CN106841935A - 用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统及评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于绝缘介质的老化状态评估技术领域，具体涉及一种用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统及评估方法。该系统包括电源模块、测量电极模块、电流测量模块、数据采集模块；电源模块通过测量电源线连接到测量电极模块中三电极系统的高压极与测量极上，测量电极模块中三电极系统的测量极通过同轴电缆屏蔽线与电流测量模块的电流输入端相连，电流测量模块的输出端与数据采集模块的示波器输入端相连。本发明可以提高电流测量的准确性，克服传统绝缘老化状态评估方法操作过程复杂、耗时较长的问题，测量需要的样品很少，抗噪效果好，对热老化敏感，且可对老化状态进行定量分析，对固体与液体绝缘介质均可进行测量。

Description

用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统及评估方法

技术领域

本发明属于绝缘介质的老化状态评估技术领域，具体涉及一种用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统及评估方法。

背景技术

输变电设备安全、稳定、可靠地运行，是电力系统正常运行的重要保障。由于需要面临室外露天工作环境下的各种恶劣条件，长期的挂网运行下，电气设备的绝缘介质不可避免会出现老化现象，发生故障，进而引起事故。因此，对电气设备进行定期监测，评估其老化状态是十分必要的。

目前，在工程上比较常用的绝缘诊断方法有两种：理化分析法与电气测量法。其中理化分析法主要是用绝缘老化引起的物理、化学参量来表征绝缘介质的绝缘状态，而电气测量法则是以绝缘介质电气参数的变化来衡定绝缘状态的。传统的理化分析法如对拉伸强度、聚合度的测量，测量难度较大，且操作过程较复杂，耗时较长。近年来电气测量法因其操作便捷、无损的特点，受到业内人士的广泛关注，但是在实际应用中仍然有很大的局限性：对样本大小有一定的需求，如电缆在测其电气性能时往往需要数米以上的样品，为测量带来不便；测量结果对噪声比较敏感，极大影响了评估结果的准确性；对绝缘介质的热老化和辐照老化不敏感，同时缺乏必要的匹配手段进行定量分析；对介质形态有一定的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统及评估方法，以提高电流测量的准确性，克服传统绝缘老化状态评估方法操作过程复杂、耗时较长的问题，测量需要的样品很少，抗噪效果好，对热老化敏感，且可对老化状态进行定量分析，对固体与液体绝缘介质均可进行测量，可用于工程现场的绝缘介质采样检测，实现绝缘介质老化状态的快速有效的评估。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统，包括电源模块、测量电极模块、电流测量模块、数据采集模块；电源模块通过测量电源线连接到测量电极模块中三电极系统的高压极与测量极上，测量电极模块中三电极系统的测量极通过同轴电缆屏蔽线与电流测量模块的电流输入端相连，电流测量模块的输出端与数据采集模块的示波器输入端相连。

所述的电源模块用来为被测试样进行充电，同时控制整个极化去极化过程的开始与结束，以及极化过程与去极化过程的切换；它包括直流电源与时间继电器组，直流电源选用一组串联的直流蓄电池，根据测量需要改变电压的大小，时间继电器组通过三个时间继电器的连接、组合，实现对极化去极化过程的控制，极化与去极化过程的开始、持续、结束的时间可以通过对时间继电器的设定进行调节。

所述的测量电极模块用来放置被测试样，它包括屏蔽箱和三电极系统或油杯；当被测试样为固体时，选用三电极系统，其保护间隙距离为2mm，测量电极的直径为50mm，整个电极系统用屏蔽箱屏蔽起来；当被测试样为液体时，选用油杯作为测量电极系统。

