专利名称：高压大电流下电缆附件的电热老化装置及其试验方法
技术领域：
本发明涉及一种高压大电流下电缆附件的电热老化装置及其试验方法，属于电力电缆的运行维护技术领域。
背景技术：
近年来，随着我国城市电网的大規模改造，入地电缆逐步替代架空线路构建城市的输电线路和配电网络，各大城市的电缆使用比重迅速提高，电缆附件的使用非常广泛。电カ电缆一般由电缆本体及电缆附件两部分组成，在长期运行过程中，受电热老化作用电カ电缆及其附件逐渐发生绝缘劣化，理化性能下降，最終导致绝缘失效，严重威胁到电カ系统的运行可靠性。特别是电缆附件，因本身结构、制作和安装エ艺及运行条件的复杂性，是电缆系统在实际运行中的故障典型位置。通常加速电缆附件绝缘老化的主要原因为高电压、 强电场引起的电老化；导体电阻损耗带来的热老化；生产装配过程中的机械应カ损伤；环境条件应力，如紫外辐射和水分腐蚀等。其中，长期作用于电缆的电应力、热应カ及其协同作用，是导致电缆附件在实际工作中发生绝缘老化的主要原因。因此，需要一种电缆附件的电热老化装置，有效模拟电缆附件运行时所承受的电、热应力，井能够对不同温度、电压类型、电压等级下的试品电缆附件进行试验，并获取试品老化过程中的电缆状态參数和局部放电信号数据，进而研究电缆附件的绝缘老化过程。鉴于试验变压器容量的限制，老化装置在通过试验变压器引入高压的同时，内部难以通过足够大的电流以模拟真实的负荷情況。为此，国内外老化装置的普遍设计思路为通过光照、弱电、外热等手段加速对绝缘材料、电气元件的老化，均难以实现针对高压电气设备绝缘材料的电热协同老化加速。中国专利CNI01285867A “电气绝缘电热老化试验设备”公开了ー种电热老化方案，将带压的电气绝缘设备置干与外界隔热的温控箱内，通过控制试验箱内的温度来实现对设备绝缘材料的热老化。此方案模拟了电气设备绝缘材料受到高压强电场、电流热效应共同老化作用下的实际エ况，但其属于外热式的电热老化，未从高压设备内部流过电流时的热效应这个角度研究电热共同作用下绝缘材料的老化机理。
发明内容
本发明的目的是针对现技术的不足而提供一种高压大电流下电缆附件的电热老化装置及其试验方法，其特点是采用本发明装置及其试验方法对电缆附件进行绝缘的电热老化试验，对试验样品电缆附件施加高压，模拟实际エ况下电缆附件所处的高压强电场环境；同时在电缆导体线芯中通过大电流，模拟在电缆带负荷运行时电缆附件的工作环境。ニ者相互结合，较为真实地模拟电缆附件在实际运行时所承受的电场、热场应力。在老化过程中，通过采集检测样本电缆及其附件中的局部放电等电气特性參量，实现对电缆附件的绝缘老化状态检测。本发明的目的由以下技术方案实现高压大电流下电缆附件的电热老化试验装置包括高压发生单元，试验回路単元，大电流发生单元和信号测量单元四个功能部分；高压发生単元与试验回路单元连接，将高压引入至试验回路中；试验回路単元穿过大电流发生单元，形成磁场耦合，产生大电流，老化实验时，高压发生単元和大电流发生单元同时工作，实现在试验回路単元中施加高电压和通以大电流的目的。信号测量单元装设于试验回路中，通过采集检测样本电缆附件中的局部放电等电气特性參量，实现对电缆附件的绝缘老化状态检測。所述高压发生单元包括无晕高压试验变压器、输入调压器一、保护电阻和供连接用的高压无晕导线，这里无晕表示设备在高压下不会产生电晕放电。无晕高压试验变压器起高压发生的作用，其输入端与输入调压器ー连接，通过输入调压器一改变变压器输入端的电压类型和大�。嘤Φ乜刂聘哐苟耸涑龅缪�。试验变压器高压端与保护电阻连接，保护电阻将限制试验变压器的输出电流，对变压器进行过流保护，保护电阻与无晕导线连接，无晕导线将试验变压器产生的高压引入到试验回路；
