电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备及方法与流程

1.本发明涉及电力电缆耐压测试技术领域，特别是涉及电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备及方法。


背景技术：

2.电力电缆是用于传输和分配电能的电缆。电力电缆批量生产前，往往需要试验设备对其进行耐压试验。
3.其中，0.1hz超低频余弦方波耐压试验具有装置容量低，设备体积小、重量轻、方便移动以及适合户外现场操作的优点，0.1hz超低频余弦方波的波形与工频耐压试验具有良好的等效性，对交联聚乙烯绝缘水树枝具有较快的放电通道和适中的局放起始电压，可在较低电压下将以存在的不均匀导电性缺陷击穿，发现电力电缆内部隐形缺陷，另外该方法也避免了直流耐压试验会对试品电缆引入空间电荷造成损坏的缺点。
4.然而，如果只有单极性充电，极性反转过程中会有能量消耗，导致直流电压的正、负波形不对称，而正负波形不对称会引入空间电荷，对电缆造成隐形缺陷，充电时间太长会降低耐压试验的准确性；根据电容充电公式，电容越在快充满时充电效率越低，而保护电阻因为要限制回路电流保护电源所以取值不能很小，因此，若保护电阻想要有效保护设备，充电速度就无法提高，影响耐压试验效果，为解决上述难题，本发明提出新的电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备及方法。


