電纜三時段熱循環測試系統設計

宋 佳 楊海馬 涂建坤 黃 凱陸 陳震宇 金智勇 劉 瑾

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院1,上海 200093；

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電纜三時段熱循環測試系統設計

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院1,上海 200093；

上海電纜研究所2，上海 200000；上海藍波高電壓技術設備有限公司3，上海 200245)

循環加熱試驗是電纜試驗的核心，可直接檢驗電纜的護套材料耐溫特性和電纜載流量值。常規循環加熱設備多采用單機單測試形式，電氣設備利用率低。為提高設備利用率，在有限時間內更好地完成多電纜樣品測試，設計了一種分時復用的電纜熱循環加熱系統。該系統可在一個測試循環中完成三個時段內三組不同電纜的加熱過程。系統采用LabVIEW開發上位人機界面，以PLC作為核心控制單元，并采用了符號判別法進行溫度控制，使系統具備更高的控制精度和控制穩定性。試驗表明，該系統可有效提高電纜測試效率，節約多路測試設備成本，為新型電纜測試設備的開發提供了技術參考。

電力系統 電纜 變壓器 熱循環測試 智能控制 分時復用 PLC LabVIEW

0 引言

隨著電力系統的普遍應用和電氣設備自動化程度的不斷提高，核電、跨洋通信、航空航天、軍用設備對電纜的測試指標要求越來越高，尤其是對電纜的耐熱指標載流量的測試要求越來越嚴苛。傳統的熱循環控制方法以人工單組控制為主，存在控制精確度低、測試準確性差、費時費力等缺陷，已經不能滿足現代工業對電纜測試的需求。本文針對上述問題，提出了一種在相同時間內采用單套調壓器組成的三組電纜熱循環試驗系統。在三組試驗無需同時進行時，系統可完成單路電纜獨立測試的功能，各線路間互不干擾。同時，對線體升溫控制采用折半算法和符號判別法，從而實現對電纜導體溫度的更精確控制。

本系統主要包括：微機控制柜、電氣控制柜、調壓器、保護電路等，具有功能先進、控制精度高、使用方便、安全、人機交互性好等特點，滿足IEC 62067:2006、IEC-60、GB-16927及GB-50150等標準要求,適用于對電纜進行高壓、熱循環測試試驗[1-2]。

1 熱循環測試原理

針對電纜型式試驗的需求，本文研制開發了CCHTS系列電纜熱循環三時段測試系統。該系統可以按照標準要求，對高壓電力電纜進行循環加熱試驗，加熱溫度可以達到130 ℃且可以自由設置目標溫度。

系統由50 Hz變壓器構成，且電纜閉合形成變壓器次級線圈。工作時，由于電纜線圈短路產生大電流，從而在導體線芯上產生試驗所需溫度。

1.1 三時段分配

目前，電纜測試常用的方法是采用PLC、單片機作為核心控制單元，按照標準在一段時間內完成所需操作，如：24 h內，8 h升溫、16 h降溫。升溫8 h包括5 h的升溫和3 h的耐溫測試，之后16 h完成升溫測試后的自然降溫過程。測試系統在整個24 h內只能完成一組電纜測試，效率和設備利用率低。針對這一不足，本文采用設備分時復用的方式，在24 h內完成三組電纜測試。第一次循環試驗的時間分配如表1所示。

表1 試驗時間分配表

由時間分配表可以看出，在每組電纜完成升溫測試、降壓達到降限后，可以進行另外一組電纜測試，從而有效提高測試效率。三時段理想曲線如圖1所示。

圖1 三時段理想曲線圖

1.2 串聯諧振

串聯諧振回路試驗裝置分為調頻式和調感式[3]。本系統采用調感式串聯諧振回路，其由變頻電源、勵磁變壓器、電抗器和電容器組成。其技術參數為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Q為品質因數;L為電容器;C為電抗器。

通過變頻電源使回路發生串聯諧振，在回路諧振的條件下調節變頻電源輸出電壓，使電纜電壓達到試驗電壓值。由于回路諧振，變頻電源較小的輸出電壓即可在電纜上產生較高的試驗電壓。本系統的品質系數為30。

2 硬件構成

本系統使用一個工控機控制整個系統的運行，由三個電氣控制柜和三個電源柜獨立控制每條線路的運行，以保證在本條線路不運行時，關閉本線路不會影響其他線路[4]。三條線路共用一個50kVA的感應試驗調壓器和一個200kVA的感應試驗調壓器，分別控制模纜和試驗電纜的調壓器。由調壓器控制導體線芯上通過的電流，從而達到控制測試電纜溫度的目的[5]。這樣可以節約整個試驗的設計成本。

本系統核心控制單元為西門子CPU226及兩個EM235模擬擴展模塊[6]。

3 軟件設計

3.1 上位機軟件設計

三時段測試系統的軟件主要由上位機的人機界面和下位機的控制單元組成。上位機主要采用LabVIEW開發工具編寫；LabVIEW是一種面對工程應用的圖形化語言，其編寫結構簡單、通信簡單、信息處理安全[7-8]。