所述试验回路单元为四段电カ电缆串联形成的“ ロ”字形金属环路，包括电缆附件试验样本一和试验样本ニ及连接电缆ー和连接电缆ニ，两组电缆附件试验样本的一端制成内部有典型人为安装缺陷的电缆附件，有助于研究典型人为安装缺陷在电热应力下加速绝缘劣化的过程，试验样本的另一端插入电缆试验油终端中，试验油终端内部充满绝缘油，试验油终端的使用将排除样本另一端引入放电干扰，使试验样品的放电信号更加单一；连接电缆ー和连接电缆ニ，将试验样本ー和试验样本ニ连接起来形成电流回路，其中连接电缆ニ穿过电流互感器的中心，形成磁路上的耦合关系，由于穿过电流互感器，连接电缆ニ是整个回路加压后离地电位最近的位置，其表面均匀套上多层硅橡胶绝缘层，利用固体绝缘材料的击穿场强大于空气击穿场强的原理，有效解决绝缘距离的问题；电缆相互连接的部位均采用高压接线端子连接，高压接线端子上固定有均压环，防止回路在加高压后接头处发生电晕放电；所述大电流发生単元包括穿心式电流互感器及其输入调压器。穿心式电流互感器输入エ频电压后，其原边线圈中流过交变电流，通过电磁感应原理在试验回路中产生大电流，起电流源的作用，对整个试验回路施加电流。电流互感器输入端电压受调压器控制，改变输入电压的大�。嘤Φ馗谋涞缌骰ジ衅髟呷谱橹辛鞴牡缌鞔笮。迪侄允匝榛芈返缌鞯目刂�。大电流发生单元在试验回路中产生的电流通过钳形电流表进行测量。所述信号测量单元是检测电缆附件老化绝缘状态的设备组合包括温度红外成像仪、罗氏线圈、超高频天线、信号处理电路和数字示波器。其中，温度红外成像仪在装置进行老化试验时监测电缆附件表面的温升情况，提供电缆附件表面的温度信息、发热点參数等。罗氏线圈通过电磁耦合法检测电缆附件内的局部放电信号；超高频天线通过感应电缆附件内部放电产生的超高频信号检测局部放电信号。罗氏线圈、超高频天线采集到的局部放电信号通过信号处理电路进行信号放大、滤波处理，输入至数字示波器观察。所述信号处理电路实现信号的放大和滤波功能，其连接方式为其输入端连接控制高频截止频率的电阻R1与电容C1进行高频信号滤波，稳压ニ极管DpD2作为输入过电压保护并联于输入端，信号经高频滤波后与控制运算放大倍数的电阻R2与R3连接，反馈电阻R3并联于运算放大器U1的输入端与输出端之间，经放大后的信号输入控制低频截止频率的电阻R4与电容C2进行低频信号滤波，电容C3将信号中的直流分量滤除后连接至输出端，稳压ニ极管D3、D4作为输出过电压保护支路并联于输出端。
高压大电流下电缆附件的电热老化试验装置的试验方法包括以下步骤I).试验准备在安装电缆附件试验样本一和试验样本ニ时，内部制作人为的绝缘缺陷，加入人为缺陷可以加速电缆附件的绝缘老化，处理试验样本后，连接试验装置中的高压发生単元、试验回路単元、大电流发生单元，将信号测量单元安装于试验回路中，使用通信电缆将測量信号引出，之后进行调试试验，在装置通过耐压试验后，利用高压发生単元加压至局部放电測量电压，通过信号測量单元对预处理后的电缆附件进行局部放电检测，记录初始状态下电缆附件的局部放电參数信息。2).高压大电流老化调节无晕高压试验变压器输入调压器的输出电压，使试验变压器输出额定老化电 压至试验回路単元，改变变压器输入端的电压类型和大小，相应地控制高压端输出电压。调节电流互感器的输入调压器ニ的输出电压，使试验回路単元中流过额定的老化电流。试验变压器和电流互感器同时工作，试验回路中既施加对地高压又通过大电流，进行电缆附件的电热老化试验。在装置进行加压通流老化试验时，调节试验变压器的输入调压器一，増大试验变压器输出电压可模拟电力系统中短时过电压对电缆附件绝缘的老化加速作用；调节电流互感器输入调压器ニ，改变试验回路中电流的大小可模拟电カ系统中的负荷波动，回路中流过的电流通过钳形电流表进行测量。