【導(dǎo)讀】電線電纜是最常用的電力設(shè)備，同時也是出現(xiàn)絕緣故障的概率最高的設(shè)備。層大多身處地下幾百米，陰冷潮濕的環(huán)境對電纜的考驗更加嚴(yán)峻，因此為防止發(fā)生事故，對電纜的絕緣檢測更加重要。的原理以及各自的優(yōu)缺點。其次,針對設(shè)計，重點研究了倍壓整流電路的特性。真軟件EWB進(jìn)行線路仿真，選擇電路參數(shù)，最后制作實物并進(jìn)行驗證實驗。

　　

【正文】 26 圖 電纜絕緣在線診斷法 直流分量法 直流成分法的原理：交聯(lián)電纜老化的過程中產(chǎn)生的水樹 枝 通常都是從絕緣層和其他介質(zhì)交界處開始生長。當(dāng)交聯(lián)電纜絕緣層含有水 樹 枝 的時候，水樹 枝 和電纜導(dǎo)電線芯 (導(dǎo)線 )或者銅屏蔽層就構(gòu)成了針和板 ，兩個放電電極。 水樹 枝 相當(dāng)于針形電極，電纜導(dǎo)線或者銅屏蔽層相當(dāng)于板形電極 (如圖 34 所示 )。由于棒板放電的過程中，棒極為正極性和負(fù)極性時的放電情況是不對稱的，加上交流電壓時會產(chǎn)生整流效應(yīng)，這就是含有水樹枝 的電纜在運(yùn)行中產(chǎn)生直流分量的原因。 直流分量是水樹導(dǎo)致絕緣能力降低的一個標(biāo)志，通過測量直流分量能夠診斷正在運(yùn)行中的交聯(lián)電纜絕緣老化的情況。 直流法包括直流成分法和直流疊加法兩種具體方法。直流成分法測量運(yùn)行中 XLPE電力電纜絕緣中的“水樹狀”劣 化狀態(tài)，直流疊加法測量運(yùn)行中 XLPE 電力電纜直流絕緣電阻。前者以在線檢測水樹枝在工頻交流電場下因“整流效應(yīng)”所產(chǎn)生的微弱直流電流作為絕緣老化的判據(jù)；后者是采用對運(yùn)行中的電纜絕緣疊加一個小直流電勢，然后在電纜屏蔽層接地回路中測出所產(chǎn)生的直流電流的方法來獲知電纜的直流絕緣電阻。 27 圖 34 電纜水樹枝原理圖 局部放電法 對于局部放電法來說，監(jiān)測主要是在終端頭和附件等處采集局部放電量。經(jīng)過小波理論和信號處理從干擾信號中來辨識 XLPE 電纜的局部放電量。水樹枝引發(fā)的初期，局部放電量大約為 。電力電纜局部放電量與電力電纜絕緣狀況密切相關(guān)，局部放電量的變化預(yù)示著電纜絕緣一定存在著可能危及電纜安全運(yùn)行壽命的缺陷。國內(nèi)外專家學(xué)者、 IEC、 IEEE 以及 CIGRE 等國際電力權(quán)威機(jī)構(gòu)一致推薦局部放電試驗是作為 XLPE絕緣電力電纜絕緣狀況評價的最佳方法。 XLPE 電力電纜的在線監(jiān)測場所是一個包含許多變壓器、發(fā)電機(jī)、電容器等電氣設(shè)備的龐大的電力系統(tǒng)，其中，包含許多信號較大、波形較復(fù)雜的背景噪音和外界電磁干擾噪聲，例如，其周圍的電氣設(shè)備 —— 發(fā)電機(jī)的局部放電量就高達(dá)幾千個 PC，并且波形復(fù)雜，頻域較寬。提取的 電纜絕緣裂化信號極易淹沒在周圍的干擾信號之中。 差頻法 差頻在線監(jiān)測法的檢測方式與直流法相似，在工頻交流電下疊加低頻電壓，觀察其對老化電纜的響應(yīng)程度。針對目前國內(nèi)外研究的低頻疊加采用不同頻段和波形試探的現(xiàn)狀下，尋求出真正能體現(xiàn)電 纜老化程度的低頻加載信號。