上位機界面主要分為兩部分：手動部分和自動部分。手動部分主要用于進行樣纜和模纜的升降壓操作；自動部分參數的設定，由下位機PLC完成。

3.2 下位機軟件設計

PLC主程序流程圖如圖2所示。

圖2 PLC主程序流程圖

下位機主要由西門子CPU226進行控制，其軟件程序采用梯形圖編寫，能夠很好地與LabVIEW編寫的上位機通信。其編寫程序簡單，能夠很好地實現上位機任務。下位機對采集溫度、電流值進行了濾波處理，對整個程序而言，是通過判斷溫度走向來進行升降壓判斷的[9-11]。

本試驗通過升壓控制電流達到控制溫度的目的，但由于電纜加熱的延遲性，所以在每次增加完電流后，要等一段時間，待溫度穩定后再決定是否繼續增加電流。而這個過程采用的判斷方法是判斷溫度增加的斜率，若溫度增加的斜率為正，表示溫度一直在增加，就說明溫度還沒有穩定；若溫度增加的斜率為零或者為負，表示溫度增加已經穩定，這時要判斷是否增加電流。

本試驗采用折半算法增加電流，即每次增加的電流為上次電流的一半，即可保證溫度能夠合理、穩定地持續增加。

4 試驗結果

根據電纜線耐溫測試要求，得出三時段溫度、電流曲線如圖3所示。

圖3 三時段溫度、電流曲線圖

根據試驗結果，可以得出：

①三時段電纜測試系統能夠精確、穩定地完成對電纜的耐高溫測驗，能夠很好地控制升溫時間和升溫速度，使電纜線以穩定的速度逐步升溫，形成一條平滑的升溫曲線。

②三時段電纜測試系統的三路是相互獨立、互不干擾的，這樣使得試驗具有很大的自主性，可以自由選擇進行哪路試驗。

③該測試系統操作簡單，具有保存數據和生成報表功能，能夠讓試驗數據呈現一條曲線，使觀察員清楚地了解試驗的每個部分。

試驗數據如表2所示。

表2 試驗數據表

5 結束語

基于PLC的三時段電纜測試系統已經應用于實際電纜耐溫測試中。該系統測量精度高、可靠性好，同時具有三路分時復用測試功能，能夠同時對三組電纜進行測試，很好地提高了電纜的測試效率，為電纜線的耐溫測試提供了一套新的解決方案。

[1] 中國國家標準化管理委員會.GB/T 16927.1-2011.高電壓試驗技術第一部分：一般試驗要求[S].2011:3-4.

[2] 中華人民共和國建設部.GB50150-2006 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].2006:11-12.

[3] 張庚.變頻串聯諧振耐壓試驗的原理分析及應用[J].華北電力技術，2012，43(9)：41-43.

[4] 李建.智能型電纜測試系統的設計與實現[J].現代電子技術，2010，34(23):141-144.

[5] 翟會.基于FPGA的高速電纜測試系統的設計與實現[J].儀表技術，2014，43(11):8-11.

[6] 高寶平，寧成軍.基于LXI總線的分布式電纜測試技術研究及其實現[J].國外電子測量技術，2013,32(5)：30-33.

[7] 董大磊，魏斌，陳盼盼，等.基于LabVIEW的高溫超導電纜測試平臺的設計[J].低溫與超導，2014,41(4):60-64.

[8] 唐懿文，劉元元，黃昶，等.基于LabVIEW的泄漏電纜測試系統設計與實現[J].制導與引信，2012,33(4)：53-58.

[9] 錢石，王天雷，王小東，等.基于VC電纜測試系統的設計[J].微型機與應用，2014，33(9)：11-14.

[10]黃凱，李筠，楊海馬,等.基于PLC的50 kV三相耐壓測試系統[J].測控技術，2016，35(1):61-63.

[11]王光斌，楊海馬，楊輝等.電力電纜循環加熱試驗中熱力學工態研究[J].鄭州大學學報，2015,36(1)：105-108.

Design of the Three-period Thermal Cycling Cable Test System

Cyclic heating test is the core of cable testing,which can directly test the temperature resistance properties of cable sheath material and the cable ampacity value.Conventional cyclic heating equipment is mostly in the form of standalone and for single test,thus the utilization of electric equipment is low.In order to improve utilization of equipment and better complete multiple samples testing in limited time,a time sharing multiplexing thermal cycling cable control system is designed,which can complete the heating process in a test cycle for three groups of different cables in three periods.In this system,LabVIEW is used to develop the upper computer interface; PLC is the core control unit,and the symbol discrimination method is used to control temperature,so the system has higher control accuracy and control stability.The tests show that the system can effectively improve the efficiency of cable testing,save the cost of multichannel testing equipment,and provide technical reference for the development of new cable testing equipment.

Power system Cable Transformer Thermal cycling test Intelligent control Time-sharing multiplexing PLC LabVIEW

上海市自然科學基金資助項目(編號：15ZR1417400、14ZR1418400)。

宋佳(1992—)，男，現為上海理工大學儀器科學與技術專業在讀碩士研究生；主要從事高壓電器測試和自動化技術方向的研究。

TH-39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611018

修改稿收到日期：2016-05-07。