振荡波交流耐压试验系统.pdf

第 27卷第 2期上海电力学院学报V o.l 27,No.2?2011年 4月Journal?o f?Shanghai?Univ ersity?o f?E lectric?Pow erApr.?2011?文章编号:1006-4729(2011)02-0107-03振荡波交流耐压试验系统?收稿日期:2010-09-28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.E?mai:l chenjiong770516 .陈?炯1,王明炎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 PSPICE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:O361.6?文献标志码:AStudy of theOscillatingWave PressureTest SystemCHEN Jiong1,W ANG M ing?yan2(1.ShanghaiUniversity of ElectricPo wer,Shanghai?200090,China;2.ShanghaiEnergy Sources CO.Ltd.,Shanghai?221611,China)Abstract:?As theXLPE power cables are usedw idely in power syste m,w ithstanding voltage test ismore and more i mportant for the reliable operation of the cable.By analyzing all kinds ofw ithstanding voltagemethods,oscillating wave test system is very suitable for cable to do field tes.tThewhole circuit of oscillating wave test system is introduced and si mulated to analyze the feasibilityof circui.t The results of analysis show that a good oscillating wave can be generated on the cable bythe circui,t and parameters of oscillating wave are consistent w ith demand.Key words:?XLPE cables;w ithstanding voltage tes;t oscillating wave?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,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 1?3.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(Oscillating W ave T estSystem,OW TS)是近年来国内外应用效果较好的一种用于 XLPE电力电缆的检测技术 4,5.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.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?3 s;振荡频率为 50 1 000 Hz;电压持续时间为 300 1 000ms;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 0.1 uf的 35 kV电缆的振荡波交流试验系统,其电路如图 1所示.图 1?振荡波交流试验系统的电路原理本系统的工作原理为:首先利用直流高压发生器 U1对试品 Cx(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 Cx和电感 L1构成的振荡回路发生振荡,从而在试品电容 Cx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 PSPICE 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 85 kV.仿真电路如图 2所示,其仿真结果如图 3所示.图 2?仿真电路原理从图 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.图 3?振荡波仿真波形2?参数选择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 L1和电容(由 Cx,C1,C2组成)决定,即f0=12?LC系统中试品 Cx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,系统中电感 L1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 f0的范围为 50 1 000Hz的建议,并根据实际现场使用的方便程度,本文采用 f0=200 H z,由此计算可得 L1=0.7 H.根据上述计算的电感值,利用PSPICE对其进行仿真分析,仿真结果见图 4.图 4?0.7H电感的振荡波形由图 4可以看出,该波形的 t=0.005 s,即f=200Hz,符合设计要求,并且波形的第 3周波衰减约为 2.3%,小于 10%.108上?海?电?力?学?院?学?报?2011年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 80 kV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 Z1为分压器高压臂的高阻抗,Z2为低压臂的低阻抗.测电压时,大部分电压降落在 Z1上,Z2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?2=U?1Z2Z1+Z2分压比为k=U?1U?2=Z1+Z2Z2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2 n,f 低压臂电容 20?,f 高压臂的电阻为 150M?,低压臂电阻为 15 k?),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 6?分压器仿真波形2.3?阻尼电阻参数在整个振荡电路中,R1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 R1的选择进行理论分析:电阻 R1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 IEC的规定,这个衰减时间选择在 1 s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 IEC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.图 7?阻尼电阻为 8?的试验波形(下转第 137页)109?陈?炯,等:振荡波交流耐压试验系统位键 K1按下,则记录 K1按键次数的变量 cnt加1,cnt的初值为 80 H;若将 K2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 K3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 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 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 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 CPU时间的消耗.但在系统的内存足够大、CPU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:1?腾凌巧,刘常春,戴琨.嵌入式操作系统的移植与测试 J.平顶山工学院学报,2003,12(4):25?27.2?田志鑫,张雷,赵明扬.在 51单片机上移植?C/OS?II关键问题的解决 J.微计算机信息,2007,23(12?2):23?26.3?姚念龙,尹航,姜久春.?C/OS?II在 MC9S12A64上的移植和应用 J.微计算机信息,2006,2212?2):13?17.4?孟庆峰.实时内核?C/OS?II在 S3C44B0X 上移植的研究与实现 J.安徽电子信息职业技术学院学报,2008,7(3?4):22?25.5?何信林,金黎,卢秋艳,等.?C/OS?II在 AT90S系列单片机上的移植 J.现代电子技术,2004(12):89?94.6?章涤峰,冉全,杨帆.基于 C8051F120和 RTOS的测控平台设计 J.微计算机信息,2007,23(4?2):45?47.(编辑?吴寿林)(上接第 109页)?从图 7可以看出,试验波形在 1 s内基本衰减至零,并且其开始的 3个周波由 85 k V 降至76.7 kV,降低 9.76%小于 10%,因此本文的设计参数满足要求.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.参考文献:1?张仁豫,陈昌渔,王昌长,等.高电压试验技术 M.2版.北京:清华大学出版社,2002:46?51.2?罗俊华,马翠姣,邱毓昌,等.35 kV 及以下 XLPE电力电缆试验方法的研究 J.电网技术,2000,24(12):58?61.3?PULTRUM E,HETZEL E.VLF discharge detection as adiagnostic tool forMV cables C /I EEE PES 1997 SummerM eeting,Berlin,1997:20?24.4?MORS HU IS P HF,BODEGA R,LAZZARON IM,et al.Particaldischargedetectionusingoscillatingvoltageat differentfrenquencies C /I EEEInstru mentation and M easurementTechno logy Conference Anchorage,2002:21?23.5?GULSK IEdward,W ESTER F rank J,SM I T Johan,et al.PDdection in power cables using oscillating wave test system C/Conference Record of the I EEE Interational Symposiumon Electical Insulation,l 2000:2?5.(编辑?苏娟)137?刘洪利,等:基于?C/OS?II的电子台历控制系统