检测和局放源定位技术，是目前国际上应用比较广泛的能够对电力电缆线路全长范围内的本体和附件进行局放测量、局放源定位的唯一非破坏性技术手段。

此系统用于识别、评估和定位电缆绝缘层、接头和终端的局部放电（PD）故障。

具有如下突出的特性：

（1）局部诊断在振荡波测试电压下进行，电场强度分布与正常工作状态一样。

（2）局放评估和形式识别在正常电压级别下进行。

（3）自动校准和连接定位工具。

（4）局放等级测量根据IEC270,在50-1000Hz带宽下进行。

（5）电缆电容和被测对象的tanδ值通过电压波形的特征衰减来计算。

2.2OWTS测量系统的基本原理

2.2.1理论依据

（1）谐振的产生：

谐振是由R、L、C元件组成的电路在一定条件下发生的一种特殊现象。

首先，我们来分析R、L、C串联电路发生谐振的条件和谐振时电路的特性。

图1所示R、L、C串联电路，在正弦电压U作用下，其复阻抗为：

式中电抗

是角频率ω的函数，X随ω变化的情况如图2所示。

当ω从零开始向∞变化时，X从-∞向+∞变化，在ω＜ωo时,X＜0，电路为容性；

在ω＞ωo时，X＞0，电路为感性；

在ω＝ωo时X（ωo）=ωoL=1/ωC=0

此时电路阻抗Z（ωo）＝R为纯电阻。

电压和电流同相，我们将电路此时的工作状态称为谐振。

由于这种谐振发生在R、L、C串联电路中，所以又称为串联谐振。

式1就是串联电路发生谐振的条件。

由此式可求得谐振角频率ωo如下：

谐振频率为：

由此可知，串联电路的谐振频率是由电路自身参数L、C决定的。

与外部条件无关。

调节电路参数L或C时可得到不同的谐振频率

（2）品质因数：

串联电路谐振时，其电抗X（ωo）＝0,所以电路的复阻抗Z（ωo）=R呈现为一个纯电阻，而且阻抗为最小值。

谐振时,虽然电抗

，但感抗与容抗均不为零，只是二者相等。

我们称谐振时的感抗或容抗为串联谐振电路的特性阻抗，记为ρ，即：

ρ的单位为Ω，它是一个由电路参数L、C决定的量，与频率无关。

工程上常用特性阻抗与电阻的比值来表征谐振电路的性能，并称此比值为串联电路的品质因数，用Q表示，即：

品质因数又称共振系数，有时简称为Q值。

它是由电路参数R、L、C共同决定的一个无量纲的量。

（3）RLC串联谐振在振荡波试验中的实用意义

以下对RLC串联谐振应用于电气设备振荡波试验中的实用意义进行阐述。

第一，用较低的输入电压在试品上产生较高的试验电压。

由以上所述的RLC串联谐振电路的基本原理可知，一个RLC串联电路的品质因数Q完全是由电路参数RLC决定的，与频率无关。

电路发生谐振时，电感、电容上的电压都为输入电压的Q倍，Q值越大，这两个电压也就越高。

当Q值很大时，电路发生谐振的情况下就将有UL=Uc>

>

U的现象出现。

我们知道，断路器、变压器、电缆等高压电气设备，在交流电压下对外均表现为容性负载，利用这一特性可以选用适当参数的高压电抗器和电容器与之组成串联回路，并使其满足谐振的条件从而发生串联谐振。

一般来说，交流耐压试验回路的电阻R都很小，这样就会使试验回路的品质因数很大，发生串联谐振时，就会在电容和电感上产生相当于输入电压Q倍的试验电压，通过调节输入电压的幅值就可以在试品端部达到所需的试验电压。

第二，大大降低了对试验装里和试验电源的容且要求。

由式

可知，谐振时电路中的总能量之和为一定值，且等于L或C中储能的最大值.LC两元件既不从电源吸收能量，也无电磁能量返回电源。

也就是说，电路在谐振时，电源输入的功率为纯有功功率，此时

谐振时，电容C上的电压为输入电压的Q倍，即Uco=QU。

因此，电容负载C的无功功率为

所以,利用谐振的方法对电容性试品进试验时,电源、调压器、开关等各种试验装置的容量降到到了试品所需无功功率的1/Q.通常，回路的Q值都在25以上，也就是说，假设试品需要400kVA的输出功率，但所需输入的电源功率却只要16kVA即可，从而大大降低了对电源容量和各种试验装置的要求。

