振荡波交流耐压试验系统
第27卷第2期2011年4月
上海电力学院学报
V o. l 27, No . 2Ap r . 2011
Journal o f Shan ghai Un i v ersit y o f E l ectric Pow er
文章编号:1006-4729(2011) 02-0107-03
振荡波交流耐压试验系统
陈 炯, 王明炎
1
2
(1. 上海电力学院, 上海 200090; 2. 上海大屯能源股份有限公司, 上海 221611)
摘 要:通过对各种耐压试验的分析, 提出采用振荡波交流耐压试验作为电缆竣工试验. 在此基础上, 设计了振荡波的耐压试验系统电路, 并利用PSP ICE 软件对所设计的电路进行了仿真分析. 分析结果表明, 所设计的电路能产生良好的试验波形, 满足试验要求. 关键词:XLPE 电缆; 耐压试验; 振荡波中图分类号:O 361. 6
文献标志码:A
Study of t he Oscillati ngW ave Press ure Test Syste m
C HEN Jiong , W ANG M ing yan
1
2
(1. Shangha i Universit y of E lectr ic P o w er, Shanghai 200090, China ; 2. Shanghai Energy Sources CO. L t d. , Shanghai 221611, China )
Abst ract : As the XLPE po w er cables are used w i d ely i n po w er syste m, w it h stand i n g voltage test is m ore and m ore i m portant for the re liable operation o f the cable .
By analyzi n g all k i n ds o f
w it h stand i n g vo ltage m e t h ods , osc illating w ave test syste m is very su itable for cable to do fi e l d tes. t The whole c ircuit of osc illating w ave test syste m is i n troduced and si m ulated to anal y ze the feasibility
of c ircu i. t The resu lts of ana lysis sho w that a good osc illating w ave can be generated on the cable by the c ircu i, t and para m eters of oscillati n g w ave are consi s tent w ith de m and . K ey w ords : XLPE cables ; w ithstanding vo ltage tes; t osc illati n g w ave 目前, 常用的几种电压试验方法都存在一些缺陷:直流电压试验, 除了在交联聚乙烯绝缘层中形成空间电荷, 使本来完好的电缆绝缘产生损伤外, 还难以发现部分类型的电缆绝缘缺陷(如交联聚乙烯绝缘电缆中的水树); 工频电压试验, 由于需要很大的试验容量而使现场交流耐压试验十分困难, 且其选取的试验电压偏低, 短时间内难以发现电缆的制造缺陷和施工缺陷; 并联变频谐振电压试验, 会引起电缆的损伤, 且体积大、价格高,
收稿日期:
2010-09-28
m ai:l 163. com .
很难在中低压电缆耐压试验中推广; 0. 1H z 超低频交流耐压试验, 由于其试验频率和工频相差甚远, 存在等效性问题. 因此, 寻求一种适合于电
缆现场竣工试验的方法具有重要的意义.
振荡波测试系统(O scillati n g W ave T est Syste m, OW TS) 是近年来国内外应用效果较好的
[4, 5]
一种用于XLPE 电力电缆的检测技术. 研究表明, 振荡波电压与交流电压具有良好的等效性, 且与交流电压、超低频电压相比, 作用时间短、操作
[1 3]
通讯作者简介:陈炯(1977-), 男, 博士, 副教授, 浙江奉化人. 主要研究方向为试验技术及电气设备状态监测.
方便, 还可以发现XLPE 电力电缆中的各种缺陷(尤其是电缆的制造质量缺陷和施工质量缺陷), 不会对电缆造成损伤, 且该系统具有轻便、灵活、易于实现的特点, 适用于现场试验, 因此OW TS 是一种良好的XLPE 电力电缆竣工试验方法.
从图2和图3可以看出, 当器件选择合理的参数时, 能够在试品上得到良好的试验波形
.
1 振荡波耐压试验系统原理设计
目前, 国际上对于振荡波交流试验系统波形的一般技术指标为:充电时间为 3s ; 振荡频率为50~1000H z ; 电压持续时间为300~1000m s ; 电压波形前3个振荡波形衰减速度小于10%.
