CN107621597A - 一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统及方法，包括：计算机，数据采集卡，电压控制电流源，差分电压前置放大器，IPAM温度采集模块，RS485通信模块，四电极测量模块；所述计算机可基于虚拟仪器实现任意幅值、频率和波形的数字信号输出；所述模拟信号包括电流信号和电压信号；所述电压控制电流源用于将电压信号转换成电流信号并输出给计算机，所述计算机通过判断电压信号大小来自动调节电压控制电流源的输入信号和转换系数，从而控制输出电流的大小。本发明提供的一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统操作简单、测量速度快、效率高，可实现对电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能的自动化测量。
Description
技术领域
本发明涉及电缆绝缘测试技术领域，具体涉及一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统及方法。
背景技术
电缆半导电屏蔽料分为内屏蔽料和外屏蔽料，内屏蔽料位于导体和主绝缘之间，其主要作用是均化电场和降低导体表面电场强度；外屏蔽料位于主绝缘和金属护套之间，其作用是防止主绝缘料与护套接触时出现问题，与金属护套等电位并与绝缘料良好接触，避免金属护套与主绝缘外表面产生局部放电。半导电屏蔽料作为电力电缆中非常重要的一个环节，直接影响到电力电缆的使用寿命和运行可靠性。
电缆接头和附件在电网输电线路检修完成合闸过程中，其内半导电屏蔽料处经常出现烧毁的现象。所以，在操作过电压情况下，半导电屏蔽料的介电性能是否合格，直接影响到电缆接头和附件的使用安全性和运行可靠性。然而，目前对于电缆半导电屏蔽料介电性能的检测依然停留在通过测量它的直流电阻率来评价其性能是否合格，还没有涉及电缆半导电屏蔽料交流介电性能的检测以及对其性能的评价，且还没有一套完整的测试系统能够对其交/直流介电性能进行测量和评价。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统及方法，解决了传统方法中仅通过测量直流电阻率的单一性与不稳定性的技术问题，达到了更加快速测量、更加准确有效评估电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能的有益效果。
本发明采用如下系统进行实现：提供了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统，包括：计算机，数据采集卡，电压控制电流源，差分电压前置放大器，IPAM温度采集模块，RS485通信模块，四电极测量模块；
所述计算机可基于虚拟仪器实现任意幅值、频率和波形的数字信号输出，并通过数据采集卡的D/A转换实现模拟信号输出，且对输出的模拟信号进行自动记录；所述模拟信号包括电流信号和电压信号；
所述电压控制电流源用于将电压信号转换成电流信号并输出给计算机，所述计算机通过判断电压信号大小来自动调节电压控制电流源的输入信号和转换系数，从而控制输出电流的大小。
进一步地，所述数据采集卡用于实现电压控制电流源和差分电压前置放大器之间的通信，实现数据的发送与接收，并用于A/D和D/A转换。
进一步地，所述计算机采用非线性最小二乘拟合迭代算法分析和重构电流信号和电压信号。
进一步地，所述的差分电压前置放大器用于对电压信号的差分放大；所述IPAM温度采集模块用于温度信号的A/D转换；所述RS485通信模块用于温度采集模块与计算机之间的通信。
进一步地，所述四电极测量模块包括电流电极、电压电极和Pt100温度传感器，四电极测量模块用于测量信号和固定电缆半导电屏蔽料的试样。
本发明还提供了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试方法进行实现，包括：
测量电缆半导电屏蔽料试样的长度、宽度和厚度参数，并固定在四电极测量系统之中；
初始化输入所述电缆半导电屏蔽料试样的长度、宽度和厚度参数；
配置温度采集参数、数据采集卡参数以及电压控制电流源参数；
启动测量测量程序并保存测量过程中产生的所有数据，测量结束后退出测量系统。
进一步地，所述配置温度采集参数、数据采集卡参数以及电压控制电流源参数还包括：分别配置采集卡物理通道、信号输入/输出类型、信号的变化范围、采样模式、采样率和采样点数；配置频率测量范围与扫描频率点数；配置电压转换电流系数与切换模式；配置激励信号类型及相应的幅值、维持时间以及间隔时间；配置测量方式，所述测量方式包括自动测量和手动测量；所述配置频率测量范围与扫描频率点数具体为：起始频率为0Hz，终止频率为100kHz，扫描频率点数设置100。
进一步地，所述配置电压转换电流系数具体为：电压控制电流源转换系数分别为0.1mA/V、1mA/V和10mA/V，所述切换模式为设置成自动切换模式。
进一步地，所述配置激励信号类型及相应的幅值、维持时间以及间隔时间具体为：设置激励信号类型为正弦波，幅值为1V，维持时间为5s，间隔设置为0.1s。