所述的电流测量模块用来将被测电流进行转换与放大，得到后续数据采集模块可以测量的电压信号，它包括微电流放大电路、量程切换装置和金属屏蔽盒：所述的微电流放大电路分为两部分：放大电路的前半部分包括用于提高输入阻抗作用的INA116和大阻值电阻、去耦电容、限流电阻、保护电路的防雷管2RM600-8；放大电路的后半部分包括两片OP07、调节失调电压的电位器、以及去耦电容、限流电阻和连接在放大运放引脚间的滤高频电容；被测电流依次经过大阻值电阻，INA116，起到放大作用的OP07和起到跟随器作用的OP07，最终得到放大后的电压信号，分开的两部分通过插针相互垂直连接起来；所述的量程切换装置：在放大电阻两端并联一个电容C_f，电容C_f选用漏电较小的温度补偿性陶瓷电容，且其大小满足R_sC_in≤R_fC_f，其中R_s为信号源内阻，R_f为放大电阻，放大电阻选用玻璃釉电阻，通过切换接入放大电路的放大电阻，实现量程的切换；整个微电流放大电路包括量程切换装置用长、宽、高分别为11.5cm、6cm、11cm的金属屏蔽盒屏蔽起来，并将屏蔽盒外壳与大地相连，屏蔽盒上有档位切换的开关，用来变换放大电阻，完成量程的切换；在屏蔽盒的前端下方位置处还有被测电流输入同轴电缆接口与测量级电路相连。

所述的数据采集模块用来测量电流测量模块输出的电压并将测得的结果经过计算处理，得到IA因子，从而定量评估绝缘介质老化状态，它包括示波器与计算机。

基于该系统的评估方法包括如下步骤：

步骤一：获取需要进行老化状态评估的绝缘介质试样，固体试样取直径为10cm，厚度不超过2mm的圆片，液体试样取40ml，根据被测介质的工作环境，在实验室环境下，对被测试样进行加速老化处理，得到不同老化状态的试样；

步骤二：根据试样的物理形态选择电极，固体选用三电极，液体选用油杯，放置好试样，通过量程切换装置为测量电路选择合适的档位，对试样进行充分放电后，打开时间继电器组的开关，开始极化去极化过程，并通过计算机记录测量结果；

步骤三：对测量结果进行处理，将去极化电流测量结果进行平滑处理，然后将电流对时间积分，对积分得到的电荷量随时间变化曲线拟合，从而得到电荷量与时间的关系式，通过不同老化状态试样的拟合结果，进一步找到拟合关系式中IA因子与老化时间的关系，并根据不同介质老化时间与其现有的衡量老化状态的标准参量之间的关系，得到IA因子与标准参量之间的函数关系；

步骤四：在实际测试作业中，获取需要测量的绝缘介质试样，经过测量与数据处理得到IA因子，即可得到衡量被测介质老化状态的标准参量，从而定量得到被测介质的老化状态。

本发明所取得的有益效果为：

本发明对固体与液体绝缘介质都可以进行测量，且测量需要的样品很少，只需要直径为10cm，厚度不超过2mm的圆片状固体试样或40ml的液体试样即可。本发明所使用的系统通过多种措施减少噪声与外界干扰对测量结果的影响，有效地提高了测量结果的准确性(精度可达pA级)。图3为采用抗干扰措施前后的输出电压波形的对比图，经计算图3a中测量结果的信噪比SNRa＝4dB，图3b中测量结果的信噪比SNRb＝20dB，可见采用抗干扰措施以后测量结果的信噪比有明显提高，测量结果的准确性得到有效提高。本发明可以通过测量得到的IA因子直接量化表征被测绝缘介质的老化状态，实现工程现场的快速测量评估。

附图说明

图1为绝缘介质老化时域测试评估系统模块连接图；

图2为测量值的线性度；

图3为抗干扰措施效果对比图；

图4为绝缘介质老化时域测试评估流程图；

图5为不同老化时间的绝缘纸试样的极化去极化电流曲线；

图6为不同老化试样电荷量随时间变化曲线；

图7为IA因子与老化时间t的关系；

图8为(1/DP)-(1/DP₀)与老化时间t的关系；

图9为DP与IA因子的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所述用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统包括电源模块、测量电极模块、电流测量模块、数据采集模块；电源模块通过测量电源线连接到测量电极模块中三电极系统的高压极与测量极上，测量电极模块中三电极系统的测量极通过同轴电缆屏蔽线与电流测量模块的电流输入端相连，电流测量模块的输出端与数据采集模块的示波器输入端相连。

