交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電測量裝置及方法
2023-05-26 07:42:56 2
交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電測量裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程中局部放電連續測量裝置及方法，包括實驗器皿、高壓電源、顯微數字攝像系統，以及局部放電測試系統；高壓電源包括調壓器和高壓試驗變壓器，高壓試驗變壓器在線圈的一端串聯有保護電阻，保護電阻的另一端和線圈的另一端之間並聯有耦合電容器，與電容分壓器並聯有耦合電容；局部放電測試系統包括與試樣連接的檢測阻抗、放大器，以及內置高速數字式採集卡的工控機；工控機包括高速雙通道數字式採集卡及局部放電數據採集、處理及放電特性分析的單元。
【專利說明】交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電測量裝置及方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可以連續測量聚合物中電樹枝生長過程局部放電的測量系統，特別是一種可以連續測量交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電的測量系統。
【背景技術】
[0002]交聯聚乙烯(XLPE)電纜由於其優越的電性能、機械性能以及熱性能而廣泛應用於城市電力的傳輸，隨著城市和現代工業的迅速發展，IlOkV以上高電壓等級的XLPE電纜在我國城市電網中具有越來越廣泛的應用。
[0003]然而，在局部高場強作用下，聚合物絕緣中會形成氣隙，隨後由於局部放電的作用，氣隙逐漸生長為細絲狀腐蝕通道並呈現出樹狀結構，最終導致絕緣失效。XLPE電纜絕緣中的缺陷主要有屏蔽層凸起、雜質和微孔，這些缺陷的存在是造成電樹枝引發與快速生長的隱患，對電纜的安全運行形成嚴重威脅。
[0004]對於高壓XLPE電纜而言，電樹枝已成為制約其運行壽命與可靠性的主要因素。因此，對XLPE電纜絕緣中電樹枝生長過程中局部放電連續測量能夠為運行電纜及接頭絕緣狀態的評估檢測及電纜製造過程中的工藝控制等提供基礎。
[0005]—般的電樹枝實驗系統一般都是將電樹枝生長和局部放電測量相互分離，或者不能在觀察樹枝生長過程中連續測量其局部放電:例如，鄭曉泉教授在高電壓技術上發表的名稱為「結晶狀態對XLPE電纜絕緣中電樹枝的影響」的文章(Xiaoquan Zheng, GeorgeChen.Propagation mechanism of electrical tree in XLPE cable insulation byinvestigating a double electrical tree structure.1EEE Trans.Dielec.Electr.1nsu1.，Vol.15，N0.3，pp.800-807，2008)，該文章在室溫條件下對結晶狀態不同的XLPE電纜絕緣中的電樹枝進行了觀察，但是沒有對樹枝生長過程中的局部放電進行測量；例如:吳凱教授在英國應用物理上發表文章(Kai ffu, Yasuo Suzuoki, Teruyoshi Mizutan1.Model forpartial discharges associated with treeing breakdown:1.PDs in tree channels.J.Phys.D:Appl.Phys.33(2000) 1197 - 1201.Printed in the UK),該文章在對樹枝生長過程實時觀察的同時也對其局部放電進行了測量，但是其僅僅是測量了單脈衝的局部放電，並沒有達到局部放電的連續測量。
[0006]但是，對於XLPE電纜而言，其電纜絕緣中電樹枝的產生是一個電、熱及材料內部機械應力共同作用的複雜過程，在不同外施電壓下電樹枝的引發時間及樹枝形狀均不相同，且在電樹枝的各個生長階段其生長速率也不同，而樹枝化過程中伴隨的局部放電對其樹枝化的發展有很大的影響，為了更加深入的理解電樹枝引發、生長及最終擊穿的過程，只是對其生長過程進行實時觀察或者間斷性的局放測量是遠遠不夠的。目前還沒有一套完善的系統可以在實觀對電樹枝生長過程中產生的局部放電進行連續測量。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電測量裝置及方法，實現對XLPE電纜絕緣中電樹枝生長過程中產生的局部放電進行連續測量。