针对上述的波形条件, 本文设计了适用于容量为0. 1u f 的35kV 电缆的振荡波交流试验系统, 其电路如图1所示
.
2. 1 电感参数
由振荡原理可知, 振荡波交流耐压试验系统的振荡频率由系统中的电感L 1和电容(由C x , C 1, C 2组成) 决定, 即
2 LC
系统中试品C x 的容量远远大于分压器所引入的电容量, 因此在系统试验容量一定的条件下,
本系统的工作原理为:首先利用直流高压发生器U 1对试品C x (电缆) 进行充电, 达到试验电压时, 合上高压开关S , 此时由电容C x 和电感L 1构成的振荡回路发生振荡, 从而在试品电容C x 上得到振荡波试验电压. 为了验证上述电路是否能够产生相应的振荡波, 本文采用PSPI CE 电路仿真软件进行仿真分析. 在仿真过程中, 为了满足试验电压为工作电压的1. 7倍的要求, 采用电压控制开关代替高压开关, 并将直流高压电源的输出电压设计为85kV. 仿真电路如图2所示, 其仿真结果如图3所示
.
系统中电感L 1的大小直接影响系统的振荡频率. 根据国际电工委员会电缆耐压试验中测试频率f 0的范围为50~1000H z 的建议, 并根据实际现场使用的方便程度, 本文采用f 0=200H z , 由此计算可得L 1=0. 7H. 根据上述计算的电感值, 利用PSPI CE 对其进行仿真分析, 仿真结果见图4
.
f 0=
1
图3 振荡波仿真波形
2 参数选择
图1 振荡波交流试验系统的电路原理
图4 0. 7H 电感的振荡波形
由图4可以看出, 该波形的t =0. 005s , 即f =
图2 仿真电路原理
200H z , 符合设计要求, 并且波形的第3周波衰减约为2. 3%, 小于10%.
2. 2 分压器参数
分压器是一种将高电压波形转换成低电压波形的转换装置, 它由高压臂和低压臂组成. 将输入电压加到整个装置上, 而输出电压则取自低压臂. 由仿真结果可以看出, 试品上的电压为80kV 左右, 示波器无法直接对其进行测量. 在本系统中, 首先利用分压器将高压信号变为低压信号, 然后利用示波器对其试验波形进行测量.
分压器原理如图5所示, 图中Z 1为分压器高压臂的高阻抗, Z 2为低压臂的低阻抗. 测电压时, 大部分电压降落在Z 1上, Z 2上仅分到一小部分电压, 该低压值乘上一个系数(称为刻度系数) 即可获得被测的高压值:
U 1Z 2
U 2=
Z 1+Z 2
图6 分压器仿真波形
2. 3 阻尼电阻参数
在整个振荡电路中, R 1的大小决定着振荡波的衰减速度. 在确定其阻值的大小之前, 首先对电阻R 1的选择进行理论分析:电阻R 1在谐振回路中的作用是吸收能量, 加速振荡衰减的速度. 当电阻增大时, 衰减速度加快, 迅速归零; 而当电阻减小时, 衰减速度降低, 振荡时间延长. 对于电阻大小选择的原则如下.
(1) 在电缆耐压试验中, 我们希望通过与正常工作相当的情况对其进行耐压试验. 为了避免和减小工频耐压试验情况下的不可逆损坏, 采用了振荡波耐压试验的方法. 该方法需要在较短的时间内实现耐压试验过程, 并迅速衰减以避免和减小对电缆的损耗, 要求在较短的时间内能够衰减至零. 根据I EC 的规定, 这个衰减时间选择在1s 以内. (2) 为了达到耐压试验的目的, 试验过程中的衰减速度不能过快, 否则就类似冲击电压, 不能模拟出正常工况下的耐压状况. 此外, 我们需要试验的前几个周波能够很好地对电缆绝缘状态作出判断, 实现耐压试验的过程. 根据I EC 的规定, 选择前3个周波的衰减速度小于10%.针对上述选择阻尼电阻的原则, 本文的阻尼电阻选为8 , 并对其合理性进行仿真分析, 仿真结果如图7所示
.