3).采集绝缘状态信息在装置进行老化试验时，通过信号測量单元对电缆附件的绝缘状态信息进行检測。其中，使用温度红外成像仪在老化试验时监测电缆附件的表面温升情况；使用罗氏线圈、超高频天线两种局部放电检测方式检测电缆附件内的局部放电信号，采集到的放电信号输入至信号处理电路，进行信号放大、滤波后输入至数字示波器显示，通过分析电缆附件的局部放电信号波形对其绝缘状态进行评估。本发明具有以下优点I).客观真实性本发明模拟了真实电カ系统中电缆附件所处的高电压大电流エ作状态，对电缆附件进行电热协同老化，其中高压产生的强电场对电缆进行电老化，大电流流过电缆产生的焦耳热对电缆进行热老化。改变试验变压器的输入可以进行不同电压类型、电压等级下电缆附件的老化试验，调节电流互感器的输入可以模拟电カ系统中的负荷波动。2).便捷性本发明制作简单，所需材料均为高压电气设备中常见较为普通的材料。装置操作简单，只需控制试验变压器和电流互感器的输入调压器即可对电缆附件的エ作电压、电流进行控制。3).安全性装置将高压部分与控制、測量部分隔离，高压部分接地位置均可靠接地，控制、測量均可设置过电压保护装置。试验装置材料在选材时考虑到耐热问题，装置通过电流互感器的电磁耦合在回路中产生电流，其发热功率可以通过电流互感器的输入控制，在将试验装置通流250A，持续12小时后测量其金属部分最高温度不超过90°C，回路中无着火点，安全可靠。试验油終端密封性好，无漏油等现象。4).耐压水平高装置在设计时着重考虑了耐压问题，试验变压器输出端、高压引线均使用无电晕处理，试验回路相互连接的部位均使用带均压环的高压接线端子。装置在エ频耐压试验中无电晕产生，局部放电量在正常范围以内。5).准确性电缆附件在进行电热老化过程时，使用多种较为成熟的測量手段同时测量，測量结果相互參考，具有准确可靠的特点。本发明高压大电流下电缆附件的电热老化装置及其试验方法可广泛应用于监测电カ电缆及其附件的电热绝缘老化，研究此类设备的绝缘老化过程，以提出解决电カ电缆故障的措施，保障电カ电缆线路可靠运行。
图I为高压大电流下电缆附件的电热老化试验装置示意图I、高压发生単元，2、试验回路，3、大电流发生单元，4、信号测量单元，5、无晕高压试验变压器，6、输入调压器一，7、保护电阻，8、高压无晕导线，9、电流互感器，10、输入调压 RH. ~·
-- O图2为装置试验回路及信号测量单元示意图11、试验样本一，12、试验样本ニ，13、连接电缆一，14、连接电缆ニ，15、电缆附件，16、试验油终端，17、钳形电流表，18、温度红外成像仪，19、罗氏线圏，20、超高频信号天线。图3为装置信号测量单元中的信号处理电路示意图R1、R2、R3、R4 为电阻，C1、C2、C3 为滤波电容，D1、D2、D3、D4 为稳压ニ极管。
具体实施例方式下面通过实例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进ー步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据本发明内容对本发明作出ー些非本质的改进和调整。实施例高压大电流下电缆附件的电热老化试验装置包括高压发生单元1，试验回路单元2，大电流发生单元3和信号测量单元4。高压发生単元I与试验回路単元2连接，将高压引入至试验回路中，试验回路単元2穿过大电流发生単元3，形成磁场耦合，产生大电流，老化实验时，高压发生単元和大电流发生单元同时工作，实现在试验回路単元中施加高电压和通以大电流的目的。