OWTS振荡波测试系统在电缆状态诊断中的应用

产品简介

 前言

        中压电缆在输配电网络中起到支柱作用。其故障所引起的经济损失日益受到公众的关注。

        供电网络系统所安装的各个设备都是具有质量保证的，然而一旦某个设备故障，将会产生维护费用，用户投诉，收入损失甚至索赔等。事实上，很多网络已经成熟，装配了较早期的设备，如油浸式电缆，沥青绝缘电缆接头。不同形式的设备其老化程度不一，制造工艺标准不尽相同，当它们一起运行时会使网
络的可靠性难以预计(预报)，这将无法保证合理正确地制定网络可能潜在故障的维修计划。当然维修计划必须是经济的。

     理想简洁的方法应该是：非破坏性的，在正常运行条件及可能潜在故障的条件下，能诊断电缆的性能。

2.    用于诊断中压电缆最有效的方法

        对中压电缆局部放电测试及其故障定位已被全世界接受，同时要求做出厂非破坏性试验。而测试困难在于，在工频条件下，对几公里长的电缆进行充电测试需要很大的能量，该充电系统包含多个设备，如发电机、高压变压器或谐振器、控制仪器、局部放电探测和故障定位仪器、耦合电容和高压连接电缆。同时运输这些设备需要大型运输车辆，大大增加了测试费用。

        替代测试方法有超低频(VLF)方法。如0.1 Hz法。0.1 Hz法已开始于广泛地应用，并取得了良好的经济效益。而此方法新近又用于电介质损耗角测量，局部放电测量／故障定位，电压耐压测试可达3U。6Omin。

        然而，在考虑非工频条件下对电介质(绝缘)测试的结果时认为，不能将低频测试得出的局部放电结果直接推断到工频条件下的结果。超低频时的局部放电水平远高于50Hz(或60Hz)时的水平。而且超低频时，当测试电压大于6kV时，将引起电介损耗增加(tan 6变陡)。正如直流局放测试，随着测试电压从交流变成直流，测试件中的电场分布也从电容性跃变成电阻性，局部放电的测试结果也就发生变化。

        因此，所取得的局部放电测试结果应尽可能地与工频条件下的结果一致。基以这～思路，介绍一种用于中压电缆测试的新方法，即振荡波测试系统(Oscillating Wave Test SystemOWTS~)。

        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，电场强度分布和正常工作状态一样。

        (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5O一1O00Hz带宽下进行。

        (5)电缆电容和被测对象的tan 6值通过电压波形的特征衰减来计算。

        (6)菜单驱动设备完成测试序列，用法简单，便于操作。

        (7)设计紧凑，重量轻。

3.    振荡波测试系统原理

3.1    理论依据

     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X=XL 一XC。是角频率∞ 的函数，X随∞ 变化的情况如图2所示。当∞ 从零开始向。。变化时，X从一∞向+∞变化，在ω <ω0时、X<0，电路为容性；在∞>ω0时，X>0，电路为感性；在ω=ω0。时

        此时电路阻抗Z(ω0)=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c^)。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。

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(ω0)=R呈现为一个纯电阻，而且阻抗为最小值。谐振时，虽然电抗X=XL 一XC =O，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p，即：

        P的单位为Q，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。

3.2   系统原理

        如图所示，用直流电源将被测试电缆在几秒中内充电至工作电压(额定电压)。实时快速状态开关闭合，将被测电缆和空心电感构成串联谐振回路，回路开始以

的频率进行振荡。空心电感值根据谐振频率的要求进行选择，频率范围5O一1 000Hz，相近于工频频率。

        中压电路一般具有相对低的介质损耗角的特点，与具有低损耗的空心电感相配，可得到具有高品质因数的谐振回路。回路品质Q一般为30～100。振荡波以谐振频率在0．3～1S内衰减完毕。这一过程只有几十分之一周波，并对被测试电缆充电，与50Hz(60Hz)时局部放电非常相似。
        该系统振荡波所产生的局放脉冲符合lEC60270推荐值，局放脉冲定位可由行波方法完成，可生产电缆故障图。此外，电缆电容C和tan 8值可通过振荡波的时间和频率特性来计算。

4.    振荡波测试系统(OWTS®)硬件设备

        高压设备部分集成到高880mm 带有运输把手和滚轮的圆柱桶内，其重量仅有65kg。测试系统可直接放在被测电缆旁边，系统包含高压空心电感、高压分压器、局放耦合器及实时状态开关。新近发展技术可使实时状态开关电流达5O～100A，电压达50kV。解决了机械磨损，状态开关触点的稳定性问题。被测电缆不用承受额外的应力。稳定的实时状态开关，可重复测量用于介质损耗角的Q值。用两根电缆将圆柱桶分的接到控制和探测仪器上。
        防振的铝盒内放NOWTS 系统的第二部分，该部分包括探测仪／故障定位仪／系统控制和高压直流电源，这部分集成盒高440mm，重32kg。该系统配有在高压设备中广泛应用的工业用PC，使用最先进饿奔腾Pentium 技术，配有标准键盘和鼠标。

5.    系统控制和局部放电评估

        在电缆连接完成后，所有的测试步骤都由计算机控制。第一步是根据lEC60270推荐值进行校准。读数精度为皮库仑(1 O～1 2)。输入电缆长度，可计算出用于故障定位的电缆传播速度。
        通过断开直流电源将正在处于充电的测试电缆产生跳跃过渡过程。在这一过程中控制系统停止局部放电测量，几秒钟后，当电缆电压充至预先设置的电压时，实时状态开关合上(小于1 u S)，并断开直流电源。将空心电感器与被测电缆构成一个串联谐振回路。所产生的谐振波在被测电缆中开始模拟现场局放活动，测量／局放定位开始。

        OWTS 系统采用双输入，一个为频宽150～650kHz，用于局放测量(根据IEC60270)，一个为频宽1 50kHz～1 OMHz用于局放故障定位。在测试中，振荡电压波形和所有局放脉冲都被测量、保存并显示。
        操作人员能看见对应振荡周波的局放活动，可选择局放脉冲供进一步研究。一旦选择某一个局放脉冲，可以看到详细的局放波形，可以通过回波确定故障位置。每个故障位置都可以存在电缆图中，电缆图还可以包含几个振荡波的结果。

6.    总结

        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。

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