所述电源模块用来为被测试样进行充电，同时控制整个极化去极化过程的开始与结束，以及极化过程与去极化过程的切换。它包括直流电源与时间继电器组。为了减小电源对微电流测量电路造成干扰，影响测量的准确性，因此直流电源选用一组串联的直流蓄电池，根据测量需要改变电压的大小。时间继电器组通过三个时间继电器的连接、组合，实现对极化去极化过程的控制，极化与去极化过程的开始、持续、结束的时间可以通过对时间继电器的设定进行调节。

测量电极模块用来放置被测试样，将其连入测量回路。它包括屏蔽箱和三电极系统(或油杯)。当被测试样为固体时，选用三电极系统，其保护间隙距离为2mm，测量电极的直径为50mm，三电极系统的优势在于将体积电流与表面电流分开测量，消除了边缘效应的影响，整个电极系统用屏蔽箱屏蔽起来，减小外界干扰对测量的影响。当被测试样为液体时，选用油杯作为测量电极系统，起到盛装被测试样与电极的作用。

电流测量模块用来将被测电流进行转换与放大，得到后续数据采集模块可以测量的电压信号。它包括微电流放大电路、量程切换装置和金属屏蔽盒：

所述的微电流放大电路分为两部分：放大电路的前半部分，主要包括用于提高输入阻抗作用的INA116和大阻值电阻，去耦电容，限流电阻，保护电路的防雷管2RM600-8；放大电路的后半部分，主要包括两片OP07(分别用于放大作用和跟随器作用)，调节失调电压的电位器，以及去耦电容、限流电阻和连接在放大运放2、6引脚间的滤高频电容。被测电流依次经过大阻值电阻，INA116，起到放大作用的OP07和起到跟随器作用的OP07，最终得到放大后的电压信号。分开的两部分通过插针相互垂直连接起来。

所述的量程切换装置：随着运算放大器反馈电阻的增大，电路容易出现振荡，此时会出现数pF到数十pF的输入寄生电容C_in，导致运放的稳定性变差。为了解决这个问题，在放大电阻两端并联一个电容C_f，通过相位补偿的方式来阻止振荡。电容C_f选用漏电较小的温度补偿性陶瓷电容，且其大小满足R_sC_in≤R_fC_f，其中R_s为信号源内阻，R_f为放大电阻。本发明选用的电流放大方式为高输入阻抗法，与积分法相比节省了测量时间。放大电阻选用玻璃釉电阻，减小了温度变化对测量结果的影响。通过切换接入放大电路的放大电阻，实现量程的切换。

整个微电流放大电路包括量程切换装置用长、宽、高分别为11.5cm、6cm、11cm的金属屏蔽盒屏蔽起来，并将屏蔽盒外壳与大地相连，从而达到屏蔽外界干扰的目的。屏蔽盒上有档位切换的开关，用来变换放大电阻，完成量程的切换；在屏蔽盒的前端下方位置处还有被测电流输入同轴电缆接口与测量级电路相连。通过屏蔽盒的使用进一步减少外界的干扰，提高测量的准确性。

在运放输入端加屏蔽环，即将其用金属屏蔽环包围，并接地，以减小泄漏电流与接触噪声。

本发明的微电流测量系统的输入电流与输出电压的关系为I_in＝V_out·10^-n，其中n为测量时所选用的放大电阻的数量级。对本测量系统进行测试，部分测量结果如下所示：

对上面的测量结果进行线性度分析，分析结果如图2所示，由不同放大电阻档位下测量值的线性度分析可以看出，测量的数据满足线性关系。经计算测量结果与真实值的最大相对误差为14.6％，可以满足工程需要。

数据采集模块用来测量电流测量模块输出的电压并将测得的结果经过计算处理，得到IA因子，从而定量评估绝缘介质老化状态。它包括示波器与计算机。

本发明提供的绝缘介质老化时域测试评估流程图如图4所示，包括如下步骤：

步骤一：获取需要进行老化状态评估的绝缘介质试样，固体试样取直径为10cm，厚度不超过2mm的圆片，液体试样取40ml，根据被测介质的工作环境，在实验室环境下，对被测试样进行加速老化处理，得到不同老化状态的试样。

