电缆三时段热循环测试系统设计

宋 佳 杨海马 涂建坤 黄 凯陆 陈震宇 金智勇 刘 瑾

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院1,上海 200093；



电缆三时段热循环测试系统设计

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院1,上海 200093；

上海电缆研究所2，上海 200000；上海蓝波高电压技术设备有限公司3，上海 200245)

循环加热试验是电缆试验的核心，可直接检验电缆的护套材料耐温特性和电缆载流量值。常规循环加热设备多采用单机单测试形式，电气设备利用率低。为提高设备利用率，在有限时间内更好地完成多电缆样品测试，设计了一种分时复用的电缆热循环加热系统。该系统可在一个测试循环中完成三个时段内三组不同电缆的加热过程。系统采用LabVIEW开发上位人机界面，以PLC作为核心控制单元，并采用了符号判别法进行温度控制，使系统具备更高的控制精度和控制稳定性。试验表明，该系统可有效提高电缆测试效率，节约多路测试设备成本，为新型电缆测试设备的开发提供了技术参考。

电力系统 电缆 变压器 热循环测试 智能控制 分时复用 PLC LabVIEW

0 引言

随着电力系统的普遍应用和电气设备自动化程度的不断提高，核电、跨洋通信、航空航天、军用设备对电缆的测试指标要求越来越高，尤其是对电缆的耐热指标载流量的测试要求越来越严苛。传统的热循环控制方法以人工单组控制为主，存在控制精确度低、测试准确性差、费时费力等缺陷，已经不能满足现代工业对电缆测试的需求。本文针对上述问题，提出了一种在相同时间内采用单套调压器组成的三组电缆热循环试验系统。在三组试验无需同时进行时，系统可完成单路电缆独立测试的功能，各线路间互不干扰。同时，对线体升温控制采用折半算法和符号判别法，从而实现对电缆导体温度的更精确控制。

本系统主要包括：微机控制柜、电气控制柜、调压器、保护电路等，具有功能先进、控制精度高、使用方便、安全、人机交互性好等特点，满足IEC 62067:2006、IEC-60、GB-16927及GB-50150等标准要求,适用于对电缆进行高压、热循环测试试验[1-2]。

1 热循环测试原理

针对电缆型式试验的需求，本文研制开发了CCHTS系列电缆热循环三时段测试系统。该系统可以按照标准要求，对高压电力电缆进行循环加热试验，加热温度可以达到130 ℃且可以自由设置目标温度。

系统由50 Hz变压器构成，且电缆闭合形成变压器次级线圈。工作时，由于电缆线圈短路产生大电流，从而在导体线芯上产生试验所需温度。

1.1 三时段分配

目前，电缆测试常用的方法是采用PLC、单片机作为核心控制单元，按照标准在一段时间内完成所需操作，如：24 h内，8 h升温、16 h降温。升温8 h包括5 h的升温和3 h的耐温测试，之后16 h完成升温测试后的自然降温过程。测试系统在整个24 h内只能完成一组电缆测试，效率和设备利用率低。针对这一不足，本文采用设备分时复用的方式，在24 h内完成三组电缆测试。第一次循环试验的时间分配如表1所示。

表1 试验时间分配表

由时间分配表可以看出，在每组电缆完成升温测试、降压达到降限后，可以进行另外一组电缆测试，从而有效提高测试效率。三时段理想曲线如图1所示。

图1 三时段理想曲线图

1.2 串联谐振

串联谐振回路试验装置分为调频式和调感式[3]。本系统采用调感式串联谐振回路，其由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容器组成。其技术参数为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Q为品质因数;L为电容器;C为电抗器。

通过变频电源使回路发生串联谐振，在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压，使电缆电压达到试验电压值。由于回路谐振，变频电源较小的输出电压即可在电缆上产生较高的试验电压。本系统的品质系数为30。

2 硬件构成

本系统使用一个工控机控制整个系统的运行，由三个电气控制柜和三个电源柜独立控制每条线路的运行，以保证在本条线路不运行时，关闭本线路不会影响其他线路[4]。三条线路共用一个50kVA的感应试验调压器和一个200kVA的感应试验调压器，分别控制模缆和试验电缆的调压器。由调压器控制导体线芯上通过的电流，从而达到控制测试电缆温度的目的[5]。这样可以节约整个试验的设计成本。

