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0.1 Hz超低频下XLPE/PE电缆tanδ测量

作者:王永红 何丽娟日期:2011年5月3日 16:34

前 言

    直流电压试验XLPE/PE电力电缆会产生不易中和的空间电荷,不能灵敏地发现电缆中业已存在的绝缘缺陷,还可能对良好的绝缘带来进一步的损伤。直流电压试验不适用于XLPE/PE电缆已成定论[1~4];工频电压试验因需要很大的电源和试验设备容量,现场试验难以达到。
    0.1 Hz超低频电压试验容量小,理论上仅为工频电压的1/500,故其设备重量轻,可移动,不会在XLPE/PE电缆绝缘中产生空间电荷,是目前比较有效的新的XLPE/PE电缆的现场试验方法。
    耐压试验主要用于发现较为明显的局部缺陷和较为严重的全局性绝缘问题。为更好地评估XLPE/PE电缆绝缘状况,除耐压试验外,还要进行其它非破坏性试验,tanδ测量是主要项目之一。

1 0.1 Hz频率下tanδ测量技术

1.1 测量原理

    工频电压测量tanδ一般采用QS-1电桥,也采用数字式自动平衡电桥、实部和虚部分离法、数字采样波形分析法及过零比较法等数字测量技术[4]。
    在0.1 Hz频率下,电桥法已不再适用。由于现场试验信号容易叠加高频干扰,实部和虚部分离法及过零比较法抗干扰能力比较差,也不宜使用。因此,0.1 Hz频率tanδ测量采用抗干扰能力强的数字采样波形分析法——准同步采样谐波分析法,其原理见图1。


图1 0.1 Hz超低频下tanδ测量原理

    通过Rh和R1组成的电阻分压器得到与被测电缆上电压同相位的电压信号Uv,通过串联小电阻Rs得到与被测电缆电流信号同相位的另一个电压信号Ui,分别经滤波、放大后由两个同步动作的A/D转换器把连续变化的电压信号变成两组数字信号,并存入单片机系统的数据存储器中,则有:

 
式中,f0=0.1 Hz为基波频率,av0及ai0为直流分量,Avk及Aik为k次谐波幅值,k次谐波初相位分别为

 

其中,avk及aik为k次谐波分量的实部,bvk及bik为k次谐波分量的虚部。由于:

 

在整个基波周期内:

 

故若单片机求出Uv(t)及Ui(t)的基波频率的实部和虚部,则可得到对应于基波f0的tanδ值。
    以上方法是建立在完全整周期采样条件下的。实际采样过程是非整周期的,会带来致命的误差,故对高准确度的tanδ测量,在求解过程中,采用准同步算法[6],它是在周期偏差不大的情况下,增加适当的数据量并采用新算法得到某一周期函数平均值的高度准确估计算法。
    对周期性函数f(t)=A0+∑Ansin(2πf0t+φn),可按照某种求积公式做以下的递推运算:

 

式中:上标n为递推序号。N为采样点数,ρi(i=0,1,…N)为对应数值求积公式所确定的权系数。可以证明,在一定条件下存在

 

    根据所用数值积分方法的不同,准同步计算方法有3种具体形式:复化梯形求积准同步算法、复化辛甫生求积准同步算法、复化矩形求积准同步算法。其中,第一种算法最好,其递推公式可改为:

 

式中,A0是函数f(t)的平均值,rn=-sin(nπf0ΔT)cot(nπf0Ts)/N为衰减因子,ΔT=T0-NTs为周期偏差,T0为基波周期,Ts为采样周期,w为采样总点数,N为一周期采样点数。可以证明,随递推次数m的增加,Fm最终收敛于函数f(t)的平均值A0。

1.2 校准

    在工频下,tanδ测量系统的校准可视压缩气体电容器为无损耗的标准器件而建立tanδ=0的基准,但对于0.1 Hz此基准并不存在。
    按图1原理开发的测量装置对每个固定相位测量5次(分别为tanδ1、tanδ2、tanδ3、tanδ4、tanδ5)的结果见表1。由此可知测量准确度<0.02%,能够满足电缆tanδ现场测量要求。


表1 检验结果
 

 

δ/(°) tanδ1 tanδ2 tanδ3 tanδ4 tanδ5 理论值

0

0.0002

0.0001

0.0000

0.0001

0.0002

0

0.36 0.0062 0.0063 0.0062 0.0061 0.0064 0.00628
0.72 0.0126 0.0125 0.0126 0.0124 0.0123 0.01257
1.08 0.0189 0.0188 0.0188 0.0189 0.0188 0.01885
1.44 0.0253 0.0252 0.0250 0.0252 0.0250 0.02514
1.8 0.0314 0.0311 0.0313 0.0314 0.0313 0.03143
2.16 0.0376 0.0376 0.0376 0.0376 0.0376 0.03772
2.52 0.0438 0.0439 0.0440 0.0440 0.0440 0.04401
2.88 0.0503 0.0501 0.0502 0.0502 0.0502 0.05031
3.24 0.0566 0.0566 0.0566 0.0566 0.0566 0.05661
3.6 0.0629 0.0629 0.0629 0.0629 0.0629 0.06291

 

2 现场测量

    哈尔滨电业局用研制的0.1 Hz超低频tanδ测量装置对10 kVXLPE电缆多次现场试验的结果表明,它对绝缘整体缺陷变化十分灵敏。表2为Ⅰ、Ⅱ两根电缆的现场测量结果。Ⅰ为1.7 km严重受潮电缆,Ⅱ为0.42 km新电缆,均通过了0.1 Hz正弦波3U′0 1 h耐压试验。但在相同电压下,新XLPE电缆tanδ值非常小,受潮电缆tanδ值非常大。

表2 现场tanδ测量结果

电缆 电压/kV tanδ
A

16.2

0.1146

B 16.0 0.2225
C 16.0 0.2225
A 15.9 0.0003
B 16.1 0.0003
C 16.2 0.0007

3 结 论

   a.0.1 Hz超低频电压下XLPE/PE电缆tanδ测量可采用准同步采样谐波分析法。
   b.0.1 Hz超低频下XLPE电力电缆tanδ测量值对绝缘整体缺陷变化灵敏,它可以作为电缆优劣评定的一项重要指标,其评定标准尚需大量的实测来总结。


参考文献

1,Srinivas N N. Effect of DC testing on AC creakdown strength of XLPE insulated cables subjected to laboratory
accelerated aging. IEEE Trans on PD, 1990,5(4):1643
2,William A. Thus, Let’s put field testing of cable in perspective. IEEE Electrical Insulation Magazine, 1996,12(5):31
3,何丽娟.交联聚乙烯电缆绝缘中空间电荷效应与0.1 Hz超低频高压发生器设计的研究(硕士学位论文).哈尔滨理工大学,1996
4,罗俊华,袁淳智.XLPE电力电缆在直流电场下介质树枝劣化特性的研究.高电压技术,1993,19(1):41
5,吕延峰,钟连宏.介损测量技术及其新发展.高电压技术,1996,22(2):53
6,戴先中.准同步采样中的几个理论及实际问题.仪器仪表学报,1984,5(4):390

 

所属类别: 0.1Hz超低频高压技术

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