论文总字数：36759字

摘 要

电力电缆自身的特性决定了其维护和检修难度大、成本高，对其进行出厂试验、维护试验和现场离线检测试验十分重要，也对试验设备自身的容量、体积、操作复杂程度和精度提出了较高的要求。本文针对现有变频谐振耐压试验系统和电缆局部放电试验系统存在的问题，对变频谐振及振荡波电缆耐压局放整体试验系统进行了研究，主要研究内容如下。

本文首先对试验系统涉及的电路理论进行了分析，确定采用“先调频后调压”的系统整体控制策略。本文基于实际应用场景及相关行业标准，对试验系统各组成部分进行了参数设计和确定，为样机及实际系统搭建提供参考。

其次对系统控制策略进行设计，以变频电源数学模型为基础，结合控制系统相关理论和仿真分析的手段，确定了基于试品电压最大值的频率步进闭环控制，以及基于试品电压有效值和变频电源输出电压瞬时值内环的双闭环功率控制方法。

然后对局部放电检测的相关理论进行了分析及设计，包括检测单元设计、放电量计算、相位分析、局放源定位等，并确定了上位机编写的基本要求。

最后，搭建了基于PLECS和LabVIEW的试验系统整体仿真模型，从主电路、检测回路和模拟上位机三个方面对上述理论进行了分析和验证。

关键词：交流耐压试验；电缆局部放电；PID控制；仿真系统

ABSTRACT

The characteristics of the power cable itself determine the difficulty and cost of maintenance and overhaul. It is very important for the factory test, maintenance test and off-line test. It also puts forward the high-requirements of the capacity, volume, test difficulty and accuracy of the test equipment itself. In view of the problems existing in the existing variable frequency resonant withstand voltage test system and cable partial discharge test system, a variable frequency resonant and oscillating wave cable withstand voltage partial discharge test system is researched. The main contents of the research are as follows.

This paper first analyzes the circuits involved in the test system, and determines the overall control strategy of the system using "first frequency modulation and then voltage regulation". Based on the actual application scenarios and relevant industry standards, the parameters of the test system were designed and determined, which provided reference for the prototype and actual system construction.

Secondly, the system control strategy is designed. Based on the mathematical model, combined with the relevant theory of the control system and the means of simulation analysis, the frequency step closed loop control based on the maximum value of the sample voltage is determined, and the effective value of the sample voltage is based on Double closed loop power control method for the inner loop of the output voltage of the variable frequency power supply.

Then the relevant theory of partial discharge detection is analyzed and designed, including detection unit design, discharge amount calculation, phase analysis, local discharge source positioning, etc., and the basic requirements for the preparation of the upper computer are determined.

Finally, the overall simulation model of the test system based on PLECS and LabVIEW is built. The above theory is analyzed and verified from three aspects: main circuit, detection loop and analog upper computer.

KEY WORDS: AC withstand voltage test; cable partial discharge; PID control; simulation system

