CN112630533A - 一种电力电缆线芯检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电缆线芯检测装置及其方法，该装置包括：恒流源通过可控阵列开关与开尔文夹连接，以提供不同档位、交替换向的恒定电流给开尔文夹，将恒定电流施加给待测电力电缆；模数转换器与控制器连接，用于将采集的待测电力电缆两端之间电压数据传输给控制器；模拟转换器数字输出口与可控阵列开关连接，控制器发送控制信息给模数转换器以控制可控阵列开关状态；控制器连接有工控机，用于将待测电力电缆的直流电阻值输出给工控机进行数据存储及分析，得到待测电力电缆线芯质量评价结果。与现有技术相比，本发明能够在不同条件下对电力电缆线芯进行高精度测量，并能结合工控机构成质量分析系统，以对电力电缆线芯质量进行分析评价。

Description

一种电力电缆线芯检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及电力电缆检测技术领域，尤其是涉及一种电力电缆线芯检测装置及方法。

背景技术

电缆导体包括导体芯线、金属屏蔽层、金属护套，是高压电缆最主要的组成部分，电力电缆的导电线芯主要传输电能和电信号，导线的电阻是其电气性能的重要指标之一。电力设备预防性试验规程DL/T596-1996中规定，必须对电缆导体的直流电阻进行测试。在电缆质量发生变化的情况下，极有可能导致电力运行事故，只有通过电缆直流电阻检测，才能确定电缆质量是否符合电力设备预防性试验规程DL/T596-1996规定。

当前GB/T3048.4-2007电线电缆电性能试验方法第4部分规定了导体直流电阻试验的试验设备、试样制备、试验程序、试验结果及计算和试验记录。其中，测量电力电缆导线仪器分为数字式直流电阻测试仪和电桥式直流电阻测试仪两种。对于电线电缆导体的直流电阻测量，GB/T3048.4-2007中给出的测量方法有双臂电桥法和单臂电桥法，双臂电桥测量范围为：(2x10^-5～99.9)Ω；单臂电桥测量范围为：1Ω～100Ω及以上。对于其他测量电线电缆电阻测量仪器，标准中规定其误差需要满足：型式试验电阻测量误差不超过±0.15％，例行试验时电阻测量误差不超过±2％。

在实际中，大多通过刀具手工剥离电缆，之后使用双臂电桥检测电力电缆的导体电阻，测量中将电力电缆导线通过夹具夹紧，随后通过夹具端部螺杆旋紧拉直，选取拉直后的的标准电缆线芯(长度默认1米)，测量长度1米的电力电缆线芯的电阻。但对于导体截面积较大的电力电缆，运输存储过程中一般将其盘成圆形，以增加空间利用率，由于长期处于弯曲状态，电桥夹螺杆的拉伸力将其拉直极为困难；对于导体截面积较小的电力电缆，其弯曲程度较大，同样很难完全拉直，使得导体的实际检测长度偏长，导致实测电阻偏大。

GB/T 3048.4-2007中对于直流电阻实验环境的规定为15～25℃，空气湿度不超过85％，且环境温度变化不超过±1℃，目前普遍采用空调和除湿机控制检测环境的温度和湿度，以满足检测需求，但是使用空调会出现检流计滑动现象，使得测量条件不稳定；

对于微小电阻值测量，双臂电桥法的测量精度更高，所以常见的检测电桥以双臂电桥为主，双臂电桥通常采用V型和圆环形两种电桥夹具，V形夹具为点接触，由于其垂直压紧力大，接触导通处容易发生变形，使得点接触变为面接触，导致测量结果产生误差，所以不适合较大截面线芯和软铜导体；而圆环形夹具会导致扇形结构产生形变，所以不适用于扇形电缆导体检测，并且环形夹具为线接触，当导线表面存在氧化层时无法有效刺破氧化层从而导致接触电阻增大，影响测量结果；

此外，现有的检测装置只具备直流电阻测量功能，功能较为单一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电力电缆线芯检测装置及其方法，以实现在不同条件下对电力电缆线芯电阻进行高精度测量的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种电力电缆线芯检测装置，包括恒流源、开尔文夹、模数转换器和控制器，所述恒流源通过可控阵列开关与开尔文夹连接，以提供不同档位、交替换向的恒定电流给开尔文夹，通过开尔文夹将恒定电流施加在待测电力电缆两端；

所述模数转换器用于采集待测电力电缆两端之间的电压数据；

所述模数转换器还分别与可控阵列开关、控制器连接，用于接收控制器输出的信息，以控制可控阵列开关的工作状态，以及将采集的电压数据传输给控制器；

所述控制器用于根据采集的电压数据，计算得到待测电力电缆的直流电阻值；

所述控制器还连接有工控机，用于将待测电力电缆的直流电阻值输出给工控机进行数据存储及数据分析，得到待测电力电缆线芯质量评价结果。

进一步地，所述模数转换器包括总线接口、可编程增益放大器、Σ-ΔADC单元和IO接口，所述总线接口分别与控制器、可编程增益放大器、Σ-ΔADC单元和IO接口相连接，所述可编程增益放大器与开尔文夹连接，所述IO接口与可控阵列开关连接，所述总线接口用于实现模数转换器内部之间、控制器与模数转换器之间的信息数据传输；

