基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其主要技术特点是：包括交流变压器、空间电荷测试单元、交流相位匹配电路和高压脉冲源和示波器，所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接。本发明专利技术能够模拟现场运行中电缆的运行环境，通过升流器产生温度梯度场及交流电压的联合作用，利用电声脉冲法监测电缆试样中的空间电荷分布，并且利用监测到的电荷分布情况，避免电缆的击穿事故频繁发生，使电力电缆得到可靠安全的运行，为之后的电力电缆故障预警打下良好基础。

Space Charge Measurement System for Cable Body Based on Temperature Gradient Field and AC Voltage

The invention relates to a space charge measurement system for cable body based on temperature gradient field and AC voltage. Its main technical characteristics are: an AC transformer, a space charge measurement unit, an AC phase matching circuit, a high voltage pulse source and an oscilloscope. The AC transformer connects a space charge measurement unit and an AC phase matching circuit, and the transmission of the AC phase matching circuit. The output end is connected with a high voltage pulse source, which is connected with a space charge test unit and an oscilloscope, and the space charge test unit is connected with an oscilloscope. The invention can simulate the operation environment of cables in field operation, generate temperature gradient field and AC voltage through the combined action of the riser, monitor the space charge distribution in cable samples by electroacoustic pulse method, and use the charge distribution monitored to avoid frequent breakdown accidents of cables, so that the power cables can run reliably and safely, so as to provide power and electricity for the future. Cable fault early warning lays a good foundation.