步骤二：根据试样的物理形态选择电极(固体选用三电极，液体选用油杯)，放置好试样，通过量程切换装置为测量电路选择合适的档位，对试样进行充分放电后，打开时间继电器组的开关，开始极化去极化过程，并通过计算机记录测量结果。

步骤三：对测量结果进行处理，将去极化电流测量结果进行平滑处理，然后将电流对时间积分，对积分得到的电荷量随时间变化曲线拟合，从而得到电荷量与时间的关系式，通过不同老化状态试样的拟合结果，进一步找到拟合关系式中IA因子与老化时间的关系，并根据不同介质老化时间与其现有的衡量老化状态的标准参量之间的关系，得到IA因子与标准参量之间的函数关系。

步骤四：在实际测试作业中，获取需要测量的绝缘介质试样，经过测量与数据处理得到IA因子，即可得到衡量被测介质老化状态的标准参量，从而定量得到被测介质的老化状态。

实施示例：

(1)试样制备：首先将某型号电缆绝缘纸剪成若干直径10cm的圆片在90℃下进行真空干燥24小时，然后在40℃下的真空浸油箱内浸油24小时，最后将处理过后的变压器纸放置在180℃的老化箱内，进行加速老化处理，定期取出加热时间为100h、200h、300h、400h的老化试样若干，作为测量用的试样。在测量前将试样置于恒温恒湿箱内12小时，同时在测量过程中尽量保持恒定的温度。

(2)测量过程：放置好试样以后，在测量开始前首先对试样进行充分放电，以保证测量结果的准确性；对电源模块的时间继电器组进行设置，将控制充电开始的时间继电器时间设置为5s，控制充电结束的时间继电器时间设置为125s，控制放电开始的时间继电器时间设置为125.1s，并将施加在试样上的直流电压调节为50V；调节电流测量模块的量程切换装置，为测量电路选取合适的档位，打开时间继电器与运放的供电电源，测量开始，依次进行极化，去极化过程；观察到去极化电流稳定在零以后，通过数据采集模块导出并记录实验结果；待试样充分放电以后，关闭时间继电器与运放的电源，更换试样，开始新一轮的测量，重复以上步骤。

(3)IA因子与标准参量函数关系的推算：对不同老化试样的极化去极化电流测量结果进行平滑处理，消除噪声的干扰，得到的结果如图5所示；将去极化电流对测量时间积分，得到的电荷量随时间变化曲线如图6所示；利用公式q＝-Ae^-t/B+C对图6的结果进行拟合，不同老化时间试样的拟合结果如下表所示：

老化时间(h)		B
				100	3.71	19.89	4.82
200	6.56	25.33	7.51
				300	9.81	17.63	10.42
400	11.85	13.71	12.44

拟合得到的A值即为IA因子，IA因子与老化时间的关系如图7所示，拟合得到老化时间t与IA因子的关系式为t＝35.87×10⁶IA-36.29。

本示例选择的标准参量为聚合度，DP为老化时间t时刻绝缘纸的聚合度，DP₀为未经过老化的绝缘纸的聚合度，测量不同老化时间绝缘纸的聚合度，(1/DP)-(1/DP₀)与老化时间的关系如图8所示，通过拟合得到聚合度DP＝1/(5.96×10^-6t+0.001)，因此聚合度与IA因子的关系为DP＝1/(213.785IA+0.001)，DP与IA因子的关系曲线如图9所示。

4)现场测量：取待测的老化试样，通过测量与数据处理得到待测试样的IA因子为32.34×10_- ⁶，通过计算得到其聚合度为130。按照规定标准，DP值为500左右时，设备处于寿命中期，DP降至250左右时，设备处于寿命晚期，DP降至150左右时，不应继续运行，因此所测设备不应继续使用。

Claims (6)

1.一种用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统，其特征在于：包括电源模块、测量电极模块、电流测量模块、数据采集模块；电源模块通过测量电源线连接到测量电极模块中三电极系统的高压极与测量极上，测量电极模块中三电极系统的测量极通过同轴电缆屏蔽线与电流测量模块的电流输入端相连，电流测量模块的输出端与数据采集模块的示波器输入端相连。