近來，有研究發(fā)現(xiàn)在同時對含水樹枝 XLPE 電纜施加兩個頻率相近或相似呈倍數(shù)關(guān)系的正弦電壓時，檢測回路中會有超低頻水樹劣化特征電流信號產(chǎn)生，據(jù)此可對電纜絕緣的水樹枝老化狀態(tài)進(jìn)行在線診斷，這就是差頻監(jiān)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)。如果施加 50Hz工頻電壓疊加上去， 形成的信號會淹沒在工頻供電的系統(tǒng)中，所以采用 100Hz 左右的低頻低壓電源供電。該方法可以用在不同電壓等級的電纜線上，根據(jù)電力電網(wǎng)的實際接線方式，不同的電壓等級需要在不同的部位疊加低頻信號。 l0kV 電纜可以采用類似于直流疊加法，即通過消弧線圈的零序 PT 疊加； 110kV/220kV電纜可以在電網(wǎng) PT 二次測開口三角端注入變頻恒流信號。差頻技術(shù)的主要難點在于研制一個有利于研究并且能工作在現(xiàn)場的頻段可調(diào)的變頻電源和尋找有效的變 頻 信號疊加位置以及大小。該方法的測量方式如 圖 35所示。 28 圖 35 基于差頻法 的測量原理圖 交流疊加法 該方法是在電纜屏蔽層上疊加一個交流電壓 (頻率 =工頻頻率 2+1)測檢出 1Hz 的特征電流信號，從而判斷電纜的老化程度，交流疊加法檢測原理見圖 36所示。 圖 36 交流疊加法檢測原理圖 試驗表明，在給老化電纜屏蔽層上疊加不同頻率的交流電壓時，當(dāng)電壓頻率為100Hz時，會產(chǎn)生一個比較大的特征電流。進(jìn)一步的研究表明，該特征電流只在老化的電纜上產(chǎn)生，對于新電纜并不產(chǎn)生特征電流，并且當(dāng)疊加電壓的頻率為 時，特征電流達(dá)到最大值。這樣所得出的關(guān)系式為： 檢測電流頻率 =疊加電壓頻率 工頻頻率 2。與直流疊加法相比，交流疊加法所需電源的幅值較小，通常疊加 5V 的交流電壓就可得到明顯的特征電流，這使得交流疊加法能更容易地檢測出電纜老化信號；另外，交流疊加法所測得的特征電流的線性化程度要比直流疊加法好得多，因而，交流疊加法不失為在線檢測電纜的一個新方法。 29 諧波分量法 由水樹枝引起老化的 XLPE 電纜會在損耗電流中產(chǎn)生諧波分量。研究表明，諧波分量能很好地表征電纜的老化程度。諧波分量是由于水樹枝的非線性伏安特性而產(chǎn)生。隨著電纜老化程度的增加，損耗電流波形畸變越 大，即含有的諧波分量越來越大。這樣，諧波分量本身包含了更多的水樹枝老化信息。由于奇次諧波通常會給損耗電流測量帶來誤差，該方法通過對調(diào)制而產(chǎn)生的偶次諧波的測量，可避免這一問題，并且在很大程度上不受雜散電流的影響，很值得借鑒。 第 4 章 附加直流電源絕緣檢測法 直流高壓發(fā)生器概述 由于采用了 附加直流電源絕緣檢測法 ，所以對于電源的研究很重要。由于直流高壓發(fā)生器 是高壓試驗儀器中主要測試設(shè)備之一，在高壓試驗中應(yīng)用廣泛，如避雷器、電力電纜、電力電容器、電動機(jī)定子繞組的直流耐壓試驗等。 所以根據(jù) 實際情況要求，考慮到便攜易用性，直流高壓發(fā)生器要方便易攜，小巧靈活才能適用于煤礦井下電纜的檢測。 直流高壓發(fā)生器的設(shè)計 直流高壓發(fā)生器的幾種產(chǎn)生方式 半波整流 半波整流是獲得直流高電壓最方便、使用最早的一種方式。當(dāng)直流高壓側(cè)為純電阻負(fù)載時，輸出直流高壓的脈動因數(shù)為 157%。