本系统核心控制单元为西门子CPU226及两个EM235模拟扩展模块[6]。

3 软件设计

3.1 上位机软件设计

三时段测试系统的软件主要由上位机的人机界面和下位机的控制单元组成。上位机主要采用LabVIEW开发工具编写；LabVIEW是一种面对工程应用的图形化语言，其编写结构简单、通信简单、信息处理安全[7-8]。

上位机界面主要分为两部分：手动部分和自动部分。手动部分主要用于进行样缆和模缆的升降压操作；自动部分参数的设定，由下位机PLC完成。

3.2 下位机软件设计

PLC主程序流程图如图2所示。

图2 PLC主程序流程图

下位机主要由西门子CPU226进行控制，其软件程序采用梯形图编写，能够很好地与LabVIEW编写的上位机通信。其编写程序简单，能够很好地实现上位机任务。下位机对采集温度、电流值进行了滤波处理，对整个程序而言，是通过判断温度走向来进行升降压判断的[9-11]。

本试验通过升压控制电流达到控制温度的目的，但由于电缆加热的延迟性，所以在每次增加完电流后，要等一段时间，待温度稳定后再决定是否继续增加电流。而这个过程采用的判断方法是判断温度增加的斜率，若温度增加的斜率为正，表示温度一直在增加，就说明温度还没有稳定；若温度增加的斜率为零或者为负，表示温度增加已经稳定，这时要判断是否增加电流。

本试验采用折半算法增加电流，即每次增加的电流为上次电流的一半，即可保证温度能够合理、稳定地持续增加。

4 试验结果

根据电缆线耐温测试要求，得出三时段温度、电流曲线如图3所示。

图3 三时段温度、电流曲线图

根据试验结果，可以得出：

①三时段电缆测试系统能够精确、稳定地完成对电缆的耐高温测验，能够很好地控制升温时间和升温速度，使电缆线以稳定的速度逐步升温，形成一条平滑的升温曲线。

②三时段电缆测试系统的三路是相互独立、互不干扰的，这样使得试验具有很大的自主性，可以自由选择进行哪路试验。

③该测试系统操作简单，具有保存数据和生成报表功能，能够让试验数据呈现一条曲线，使观察员清楚地了解试验的每个部分。

试验数据如表2所示。

表2 试验数据表

5 结束语

基于PLC的三时段电缆测试系统已经应用于实际电缆耐温测试中。该系统测量精度高、可靠性好，同时具有三路分时复用测试功能，能够同时对三组电缆进行测试，很好地提高了电缆的测试效率，为电缆线的耐温测试提供了一套新的解决方案。

[1] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 16927.1-2011.高电压试验技术第一部分：一般试验要求[S].2011:3-4.

[2] 中华人民共和国建设部.GB50150-2006 电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].2006:11-12.

[3] 张庚.变频串联谐振耐压试验的原理分析及应用[J].华北电力技术，2012，43(9)：41-43.

[4] 李建.智能型电缆测试系统的设计与实现[J].现代电子技术，2010，34(23):141-144.

[5] 翟会.基于FPGA的高速电缆测试系统的设计与实现[J].仪表技术，2014，43(11):8-11.

[6] 高宝平，宁成军.基于LXI总线的分布式电缆测试技术研究及其实现[J].国外电子测量技术，2013,32(5)：30-33.

[7] 董大磊，魏斌，陈盼盼，等.基于LabVIEW的高温超导电缆测试平台的设计[J].低温与超导，2014,41(4):60-64.

[8] 唐懿文，刘元元，黄昶，等.基于LabVIEW的泄漏电缆测试系统设计与实现[J].制导与引信，2012,33(4)：53-58.

[9] 钱石，王天雷，王小东，等.基于VC电缆测试系统的设计[J].微型机与应用，2014，33(9)：11-14.

[10]黄凯，李筠，杨海马,等.基于PLC的50 kV三相耐压测试系统[J].测控技术，2016，35(1):61-63.

[11]王光斌，杨海马，杨辉等.电力电缆循环加热试验中热力学工态研究[J].郑州大学学报，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

上海市自然科学基金资助项目(编号：15ZR1417400、14ZR1418400)。

宋佳(1992—)，男，现为上海理工大学仪器科学与技术专业在读硕士研究生；主要从事高压电器测试和自动化技术方向的研究。

TH-39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611018

修改稿收到日期：2016-05-07。