配电电缆绝缘诊断用超低频余弦方波高压发生器的制作方法

本实用新型涉及电力设备的绝缘状态检测技术领域，是一种专门应用于电力电缆超低频绝缘状态检测的装置。

背景技术：

配电电缆作为电网运行的大动脉，其安全可靠性与人们的生产生活息息相关。由于电缆埋于地下，一旦出现故障，其故障查找非常困难、耗时长，造成较大的经济损失，对居民的日常生活、生产部门的日常生产以及其他社会非生产部门的照常运转造成诸多不便。

工程上对电缆的绝缘状态检测主要包括直流耐压试验、工频交流耐压试验、工频谐振耐压试验以及超低频耐压试验等。对电缆进行直流耐压试验时，常常可以通过电缆泄漏电流的变化对电缆的绝缘状态尤其是集中性缺陷有比较有效的反应，不过直流耐压下对电缆绝缘的考验不如交流下接近运行实际条件，而且对于XLPE电缆，在直流耐压试验后电缆中会存在残余的空间电荷，以致在投入运行后在工频交流下引起电场畸变造成不必要的事故。工频交流耐压试验虽然比较实际地反映电缆的绝缘状态，但由于电力电缆电容较大，要求交流试验设备的容量比较大，体积笨重，不方便现场检测。超低频电压检测技术在配电电缆绝缘诊断技术中具有独特的优势，在保证测试设备体积轻便的基础上，既能充分地激发出电缆试品的局部放电信号，又能准确的反映出tanδ的变化，更为重要的是，超低频下电缆的tanδ值与其水树枝化程度呈现很好的相关性，而在较高频率下两者的关系并不明显。然而，目前现有的超低频电压波形存在各种不足和缺陷，超低频正弦波产生或需要调制和解调的过程，对滤波功能要求较高，要么使用旋转电机，体积庞大，不够灵活；而余弦方波由于本身波形特点，既有直流电压特性，又有交流特点，其中矩形波部分类似于直流耐压试验，而极性转换过程类似于余弦波，可模拟工频交流下的耐压试验，兼顾二者优势。因此，在评估了系统复杂程度，试验波形的测试效果等多种因素之后，本实用新型提出采用超低频余弦方波波形的超低频电压来进行配电电缆的绝缘状态检测的方法，并研制了激励装置，充分的解决了以上所述难题，提高了相关行业技术水平。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种配电电缆绝缘诊断用超低频余弦方波高压发生器，解决当前配电电缆绝缘状态诊断装置笨重，电压等级有限，检测缺陷不全面等问题。

本实用新型采用以下技术方案：

一种配电电缆绝缘诊断用超低频余弦方波高压发生器，包括正极性高压直流源A、负极性高压直流源B、双向高压电力电子开关C、极性转换装置D、总控单元E，以及LC电路，其中，双向高压电力电子开关C和极性转换装置D并联连接，双向高压电力电子开关C由第一和第二可控型高压电力电子开关单元组成；所述正极性高压直流源A的输入为市电，输出为第一可控型高压电力电子开关单元的输入；所述负极性高压直流源B的输入为市电，输出为第二可控型高压电力电子开关单元的输入；所述极性转换装置D输出的一端串联电感后连接在电容的一端，极性转换装置D输出的另一端连接在电容的另一端，所述电容并联在试品电缆的两端，检测时，在试品电缆上施加峰值最大为30kV的0.1Hz周期变化的超低频余弦方波高电压。

所述的正极性高压直流源A和负极性高压直流源B结构相同，均主要由继电器，升压变压器，保护电阻，高压电容，第一高压硅堆，限流电阻组成倍压整流电路。

所述的极性转换装置D由第三和第四可控型高压电力电子开关以及第二高压硅堆和第三高压硅堆构成，其中，第三可控型高压电力电子开关与第二高压硅堆串联后与串联的第四可控型高压电力电子开关与第三高压硅堆并联连接，所述电感连接在第四可控型高压电力电子开关的发射极。