因此在進(jìn)行小電容 值 試品的泄漏試驗時， 30 一般都規(guī)定要在直流高壓側(cè)并聯(lián)大電容，以減小直流高壓的脈動分量。這種整流方式由于電網(wǎng)電壓的波動，輸出直流高壓也隨之波動。特別是在 作 對地電容值很大的高壓電纜及發(fā)電機(jī)定子線 圈的泄漏電流測量時，泄漏電流數(shù)值不穩(wěn)定，難以正確讀數(shù)。 50 年代此方式曾在國內(nèi)大量采用，為直流高壓試驗電源的初級階段。 工頻倍壓整流 60年代初，在便攜式直流高壓發(fā)生器中引入工頻倍壓整流電路。當(dāng)倍壓級數(shù)為 n，高壓變壓器高壓側(cè)電壓峰值為 E 時，空載輸出直流電壓 U=2nE。電壓降 ΔU 正比于倍壓級數(shù) n 的 3次方，脈動電壓 δU正比于倍壓級系數(shù) n的平方。當(dāng)需要一定的輸出電壓時，就需增加倍壓級數(shù) n，當(dāng) n 增加到一定數(shù)值后， ΔU 與 δU均將增大到不可容許的地步。 當(dāng)在高壓試驗室中需要固定式直流高壓發(fā)生器時，選用工頻 倍壓整流設(shè)備的較多。為滿足 ΔU與 δU不超過一定的數(shù)值，倍壓電容器的電容量就較大，工頻高壓變壓器的體積也較大。此種設(shè)備在現(xiàn)場使用時很不方便， 60 年代，我國進(jìn)口英國 BICC 制造的一套 600kV， 5mA 直流高壓發(fā)生器，重量達(dá) 1600kg之多。為減輕工頻倍壓整流式直流高壓試驗電源的體積與重量，一些制造廠采用了提高倍壓電容工作場強(qiáng)和高磁密工頻高壓變壓器的措施，這些都將影響設(shè)備的可靠性，尤其是對 200kV 及以上的便攜式直流高壓試驗電源，工頻倍壓整流方式將難于滿足《 ZBF2400390》標(biāo)準(zhǔn)的要求。 將工頻倍壓整流直流 高壓電源引入便攜式直流高壓試驗器中，是我國直流高壓試驗設(shè)備發(fā)展的第二階段。與初級階段的半波整流方式相比，無疑是一個很大的進(jìn)步。但是工頻倍壓整流方式與半波整流方式一樣受電網(wǎng)電壓波動的影響較大，輸出直流高壓難以穩(wěn)定，較難滿足《 ZBF2400390》 的規(guī)定輸出直流高壓的穩(wěn)定性要達(dá)到 1%的要求，尤其是在做高壓電纜的泄漏電流測量及氧化鋅避雷器 lmA 直流參考電壓時，泄漏電流值擺動很大，難以正確讀數(shù)。 中頻倍壓整流 倍壓整流電路的電壓降 ΔU與 f、 C 均成反比例關(guān)系，增加倍壓電容 C 固然可使電壓降 ΔU成比例減小，但必須付出增加設(shè)備重量與體積的代價，這對于便攜式直 流高壓試驗器來講就意味著使用不方便，這是不可 取的。因此增加倍壓回路的工作頻率就有很大的吸引力，如將倍壓整流回路供電的頻率由 50Hz提高到 5000Hz，則在相同電壓降 ΔU的條件下，倍壓電容 C 的電容量就可減小 100 倍，可使倍壓整流回路的重量與體積大為減小。由此可見，采用中頻供電的倍壓整流電路是目前便攜式直流高壓試驗器的發(fā)展方向。 31 70年代初，中頻倍壓整流的 JGS 型直流高壓試驗器 (60kV、 1mA)投入批量生產(chǎn)，標(biāo)志著我國便攜式直流高壓試驗電源發(fā)展到第 三階段。 倍壓電路的工作特性 倍壓整流電路基本原理 當(dāng)變壓器副邊電壓為正半周 (即 U2 極性上正下負(fù) )時，二極管 D1 導(dǎo)通， C1 充電至2 U2，極性如圖 41 所示；同理，負(fù)半周時 D2 導(dǎo)通，將 C2 充電至 2 U2。