CN103543321A - 一种用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置，包括高压回路模块、电流测量模块和数据处理模块；高压回路模块的高压输出端用于与交联聚乙烯电缆的线芯连接，用于产生电缆极化-去极化电流；电流测量模块的输入端用于与交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层连接，用于检测交联聚乙烯电缆的极化-去极化电流的大小；数据处理模块用于显示并存储极化-去极化电流。本发明由于采用了高压回路模块，实现对电缆产生不同电压等级下的极化-去极化电流，利用高压高阻继电器组防止极化-去极化电流的泄露，同时采用聚氨酯灌封的电流检测模块和具备24位A-D转换器的微控制器，从而达到整体装置抗干扰能力强，测试流程简便，电流检测精度高的技术效果。

Description

一种用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置

技术领域

本发明属于电力电缆检测领域，更具体地，涉及一种用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置。

背景技术

交联聚乙烯(XLPE)电力电缆凭借其优异的热、机械特性和电气性能及易安装维护、介质损耗低等优点，被广泛应用于城市配电网中。电缆运行过程中，在水分和电场的共同作用下形成水树枝。水树枝可进一步发展成为电树枝，使电缆绝缘性能下降，绝缘迅速击穿，造成电缆故障。因此需要找到电缆绝缘现场诊断的方法，评估电缆的绝缘状况。

给电缆试品施加直流电压，此时流过试品的电流为极化电流，维持该直流电压，充电一段时间后断开电源并短接试品两端，流过试品的电流即为去极化电流。

极化-去极化电流法作为一种非破坏性的电缆寿命评估试验方法，可以给出绝缘的老化状况。极化-去极化电流蕴含丰富的绝缘材料微观信息，与绝缘材料的老化程度有关，通过测量极化-去极化电流，经过计算分析可以得出绝缘内部的缺陷状况，从而为判断老化程度提供依据。

由于电缆极化-去极化电流的电流范围通常在10^-610^-12A之间，检测时容易受到现场环境干扰，极化-去极化电流测量的准确性，会给后期分析判断电缆老化程度带来很大的影响，甚至会造成误判。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置，由此解决现有技术的极化-去极化电流检测的准确度较低的技术问题。

本发明提供了一种用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置，包括高压回路模块、电流测量模块和数据处理模块；所述高压回路模块的高压输出端用于与交联聚乙烯电缆的线芯连接，所述高压回路模块用于产生电缆极化-去极化电流；所述电流测量模块的输入端用于与所述交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层连接，所述电流测量模块用于检测所述交联聚乙烯电缆的极化-去极化电流的大小；所述数据处理模块的输入端与所述电流测量模块的输出端连接，所述数据处理模块用于显示并存储所述极化-去极化电流；所述电流测量模块与高压回路模块的低压端共地。

更进一步优选地，高压回路模块包括高压直流电源、高压高阻继电器组和切换控制电路；所述高压高阻继电器组的第一输入端连接所述高压直流电源，所述高压高阻继电器组的第二输入端连接所述切换控制电路，所述高压高阻继电器组的输出端作为高压回路模块的高压输出端；所述高压直流电源用于为被测电缆提供极化电流；高压高阻继电器组中不同继电器的导通与断开会实现电缆极化和去极化电流回路；切换控制电路用于发出控制信号并控制所述高压高阻继电器组中不同继电器的导通或断开。

更进一步优选地，高压高阻继电器组的耐压大于等于10kV，所述高压高阻继电器组的关断电阻大于等于10¹³欧。

更进一步优选地，高压高阻继电器组包括第一高阻继电器、第二高阻继电器、第一电阻R1和第二电阻R2；第一高阻继电器的一端作为所述高压高阻继电器组的第一输入端，所述第一高阻继电器的另一端与第一电阻R1的一端连接；所述第一电阻R1的另一端作为所述高压高阻继电器组的输出端；第二高阻继电器的一端与所述第一高阻继电器的另一端连接，所述第二高阻继电器的另一端通过第二电阻R2接地；第一高阻继电器的控制端和所述第二高阻继电器的控制端作为所述高压高阻继电器组的第二输入端。