所述的第一至第四可控型高压电力电子开关主要为多个模块串联而成，每个模块分别由高压隔离变压器，IGBT驱动板，IGBT模块及相应的缓冲保护电路串联构成，高压隔离变压器的输入端与220V交流相连，IGBT的驱动板由光纤传递控制信号。

高压隔离变压器采用100W，隔离电压30kV的高压隔离变压器。

所述继电器最大切断40A电流；升压变压器为220V输入，15kV输出，功率500W高压试验变压器。

保护电阻采用阻值为2MΩ的电阻，高压电容的数值5000pF/40kV，第一高压硅堆为耐压40kV，通流5A的硅堆，限流电阻为阻值5MΩ的电阻。

所述的保护电阻为高压玻璃釉电阻。

所述的限流电阻为高压玻璃釉电阻。

第二和第三高压硅堆为40kV耐压，通流5A的高压硅堆；电感采用1H，电容为0.1μf。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型高压发生器主要由正负极性高压直流电压源、双向高压电力电子开关、极性转换装置与总控单元构成。在试品电缆上施加峰值最大为30kV的0.1Hz周期变化的超低频余弦方波高电压。当波形处于正负极稳定状态时(即波形处于方波阶段时)模拟直流高电压对电缆进行直流耐压试验，得到试品的泄漏电流，有效反应试品的集中性缺陷，而在上升沿和下降沿时则模拟50Hz交流高电压对电缆进行交流试验，检测试品介质损耗角正切值和局部放电缺陷，从而对试品电缆的绝缘状态取得综合性的评估。通过总控单元控制高压电力电子开关的交替通断对电缆进行正反向充电，利用极性转换装置对电缆放电以实现电压极性转换。本实用新型超低频余弦方波发生器综合了电缆直流耐压试验技术和工频交流试验技术，可对电缆绝缘状态进行全面综合性评估，极大地提高了试验效率，减少了成本，具有重要的工程实用价值，提高了行业水平。

【附图说明】

上述仅是本实用新型方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型一种配电电缆绝缘诊断用余弦方波高压发生器的电路结构图。

图2为本实用新型一种配电电缆绝缘诊断用余弦方波高压发生器采用的余弦方波波形形状示意图。

图3为本实用新型一种配电电缆绝缘诊断用余弦方波波形高压发生器正负极性转换过程时的波形。

图4为本实用新型一种配电电缆绝缘诊断用余弦方波高压发生器使用的高压半导体开关的结构示意图。

【具体实施方式】

本实用新型公开了一种配电电缆绝缘诊断用超低频余弦方波高压发生器。该装置由正负极性高压直流电压源、双向高压电力电子开关、极性转换装置与总控单元构成，可在试品电缆上施加峰值最大为30kV的0.1Hz周期变化的超低频余弦方波高电压。波形处于正负极稳定状态时(即波形处于方波阶段时)可模拟直流高电压对电缆进行直流耐压试验，可得到试品的泄漏电流，有效反应试品的集中性缺陷，而在上升沿和下降沿时则可模拟50Hz交流高电压对电缆进行交流试验，检测试品介质损耗角正切值和局部放电缺陷，从而对试品电缆的绝缘状态取得综合性的评估。通过总控单元控制高压电力电子开关的交替通断对电缆进行正反向充电，利用极性转换装置对电缆放电以实现电压极性转换。本实用新型超低频余弦方波发生器综合了电缆直流耐压试验技术和工频交流试验技术，可对电缆绝缘状态进行全面综合性评估，极大地提高了试验效率，减少了成本，具有重要的工程实用价值，提高了行业水平。

具体来说，其中正极性高压直流源A由继电器1，升压变压器2，保护电阻3，高压电容4，高压硅堆5，限流电阻6组成的倍压整流电路构成；负极性高压直流源B由继电器1，升压变压器2，保护电阻3，高压电容4，高压硅堆5，限流电阻6组成的倍压整流电路构成；C由两组可控型高压电力电子开关单元7、8组成；D为极性转换装置，由两组可控型高压电力电子开关9、10以及高压硅堆11、12构成；E为总控单元；另外发生器还由电感13和高压电容14构成。

