输电电缆介质损耗的测试装置及方法与流程

1.本发明涉及电力设备绝缘状态检测与故障诊断技术领域，特别涉及一种输电电缆介质损耗的测试装置及方法。


背景技术：

2.随着城市电网的发展，电力电缆由于良好的电气性能和传输特性已经成为电力传输的主流，但是电力电缆随着运行时间的不断增加，在外部因素和内部因素的共同作用下，内部会出现绝缘劣化现象，给电网安全运行带来极大的安全隐患，因此对电缆进行绝缘状态评估显得尤为重要。介质损耗是表征电气设备整体绝缘水平的重要参数，通过对介质损耗进行检测以及对其变化趋势进行分析，能够有效地对电缆的性能、寿命进行评估。
3.现有技术中，对于输电电缆的局部放电检测的装置，存在体积和质量较大，以及检测效果有待提升等不足的情况。对于这种现状，基于对输电电缆的局部放电检测方法主要由脉冲电流法、无线电干扰电压法、射频检测法、超高频检测法以及介质损耗分析法的认识，人们发现超低频余弦方波信号具有耐压等独特优势，因此，利用余弦方波信号对输电电缆进行局部放电检测的技术在电力设备绝缘状态检测中脱颖而出。目前，在余弦方波电压下开展的工作暂未形成对介质损耗测量的功能，因此，对于全面的电力设备状态检测仍然存在不足。


技术实现要素：

4.基于此，有必要结合余弦方波与介质损耗检测提供一种输电电缆介质损耗的测试装置及方法。
5.一种输电电缆介质损耗的测试装置，包括：
6.信号生成模块，用于输出超低频余弦方波信号至待测试的输电电缆；
7.采集模块，与信号生成模块连接，用于分别采集超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号和电流信号；
8.处理模块，与采集模块连接，用于根据采集到的电压信号和电流信号获取输电电缆的介质损耗。
9.在其中一个实施例中，采集模块包括：
10.电压测量单元，一端与信号生成模块的信号输出端连接，一端用于接地，电压测量单元用于测量超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号；
11.电流测量单元，一端与信号生成模块连接，另一端用于连接输电电缆，电流测量单元用于测量超低频余弦方波信号的输出路径上的电流信号；
12.采集单元，分别与电压测量单元和电流测量单元连接，用于采集电压信号和电流信号。
13.在其中一个实施例中，电流测量单元为无感电阻，无感电阻串联连接于信号生成模块和输电电缆之间。
14.在其中一个实施例中，电压测量单元包括：
15.高压臂电阻，与信号生成模块连接；
16.低压臂电阻，一端与高压臂电阻连接，另一端用于接地。
17.在其中一个实施例中，装置还包括：
18.传输模块，分别与采集模块和处理模块连接，用于将电压信号和电流信号从采集模块传送至处理模块。
19.一种输电电缆介质损耗的测量方法，应用于上述测试装置，方法包括：
20.输出超低频余弦方波信号至待测试的输电电缆；
21.分别采集超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号和电流信号；
22.根据采集到的电压信号和电流信号获取输电电缆的介质损耗。
23.在其中一个实施例中，根据采集到的电压信号和电流信号获取输电电缆的介质损耗，包括：
24.根据采集到的电压信号和电流信号拟合预设的参数模型，并获取参数模型中的拟合参数；
25.根据拟合参数获取输电电缆的介质损耗。
26.在其中一个实施例中，根据采集到的电压信号和电流信号拟合预设的参数模型，包括：
27.根据在超低频余弦方波信号的余弦时间段内采集到的电压信号和电流信号，分别获取多个目标时刻对应的电压信号的电压值和电流信号的电流值，以形成包括多个电压值的电压数据组和多个电流值的电流数据组；
28.根据电压数据组和电流数据组通过最小二乘法对预设的参数模型进行拟合。
29.在其中一个实施例中，预设的参数模型为其中，u(t)为电压数据组，i(t)为电流数据组，t为目标时刻，a、b、c、d、e和f分别为拟合参数。
30.在其中一个实施例中，根据拟合参数获取输电电缆的介质损耗，包括：
31.根据拟合参数获取系统衰减系数系统振荡角频率和相位差θ＝|d
‑
f|；
32.将系统衰减系数λ、系统振荡角频率w和相位差θ带入式中，获取输电电缆的介质损耗值tanδ。
33.上述输电电缆介质损耗的测试装置，包括信号生成模块，用于输出超低频余弦方波信号至待测试的输电电缆；采集模块，与信号生成模块连接，用于分别采集超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号和电流信号；处理模块，与采集模块连接，用于根据采集到的电压信号和电流信号获取输电电缆的介质损耗。本发明通过超低频余弦方波信号对输电电缆进行介质损耗检测可以对输电电缆的介质损耗变化趋势进行分析，能够有效地对电缆的性能、寿命进行评估。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