2.2.2振荡波电压的产生

OWTS发生装置基于LC谐振原理[2],通常有2种产生回路，分别见图2-1、2-2。

图2-1振荡波电压测试回路原理

图2-2振荡波电压测试回路原理

第一种测试回路中C1与C2并联充电再对电感线圈放电,被测电缆上的最高电压U与充电电压Ua相等。

其电源频率f=1/2πL（C1+C2）。

第二种测试回路中交流高压经整流管D整流后充电C1,再经点火球隙对C2、L并联回路放电,f≈1/2πL（C1+C2）。

此时U=UaC1/（C1+C2）<

Ua,故C1应足够大,使电缆上电压足够高。

　　J1Y1KOO等应用这2种模型分别进行了研究,得到了2种电路下的OWTS,并对其分析:

当电缆为C2时,各种波形不因电缆长短的差异而畸变,电缆首末端的波形无差异,可观察到位移电流Ia且随电缆长度的增加而增大。

当电缆不参与充电过程时,产生的OWST的第一个脉冲具有明显的过电压,且幅值随电缆长度的增加而增大,与首端的波形相比,末端的电压电流波形明显衰减畸变,且电缆越长,衰减畸变越严重,这可能是由于电缆的电感在高频时发生串联谐振引起。

由此电缆充电时,得到的振荡波更为平滑、无过电压、无畸变、实用。

2.2.3系统原理

XLPE绝缘电缆本体或附件绝缘中存在一点或多点缺陷（微孔、杂质、半导电电极表面突起或凹陷等），使该点局部场强增加，当其超过所处绝缘介质的耐电强度时会发生局部放电，所产生的放电脉冲电流会在电缆线路回路中传播。

OWTS系统首先利用低压脉冲测距仪向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如断路点、短路点、中间接头等，通过故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差原理来测距。

得到电缆总长度之后，利用已知的标准放电量脉冲注入线路一端，标定局放检测仪的示值尺度。

图2-3给出的是现场应用OWTS测试系统测试8.7/10kVXLPE电缆时的标定界面，电缆长度为435m，注入脉冲为10nC，传播速度为170m/μs检测系统由直流升压单元和局放检测单元组成，试验在电缆停电时进行，检测时通过加压回路（如图2-4所示）施加直流0-2倍直流电压（U0），通过合上高压开关IGBT（绝缘栅双极型功率管），被试电缆与空心电感产生阻尼振荡，阻尼系数由电缆等效电容、阻尼电阻和电感确定。

根据不同电缆的等效电容大小，可以检测电容范围为0.05-2.00μF的电力电缆。

空心电感器对电感进行调节，以便得到50Hz-1kHz的振荡波，由于振荡波电压和50Hz交流电压的局放定位结果一致，说明了振荡波电压和交流电压具有等效性。

振荡波电压下XLPE电缆局放起始电压与振荡波电压频率无关，而局放量随振荡波电压频率降低而增加，通过合理选择振荡波频率，可检测XLPE电缆局放，检测出电缆局放点的准确位置和放电量。

读取电缆线路中产生的局部放电量数值，通过分析软件对电缆的局部放电进行定位和判定。

图2-3OWTS系统电路原理图

当高压电感L电感量确定时，施加的阻尼振荡交流电压频率主要取决于被试电缆的电容大小，如图2-4所示

图2-4DAC阻尼振荡交流电压频率与电缆电容的关系曲线

2.3OWTS简介

OWTSM系列是集成式局部放电定位系统，主要用于中压电缆的局放诊断。

系统测试频率为50Hz到几百赫兹的阻尼交流电压（DAC）。

系统在测试过程中产生的阻尼交流电压最高可达28kV,并结合先进的系统硬件与系统软件来进行诊断，主要包括：

-最新的电晶体技术和激光控制技术，如高压电晶体开关；

-电子元件，数字式信号处理，如高压电晶体开关、高压源；

-数字式信号处理器和过滤器；

-无线连接以及计算机内置系统，包括局放探测器、控制单元和局放分析器。

（1）硬件介绍

OWTS主要由两部分构成，请参见图2-5。

高压单元：

高压线圈、高压分压器、高压开关、局放耦合电容、耦合单元以及局放探测器。

控制单元：

笔记本单元主要用于控制测试程序、分析测试数据和保存测试数据，外部连接高压控制开关用于控制高压加压。

将系统接地后并内部连接，然后与被测电缆相连。

（2）软件

M系列OWTS软件主要构成如下：

OWTS测试软件已内置其中，是用户操作的主界面；

该软件是由笔记本电脑远程控制的。

该软件可以进行下述操作：

-定义测试对象；

-校准测试电路；

-加压测试；

-测试并保存测试数据；

OWTS浏览器软件内置于系统中，但也可以根据客户要求将该软件单机独立安装。

该软件的主要用途如下：

-显示并管理测试数据，生成测试报告；

-利用脉冲反射仪分析测试数据；

-生成测试报告；

-生成数据库特征。

图2-5M系列OWTS完整配置图

3OWTS在测量XLPE绝缘缺陷中的应用

3.1振荡波测试系统的电源技术

电力电缆由于其电容量大,很难在现场进行工频电压下的局部放电检测。

过去,充油电缆采用直流试验,可以大大降低对电源的要求。

但对XLPE电缆,由于其绝缘电阻较高,且交流和直流下电缆电压分布差别较大,直流耐压试验后,在XLPE电缆中,特别是电缆缺陷处会残留大量空间电荷,电缆投运后,这些空间电荷常造成电缆的绝缘击穿事故;