进一步地，所述自动测量具体为：计算机自动生成幅值和相位相同频率不同的正弦波，自动完成在设置频率范围之内电缆半导电屏蔽料试样的介电性能测试，并保存测量数据；
所述手动测量具体为：手动调节正弦波的频率来完成对电缆半导电屏蔽料试样在不同频率下的介电性能测试。
综上所述，本发明提供了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统，包括：计算机，数据采集卡，电压控制电流源，差分电压前置放大器，IPAM温度采集模块，RS485通信模块，四电极测量模块；所述计算机是基于虚拟仪器实现任意幅值、频率和波形的数字信号输出，并通过数据采集卡的D/A转换实现模拟信号输出，且对输出的模拟信号进行自动记录；所述模拟信号包括电流信号和电压信号；所述电压控制电流源用于将电压信号转换成电流信号并输出给计算机，所述计算机通过判断电压信号大小来自动调节电压控制电流源的输入信号和转换系数，从而控制输出电流的大小。
本发明所产生的有益效果为：
1、解决了传统方法中仅通过测量直流电阻率的单一性与不稳定性的技术问题，能够更加快速测量、更加准确有效评估电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能；
2、通过使用虚拟仪器实现任意幅值、频率和波形的数字信号输出，并通过数据采集卡的D/A转换实现模拟信号输出，且对输出的模拟信号进行自动记录；整个测量过程在虚拟仪器平台实现，通过对电流、电压和温度信号的分析可得电缆半导电屏蔽料在不同温度和频率下的介电性能参数，并绘出电缆半导电屏蔽料介电性能参数随着温度和频率的变化曲线，更加直观清晰的进行分析和总结，且能够为后续的研究发展提供有利可靠的保障。
3、通过采取用时域分析的方法中的非线性最小二乘拟合迭代算法对采集的电流和电压信号进行分析与重构，有效避免了因采用频域分析法中采样信号频率波动而导致非整周期采样问题，进而解决了可能出现的频谱泄漏和栅栏效应等一系列问题，保证了采集信号的准确性以及实时性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统实施例结构图；
图2是一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试方法实施例流程图；
图3是电压控制电流源原理图；
图4是差分电压前置放大器原理图；
图5是四电极测量模块结构示意图；
图6是一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统软件流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书记上述附图中的术语“进一步”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或者描述的那些以外的顺序实施。此外，属于“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本发明给出了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统及方法实施例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明中技术方案作进一步详细的说明：
本发明提供了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统实施例，如图1所示，包括：计算机101，数据采集卡102，电压控制电流源103，差分电压前置放大器104，IPAM温度采集模块105，RS485通信模块106，四电极测量模块107；
所述计算机101可基于虚拟仪器实现任意幅值、频率和波形的数字信号输出，并通过数据采集卡102的D/A转换实现模拟信号输出，且对输出的模拟信号进行自动记录；所述模拟信号包括电流信号和电压信号；
所述电压控制电流源103用于将电压信号转换成电流信号并输出给计算机101，所述计算机101通过判断电压信号大小来自动调节电压控制电流源103的输入信号和转换系数，从而控制输出电流的大小。
其中，所述计算机101通过数据采集卡102连接电压控制电流源103，实现计算机101对电压控制电流源103输出电流幅值、频率和波形的控制；计算机101通过判断采集的差分电压前置放大器104输出电压大小自动调节电压控制电流源103转换系数，使数据采集卡102采集的电流和电压信号处于采集卡精度最高的信号输入范围。
其中，电压控制电流源原理图如图3所示；差分电压前置放大器原理图如图4所示；四电极测量模块结构示意图如图5所示。
优选地，所述数据采集卡102用于实现电压控制电流源103和差分电压前置放大器104之间的通信，实现数据的发送与接收，并用于A/D和D/A转换。
优选地，所述计算机101采用非线性最小二乘拟合迭代算法分析和重构电流信号和电压信号。
其中，采用非线性最小二乘拟合迭代算法对采集的电流和电压信号进行分析与重构，分别获取电流和电压信号基波下的有效值、频率、初始相位和直流偏置，通过电流和电压有效值和初始相位计算出测试试样的阻抗和相位差，求取电缆半导电屏蔽料试样的阻性参数和容性参数，进而获取试样的介电性能参数。