35.图1为一实施例的输电电缆介质损耗的测试装置之一；
36.图2为一实施例的输电电缆介质损耗的测试装置之二；
37.图3为一实施例的输电电缆介质损耗的测试装置之三；
38.图4为一实施例的输电电缆介质损耗的测试装置之四；
39.图5为一实施例的输电电缆介质损耗的测试装置之五；
40.图6为一实施例的输电电缆介质损耗的测量方法之一；
41.图7为一实施例的输电电缆介质损耗的测量方法之二；
42.图8为一实施例的余弦方波信号波形图。
具体实施方式
43.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
44.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
45.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
46.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
47.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
48.在其中一个实施例中，如图1所示，提供一种输电电缆介质损耗的测试装置100包括信号生成模块101、采集模块103以及处理模块105。信号生成模块101，用于输出超低频余弦方波信号至待测试的输电电缆，其中，为了降低输电电缆的局部放电量以及介质损耗，可以在输电电缆套管两端配置有均压罩，此时，信号生成模块101从均压罩一端与待测试的输电电缆连接；采集模块103，与信号生成模块101连接，采集模块103用于分别采集超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号和电流信号；处理模块105，与采集模块103连接，处理模块105用于根据采集到的电压信号和电流信号获取输电电缆的介质损耗。
49.其中，超低频余弦方波信号主要由信号生成模块101在连接上待测试的输电电缆
后，信号生成模块101的器件以间隔定期变换正负极性，从而得到超低的频率，例如，若以5s的间隔定期变换正负极性，则产生0.1hz的超低频率，再通过信号生成模块101中的大功率谐振回路在正负极性变换的过程中得到平滑的余弦电压波形，相对于传统中其他用于输电电缆的介质损耗测试，超低频余弦方波信号的发生装置的重量和体积非常小，便于携带。同时，现有技术中通过直流实验对输电电缆做检测的过程中，由于直流电场下形成的空间电荷会保存在输电电缆的绝缘层中，在检测完成之后，残存的空间电荷会与运行电压的电场叠加，后续电缆在工作过程中会容易发生击穿现象，而现有技术中的交流工频电压的检测能最为有效的克服电荷积累的问题，但由于输电电缆的电容很大，需要的交流工频电压设备也就很大，不利于现场试验。
50.因此，现有的超低频余弦方波信号应用于输电电缆的局部放电检测以及耐压测试中，测试装置以及整个系统的体积小，质量轻，在现场进行移动十分方便，小容量情况下也能测试长距离电缆；余弦方波信号波形的检测效果和交流工频电压检测效果具有良好的等效性；并且在输电电缆测试结束后，输电电缆可以自动释放残留电荷，因此不会造成空间电荷的累积。本发明将超低频余弦方波信号应用到输电电缆的介质损耗测试中，能够有效地对输电电缆的性能、寿命进行评估，并且装置体积和质量较小，适用于现场检测。
51.在其中一个实施例中，如图2所示，提供了一种输电电缆介质损耗的测试装置100，其中，采集模块103包括电压测量单元1031、电流测量单元1032和采集单元1033。电压测量单元1031，一端与信号生成模块的信号输出端连接，一端用于接地，电压测量单元1031用于测量超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号；电流测量单元1032，一端与信号生成模块连接，另一端用于连接输电电缆，电流测量单元1032用于测量超低频余弦方波信号的输出路径上的电流信号；采集单元1033，分别与电压测量单元1031和电流测量单元1032连接，用于采集电压信号和电流信号。
52.在其中一个实施例中，如图3所示，提供了一种输电电缆介质损耗的测试装置100。其中，电流测量单元1032为无感电阻r0，无感电阻r0串联连接于信号生成模块和输电电缆之间。无感电阻r0中的无感即没有感值的意思，当然这里的无，是指电阻上的感抗值非常小，可以忽略不计，一般不能说是彻底没有。普通具有高感抗的电阻在使用中容易产生震荡，损坏回路中的其他器件，电流测量单元通过采用无感电阻可以避免因引入测量电阻导致的误差，从而使结果更精确。其中，采集单元可以通过采集无感电阻路径上的电流获取电流信号，也可以通过采集无感电阻r0两端的电压间接完成电流的测量。