更进一步优选地，电流测量模块包括电流电压转换电路、调零电路和增益控制电路；所述电流电压转换电路的输入端作为所述电流测量模块的输入端，所述电流电压转换电路的输出端作为所述电流测量模块的输出端，所述电流电压转换电路的第一控制端与所述调零电路连接，所述电流电压转换电路的第二控制端与所述增益控制电路连接。

更进一步优选地，电流电压转换电路由多级反馈电阻和量程切换开关组成；所述量程切换开关用于根据外部的量程切换信号导通或断开；通过所述量程切换开关的导通或断开选取阻值为100K欧姆～1G欧姆的反馈电阻并将电流信号转换成电压信号。

更进一步优选地，电流测量模块采用聚氨酯材料进行整体灌封。

更进一步优选地，数据处理模块包括模数转换电路、微控制器、数据存储模块和显示电路；所述模数转换电路的输入端用于与电流测量模块的输出端连接；所述微控制器的第一输入端与所述模数转换电路的输出端连接，所述微控制器的第二输入端连接显示电路，微控制器的输出端与数据存储模块连接。

本发明提供的用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置由于采用了高压回路模块，实现对电缆产生不同电压等级下的极化-去极化电流，利用高压高阻继电器组防止极化-去极化电流的泄露，同时采用聚氨酯灌封的电流检测模块和具备24位A-D转换器的微控制器，从而达到整体装置抗干扰能力强，测试流程简便，电流检测精度高(精度为1pA)的技术效果，为后期分析判断电缆老化程度提供可靠数据。测试系统结构轻巧，便于安装和携带，非常适合于现场电缆的检测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电流检测装置中的高压回路模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的高压回路模块中的高压高阻继电器组的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的电流检测装置中的电流测量模块的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的电流测量模块中电流电压转换电路的原理图；

图6是本发明实施例提供的电流检测装置中的数据处理模块的结构示意图；

图7是本发明实例中实际输出电压与输入电流的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置抗干扰能力强，测试流程简便，无破坏性，电流检测精度高，为后期分析判断电缆老化程度提供可靠数据；测试系统结构轻巧，便于安装和携带，非常适合于现场电缆的检测。

交联聚乙烯中压电缆的绝缘阻抗一般都很大，可达100TΩ甚至以上，且在实验过程中为了避免破坏材料，所施加电压一般小于等于1kV，因此极化-去极化电流测量模块的测量精度需达到pA级电流。因此本发明提供的用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置采用高压回路模块，实现对电缆产生不同电压等级下的极化-去极化电流，利用高阻继电器组防止极化-去极化电流的泄露，同时利用聚氨酯灌封的电流检测模块和数据处理模块精确测量电流，从而达到整体装置具备抗干扰能力强，测试流程简便，电流检测精度高(精度为1pA)的技术效果。

如图1所示，本发明提供的用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置1用于交联聚乙烯电缆极化-去极化电流的检测，该电流检测装置1包括高压回路模块10、电流测量模块11和数据处理模块12；高压回路模块10的高压输出端用于与交联聚乙烯电缆的线芯连接；高压回路模块10用于产生电缆极化-去极化电流；电流测量模块11的输入端用于与交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层连接，电流测量模块11用于检测电缆极化-去极化电流的大小；数据处理模块12的输入端与电流测量模块11的输出端连接，数据处理模块12用于显示并存储极化-去极化电流；电流测量模块11与高压回路模块10的低压端共地。

在本发明实施例中，电流检测装置主要用于检测交联聚乙烯中压电缆极化-去极化电流，采用高阻继电器组有效防止极化-去极化电流的泄露，保证进入电流检测模块的电流完整性，提高了电流的准确度；同时，电流检测模块采用多级反馈电阻进行分量程测量电流，并用聚氨酯灌封，有效的提高了测量的准确度和抗干扰能力；数据处理模块采用具有24位A-D转换器的微控制器将电流测量模块输出的电压信号进行精确转换，使得电流测量准确度高，为后续电缆老化程度的判断提供准确数据。