信号测量单元4装设于试验回路単元2中，通过采集检测样本电缆附件中的局部放电等电气特性參量，实现对电缆附件的绝缘老化状态检測。高压发生単元I包括无晕高压试验变压器5，输入调压器6、保护电阻7和供连接用的高压无晕导线8，无晕高压试验变压器5起高压发生的作用，其输入端与输入调压器ー6连接，通过输入调压器一改变变压器输入端的电压类型和大�。嘤Φ乜刂聘哐苟耸涑龅缪梗匝楸溲蛊鞲哐苟擞氡；さ缱�7连接，保护电阻将限制试验变压器的输出电流，对变压器进行过流保护，保护电阻与无晕导线8连接，无晕导线将试验变压器产生的高压引入到试验回路；试验回路単元2为四段电カ电缆串联形成的“ ロ”字形金属环路，包括电缆附件试验样本一 11和试验样本ニ 12及连接电缆ー 13和连接电缆ニ 14，两组电缆附件试验样本一端制成内部有典型安装缺陷的电缆附件15，老化试验时，便于研究典型安装缺陷在电热应カ下加速绝缘劣化的过程，试验样本另一端插入电缆试验油终端中16，试验油终端内部充满绝缘油，使用试验油終端有效排除样本另一端引入电晕干扰，使试验样品的放电信号更加单一；连接电缆ー 13和连接电缆ニ 14将试验样本ー 11和试验样本ニ 12连接起来形成电流回路，连接电缆ニ 14穿过电流互感器9的中心，形成磁路上的耦合关系，由于穿过电流互感器，连接电缆ニ 14是整个回路加压后离地电位最近的位置，其表面均匀套上多层硅橡胶绝缘层，利用固体绝缘材料的击穿场强大于空气击穿场强的原理解决绝缘距离的问题。电缆相互连接的部位均采用高压接线端子连接，接线端子上固定有均压环，防止回路在加高压后接头处发生电晕放电；大电流发生単元3包括穿心式电流互感器9，输入调压器ニ 10，穿心式电流互感器输入エ频电压时，其原边线圈中流过交变电流，通过电磁感应原理在试验回路中产生大电流，起电流源的作用，对整个试验回路施加电流，其输入端电压受输入调压器ニ 10控制，改变输入电压的大�。嘤Φ馗谋涞缌骰ジ衅髟呷谱橹辛鞴牡缌鞔笮。迪侄允匝榛芈返缌鞯目刂疲蟮缌鞣⑸ピ谑匝榛芈分胁牡缌魍ü蔚缌鞅�17进行测量。
信号测量单元4包括温度红外成像仪18、罗氏线圈19、超高频天线20、信号处理电路和数字示波器。温度红外成像仪18在老化试验时监测电缆附件表面的温升情况，提供电缆附件表面的温度信息、发热点參数，罗氏线圈19通过电磁耦合检测电缆附件内的局部放电信号，超高频天线20通过感应电缆附件内部放电产生的超高频信号检测局部放电信号。罗氏线圈、超高频天线采集到的局部放电信号通过信号处理电路进行信号放大、滤波处理后，输入至数字示波器观察。所述信号处理电路实现信号的放大和滤波功能，其输入端连接控制高频截止频率的电阻R1与电容C1进行高频信号滤波，稳压ニ极管DpD2作为输入过电压保护并联于输入端，信号经高频滤波后与控制运算放大倍数的电阻R2与R3连接，反馈电阻R3并联于运算放大器U1的输入端与输出端之间，经放大后的信号输入控制低频截止频率的电阻R4与电容C2进行低频信号滤波，电容C3将信号中的直流分量滤除后连接至输出端，稳压ニ极管D3、D4作为输出过电压保护支路并联于输出端。高压大电流下电缆附件的电热老化试验装置的试验方法包括如下步骤I).试验准备在安装电缆附件试验样本一和试验样本ニ时，内部制作人为绝缘缺陷，加入人为缺陷可以加速电缆附件的绝缘老化。在处理试验样本后，连接试验装置中的高压发生単元