53.在其中一个实施例中，无感电阻为功率100w，阻值为0.1ω的电阻。
54.在其中一个实施例中，继续参看图3，其中，电压测量单元1031包括高压臂电阻r1和低压臂电阻r2。高压臂电阻r1与信号生成模块101连接；低压臂电阻r2的一端与高压臂电阻连接，另一端用于接地。高压臂电阻r1负责将承载高电压，低压臂电阻r2负责分以相应比例的电压供数据采集单元1033的采集使用。其中，采集单元连接在超低频余弦方波信号的输出路径上所采集的电压可以作为参考电压，而通过采集高压臂电阻r1与低压臂电阻r2之间连接点的电压作为电压信号。
55.在其中一个实施例中，高压臂电阻r1选取功率10w，阻值为1200mω的电阻，低压臂电阻r2选取功率1w阻值为20kω的电阻，形成分压比为1:100000的分压器，以满足在峰值200kv下，低压臂电阻r2的电压小于5v，满足常规的分压标准。
56.在其中一个实施例中，如图4所示，输电电缆介质损耗的测试装置100还包括传输模块107，分别与采集模块103和处理模块105连接，用于将电压信号和电流信号从采集模块103传送至处理模块105。
57.在其中一个实施例中，传输模块可以是光纤，那么，采集单元则由数据采集卡与光纤转换器，数据采集卡将电压信号和电流信号的数据进行采集，为了实现电压隔离，使用光纤传输采集到的信号，因此，需要先通过光纤转化器转换成光信号进行传输，最后在终端通过光纤转换器转为电信号供处理模块提取数据。
58.在其中一个实施例中，上述的数据采集卡选择了an926集成电路模块。an926集成电路模块为双通道12bit ad采集模块，输入电压为
‑
5v
‑
5v，其中，an926集成电路模块的芯片为ad9226芯片，此芯片是一款单芯片、12位、65m模数转换器，其中，采用单电源供电，内置一个片内高性能采样保持放大器和基准电压源。该集成电路模块采用多级差分流水线架构，数据速率达65msps，在整个工作温度范围内保证无失码。光纤转换器采用tp
‑
link tl
‑
fc311a
‑
3 fc311b
‑
3千兆单模单纤光纤收发器光电转换器，tl
‑
fc311a
‑
3是一款千兆单模单纤光纤收发器，该转换器提供一个1000mbps以太网接口和一个1.25gbps sc光纤接口，可实现电信号和光信号转换，并通过光纤进行远距离数据和视频信号传输，并采用波分复用技术，发送波长1550nm，接收波长1310nm，通过一根单模光纤同时传输接收和发送数据，最远传输距离3公里。
59.在其中一个实施例中，如图5所示，提供一种输电电缆介质损耗的测试装置，包括：信号生成模块101、高压臂电阻r1、低压臂电阻r2、无感电阻r0、数据采集卡、光纤转换器以及光纤。其中，所有器件的连接关系以及功能都如上述实施例中的限定，在此不在赘述。
60.在其中一个实施例中，如图6所示，提供了一种输电电缆介质损耗的测量方法，应用于上述输电电缆介质损耗的测试装置，该方法包括步骤s100～s300。
61.步骤s100，输出超低频余弦方波信号至待测试的输电电缆。
62.步骤s200，分别采集超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号和电流信号。
63.通过输电电缆介质损耗的测试装置中的信号生成模块对输电电缆输出超低频的余弦方波信号，该信号生成模块使得输电电缆产生相应的电压信号以及电流信号，通过采集输电电缆对应产生的电压信号和电流信号可以供介质损耗测试结果的使用。
64.步骤s300，根据采集到的电压信号和电流信号获取输电电缆的介质损耗。
65.其中，现有技术中的输电电缆的基本结构由线芯(导体)、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成，线芯是输电电缆的导电部分，用来输送电能，是输电电缆的主要部分。绝缘层是将线芯与大地以及不同相的线芯间在电气上彼此隔离，保证电能输送，是输电电缆结构中不可缺少的组成部分。15kv及以上的输电电缆一般都有导体屏蔽层和绝缘屏蔽层。保护层的作用是保护电力电缆免受外界杂质和水分的侵入，以及防止外力直接损坏电力电缆。而介质损耗是由于介电常数高的绝缘层材料围着导体，在导体上施加电压时产生的损耗。本发明的方法可以利用超低频余弦方波信号对输电电缆介质损耗进行测量，从而对测试的输电电缆的介质损耗的状态进行检测，以对存在缺陷的电缆进行及时的维护、更换，极大地提高了检测效率，工程上具有重要的实用价值。
66.在其中一个实施例中，如图7所示，提供了一种输电电缆介质损耗的测量方法，应用于上述输电电缆介质损耗的测试装置。步骤s300包括步骤s310～s320。
67.步骤s310，根据采集到的电压信号和电流信号拟合预设的参数模型，并获取参数模型中的拟合参数。