采用超低频（0.1Hz）交流电源进行试验,要求试验时间长,电缆绝缘损伤较大,会引发电缆中新的缺陷。

振荡波电压是近年来国内外研究较多的一种用于XLPE电力电缆局部放电检测和定位的电源。

该电源与交流电源等效性好,作用时间短、操作方便、易于携带,可有效检测XLPE电力电缆中的各种缺陷,且试验不会对电缆造成伤害[5]。

3.2振荡波测试系统的抗干扰技术

OWTS的电缆局部放电检测和定位装置具有带通滤波、小波分析、时延分析等抗干扰功能,可根据信号特点,方便地进行放电脉冲的选择。

该装置还可以生成清晰的局部放电图形（如电压波形与局部放电信号关系图、三维谱图等）,以便确定局部放电的类型。

由于电缆的电容量大（近微法拉级）,对局部放电量的测试要求严格（几皮库仑）,而电缆局部放电测量中不可避免的存在着环境噪声和外部干扰,局部放电信号往往淹没于这些噪声和干扰中,使测量变得非常困难,抗干扰技术的提高显得尤为重要。

这些干扰按时域和频域特征的不同,可分为窄带干扰、脉冲型干扰和背景噪声3类[5]。

由于干扰强弱、频域特性的不同,抗干扰技术要有一定的针对性。

（1）窄带干扰。

由于其频域特征与局部放电信号的频域特征有较大差异,而且频带十分窄,故大多采用频域滤波的方法进行抑制。

（2）脉冲型干扰。

由于其与局部放电信号非常相似,从单个波形上很难将它们区分开来,目前主要采取时延鉴别法进行鉴别。

时延鉴别法是利用外来干扰脉冲及发射波到达测量点的时间差与内部放电及反射波到达测量点的时间差的不同进行鉴别。

（3）背景噪声。

由于其在时域中表现为无规律的随机脉动,在频域中则表现为在整个频带上均匀分布,因而单从频域或时域都不能有效地进行抑制。

在小波去噪算法提出之前,往往采用时域平均的方法来抑制这种随机性的背景噪声,但效果并不理想,小波去噪算法的出现可以比较有效地解决这个问题。

3.3局部放电定位技术

电缆局部放电时，在放电点处发出脉冲波向两端传播，若放电点靠近电缆近端（如图3-1所示），其中，C为高压电容；

Z为检测阻抗，同时也做匹配阻抗，消除脉冲在高压端的反射。

传向近端的脉冲波到达近端后反射，且在定位仪上显示出来，称为输入波；

传向远端的脉冲波到达远端后反射到达近端且在定位仪上显示出来,称为反射波局部放电定位计算公式为[5][13]：

式中：

t1为输入电压波到达测试仪时间；

t2为反射电压波到达测试仪时间；

l为电缆长度；

v为脉冲波在电缆中的速度；

Δt为2个脉冲的时延。

如果局放源非常接近于远端，那么两个脉冲之间的时间延迟落入局放脉冲波的波宽内，下这两个各具Q/2电量的脉冲波，迭加显示在测量仪器上，结果产生具有Q电量的脉冲波[10]。

如图3-2所示。

如果电缆的末端接以与电缆的特性阻抗相等的阻抗时，则无反射发生，见图3-3接线。

即使局放点非常靠近电缆远端，在电缆的近端也仅显示Q/2电量。

50%的电荷被末端阻抗吸收了。

电力电缆的特性阻抗在10-60欧之间变化。

图3-1OWTS系统定位原理图

图3-2局放点靠近电线远端时局放脉冲波和反射波的迭加

图3-3基于时域反射法的局放定位波形

3.4局部放电信号在电缆中的传播特性

电缆中有关脉冲传播的参数研究为了研究电缆中脉冲信号传播规律，可用同轴传输线来代表电力电缆。

导线本身是有电阻存在的，这个电阻不是集中在导线的某一点上，而是分布在导线的整个长度上。

同时，当电流通过导线时，在导线周围就会产生电磁场，而磁通就分布在导线整个长度的周围，所以导线就有电感的效应。

而电感也是分布在导线的整个长度上，两线间的电场使导线间存在着分布电容，也分布在整个导线长度上。

这些沿线分布的电阻R、电感L、电容C、电导G，都以单位长度进行计量。

这四个参数都是传输线的最基