I、试验回路単元2、大电流发生单元3，将信号测量单元4安装于试验回路中，使用通信电缆将测量信号引出之后，对装置进行调试试验，在其通过出厂耐压试验后，利用高压发生単元I加压至局部放电测量电压，通过信号测量单元4对预处理后的电缆附件进行局部放电检测，记录初始状态下电缆附件的局部放电參数信息。2)高压大电流老化调节无晕高压试验变压器5输入调压器ー 6的输出电压，使无晕高压试验变压器输出额定老化电压至试验回路単元2，改变变压器输入端的电压类型和大�。嘤刂聘哐苟耸涑龅缪埂５鹘诘缌骰ジ衅�9输入调压器ニ 10的输出电压，使试验回路単元2中流过额定的老化电流。无晕高压试验变压器和电流互感器同时工作，试验回路中施加对地高压，通以大电流，进行电缆附件的电热老化试验。在装置进行加压通流老化试验时，调节无晕高压试验变压器的输入调压器6，増大试验变压器输出电压模拟电カ系统中短时过电压对电缆附件绝缘的老化加速作用；调节电流互感器输入调压器10，改变试验回路中电流的大小模拟电カ系统中的负荷波动，回路中流过的电流通过钳形电流表17进行测量。3)采集绝缘状态信息在进行老化试验吋，通过信号测量单元4对电缆附件的绝缘状态信息进行检測。其中，使用温度红外成像仪18在老化试验时监测电缆附件的表面温升情況，检测热点集中的位置；使用罗氏线圈19、超高 频天线20的局部放电检测方式检测电缆附件内的局部放电信号，采集到的放电信号输入至信号处理电路，进行信号放大和滤波，分析此局部放电信号可对电缆附件的绝缘状态进行评估。
权利要求
1.一种高压大电流下电缆附件的电热老化试验装置，其特征在于该试验装置包括高压发生单元(1)，试验回路单元(2)，大电流发生单元(3)和信号测量单元(4)四个功能部分；高压发生单元(I)与试验回路单元(2)连接，将高压引入至试验回路中；试验回路单元(2)穿过大电流发生单元(3),形成磁场稱合,产生大电流,老化实验时,高压发生单元和大电流发生单元同时工作，实现在试验回路单元中施加高电压和通以大电流的目的；信号测量单元(4)装设于试验回路单元(2)中，通过采集检测样本电缆附件中的局部放电等电气特性参量，实现对电缆附件的绝缘老化状态检测。
2.如权利要求I所述高压大电流下电缆附件的电热老化装置，其特征在于高压发生单元(I)包括无晕高压试验变压器(5)、输入调压器一(6)、保护电阻(7)和高压无晕导线(8)，无晕高压试验变压器输入端与输入调压器一连接，无晕高压试验变压器输出端与保护电阻连接，保护电阻与无晕导线连接，无晕导线将试验变压器产生的高压引入到试验回路。
3.如权利要求I所述高压大电流下电缆附件的电热老化装置，其特征在于试验回路单元(2)为四段电力电缆串联形成的“口”字形金属环路，包括电缆附件试验样本一(11)和试验样本二(12)及连接电缆一(13)和连接电缆二(14)，两组电缆附件试验样本的一端制成内部有典型安装缺陷的电缆附件(15)，另一端插入电缆试验油终端(16)中，试验油终端内部充满绝缘油，排除样本另一端引入的放电干扰；连接电缆一(13)和连接电缆二( 14)将试验样本一(11)和试验样本二(12)连接起来形成电流回路,连接电缆二(14)穿过电流互感器(9)的中心，形成磁路上的耦合关系，由于穿过电流互感器中心，连接电缆二(14)是整个回路加压后离地电位最近的位置，其表面均匀套上多层硅橡胶绝缘层，利用固体绝缘材料的击穿场强大于空气击穿场强的原理有效解决绝缘距离的问题，电缆相互连接的部位均采用高压接线端子连接，高压接线端子上固定有均压环，防止回路在高压下接头处发生电晕放电。
4.如权利要求I所述高压大电流下电缆附件的电热老化装置，其特征在于大电流发生单元(3)包括穿心式电流互感器(9)，输入调压器二(10)，穿心式电流互感器输入工频电压后，其原边线圈中流过交变电流，通过电磁感应原理在试验回路中产生大电流，电流互感器输入端电压受输入调压器二(10)控制，改变输入电压的大小，相应地改变电流互感器原边线圈中流过的电流大�。迪侄允匝榛芈返缌鞯目刂疲蟮缌鞣⑸ピ谑匝榛芈分胁牡缌魍ü蔚缌鞅�(17)进行测量。