68.步骤s320，根据拟合参数获取输电电缆的介质损耗。
69.在其中一个实施例中，步骤s310中，根据采集到的电压信号和电流信号拟合预设的参数模型，包括步骤s311～s312。
70.步骤s311，根据在超低频余弦方波信号的余弦时间段内采集到的电压信号和电流信号，分别获取多个目标时刻对应的电压信号的电压值和电流信号的电流值，以形成包括多个电压值的电压数据组和多个电流值的电流数据组。
71.其中，如图8示，一个完整的超低频余弦方波电压共包括直流时间段以及余弦时间段，其中，直流时间段为在t1～t2时间段内的余弦方波信号，余弦时间段内为在t2～t3时间段内的余弦方波信号。具体地，t0～t1时间段为输电电缆介质损耗的测量装置中的信号生成模块内部器件的充电状态，在完成充电之后，该模块在输出一个完整超低频余弦方波信号的余弦时间段内，例如，在t2～t3时间段内，采集确定多个目标时刻，分别可以表示为(t1′
，t2′
，t3′
，
……
，t
m
′
)，根据确定的目标时刻，确定输电电缆上生成的电流信号值以及电压信号值，其中，对应的电流信号值表示为(i1，i2，i3，
……
，i
m
)，对应的电压信号表示为(u1，u2，u3，
……
，u
m
)。因此，也就在超低频余弦方波信号的余弦时间段中采集到多个目标时刻对应的包括多个电压值的电压数据组(t
n
′
,u
n
)(n＝1，2，
…
，m)和多个电流值的电流数据组(t
n
′
，i
n
)(n＝1，2,
…
,m)，并通过输电电缆的测试装置中的电压测量单元以及电流测量单元采集系统在超低频余弦方波信号的余弦时间段部分的数据，以供数据处理使用。
72.步骤s312，根据电压数据组和电流数据组通过最小二乘法对预设的参数模型进行拟合。
73.本发明通过最小二乘法对预设的参数模型进行拟合，主要是因为超低频余弦方波信号在正负极转换阶段的频率是未知，另外，正负性转换阶段的波形为衰减或上升的波形，通过最小二乘拟合法去评估波形参数，能够很好的拟合效果。而现有的常规技术手段中采用傅里叶变化法拟合模型，只能得到某一基波或者某一基波倍数下的波形的拟合参数，并不适用超低频余弦方波下的介质损耗测量算法。
74.在其中一个实施例中，预设的参数模型为其中，u(t)为电压数据组，i(t)为电流数据组，t为目标时刻，a、b、c、d、e和f分别为拟合参数。
75.在其中一个实施例中，继续参看图7，步骤s320包括步骤s321～s322。
76.步骤s321，根据拟合参数获取系统衰减系数系统振荡角频率和相位差θ＝|d
‑
f|。
77.步骤s322，将系统衰减系数λ、系统振荡角频率w和相位差θ带入式中，获取输电电缆的介质损耗值tanδ。
78.其中，tanδ被称为介质损耗角的正切，它是交流电压下电介质中的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，反应的是电介质内单位体积中能量损耗的大小。通过测量介质损耗角的正切值可以反映出一系列的绝缘缺陷，如绝缘受潮、劣质变化或瓦隙放电
等。测量电介质的tanδ值，便于定量分析绝缘材料的损耗特性，有利于绝缘材料的分析研究和结构设计。材料的tanδ大，说明电介质工作时损耗大、易发热和易老化。
79.在其中一个实施例中，如图7所示，提供一种输电电缆介质损耗的测量方法，应用于上述输电电缆介质损耗的测试装置中，该方法包括步骤s100、s200、s311、s312、s321和s322。
80.步骤s100，输出超低频余弦方波信号至待测试的输电电缆。
81.步骤s200，分别采集超低频余弦方波信号的输出路径上的电压信号和电流信号。
82.步骤s311，根据在超低频余弦方波信号的余弦时间段内采集到的电压信号和电流信号，分别获取多个目标时刻对应的电压信号的电压值和电流信号的电流值，以形成包括多个电压值的电压数据组和多个电流值的电流数据组。
83.步骤s312，根据电压数据组和电流数据组通过最小二乘法对预设的参数模型进行拟合。
84.步骤s321，根据拟合参数获取系统衰减系数、系统振荡角频率和相位差；
85.步骤s322，将系统衰减系数λ、系统振荡角频率w和相位差θ带入式中，获取输电电缆的介质损耗值tanδ。
86.应该理解的是，虽然图6和图7的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图6和图7中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
87.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
88.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。