2.根据权利要求1所述的用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统，其特征在于：所述的电源模块用来为被测试样进行充电，同时控制整个极化去极化过程的开始与结束，以及极化过程与去极化过程的切换；它包括直流电源与时间继电器组，直流电源选用一组串联的直流蓄电池，根据测量需要改变电压的大小，时间继电器组通过三个时间继电器的连接、组合，实现对极化去极化过程的控制，极化与去极化过程的开始、持续、结束的时间可以通过对时间继电器的设定进行调节。

3.根据权利要求2所述的用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统，其特征在于：所述的测量电极模块用来放置被测试样，它包括屏蔽箱和三电极系统或油杯；当被测试样为固体时，选用三电极系统，其保护间隙距离为2mm，测量电极的直径为50mm，整个电极系统用屏蔽箱屏蔽起来；当被测试样为液体时，选用油杯作为测量电极系统。

4.根据权利要求3所述的用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统，其特征在于：所述的电流测量模块用来将被测电流进行转换与放大，得到后续数据采集模块可以测量的电压信号，它包括微电流放大电路、量程切换装置和金属屏蔽盒：所述的微电流放大电路分为两部分：放大电路的前半部分包括用于提高输入阻抗作用的INA116和大阻值电阻、去耦电容、限流电阻、保护电路的防雷管2RM600-8；放大电路的后半部分包括两片OP07、调节失调电压的电位器、以及去耦电容、限流电阻和连接在放大运放引脚间的滤高频电容；被测电流依次经过大阻值电阻，INA116，起到放大作用的OP07和起到跟随器作用的OP07，最终得到放大后的电压信号，分开的两部分通过插针相互垂直连接起来；所述的量程切换装置：在放大电阻两端并联一个电容C_f，电容C_f选用漏电较小的温度补偿性陶瓷电容，且其大小满足R_sC_in≤R_fC_f，其中R_s为信号源内阻，R_f为放大电阻，放大电阻选用玻璃釉电阻，通过切换接入放大电路的放大电阻，实现量程的切换；整个微电流放大电路包括量程切换装置用长、宽、高分别为11.5cm、6cm、11cm的金属屏蔽盒屏蔽起来，并将屏蔽盒外壳与大地相连，屏蔽盒上有档位切换的开关，用来变换放大电阻，完成量程的切换；在屏蔽盒的前端下方位置处还有被测电流输入同轴电缆接口与测量级电路相连。

5.根据权利要求4所述的用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统，其特征在于：所述的数据采集模块用来测量电流测量模块输出的电压并将测得的结果经过计算处理，得到IA因子，从而定量评估绝缘介质老化状态，它包括示波器与计算机。

6.根据权利要求5所述的用于绝缘介质老化状态评估的时域测试系统，其特征在于：基于该系统的评估方法包括如下步骤：

步骤一：获取需要进行老化状态评估的绝缘介质试样，固体试样取直径为10cm，厚度不超过2mm的圆片，液体试样取40ml，根据被测介质的工作环境，在实验室环境下，对被测试样进行加速老化处理，得到不同老化状态的试样；

步骤二：根据试样的物理形态选择电极，固体选用三电极，液体选用油杯，放置好试样，通过量程切换装置为测量电路选择合适的档位，对试样进行充分放电后，打开时间继电器组的开关，开始极化去极化过程，并通过计算机记录测量结果；

步骤三：对测量结果进行处理，将去极化电流测量结果进行平滑处理，然后将电流对时间积分，对积分得到的电荷量随时间变化曲线拟合，从而得到电荷量与时间的关系式，通过不同老化状态试样的拟合结果，进一步找到拟合关系式中IA因子与老化时间的关系，并根据不同介质老化时间与其现有的衡量老化状态的标准参量之间的关系，得到IA因子与标准参量之间的函数关系；

步骤四：在实际测试作业中，获取需要测量的绝缘介质试样，经过测量与数据处理得到IA因子，即可得到衡量被测介质老化状态的标准参量，从而定量得到被测介质的老化状态。