优选地，所述的差分电压前置放大器104用于对电压信号的差分放大；所述IPAM温度采集模块105用于温度信号的A/D转换；所述RS485通信模块106用于温度采集模块与计算机之间的通信。
优选地，所述四电极测量模块107包括电流电极1071、电压电极1072和Pt100温度传感器1073，四电极测量模块107用于测量信号和固定电缆半导电屏蔽料的试样。
本发明还提供了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试方法进行实现，包括：
S101、测量电缆半导电屏蔽料试样的长度、宽度和厚度参数，并固定在四电极测量模块之中；
其中，打开计算机启动虚拟仪器测试程序，首先检查设备连接情况，虚拟仪器界面显示设备连接正常后，进行下一步骤；
S102、初始化输入所述电缆半导电屏蔽料试样的长度、宽度和厚度参数；
S103、配置温度采集参数、数据采集卡参数以及电压控制电流源参数；
其中，温度显示单位可以为℃或者K；
S104、启动测量测量程序并保存测量过程中产生的所有数据，测量结束后退出测量系统。
优选地，所述配置温度采集参数、数据采集卡参数以及电压控制电流源参数还包括：分别配置采集卡物理通道、信号输入/输出类型、信号的变化范围、采样模式、采样率和采样点数；配置频率测量范围与扫描频率点数；配置电压转换电流系数与切换模式；配置激励信号类型及相应的幅值、维持时间以及间隔时间；配置测量方式，所述测量方式包括自动测量和手动测量；所述配置频率测量范围与扫描频率点数具体为：起始频率为0Hz，终止频率为100kHz，扫描频率点数设置100。
优选地，所述配置电压转换电流系数具体为：电压控制电流源转换系数分别为0.1mA/V、1mA/V和10mA/V，所述切换模式为设置成自动切换模式。
优选地，所述配置激励信号类型及相应的幅值、维持时间以及间隔时间具体为：设置激励信号类型为正弦波，幅值为1V，维持时间为5s，间隔设置为0.1s。
优选地，所述自动测量具体为：计算机自动生成幅值和相位相同频率不同的正弦波，自动完成在设置频率范围之内电缆半导电屏蔽料试样的介电性能测试，并保存测量数据；
所述手动测量具体为：手动调节正弦波的频率来完成对电缆半导电屏蔽料试样在不同频率下的介电性能测试。
其中，这里选择自动测量模式；启动测量程序，虚拟仪器界面显示温度、采集的电流和电压波形，软件自动对采集的电流和电压数据进行分析得到半导电屏蔽料试样的介电性能参数，当测量频率达到设置频率上限时终止测量过程，并返回半导电屏蔽料试样在该温度下的介电性能参数随着频率的变化数据，生成Excel表格并绘出该温度下介电性能参数随着频率的变化曲线。至此，整个测量过程结束。在不同温度和频率范围内测量参考上述方法。
本实施例还提供了一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试方法所对应软件流程图，如图6所示，该软件具体包括以下步骤：
步骤一：启动虚拟仪器软件进入测量界面；
步骤二：判断并检查设备连接是否正常，并提示设备连接情况，若正常则进行下一步；
步骤三：参数初始化；
步骤四：输入试样长度、宽度、厚度等参数；
步骤五：设置温度采集参数；
步骤六：配置采集卡参数，所述采集卡参数包括采集卡物理通道、信号输入/输出类型、信号的变化范围、采样模式、采样率和采样点数；
步骤七：配置测试频率范围，频率扫描点数可以任意设置；
步骤八：设置电压控制电流源转换系数，转换系数设置成自动切换模式；
步骤九：设置激励信号参数；
步骤十：设置测量方式，所述测量方式包括自动测量和手动测量；所述自动测量为计算机自动生成幅值和相位相同频率不同的正弦波，自动完成在设置频率范围之内试样介电性能测试，并保存测量数据；所述手动测量为手动调节正弦信号频率来完成对试样在不同频率下介电性能的测试；本步骤选择自动测量；
步骤十一：判断是否自动改变激励信号参数，若是则开始测量，否则返回步骤九手动改变信号激励参数；
其中，步骤三至步骤十可进行任意互换，并不影响最终操作结果；
步骤十二：启动测量测量程序；
步骤十三：显示输出激励信号，显示采集卡采集的电压和电流波形，对电压和电流信号进行分析与处理，并计算出介电性能参数，保存数据；
步骤十四：判断电压有效值是否满足采集卡输入信号，若是则进行下一步，否则进入步骤八；
步骤十五：判断是否进行数据记录，若是则计算介电性能参数，显示计算结果；判断是否保存计算数据，若是则判断设置频率范围内试样的介电性能参数测量测试是否完成，若是则输出测试结果并绘出试样介电性能在不同温度和频率下的变化曲线；
其中，保存计算数据的格式包括但不限于excel数据表格进行保存。
步骤十三：测量结束，退出测量系统。