則負(fù)載上電壓為兩個電容串聯(lián)相加，輸出電壓為 2 2 U2。 圖 41 二倍壓整流電路圖 其他形式的倍 加電路結(jié)構(gòu)的工作特性 圖 42（ a） 中的電路結(jié)構(gòu)是基本的 ， 其他三種都是其變形。根據(jù)理論公式 : () 式中 :u0 為輸出電壓 ； n為倍壓的級數(shù) ； K 為變壓器的變比 ； uin為輸人的正弦電壓。 圖 42(a) 電路 1 0 2 inu n Ku? 32 圖 42(b) 電路 2 圖 42(c) 電路 3 33 圖 42(d) 電路 4 圖 42 幾種典型高倍壓整流電路 從式 ()可以看出，輸出電壓與頻率無關(guān)，但是實際測得值與頻率有關(guān)。且高階倍壓整流電路帶載能力很差，輸出很小功率就會導(dǎo)致大的電壓跌落，其跌落幅度為 : （ ） 式中， 為倍壓的階數(shù) ； f為輸人電壓頻率 ； C 為倍加電容容量。 每個電容電壓值不會超過變壓器次級電壓的兩倍，可以選擇耐壓低的電容和二極管就可以。但是輸出電壓的紋波大，其原因是串聯(lián)放電。輸出電壓 U=理論值 ΔU，輸出電壓紋波為 。 倍壓電路的頻率特性與負(fù)載特性如圖 43 所示，輕載時，不論輸人電壓高低，在低頻段內(nèi)都有兩個諧振峰，且諧振峰尖銳，在整個頻段內(nèi)明顯出現(xiàn)高于理論值的附加電壓 。當(dāng)重載時則減為一個峰，峰勢趨于平緩，其值隨著 RL 的減少逐步向理論值靠近。在實際應(yīng)用時應(yīng)考慮最佳工作頻段。 ? ?321 4 3 2U N N Nn fc? ? ? ?2nN?? ?14N N Ifc? 34 圖 43 倍壓整流電路工作曲線 圖 42（ c） 電路 3 的優(yōu)點是紋波小，但對電容耐壓要求高，隨著階數(shù)的增加，電容的應(yīng)力也隨之增加。電路 4 電壓跌落 ；輸出電壓 U=理論值 ΔU，輸出電壓紋波 較小，但是電路復(fù)雜。 圖 42（ b） 電路 2 這種電路結(jié)構(gòu)常常應(yīng)用在人工核反應(yīng)中，高壓變壓器 T 裝在倍加器中間，同時向左右兩側(cè)電容充電同時倍壓，這種電路比向一側(cè)倍加的電路具有更好的負(fù)載特性。圖 44(a)只畫 出了一個方向的電路， Vin 是逆變器輸出正弦電壓，電容最好選擇 CH85 型高壓聚笨乙烯電容器，耐壓 60kV。二極管最好選擇 2CLG100/60 型硅堆，耐壓 60kV，最大電流 100mA。這樣可以保證元器件安全和電源的穩(wěn)定。 倍壓整流工作時，高壓硅堆可以近似看成理想二極管，在輸人負(fù)半周時， D DD D7 導(dǎo)通， D D D6 截止。倍壓整流電路可以等效為如圖 44(b)所示電路，其充電電路由支路并聯(lián)組成，假設(shè)所有電容值為 C，其總的等效電容值 C=C1//C3//C5//C7 同理，輸人正半周分析方法與負(fù)半周一樣 。 圖 44(a) 電路圖 ? ?321 2 3 412U N N Nfc? ? ? ?4NIfc? 35 圖 44（ b） 簡化電路圖 圖 44 電路 2 的倍壓整流分析 上述頻率特性與理論值偏離很大的原因，是由于產(chǎn)生了隨頻率變化的附加電壓。產(chǎn)生附加電壓的原因是由于變壓器的非線性工作的一些參數(shù)。圖 45(a)為高頻脈沖變壓器等效電路圖。參數(shù)中 包括變壓器原、副邊漏感、分布電容和級間電容。 圖 45(a) 高頻變壓器等效電路圖