【技术实现步骤摘要】
基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统
本专利技术属于高电压与绝缘
，尤其是一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统。
技术介绍
我国经济快速发展，电力需求越来越大，对输配电系统的可靠运行提出了更高的要求。在城市配电网中，考虑到对于环境美观和供电安全的要求，架空输电线路逐渐被电缆取代。随着我国城市化进程的加速和城市电网的不断改造，电力电缆已经广泛应用于高压输电线路和中低压配电网中。其中110kV及以上高压电缆已有数千公里，并且还在不断的增长。如何有效及时地检测电力电缆中的绝缘缺陷和潜伏的故障，避免由电缆突发性故障造成电网供电中断的恶性事故，是电缆预知性维护的重要部分，倍受电力企业的关注。交联聚乙烯电缆绝缘中存在大量的陷阱，在电场作用下，陷阱捕获载流子形成空间电荷。研究表明，空间电荷的存在、转移和消失会对介质内部的局部电场起到削弱或加强的作用，从而影响电介质的绝缘性能。国际上已经普遍认可，空间电荷对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等各方面的电特性都有明显的影响。研究电缆本体的老化机理，找到导致电缆绝缘击穿的关键因素，对于电缆故障的预判，保证电力系统可靠运行具有重要意义。大量的实际案例表明，导致电缆故障的根本原因是绝缘介质中空间电荷的积聚。由于现场的环境以及不可抗的外力作用导致的绝缘介质老化，使得空间电荷积聚，从而形成树枝，进一步发展后最终导致击穿。因此，探寻电缆老化机理及其预防诊断的首要任务是检测绝缘介质中的空间电荷分布。现场运行的电力电缆受外界环境因素的影响很大，在实验室中进行试验的首要任务就是充分模拟现场中电缆的实际运行情况。目前国内外对电缆中空间电荷的检测手段多种多样，但是很少能在实验室中将温度场和交流电场的影响条件考虑在内。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确可靠且易于实现的基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，包括交流变压器、空间电荷测试单元、交流相位匹配电路和高压脉冲源和示波器，所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接。所示示波器还连接一信号处理计算机实现空间电荷测试信号的的恢复和矫正功能。所述交流相位匹配电路包括依次连接在一起隔离变压器、滤波器、过零比较器、相位矫正、信号发生器和光耦合器，所述隔离变压器的输入端与交流电压器相连接，所述光耦合器的输出端连接高压脉冲源。所述高压脉冲源包括同轴电缆、充电电阻、MOSFET开关及电阻分压器，所述同轴电缆的一端通过充电电阻与10kV高压电源相连接，该同轴电缆的另一端与MOSFET开关相连接，该MOSFET开关的另一端输出高压脉冲源与空间电荷测试单元相连接，该高压脉冲源通过电阻分压器输出另一幅值的高压脉冲源与示波器相连接。所述MOSFET开关采用HTS100-12-ufMOSFET开关。所述空间电荷测试单元采用电声脉冲法原理构成。本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术在实验室中搭建温度梯度场和交流电压联合作用下的电缆本体空间电荷测试系统，能够模拟现场运行中电缆的运行环境，通过升流器产生温度梯度场及交流电压的联合作用，利用电声脉冲法监测电缆试样中的空间电荷分布，并且利用监测到的电荷分布情况，可以相应地得出电缆运行的寿命阈值并且确定容易发生击穿现象的电缆附件具体位置，从而更好地推广到实际工程应用中，避免电缆的击穿事故频繁发生，使电力电缆得到可靠安全的运行，为之后的电力电缆故障预警打下良好基础。附图说明图1为本专利技术的测试系统整体示意图；图2为电缆本体空间电荷的原理图；图3为空间电荷测试单元的测试原理图；图4为交流相位匹配电路框图；图5为高压脉冲源的电路图；图6升流器回路结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述。一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，如图1所示，包括交流变压器1、空间电荷测试单元2、交流相位匹配电路、高压脉冲源、示波器以及信号处理计算机。所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接，信号处理计算机与示波器相连接可以对收集到的信号进行分析处理。下面对系统中的各个部分分别进行说明：如图2及图3所示，空间电荷测试单元2采用电声脉冲法(PEA)测试电缆本体空间电荷，其测试基本原理是，在电缆线芯施加脉冲电压，使空间电荷振动，产生超声波，向下传播穿过下电极铝板，作用在PVDF压电传感器上产生正比于声波的电压信号。此信号经过放大器后输出到示波器。示波器采集到的电压随时间变化的波形即可反映电缆中垂直向下的半径方向的空间电荷的分布。与直流电压下空间电荷波形保持不变不同，交流电压下空间电荷分布随着交流相位而变化，所以需要得到空间电荷波形对应的交流相位数据。这要求高压脉冲源触发时间可控，并且数据采集系统可分辨测试空间电荷的相位。如图4所示，交流相位匹配电路包括依次连接在一起隔离变压器、滤波器、过零比较器、相位矫正、信号发生器和光耦合器，隔离变压器的输入端与交流电压器相连接，光耦合器的输出端连接高压脉冲源。该交流相位匹配电路具有直接从工频电压中获取交流相位的优点，可以与实际频率有所波动的工业用电很好地进行相位匹配，为实现空间电荷测试应用于现场打下基础。如图5所示，该高压脉冲源包括同轴电缆、充电电阻、MOSFET开关及电阻分压器，并以脉冲线形成法为原理制成高压脉冲电源，10kV高压电源通过充电电阻(100k欧姆)连接同轴电缆，同轴电缆的另一端与MOSFET开关相连接，MOSFET开关的另一端输出一个幅值的高压脉冲源与空间电荷测试单元，同时通过电阻分压器输出另一幅值的高压脉冲源与示波器相连接。为使脉冲电压的波形达到最好，选取优质的无感电阻、无感电容，尽量缩短电路元器件连接线的长度以减少电感，并且各部件摆放位置合理避免杂散电容的出现。经过调试，高压脉冲电源可输出较为理想的脉冲电压波形，脉冲电压幅值5kV，脉宽50ns，上升沿和下降沿5ns，重复频率最高3kHz，满足电缆交流空间电荷测试的要求。高压脉冲源采用脉冲功率技术中的单脉冲传输线理论，通过波过程产生特定脉宽的脉冲高压。按不产生空间电荷的最低电场强度为1kV/mm计算，电缆本体的空间电荷测试要求脉冲电压幅值为5kV。基于单脉冲形成线脉冲电压减半的原理，要求开关的耐受电压达10kV。为满足实验要求，本实施例的MOSFET开关采用德国Behlke公司生产的HTS100-12-ufMOSFET开关。HTS-UF(超高频)系列动态开关是专门为持续时间短，上升沿陡峭的高压脉冲发生器设计的，其显著特点是它的上升沿时间在高压下和负载下保持恒定。与传统的高压开关(如冷阴极管)相比，此开关具有非常低的震荡和抖动。在输入端只需要一个兼容的方波控制信号和一个5v的辅助电压。内部驱动电路负责信号调理，辅助电压监控，频率限制和温度保护。开关是由一个2到10v的正向脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：包括交流变压器、空间电荷测试单元、交流相位匹配电路和高压脉冲源和示波器，所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：包括交流变压器、空间电荷测试单元、交流相位匹配电路和高压脉冲源和示波器，所述交流变压器连接空间电荷测试单元和交流相位匹配电路，该交流相位匹配电路的输出端连接高压脉冲源，该高压脉冲源与空间电荷测试单元及示波器相连接，该空间电荷测试单元与示波器相连接。2.根据权利要求1所述基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：所示示波器还连接一信号处理计算机实现空间电荷测试信号的的恢复和矫正功能。3.根据权利要求1或2所述基于温度梯度场和交流电压的电缆本体空间电荷测试系统，其特征在于：所述交流相位匹配电路包括依次连接在一起隔离变压器、滤波器、过零比较器、相位矫正、信号发生器和光耦合器，所述隔离变压器的输入端与交流电压器相连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋鹏先，何东欣，房晟辰，孟繁淞，王晓然，王浩鸣，李清泉，郗晓光，满玉岩，
申请(专利权)人：国网天津市电力公司电力科学研究院，国网天津市电力公司，国家电网有限公司，山东大学，
类型：发明
国别省市：天津,12