如图2所示，高压回路模块10包括高压直流电源101、高压高阻继电器组102和切换控制电路103；高压高阻继电器组102的第一输入端连接高压直流电源101，高压高阻继电器组102的第二输入端连接切换控制电路103，高压高阻继电器组102的输出端作为高压回路模块10的高压输出端；高压直流电源101为被测电缆提供极化电流；高压高阻继电器组102中不同继电器的导通与断开会实现电缆极化和去极化电流回路的构成，同时防止电流的泄露；切换控制电路103发出控制信号去控制不同继电器的导通和断开。切换控制电路103发出控制信号使高压高阻继电器组102中的第一高阻继电器导通和第二高阻继电器断开时，极化回路构成，高压直流电源101通过第一高阻继电器对电缆产生极化电流，同时第二高阻继电器防止极化电流的泄露；当控制信号使高压高阻继电器组102中第二高阻继电器导通和第一高阻继电器断开时，去极化回路构成，电缆通过第二高阻继电器产生去极化电流，同时第一高阻继电器防止去极化电流的泄露。

在本发明实施例中，高压高阻继电器组102的耐压大于等于10kV，关断电阻大于等于10¹³欧。

如图3所示，高压高阻继电器组102包括第一高阻继电器、第二高阻继电器、第一电阻R1和第二电阻R2；第一高阻继电器的一端作为高压高阻继电器组102的第一输入端，第一高阻继电器的另一端与第一电阻R1的一端连接；第一电阻R1的另一端作为高压高阻继电器组102的输出端；第二高阻继电器的一端与第一高阻继电器的另一端连接，第二高阻继电器的另一端通过第二电阻R2接地；第一高阻继电器的控制端和第二高阻继电器的控制端作为高压高阻继电器组102的第二输入端。

本发明实施例中，第一高阻继电器或第二高阻继电器的关断电阻大于等于10¹³欧，可以有效防止直流高压通过继电器对所述电缆进行充电，防止电流的泄露对电流检测的影响，从而提高电流检测的准确度。其中，高压回路模块10可产生10^-610^-12A的极化-去极化电流。切换控制信号控制高压高阻继电器的导通与关闭。由于高压直流电源101需要一定的时间才能输出所要求的电压，第一高压高阻继电器可有效防止泄露电流对所述电缆进行充电，保持电缆的初始状态，保证极化电流的准确性；同时，当第一高压高阻继电器闭合，第二高压高阻继电器断开时，在电缆上产生极化电流，第二高压高阻继电器有效抑制泄露电流，保证电流检测的准确性。

如图4所示，电流测量模块11的输入端与交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层连接，输出端与数据处理模块相连接。电流测量模块11包括电流电压转换电路111、调零电路112和增益控制电路113；电流电压转换电路111的输入端作为电流测量模块11的输入端，电流电压转换电路111的输出端作为所述电流测量模块11的输出端，电流电压转换电路111的第一控制端与调零电路112连接，所述电流电压转换电路111的第二控制端与增益控制电路113连接；电流电压转换电路111用于将流入的极化-去极化电流信号转换为电压信号，方便后续数据处理模块进行处理和存储；由于存在着各种干扰的影响和失调电压，在没有信号输入的情况下，其输出电压不为零，因此调零电路112通过调整调零元件的阻值来达到改变整体电路的零漂，对电路中的失调电压进行消除，使电流电压转换电路具有良好的线性特性。

由于极化电流与去极化电流的电流方向相反，在同一个电流电压转换电路中会形成相反的电压信号，即去极化电流会产生负电压信号，而微控制器的A-D转换器不能直接采集负电压，因此利用增益控制电路将转换的电压信号进行抬升，将负电压转换成正电压(A-D转换器正常工作采样范围内)，再送入A-D转换器进行数据采集。