5.如权利要求I所述高压大电流下电缆附件的电热老化装置，其特征在于信号测量单元(4)包括温度红外成像仪(18)、罗氏线圈(19)、超高频天线(20)、信号处理电路和数字示波器，温度红外成像仪(18)在老化试验时监测电缆附件表面的温升情况；罗氏线圈、超高频天线将采集到的局部放电信号通过信号处理电路进行信号放大、滤波处理，输入至数字示波器观察；所述信号处理电路实现滤波和放大功能，其连接方式为输入端连接控制高频截止频率的电阻R1与电容C1进行高频信号滤波，稳压二极管DpD2作为输入过电压保护并联于输入端，信号经高频滤波后与控制运算放大倍数的电阻R2与R3连接，反馈电阻R3并联于运算放大器U1的输入端与输出端之间，经放大后的信号输入控制低频截止频率的电阻R4与电容C2进行低频信号滤波，电容C3将信号中的直流分量滤除后连接至输出端，稳压二极管D3、D4作为输出过电压保护支路并联于输出端。
6.如权利要求I 5之一所述高压大电流下电缆附件的电热老化装置的试验方法，其特征在于此试验方法包括如下步骤 1).试验准备 在安装电缆附件试验样本一和试验样本二时，内部制作人为的绝缘缺陷，加入人为缺陷可以加速电缆附件的绝缘老化，处理试验样本后，连接试验装置中的高压发生单元(I)、试验回路单元(2)、大电流发生单元(3)，将信号测量单元(4)安装于试验回路中，使用通信电缆将测量信号弓I出之后进行调试试验，在 装置通过耐压试验后，利用高压发生单元(I)加压至局部放电测量电压，通过信号测量单元(4)对预处理后的电缆附件进行局部放电检测，记录初始状态下电缆附件的局部放电参数信息。
2).高压大电流老化 调节无晕高压试验变压器(5)输入调压器一(6)的输出电压，使无晕高压试验变压器输出额定老化电压至试验回路单元(2)，改变变压器输入端的电压类型和大�。嘤Φ乜刂聘哐苟耸涑龅缪梗鹘诘缌骰ジ衅�(9)输入调压器(10)的输出电压，使试验回路单元(2)中流过额定的老化电流，回路中流过的电流通过钳形电流表进行测量，无晕高压试验变压器和电流互感器同时工作，试验回路进行电缆附件的电热老化试验。
3).采集绝缘状态信息 老化试验时，通过信号测量单元(4)对电缆附件的绝缘状态信息进行检测，使用温度红外成像仪(18)监测电缆附件的表面温升情况；使用罗氏线圈(19)、超高频天线(20)两种局部放电检测方式检测电缆附件的局部放电信号，采集到的放电信号输入至信号处理电路，进行信号放大和滤波，分析此局部放电信号对电缆附件的绝缘状态进行评估。
全文摘要
本发明公开了一种高压大电流下电缆附件的电热老化试验装置，其特点是该试验装置包括高压发生单元(1)，试验回路单元(2)，大电流发生单元(3)和信号测量单元(4)四个功能部分；高压发生单元(1)与试验回路单元(2)连接，将高压引入至试验回路中；试验回路单元(2)穿过大电流发生单元(3)，形成磁场耦合，产生大电流，老化实验时，高压发生单元和大电流发生单元同时工作，实现在试验回路单元中施加高电压和通以大电流的目的；信号测量单元(4)装设于试验回路单元(2)中，通过采集检测样本电缆附件中的局部放电等电气特性参量，实现对电缆附件的绝缘老化状态检测。
文档编号G01R31/00GK102735977SQ201210241089
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者万利, 周凯, 李旭涛, 潘荣超, 熊庆, 赵威, 陶文彪, 陶霰韬 申请人:四川大学
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