如图1所示，所述余弦方波高压发生器的继电器1采用欧姆龙G7Z-4A,最大可切断40A电流；升压变压器2为220V输入，15kV输出，功率500W高压试验变压器；保护电阻3采用阻值为2MΩ的高压玻璃釉电阻，高压电容4采用数值5000pF/40kV，高压硅堆5为耐压40kV，通流5A的硅堆，限流电阻6阻值为5MΩ的高压玻璃釉电阻；高压半导体开关模块7,8采用模块化设计结构；极性转换装置中的高压半导体开关9,10同样采用模块化设计结构，高压硅堆11,12为40kV耐压，通流5A的高压硅堆；电感采用1H,电容14为0.1μf；总控模块E是基于ARM控制的FPGA控制电路板，输出多路光/电信号，分别控制继电器、高压半导体开关和极性转换装置。

如图4所示，所述高压半导体开关7,8,9,10主要为10个稍低电压等级的模块串联而成，每个模块分别由高压隔离变压器，IGBT驱动板，IGBT模块及相应的缓冲保护电路构成。高压隔离变压器的输入端与220V交流相连，IGBT的驱动板由光纤传递控制信号。优选的，高压隔离变压器采用100W，隔离电压30kV的高压隔离变压器。所选用的光纤发射器为IFBR1522，光纤接收器为IFBR2522。

所述波形频率为0.1Hz,一个周期可分为四个过程，在时刻t0—t1,t1—t2,t2—t3,t3—t4间电压波形分别为：

其中U_O为余弦方波波形激励源输出电压波形，V_m为预设的电容充电电压幅值，t0—t1时刻电压处于正极性，时间为5s,t2—t3时刻电容通过极性转换装置电压变为负极性，时间为5s；而t1—t2时刻为电容正向放电过程，电容电压波形由正到负，转换过程近似为余弦形式，时间在2-6ms，同样地，t3—t4时刻为电容反向放电过程，电压极性由负到正，斜率波形也近似为余弦波形，时间在2-6ms。电压波形周期为10s。t0～t4定义见说明书附图2。

开关7仅在正向充电回路(t0-t1)中工作，开关8仅在反向充电回路(t2-t3)工作，开关10仅在正向放电回路(t1-t2)中工作，开关9仅在反向放电回路(t3-t4)工作。两单元共四组开关具有相同的结构，具体结构为10个稍低电压等级的模块串联而成，每个模块分别由高压隔离变压器，IGBT驱动板，IGBT模块及相应的缓冲保护电路构成。高压隔离变压器的输入端与220V交流市电相连，IGBT的驱动板由光纤传递控制信号。

采用本实用新型所述的余弦方波波形为一段试品电缆施加预设波形参数的余弦方波高电压波，可通过检测设备采集到试品电缆单相电压波形，电流波形，局部放电波形。(t0-t1)阶段高压半导体开关7导通，电容处于正向充电过程，(t2-t3)阶段高压半导体开关8导通，电容处于反向充电过程，此时模拟直流耐压试验，可用来分析试品电缆的泄漏电流，反映电缆集中性缺陷；(t1-t2)阶段，极性转换装置中高压半导体开关10导通，电容处于正向放电过程，(t3-t4)阶段极性转换装置中高压半导体开关9导通，电容处于反向放电过程，这两种过程类似于余弦波形式，可用来分析试品的介质谱特性和局部放电特性。另外通过对(t1-t2)和(t3-t4)的电压电流波形分别进行傅里叶变换，得到介质损耗正切值随频率变化的曲线tanδ(f)；对(t1-t2)和(t3-t4)的局部放电波形进行脉冲配对，可得到局部放电特征谱图和局部放电定位谱图。

最后将获得的实验数据进行总体评估，综合性的对试品电缆进行绝缘状态诊断工作。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例子而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。