[0008]為實現上述目的，本發明提供了一種交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程中局部放電連續測量裝置，包括放置試樣的實驗器皿、為試驗提供高壓的高壓電源、觀察電樹枝生長情況的顯微數字攝像系統，以及局部放電測試系統；所述高壓電源包括調壓器和高壓試驗變壓器，所述高壓試驗變壓器在線圈的一端串聯有保護電阻，在保護電阻的另一端和線圈的另一端之間並聯有耦合電容分壓器，與電容分壓器並聯連接有耦合電容；所述局部放電測試系統包括與試樣連接的檢測阻抗、通過同軸電纜與檢測阻抗相連的放大器，以及與放大器相連的內置高速數字式採集卡的工控機；所述工控機包括高速雙通道數字式採集卡及基於Labview的局部放電數據採集、處理及放電特性分析的單元,所述基於Labview的局部放電數據採集、處理及放電特性分析的單元包括局部放電信號的採集單元、抗幹擾處理單元以及譜圖分析單元三個模塊。
[0009]作為本發明的優選實施例，所述抗幹擾處理單元包括一個帶通濾波器和設置閾值電壓。
[0010]一種基於上述測量裝置的測量方法，電纜絕緣中電樹枝的生長過程中的局部放電脈衝信號通過檢測阻抗而轉換為電壓信號，該電壓信號經過同軸電纜傳輸和放大器放大後，當分壓器電壓過零時觸發工控機內的採集卡對上述電壓信號進行採集，然後進行抗幹擾處理，最後，對所獲取的局放信號進行分析處理，得到對應於電樹枝生長過程中實時的局部放電信息。
[0011]作為本發明的優選實施例，所述採集到的電壓信號經過放大器和帶通濾波器後，只有大於閾值才可被存入並進入分析單元；
[0012]作為本發明的優選實施例，在進行測量之前，試樣應保證針尖區域無殘存機械應力，且針電極與高壓交聯聚乙烯絕緣緊密結合，無氣隙；
[0013]作為本發明的優選實施例，在測量之前，首先利用方波發生器對試樣進行校準，校準完成後，對整個系統施加電壓進行測量。
[0014]本發明交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長局部放電測量裝置及方法至少具有以下優點:本發明通過利用顯微數字攝像系統對電樹枝引發與生長進行觀測，同時通過高速採集卡對其中的局部放電信號進行採集，並依據Labview不同的程序模塊對所得的局放信號進行分析處理，得到可以表徵局放特性的各種譜圖及參數，比如局部放電譜圖、局部放電的表徵參數以及局部放電的時間序列。最終實現XLPE電纜絕緣中的電樹枝生長及其產生的局部放電的互動，最終實現以電樹枝生長過程中產生的局部放電反映電樹枝的生長階段及生長過程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長及其局部放電測量系統的電路原理圖；
[0016]圖2是本發明交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長及其局部放電測量系統中實驗器皿的俯視圖，即圖1中的Cx部分的實物圖；[0017]圖3是由本發明交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長及其局部放電測量系統中基於Labview與資料庫的的數據採集、處理及分析的軟體流程圖；
[0018]圖4是由本發明交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長及其局部放電測量系統測量結果統計譜圖，即相應的φ-q-n統計譜圖。
[0019]圖5是由本發明交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程中對應的局部放電實時測量系統測量結果圖，其中圖5 Ca)為電樹枝引發階段的樹形結構及實時測量到的局部放電量圖，圖5 (b)為電樹枝生長中期樹形結構及實時測量到的局部放電譜圖，圖5 (C)電樹枝生長後期樹形結構及實時測量到的局部放電譜圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖2所示，本發明交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長及其局部放電測量方法的測量系統包括放置試樣的實驗器皿、為試驗提供高壓的高壓電源、觀察電樹枝生長情況的顯微數字攝像系統，以及基於Labview的局部放電測試系統。所述實驗器皿為呈上方開口的圓柱形器皿，實驗過程中內部填充有矽油。