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 XLPE电缆绝缘试验方法比较 1

1.2.2电缆耐压局放试验系统相关研究 2

1.2.3电缆局放检测相关研究 3

1.3本文主要研究内容 3

第二章 耐压局放试验系统分析 5

2.1系统构成 5

2.1.1变频电源 5

2.1.2隔离变压器 6

2.1.3谐振回路 6

2.1.4检测单元 7

2.2系统工作原理分析 7

2.3串联谐振技术 8

2.3.1阻抗频率特性分析 8

2.3.2电路能量变化分析 10

2.4变频调谐技术 11

2.5功率调节技术 13

2.6本章小结 16

第三章 试验系统主电路设计 17

3.1变频电源主电路设计技术指标 17

3.2高压直流模块设计 17

3.3变频调压逆变器单元设计 18

3.3.1逆变单元电路模型建立 18

3.3.2滤波模块设计 19

3.3.3逆变电路控制方法设计 22

3.4试验回路参数设计 22

3.4.1被试XLPE电缆相关参数设计 23

3.4.2高压电抗器 24

3.4.3隔离变压器 25

3.5本章小结 25

第四章 试验系统控制策略设计 26

4.1变频谐振及振荡波频率控制 26

4.1.1变频谐振控制原理分析 26

4.1.2基于谐振点判断的系统频率闭环控制 27

4.2试验系统功率控制 29

4.2.1逆变器输出闭环控制分析 29

4.2.2逆变器输出电压瞬时值闭环控制 31

4.2.3试验电压有效值及变频电源输出电压瞬时值双闭环控制 32

4.3本章小结 34

第五章 局部放电检测系统分析与设计 36

5.1局部放电信号特征分析 36

5.1.1局部放电信号的时频域特征 36

5.1.2局放信号传播特性 36

5.2局部放电信号检测单元设计 38

5.2.1阻尼振荡波特性分析 38

5.2.2高压分压器 39

5.2.3局部放电耦合单元 40

5.2.4信号调理电路 41

5.3局部放电信号分析方法 42

5.3.1局部放电信号干扰抑制 42

5.3.2局部放电特征提取 42

5.3.3局放源定位 45

5.4本章小结 46

第六章 基于PLECS和LabVIEW的试验系统仿真模型 47

6.1基于PLECS的系统主电路仿真模型 47

6.1.频率控制特性分析 48

6.1.2功率控制特性分析 50

6.2基于PLECS的检测回路仿真模型 53

6.3基于LabVIEW的仿真上位机系统 57

6.4本章小结 59

第七章 结论 60

参考文献 61

致 谢 63

第一章 绪论

1.1研究背景

由于电能供应的特殊性，保证电力设备的安全、可靠运行，在电力系统大建设和经济快速发展的背景下，其重要性日益重要。相较于架空线路，电力电缆具备建设成本高，初期投入大，但运行状态下受自然环境影响小，安全性、可靠性高等特点，作为城市电网的重要组成部分，增长尤为迅速。目前，交联聚乙烯（XLPE）电缆已逐步取代广泛应用的上一代油浸纸绝缘电缆，且将进入其绝缘问题高发的运行时期，国内时有早期投入运行的XLPE电缆出现绝缘击穿的事故报道，而对于更早便投入使用XLPE电缆的欧美电力运营商，自上世纪八十年代以来，电缆绝缘问题已成为其相关领域关注的焦点。对于深埋地下的电缆，实现其日常的定期维护成本较高，且故障检测和排查十分困难，因此若发生较严重的故障情况，难以准确判断故障及影响程度，且导致长时间的停电，尤其是枢纽电缆线路，造成大量额外损失。统计数据表明，电力设备50%以上的故障来自于绝缘故障，且对电缆来说，这一比例要高的多^[1]。因此在国内外的许多研究资料中都提到，对电力电缆进行绝缘检测试验，包括出厂试验、交接试验和预防性试验等，排查电力电缆及其附件的绝缘缺陷，进行必要的修复和更新，最大限度减小绝缘事故导致的严重影响，具有十分重要的意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1 XLPE电缆绝缘试验方法比较

文献[2]指出，对XLPE电缆进行直流耐压试验，极化电荷影响电缆的正常投运，不能准确反映出来相关缺陷，并且直流电压会加剧电缆内部的树枝放电现象，使绝缘状态恶化。文献[3]提到了直流电压引起的空间电荷分布，导致不易发生击穿。总之XLPE 绝缘电缆无论从理论上还是实践上都证明了不宜采用直流耐压的方法。

超低频耐压试验可以大大降低设备容量，但受到输出电压的限制（峰值70~80kV），因此无法满足更高电压等级耐压试验的要求。其可以同时完成介质损耗测量，对水树枝分析十分有效。文献[4]指出其试验时间长，对绝缘损伤较大，甚至引起新的缺陷。

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