如图5所示，电流电压转换电路111由多级反馈电阻(100K-1G欧姆)和量程切换开关组成；反馈电阻越小，可测的电流越大。极化和去极化电流的初值最大，因此通过量程切换开关将选取100k的反馈电阻，将电流信号转换成电压信号，当电流下降，电压也随之下降，当电流值进入下一量程测量范围内时，量程切换信号使对应量程的高压高阻继电器导通，反馈电阻增大，提升电流检测的灵敏度；当电流上升，电压也随之上升，当电流值进入上一量程测量范围内时，量程切换信号使对应量程的高压高阻继电器导通，反馈电阻减小，扩大电流测量范围。

在本发明实施例中，设有多级反馈电阻(100K-1G欧姆)的电流电压转换电路111可使电流测量模块11的电流测量范围为10^-610^-12A。采用高压高阻继电器组作为量程切换开关，减少极化-去极化电流在测量过程中的泄露，有效提高电流检测的准确度。另外，高压高阻继电器作为量程切换开关，可对电流检测模块进行保护，防止高压损坏；高阻继电器有效防止被测电流的泄露，有效提高电流检测的准确度。根据电流电压转换电路111所输出的电压来实现量程切换信号的控制，保证被测电流能够自动进入对应的量程进行测量，进一步提高电流检测的准确度。

作为本发明的一个实施例，电流测量模块11可以采用聚氨酯材料进行整体灌封，最大程度减少外界环境(温度、湿度)等对测量的影响，有效提高了电流检测的准确度。

综上所述，通过对调零电路112和增益控制电路113的调试可使电流测量模块11对电流进行精确检测，然后利用聚氨酯材料对电流测量模块11进行整体灌封，将电流测量模块性能进行固化，最大程度减小外界环境(温度、湿度)等对测量的影响，有效提高电流测量的准确度。

如图6所示，数据处理模块12包括：模数转换电路121、微控制器122、数据存储模块123和显示电路124；模数转换电路121的输入端用于与电流测量模块11的输出端连接；微控制器122的第一输入端与所述模数转换电路121的输出端连接，微控制器122的第二输入端连接显示电路124，微控制器122的输出端与数据存储模块123连接；模数转换电路121将电流测量模块11输出的电压模拟信号转换成数字信号，微控制器122对数字信号进行数据处理，将电压值转换为实际的电流值，并输出量程切换信号，用以控制不同反馈电阻将电流信号转换为电压信号，提高电流测量的准确度，数据存储模块123存储和读取电流数据，显示电路124实时显示电流数据。

在本发明实施例中，模数转换电路121可以采用高精度24位的A-D模块，能够将电流电压转换电路111输出的电压信号进行采集，可精确检测到1mV，在1G欧姆反馈电阻下可保证所测的电流精度可达1pA，有效提高了电流检测的准确度。

图7是当输入电流为10^-12-10^-9A时，电流电压转换电路111的实际输出电压与输入电流之间的关系图，可以看出实际输出电压与输入电流成线性关系，可通过数学的方法将实际输出电压通过数据处理模块12转换成实际的输入电流，具有很高的准确度。

在一个较佳实施方式中，本发明交联聚乙烯中压电缆极化-去极化电流检测装置工作过程如下：

测试准备：为了减小电缆沿面的电流泄露，测量前对被测电缆进行处理，先将包裹所述被测电缆两端的外屏蔽层剥离，剥离长度为10cm即可，同时用无水乙醇清洗对剥离后的电缆部分。然后按照图1中所示的结构示意图连接相关设备。

测试过程：用于产生极化-去极化电流的高压回路模块10中的高压直流电源101输出不同等级的直流高压(小于电缆额定电压的40％)，切换控制电路103发出控制信号使高压高阻继电器组102形成极化回路，对电缆绝缘施加高压极化电场，形成极化电流，极化时间为1800s后，切换控制电路103发出控制信号使高压高阻继电器组102形成去极化回路，撤去高压极化电场，形成去极化电流，去极化时间为1800s。同时，电流测量模块11通过电流电压转换电路110将极化-去极化电流转换成电压信号，将电压信号送入数据处理模块12的A-D转换单元121，将模拟信号转换成数字信号送入微处理器122中进行软件处理，处理后的数据送入数据存储模块123的同时，通过显示模块124实时显示测量的电流数据。