[0021]請參閱圖1所示，所述高壓電源包括調壓器Tl和高壓試驗變壓器T2，所述高壓試驗變壓器T2在線圈的一端串聯有保護電阻R，在保護電阻R的另一端和線圈的另一端之間並聯有耦合電容分壓器，與電容分壓器並聯連接有耦合電容Ck。所述電容分壓器包括串聯連接的第一電容C1和第二電容C2。所述局部放電測試系統包括與試樣連接的檢測阻抗、通過同軸電纜與檢測阻抗相連的放大器，以及與放大器相連的內置高速數字式採集卡的工控機。
[0022]所述同軸電纜的波阻抗為50 Ω，放大器的頻帶為50Hz?20MHz，放大倍數為X 10和X 100可選，檢測阻抗頻帶為40kHz?500kHz，滿足IEC60270局放檢測標準。
[0023]所述顯微數字攝像系統包括成像系統和計算機，所述成像系統包括顯微鏡和與之連接的CCD攝像頭，所述CCD攝像頭與計算機通過數據傳輸線連接，所述計算機內安裝有數字成像單元，用於實時記錄試驗器皿內試樣中電樹枝的生長情況。
[0024]所述內置高速數字式採集卡的工控機包括內置的高速雙通道數字式採集卡及基於Labview的局部放電數據採集、處理及放電特性分析的單元。
[0025]如圖3所示，所述內置高速數字式採集卡的工控機的局部放電數據採集、處理及局部放電特性的分析單元包括局部放電信號的採集、抗幹擾處理以及譜圖分析三個模塊。
[0026]所述局部放電測試採用電測法，即依據局部放電產生的各種電現象來測量局部放電。本發明根據放電時在放電處產生電荷交換，於是在一個與之相連的迴路中就會產生脈衝電流，通過測量此脈衝電流來測量局部放電，即脈衝電流法。當絕緣體的某一區域發生局部放電時，絕緣體的兩端(即試品施加電壓的兩端)就會有瞬變(脈衝)電荷q出現，用一個耦合電容器和檢測阻抗與試品相連成為一個迴路後，在試品兩端就會出現相應的脈衝電壓，本發明所採集的初始變量即為試品兩端的脈衝電壓信號。系統工作時，採集卡的工作必須依靠於外部的觸發信號，即分壓器電壓過零時觸發工控機內的採集卡對上述電壓信號進行採集，信號的單次連續採集長度為50個工頻周期，即為Is。
[0027]信號的抗幹擾處理，由於為實驗環境為實驗室屏蔽室內，外部幹擾信號主要為電源工頻幹擾，其抗幹擾單元比較簡單，主要包括一個帶通濾波器和設置閾值電壓。由於局部放電信號的頻帶大多集中在幾十到幾百千赫茲，在此選擇基於Labview軟體內的濾波模塊中的任一帶通濾波器(巴特沃斯或者切比雪夫等)均可實現，即放電信號通過濾波器後高於某一頻率和低於某一頻率的信號均被濾掉。閾值電壓設置即為當採集到的信號經過放大器和帶通濾波器後其幅值必須大於某一個數值(例如Utl)才能被存入資料庫，數值小於U0的信號直接丟棄，其閾值的設置可根據當時的實驗條件進行選取，對於在屏蔽室內的實驗，建議閾值為某一確定的數值。信號經過上述兩種濾波後，其數據量會大大減少，提升了放電信號的處理速度。而且在抗幹擾處理模塊中所得數據是邊處理邊寫入資料庫，在數據處理完成後可根據需要選擇是否進入下一次數據信息的採集。在試驗中一般設置為連續採集方式，即在數據處理存儲完成後立即進入局部放電信號採集。
[0028]經過抗幹擾模塊處理的數據信息直接寫入資料庫中，進行局部放電信號的譜圖分析，其分析譜圖主要包括Q-Φ-Ν三維譜圖，0-Φ、Ν-Φ和N-Q等二維譜圖，可以根據需要選擇不同的譜圖進行數據分析。由於信號的採集時間遠大園信號的處理及存儲時間，所以上述的局部放電信號的採集及處理的過程可以近似視為一個連續的過程。
[0029]如圖4和圖5所示，在實驗過程中不僅可以實時連續的測量電樹枝生長過程中的局部放電，而且還可以隨時觀察各局部放電參數的統計譜圖，掌握實時的局部放電典型譜圖的發展趨勢，同電樹枝生長的實時照片進行對比，利於深入的理解樹枝的發展過程與局部放電聯繫。
[0030]依據於高速雙通道數字式採集卡和基於Labview和資料庫的方法實現了對電樹枝生長過程中電樹枝的連續測量和實時分析，同時還可以與實時的樹枝生長形態對比。
[0031]下面具體介紹本發明可以連續測量交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程中局部放電測量系統的測試方法:
[0032]1.試樣製作
[0033]試樣直接取自高壓交聯聚乙烯電纜樣段，抽出纜芯後，利用高速車床切削加工成5mm厚度的空心圓盤狀或半圓狀試樣。採用針-板電極結構，電極間距控制為2±0.3mm,針電極直徑為1mm，針尖圓錐角為30°，曲率半徑5±1μπι。
[0034]為保證針電極與高壓交聯聚乙烯絕緣之間的緊密結合，在經過酒精清洗處理並烘乾的針電極表面預塗一層聚乙烯；接著，加熱試樣至120-130°C後，將針電極勻速插入，退火3分鐘後，關掉加熱電源，等待5分鐘後將試樣取出自然冷卻至室溫，冷卻速率為10°C /min0