综上所述，所给实施例是计算机基于虚拟仪器产生虚拟正弦电压激励信号，通过连接的数据采集卡D/A转换成模拟信号，正弦电压信号通过电压控制电流源转换成正弦电流信号，电流信号施加于四电极测量模块的电流电极端，在试样上方的电压电极间产生电压差，通过差分电压前置放大器将电压差放大之后送入数据采集卡A/D通道，进而把测试电压信号送入计算机，完成对电压信号的采集；试样中的电流信号可以通过电压控制电流源获取，获取方式为已知电压控制电流源转换系数和输入电压信号即可得到电压控制电流源输出电流信号，通过以上方式完成对电压和电流信号的采集。试样的温度检测通过环氧树脂包封的Pt100温度传感器输出的温度信号送入IPAM温度采集模块，通过IPAM温度采集模块的A/D转换把模拟温度信号转换成数字信号，数字信号通过RS485通信模块连接计算机串口实现计算机对试样温度信号的采集。至此计算机完成了对试样中电流、试样两端电压和试样温度的测量，整个测量过程在虚拟仪器平台实现，通过对电流、电压和温度信号的分析可得电缆半导电屏蔽料在不同温度和频率下的介电性能参数，并绘出电缆半导电屏蔽料介电性能参数随着温度和频率的变化曲线。
综上，本发明解决了传统方法中仅通过测量直流电阻率的单一性与不稳定性的技术问题，达到了更加快速测量、更加准确有效评估电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能的有益效果。
以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统，其特征在于，包括：计算机，数据采集卡，电压控制电流源，差分电压前置放大器，IPAM温度采集模块，RS485通信模块，四电极测量模块；
所述计算机可基于虚拟仪器实现任意幅值、频率和波形的数字信号输出，并通过数据采集卡的D/A转换实现模拟信号输出，且对输出的模拟信号进行自动记录；所述模拟信号包括电流信号和电压信号；
所述电压控制电流源用于将电压信号转换成电流信号并输出给计算机，所述计算机通过判断电压信号大小来自动调节电压控制电流源的输入信号和转换系数，从而控制输出电流的大小。
2.如权利要求1所述的电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统，其特征在于，所述数据采集卡用于实现电压控制电流源和差分电压前置放大器之间的通信，实现数据的发送与接收，并用于A/D和D/A转换。
3.如权利要求2所述的电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统，其特征在于，所述计算机采用非线性最小二乘拟合迭代算法分析和重构电流信号和电压信号。
4.如权利要求3所述的电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统，其特征在于，所述的差分电压前置放大器用于对电压信号的差分放大；所述IPAM温度采集模块用于温度信号的A/D转换；所述RS485通信模块用于温度采集模块与计算机之间的通信。
5.如权利要求4所述的电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试系统，其特征在于，所述四电极测量模块包括电流电极、电压电极和Pt100温度传感器，四电极测量模块用于测量信号和固定电缆半导电屏蔽料的试样。
6.一种电缆半导电屏蔽料交/直流介电性能测试方法，其特征在于，包括：
测量电缆半导电屏蔽料试样的长度、宽度和厚度参数，并固定在四电极测量模块之中；
初始化输入所述电缆半导电屏蔽料试样的长度、宽度和厚度参数；
配置温度采集参数、数据采集卡参数以及电压控制电流源参数；
启动测量测量程序并保存测量过程中产生的所有数据，测量结束后退出测量系统。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述配置温度采集参数、数据采集卡参数以及电压控制电流源参数还包括：分别配置采集卡物理通道、信号输入/输出类型、信号的变化范围、采样模式、采样率和采样点数；配置频率测量范围与扫描频率点数；配置电压转换电流系数与切换模式；配置激励信号类型及相应的幅值、维持时间以及间隔时间；配置测量方式，所述测量方式包括自动测量和手动测量；所述配置频率测量范围与扫描频率点数具体为：起始频率为0Hz，终止频率为100kHz，扫描频率点数设置100。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述配置电压转换电流系数具体为：电压控制电流源转换系数分别为0.1mA/V、1mA/V和10mA/V，所述切换模式为设置成自动切换模式。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述配置激励信号类型及相应的幅值、维持时间以及间隔时间具体为：设置激励信号类型为正弦波，幅值为1V，维持时间为5s，间隔设置为0.1s。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述自动测量具体为：计算机自动生成幅值和相位相同频率不同的正弦波，自动完成在设置频率范围之内电缆半导电屏蔽料试样的介电性能测试，并保存测量数据；
所述手动测量具体为：手动调节正弦波的频率来完成对电缆半导电屏蔽料试样在不同频率下的介电性能测试。
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