技术实现要素：

5.本发明提供了电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备及方法，解决当前超低频余弦方波耐压设备正负波形不对称和试品电缆充电速度慢的问题。
6.本发明提供如下技术方案：
7.电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备及方法，包括电力电子开关、工频高压变压器、硅堆、电抗器、总控单元和保护电阻；
8.所述工频高压变压器的一端通过次级线圈连接有保护电阻，所述保护电阻的一端分别连接有负极性充电硅堆和正极性充电硅堆，所述负极性充电硅堆和正极性充电硅堆的极性方向相反，所述正极性充电硅堆的负极连接有正极性转换硅堆；
9.所述负极性充电硅堆的输出端连接有极性转换开关，所述极性转换开关的负输入端与正极性充电硅堆的负极连接，所述极性转换开关的一端连接有电抗器，所述电抗器的一端连接有试品电缆，所述电抗器的一端分别连接有电压采样电路，所述负极性充电硅堆的正极连接有负极性转换硅堆，所述负极性转换硅堆的负极与工频高压变压器的次级线圈互相连接。
10.所述电力电子开关为双向可控型开关，所述电力电子开关与工频高压变压器的连接通路中设置有工频交流电源。
11.所述工频高压变压器用于将外部市电升压为高压交流电，所述工频高压变压器通
过保护电阻分别与负极性充电硅堆和正极性充电硅堆并联连接。
12.所述试品电缆和电抗器串联构成lc串联电路，所述试品电缆两端的电压目标值为峰值电压vm。
13.所述极性转换开关的转换周期为5s，所述总控单元用于监测试品电缆两端的电压并控制电力电子开关的通断。
14.所述试品电缆和硅堆、电抗器内阻、电抗器电感、开关依次串联。
15.根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备得到的极性转换过程参数计算方法，包括以下步骤：
16.步骤1：当闭合开关，电抗器电感中无磁场能，此时为二阶的零输入响应，以电容电压为变量列微分方程：
[0017][0018]
以电抗器电感电流为变量列微分方程：
[0019]
解得：解得：
[0020]
其中：为衰减系数、为相角、为谐振角频率、为固有谐振角频率；
[0021]
步骤2：当回路中电流为0时，步骤1中l和c刚好完成能量转换，这时uc会取得负极性最大值，且余弦方波的极性转换时间小于6ms，因此在最大测试电容量下极性转换时间为t1＝6ms，当ωt1＝π时，uc取得负极性最大值，此时求得ω＝523.59；
[0022]
步骤3：根据步骤1得到电抗器电感和电阻值关系表达式为：步骤3：根据步骤1得到电抗器电感和电阻值关系表达式为：二阶阻尼震荡消耗的能量为：
[0023]
所述直流电源依次和第一电阻、试品电缆串联连接形成回路；所述交流电源依次与第二电阻、二极管串联连接形成回路。
[0024]
根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备得到的电容充电加速方法，包括以下步骤：
[0025]
步骤1：根据充电加速原理电路，设v
out
为输出电压，v
in
为输入电压，i1为流经第一电阻的电流，i2为流经试品电缆的电流，根据kcl得：i1 i2＝0；可得：＝0；可得：＝0；可得：
[0026]
步骤2：根据步骤1所得，确定c和u
out
的值，当充电速度t不变时，u
in
和第一电阻成正相关，此时，可通过增加充电电压u
in
的值实现提升第一电阻的阻值。
[0027]
所述波形为0.1hz，一个周期可分为六个过程，t0-t1为正极性充电时刻，试品电缆
处于极化过程；t1-t2正极性充电停止试品处于去极化过程，t0-t2时间为5s，t2-t3时刻试品电压由正转负，时间在6ms以内；t3-t4为负极性充电时刻试品处于极化过程；t4-t5负极性充电停止试品处于去极化过程，t3-t5时间为5s；t5-t6时刻试品电压由负转正，时间在6ms以内，至此一个周期结束；
[0028]
t0-t1阶段，可控型电力电子开关1导通，通过正极性硅堆5为试品电缆充电；
[0029]
t1-t2阶段，总控单元检测到电压达到预设值vm，可控型电力电子开关1关断；
[0030]
t2-t3阶段，极性转换开关动作，通过负极性转换硅堆实现试品电压由正转负；
[0031]
t3-t4阶段，可控型电力电子开关导通，通过负极性硅堆为试品电缆充电；
[0032]
t4-t5阶段，总控单元检测到电压达到预设值-vm，可控型电力电子开关1关断；
[0033]
t5-t6阶段，极性转换开关动作，通过正极性转换硅堆实现试品电压由负转正；
[0034]
其中t0-t1阶段和t3-t4阶段充电时采取高压快充方式，比采取常规充电方案时间明显缩短，
[0035]
t0-t2阶段和t3-t5阶段通过傅立叶变换分析电压电流波形可得到试品极化参数，判断其老化程度，以实现对试品电缆绝缘状态的总体评估。
[0036]
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
[0037]
1、本发明通过采取了电压检测控制装置，可使用100kv高压快充来缩短试品电缆充电周期，且将直流电压分为了极化和去极化两个部分，可用于检测电缆极化判断其老化程度，实现电缆绝缘状态的全面综合评估，可以为等效容量为5uf的35kv交联聚乙烯电力电缆进行耐压实验，从而提升耐压试验的准确性以及电容充电速度；
[0038]
2、本发明通过使用一个单刀双掷开关就可实现正、负极性充电功能和极性转换功能，既能保证试品电缆正、负电压波形一致，又大大简化了控制系统的复杂程度；
[0039]
3、本发明通过使用机械开关来代替价格昂贵的光控晶闸管开关，在开关速度要求不高的情况下，可以降低了设备成本，机械开关中硅堆和开关触点的整合设计，减少了部件数量，缩小了设备体积，使得现场试验时方便转移和搬运。
附图说明
[0040]
图1为本发明的电路原理图；
[0041]
图2为本发明的极性转换过程电路原理图；
[0042]
图3为本发明的充电加速原理电路图；
[0043]
图4为本发明的实际充电电路图；
[0044]
图5为本发明的超低频余弦方波波形图；
[0045]
图6为本发明的极性转换过程波形图；
[0046]
图7为本发明的极性转换开关结构图。
[0047]
其中：1、电力电子开关；2、工频高压变压器；3、保护电阻；4、负极性充电硅堆；5、正极性充电硅堆；6、正极性转换硅堆；7、极性转换开关；8、电抗器；9、电压采样电路；10、负极性转换硅堆；11、试品电缆；12、负极性静触点；13、工频交流电源；14、总控单元；15、动触点；16、正极性静触点；17、硅堆；18、电抗器内阻；19、电抗器电感；20、开关；21、直流电源；22、第一电阻；24、交流电源；25、第二电阻；26、二极管。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0049]
实施例:
[0050]