[0035]由於交聯聚乙烯為半透明材料，獲得清晰照片的關鍵是保證試樣表面光滑。因此，在加壓實驗之前，每個試樣都用顯微數字攝像系統進行觀察，以保證所有試樣的針尖區域均無殘存機械應力，而且針電極與高壓交聯聚乙烯絕緣緊密結合，無氣隙存在。
[0036]2.顯微數字攝像系統的調整
[0037]對於XLPE電纜絕緣中的電樹枝而言，主要研究區域為試樣針電極到對面電極區域，因此，本發明中調整試樣針電極到對面電極距離為2±0.3mm，選定顯微鏡放大倍數為X 15即可觀察到整個針電極與對面電極區域，接著，調節顯微鏡的聚焦面和CCD鏡頭，使試樣處於最佳觀察位置，以保證圖像清晰，對比鮮明，確保能夠對XLPE電纜絕緣中電樹枝的引發和生長過程進行清晰記錄。
[0038]3.局部放電的測量[0039]在進行電樹枝生長及局部放電測量之前，必須先利於方波發生器對試樣進行校準，校準完成後，對整個系統施加電壓，此時，XLPE電纜絕緣中電樹枝的生長過程中的局部放電脈衝信號通過檢測阻抗而轉換為電壓信號，該電壓信號經過同軸電纜傳輸和放大器(X 10倍)放大後，當分壓器電壓過零時觸發工控機內的採集卡對上述電壓信號進行採集，然後進行抗幹擾處理。最後，通過基於Labview軟體模塊對所獲取的局放信號進行分析處理，得到對應於電樹枝生長過程中實時的局部放電信息，如圖4和5所示。如此，即可在實現對XLPE電纜絕緣中電樹枝的生長實過程中局部放電與電樹枝生長過程中樹形結構之間的相互作用關係。
[0040]本發明的整個實驗是在外施高電壓的條件下進行的，同時要求測量電樹枝局部放電信號，因此，屏蔽室內不允許有任何非絕緣體靠近高壓電極，以免對局部放電測量構成幹擾。
[0041]以上所述僅為本發明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電連續測量裝置，其特徵在於:包括放置試樣的實驗器皿、為試驗提供高壓的高壓電源、觀察電樹枝生長情況的顯微數字攝像系統，以及局部放電測試系統；所述高壓電源包括調壓器(Tl)和高壓試驗變壓器(T2)，所述高壓試驗變壓器(T2)在線圈的一端串聯有保護電阻(R)，在保護電阻(R)的另一端和線圈的另一端之間並聯有耦合電容分壓器，與電容分壓器並聯連接有耦合電容器(Ck);所述局部放電測試系統包括與試樣連接的檢測阻抗、通過同軸電纜與檢測阻抗相連的放大器，以及與放大器相連的內置高速數字式採集卡的工控機；所述工控機包括高速雙通道數字式採集卡基於Labview的局部放電數據採集、處理及放電特性分析單元，所述基於Labview的局部放電數據採集、處理及放電特性分析的單元包括局部放電信號的採集單元、抗幹擾處理單元以及譜圖分析單元三個模塊。
2.如權利要求1所述的交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電連續測量裝置，其特徵在於:所述抗幹擾處理單元包括一個帶通濾波器和設置閾值電壓。
3.一種如權利要求1至2中任意一項所述的交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長過程局部放電連續測量裝置的測量方法，其特徵在於:電纜絕緣中電樹枝生長過程中的局部放電脈衝信號通過檢測阻抗而轉換為電壓信號，該電壓信號經過同軸電纜傳輸和放大器放大後，當分壓器電壓過零時觸發工控機內的採集卡對上述電壓信號進行採集，然後進行抗幹擾處理，最後，對所獲取的局部放電信號進行分析處理，得到對應於電樹枝生長過程中實時的局部放電信息。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於:採集到的電壓信號經過放大器和帶通濾波器後，只有大於閾值電壓才能被存入並進入分析單元。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:在進行測量之前，試樣應保證針尖區域無殘餘機械應力，且針電極與高壓交聯聚乙烯絕緣緊密結合，無氣隙。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:在測量之前，首先利用方波發生器對試樣進行校準，校準完成後，對整個系統施加電壓進行測量。
【文檔編號】G01R31/12GK103616618SQ201310432154
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】徐陽, 羅潘, 陳向榮, 柯春俊, 胡麗斌, 彭發東, 李敬飛, 喇元 申請人:西安交通大學, 廣東電網公司電力科學研究院