本发明实施例提供的用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置抗干扰能力强，测试流程简便，无破坏性，电流检测精度高，为后期分析判断电缆老化程度提供可靠数据；测试系统结构轻巧，便于安装和携带，非常适合于现场电缆的检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于交联聚乙烯中压电缆的极化-去极化电流检测装置，其特征在于，包括高压回路模块(10)、电流测量模块(11)和数据处理模块(12)；

所述高压回路模块(10)的高压输出端用于与交联聚乙烯电缆的线芯连接，所述高压回路模块(10)用于产生电缆极化-去极化电流；

所述电流测量模块(11)的输入端用于与所述交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层连接，所述电流测量模块(11)用于检测所述交联聚乙烯电缆的极化-去极化电流的大小；

所述数据处理模块(12)的输入端与所述电流测量模块(11)的输出端连接，所述数据处理模块(12)用于显示并存储所述极化-去极化电流；所述电流测量模块(11)与高压回路模块(10)的低压端共地。

2.如权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于，所述高压回路模块(10)包括高压直流电源(101)、高压高阻继电器组(102)和切换控制电路(103)；

所述高压高阻继电器组(102)的第一输入端连接所述高压直流电源(101)，所述高压高阻继电器组(102)的第二输入端连接所述切换控制电路(103)，所述高压高阻继电器组(102)的输出端作为高压回路模块(10)的高压输出端；

所述高压直流电源(101)用于为被测电缆提供极化电流；高压高阻继电器组(102)中不同继电器的导通与断开会实现电缆极化和去极化电流回路；切换控制电路(103)用于发出控制信号并控制所述高压高阻继电器组(102)中不同继电器的导通或断开。

3.如权利要求2所述的电流检测装置，其特征在于，所述高压高阻继电器组(102)的耐压大于等于10kV，所述高压高阻继电器组(102)的关断电阻大于等于10¹³欧。

4.如权利要求2或3所述的电流检测装置，其特征在于，所述高压高阻继电器组(102)包括第一高阻继电器、第二高阻继电器、第一电阻R1和第二电阻R2；

所述第一高阻继电器的一端作为所述高压高阻继电器组(102)的第一输入端，所述第一高阻继电器的另一端与第一电阻R1的一端连接；所述第一电阻R1的另一端作为所述高压高阻继电器组(102)的输出端；

所述第二高阻继电器的一端与所述第一高阻继电器的另一端连接，所述第二高阻继电器的另一端通过第二电阻R2接地；

所述第一高阻继电器的控制端和所述第二高阻继电器的控制端作为所述高压高阻继电器组(102)的第二输入端。

5.如权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于，所述电流测量模块(11)包括电流电压转换电路(111)、调零电路(112)和增益控制电路(113)；

所述电流电压转换电路(111)的输入端作为所述电流测量模块(11)的输入端，所述电流电压转换电路(111)的输出端作为所述电流测量模块(11)的输出端，所述电流电压转换电路(111)的第一控制端与所述调零电路(112)连接，所述电流电压转换电路(111)的第二控制端与所述增益控制电路(113)连接。

6.如权利要求5所述的电流检测装置，其特征在于，所述电流电压转换电路(111)由多级反馈电阻和量程切换开关组成；

所述量程切换开关用于根据外部的量程切换信号导通或断开；通过所述量程切换开关的导通或断开选取阻值为100K欧姆～1G欧姆的反馈电阻并将电流信号转换成电压信号。

7.如权利要求1-6任一项所述的电流检测装置，其特征在于，所述电流测量模块(11)采用聚氨酯材料进行整体灌封。

8.如权利要求1-6任一项所述的电流检测装置，其特征在于，所述数据处理模块(12)包括模数转换电路(121)、微控制器(122)、数据存储模块(123)和显示电路(124)；

所述模数转换电路(121)的输入端用于与所述电流测量模块(11)的输出端连接；所述微控制器(122)的第一输入端与所述模数转换电路(121)的输出端连接，所述微控制器(122)的第二输入端连接所述显示电路(124)，所述微控制器(122)的输出端与所述数据存储模块(123)连接。

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