如图1、图2、图5和图6所示，电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备及方法，包括电力电子开关1、工频高压变压器2、硅堆17、电抗器8、总控单元14和保护电阻3；电力电子开关1为双向可控型开关，电力电子开关1与工频高压变压器2的连接通路中设置有工频交流电源13，其中，工频高压变压器2包括初级线圈和次级线圈，工频高压变压器2的一端通过次级线圈连接有保护电阻3，保护电阻3的一端分别连接有负极性充电硅堆4和正极性充电硅堆5，负极性充电硅堆4和正极性充电硅堆5的极性方向相反，正极性充电硅堆5的负极连接有正极性转换硅堆6，工频高压变压器2用于将外部市电升压为高压交流电，工频高压变压器2通过保护电阻3分别与负极性充电硅堆4和正极性充电硅堆5并联连接；负极性充电硅堆4的输出端连接有极性转换开关7，其中，总控单元14用于控制极性转换开关7，极性转换开关7的负输入端与正极性充电硅堆5的负极连接，极性转换开关7包括负极性静触点12、动触点15和正极性静触点16，极性转换开关7的一端连接有电抗器8，电抗器8的一端连接有试品电缆11，电抗器8的一端通过试品电缆11接地，试品电缆11和电抗器8串联构成lc串联电路，试品电缆11两端的电压目标值为峰值电压vm，电抗器8的一端分别连接有电压采样电路9，负极性充电硅堆4的正极连接有负极性转换硅堆10，负极性转换硅堆10的负极与工频高压变压器2的次级线圈互相连接，极性转换开关7的转换周期为5s，总控单元14用于监测试品电缆11两端的电压并控制电力电子开关1的通断；
[0051]
如图2所示，根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备形成的极性转换过程参数计算电路，包括电抗器内阻18、电抗器电感19和开关20，试品电缆11和硅堆17、电抗器内阻18、电抗器电感19、开关20依次串联；根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备形成的极性转换过程参数计算方法，包括以下步骤：
[0052]
步骤1：当闭合开关20，电抗器电感19中无磁场能，此时为二阶的零输入响应，以电容电压为变量列微分方程：
[0053][0054]
以电抗器电感19的电流为变量列微分方程：以电抗器电感19的电流为变量列微分方程：
[0055]
解得：解得：
[0056]
其中：为衰减系数、为相角、为谐振角频率、为固有谐振角频率；
[0057]
步骤2：当回路中电流为0时，步骤1中l和c刚好完成能量转换，这时uc会取得负极性最大值，且余弦方波的极性转换时间小于6ms，因此在最大测试电容量下极性转换时间为t1＝6ms，当ωt1＝π时，uc取得负极性最大值，此时求得ω＝523.59；
[0058]
步骤3：根据步骤1得到电抗器电感19和电阻值关系表达式为：步骤3：根据步骤1得到电抗器电感19和电阻值关系表达式为：二阶阻尼震荡消耗的能量为：
[0059]
如图3和图4所示，根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备形成的电容充电加速电路，包括直流电源21、第一电阻22、交流电源24、第二电阻25、二极管26和试品电缆11，直流电源21依次和第一电阻22、试品电缆11串联连接形成回路；交流电源24依次与第二电阻25、二极管26、试品电缆11串联连接形成回路；根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备形成的电容充电加速方法，包括以下步骤：
[0060]
步骤1：根据充电加速原理电路，设v
out
为输出电压，v
in
为输入电压，i1为流经第一电阻22的电流，i2为流经试品电缆11的电流，根据kcl得：i1 i＝0；可得： i＝0；可得： i＝0；可得：
[0061]
步骤2：根据步骤1所得，确定c和u
out
的值，当充电速度t不变时，u
in
和第一电阻22成正相关，此时，可通过增加充电电压u
in
的值实现提升第一电阻22的阻值。
[0062]
如图5所示，波形为0.1hz，一个周期可分为六个过程，t0-t1为正极性充电时刻，试品电缆11处于极化过程；t1-t2正极性充电停止试品电缆11处于去极化过程，t0-t2时间为5s，t2-t3时刻试品电缆11的电压由正转负，时间在6ms以内；t3-t4为负极性充电时刻试品电缆11处于极化过程；t4-t5负极性充电停止试品电缆11处于去极化过程，t3-t5时间为5s；t5-t6时刻试品电缆11电压由负转正，时间在6ms以内，至此一个周期结束。
[0063]
t0-t1阶段，可控型电力电子开关1导通，通过正极性硅堆5为试品电缆11充电；
[0064]
t1-t2阶段，总控单元14检测到电压达到预设值vm，可控型电力电子开关1关断；
[0065]
t2-t3阶段，极性转换开关7动作，通过负极性转换硅堆10实现试品电缆11的电压由正转负；
[0066]
t3-t4阶段，可控型电力电子开关1导通，通过负极性硅堆4为试品电缆11充电；
[0067]
t4-t5阶段，总控单元检测到电压达到预设值-vm，可控型电力电子开关1关断；
[0068]
t5-t6阶段，极性转换开关7动作，通过正极性转换硅堆6实现试品电缆11的电压由负转正；
[0069]
其中t0-t1阶段和t3-t4阶段充电时采取高压快充方式，比采取常规充电方案时间明显缩短，
[0070]
t0-t2阶段和t3-t5阶段通过傅立叶变换分析电压电流波形可得到试品电缆11的极化参数，判断其老化程度，以实现对试品电缆11绝缘状态的总体评估。
[0071]
本实施例中，试验电压为80kv，对等效容量为5uf的35kv电力电缆耐压实验，最大极性转换时间确定为6ms。
[0072]
本实施例中，根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备形成的极性转换过程
参数计算方法，选取电抗器参数l＝0.73h，r＝12ω，并可计算出极性转换效率为95％，极性转换时的暂态电流为210a。
[0073]
本实施例中，根据电力电缆用超低频余弦方波耐压试验设备形成的电容充电加速方法，取充电电压uin＝100kv，选取保护电阻值为240000ω，此参数下，短路电流i限制在0.42a，充电时间t＝1.5s，在保护电阻不变的情况下采样100kv电压充电比采样80kv电压充电速度提高了3.3倍。
[0074]
本实施例中，如图7所示，正极性充电硅堆5和正极性转换硅堆6竖直放置，正极性静触点16设置在二者中间将其串联，负极性充电硅堆4和负极性转换硅堆10也竖直放置，负极性静触点16设置在二者中间将其串联，动触点15在总控单元14的控制下做圆周运动，实现和正极性静触点16的导通与关断，正、负极性充电硅堆顶部由导体并联，正、负极性转换硅堆的底端接地，三个柱体位于等边三角形的三个角上。
[0075]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0076]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。