分压比为k =
U 1U 2
=
Z 1+Z 2
Z
2
图5 分压器原理
根据分压器组成元件的不同, 可以分为电阻分压器、电容分压器和阻容分压器. 本文所设计的振荡波交流试验系统, 其电压信号既有开始时的直流充电信号, 又有后续振荡交流信号, 故采用阻容分压器作为系统的分压元件, 分压比设计为10000 1. 为了消去高压杂散电容对测量的影响, 本文选择了合适的电阻、电容参数(高压臂电容2n, f 低压臂电容20 , f 高压臂的电阻为150M , 低压臂电阻为15k ), 并利用仿真软件进行仿真, 其仿真结果如图6所示.
从图6可以看出, 本文所设计的分压器满足设计要求
.
图7 阻尼电阻为8 的试验波形
(下转第137页)
位键K 1按下, 则记录K 1按键次数的变量cnt 加1, cn t 的初值为80H; 若将K 2按下, 则该处对应的值就加1, 并将该数据送到DS1302的对应单元; 若将K 3按下, 则该处对应的值减1, 并将该数据送到DS1302的对应单元; 若无键按下, 则直接将消息发送给监视任务, 并转入等待状态. 扫描键盘任务的优先级为10.
系统初始化后, 这6项任务都处于就绪态. 根据优先级CPU 首先运行优先级为6的监视任务的规定, 运行一段时间后, 监视任务由于等待获取温度任务的消息而进入等待状态, 接着运行优先级为7的获取温度任务, 运行完毕后, 发送消息给监视任务并进入等待状态, 监视任务由等待状态转入就绪态; 根据优先级CPU 首先运行优先级为6的监视任务的规定, 运行一段时间后, 监视任务由于等待获取时间任务的消息进入等待状态, 接着运行优先级为8的获取时间任务, 运行完毕后, 发送消息给监视任务并进入等待状态, 监视任务由等待状态转入就绪态; 根据优先级CP U 首先运行优先级为6的监视任务的规定, 运行一段时间后, 监视任务由于等待LCD 显示任务的消息进入等待状态, 接着运行优先级为9的LCD 显示任务, 运行完毕后, 发送消息给监视任务并进入等待状态, 监视任务由等待状态转入就绪态; 根据优先级CP U 首先运行优先级为6的监视任务的规定, 运行一段时间后, 监视任务由于等待扫描按键任务的消息进入等待状态, 开始运行优先级为10的
扫描按键任务, 运行完毕后, 发送消息给监视任务并进入等待状态, 监视任务由等待状态转入就绪态; 根据优先级CPU 首先运行优先级为6的监视任务的规定, 重新开始下一轮循环
[6]
.
4 结 语
本文在AT89S51的硬件平台上实现了基于 C /OS II 电子台历设计, 并针对传统系统设计稳定性不佳的问题, 提出了基于 C /OS II 的系统设计方案. 使用实时内核来管理这些任务, 会增加系统的内存和CP U 时间的消耗. 但在系统的内存足够大、CP U 运行速度足够快的情况下, 使用实时内核设计电子台历, 有利于系统的后续开发. 参考文献:
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和应用[J].微计算机信息, 2006, 22(12 2):13 17. [4] 孟庆峰. 实时内核 C /OS II 在S3C44B0X 上移植的研究与
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(编辑 吴寿林)
(上接第109页)
从图7可以看出, 试验波形在1s 内基本衰减至零, 并且其开始的3个周波由85k V 降至76. 7kV, 降低9. 76%, 小于10%, 因此本文的设
计参数满足要求.
参考文献:
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VLF d i scharge detecti on as a
d iagnosti c tool f or M V cab les [C ]//I EEE PES 1997Summ er
3 结 语
通过对整个系统的设计和分析可以看出, 振
荡波电压与交流电压具有良好的等效性, 且与交流电压、超低频电压相比, 作用时间短、操作方便, 还可以发现XLPE 电力电缆中的各种缺陷(尤其是电缆的制造质量缺陷和施工质量缺陷), 不会对电缆造成损伤. 另外, 该系统具有轻便、灵活、易于实现的特点, 适合于现场试验.
(编辑 苏娟)