所述可编程增益放大器用于采集待测电力电缆两端之间的电压模拟量，并对采集的电压模拟量进行放大处理；

所述Σ-ΔADC单元用于将放大后的电压模拟量转换为电压数字量；

所述IO接口通过总线接口接收来自控制器的控制信号，并将该控制信号传输给可控阵列开关。

进一步地，所述总线接口通过SPI通信协议与控制器连接。

进一步地，所述开尔文夹包括正夹和负夹，所述正夹分别与恒流源的一端、可编程增益放大器的差分输入正极连接，所述负夹分别与恒流源的另一端、可编程增益放大器的差分输入负极连接。

进一步地，所述正夹通过RLC滤波电路连接至可编程增益放大器的差分输入正极，所述负夹通过RLC滤波电路连接至可编程增益放大器的差分输入负极。

进一步地，所述可控阵列开关包括四对用于恒流源档位切换操作的MOS管和两对用于恒流源电流交替换向操作的MOS管。

进一步地，所述工控机上安装有用于进行数据分析的Labview开发模块。

进一步地，所述控制器通过SPI转USB模块与工控机相连接。

进一步地，所述控制器具体为MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，所述模数转换器具体为ADS1217芯片。

一种电力电缆线芯检测方法，包括以下步骤：

S1、取单位长度的电力电缆剥离，之后使用开尔文夹夹紧电力电缆的两端；

S2、控制器输出档位切换控制信号以及电流交替换向控制信号给模数转换器，由模数转换器将接收的控制信号输出给可控阵列开关，以控制可控阵列开关的导通与关断，使恒流源输出对应档位及方向的恒定电流给开尔文夹；

S3、模数转换器依次采集不同档位及方向恒定电流情况下的电力电缆两端电压数据，并将采集的多个电压数据实时传输给控制器；

S4、控制器通过欧姆定律计算得到多个电压数据对应的电力电缆直流电阻值，并将计算得到的多个直流电阻值传输给工控机进行存储及分析；

S5、工控机根据多个直流电阻值，拟合出不同测量条件下的电力电缆电阻值曲线，结合预设的电力电缆电阻标准值，得到该电力电缆线芯质量评价结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明基于恒流源结合可控阵列开关的方式，采用开尔文夹对待测电力电缆两端施加恒定电流，通过模数转换器采集待测电力电缆两端的电压降，然后通过控制器计算出待测电力电缆的直流阻值，并根据大量精准的测量数据便于后续的智能分析，在控制器、模数转换器以及可控阵列开关的共同作用下，恒流源能够输出不同档位以及交替换向的恒定电流，不仅能自动提供不同测试条件，同时利用电流换向，采集一个正向数据和一个负向数据，通过计算两者的算术平均值，能够有效消除热效应和电势差带来的测量误差，从而提高测量精度。

二、本发明采用开尔文夹四线法结合交替电流换向方式进行测量，相较于二线法，由于测量设备测量点更靠近待测电力电缆，减小了导线对电阻阻值的影响，在进行微弱电阻阻值测量时可以显著提高精度，且能克服单臂电桥和双臂电桥法在测量时受到接线电阻和跨线电阻的影响，减小对使用环境的要求，操作便捷，测量精准。

三、本发明通过将控制器与工控机连接，使得控制器计算得到的电阻数据能够在工控机上进行存储及分析，以进一步得到电力电缆的质量评价结果，使得本发明不仅具有电阻检测功能，同时具有电缆质量分析功能。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为开尔文夹四线法示意图；

图3为实施例中恒流源档位切换控制电路图；

图4为本发明的方法流程示意图；

图中标记说明：

1、恒流源，2、开尔文夹，3、模数转换器，4、控制器，5、可控阵列开关，6、待测电力电缆，7、工控机，31、总线接口，32、可编程增益放大器，33、Σ-ΔADC单元，34、IO接口。

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。

实施例

如图1所示，一种电力电缆线芯检测装置，包括恒流源1、开尔文夹2、模数转换器3和控制器4，恒流源1通过可控阵列开关5与开尔文夹2连接，以提供不同档位、交替换向的恒定电流给开尔文夹2，通过开尔文夹2将恒定电流施加在待测电力电缆6两端；

模数转换器3用于采集待测电力电缆6两端之间的电压数据；

模数转换器3还分别与可控阵列开关5、控制器4连接，用于接收控制器4输出的信息，以控制可控阵列开关5的工作状态，以及将采集的电压数据传输给控制器4；

控制器4用于根据采集的电压数据，计算得到待测电力电缆的直流电阻值；

控制器4还通过SPI转USB模块连接有工控机7，用于将待测电力电缆的直流电阻值输出给工控机7进行数据存储及数据分析，得到待测电力电缆线芯质量评价结果，工控机7上安装有用于进行数据分析的Labview开发模块。

具体的，模数转换器2包括总线接口31、可编程增益放大器32、Σ-ΔADC单元33和IO接口34，总线接口31分别与控制器4、可编程增益放大器32、Σ-ΔADC单元33和IO接口34相连接，可编程增益放大器32与开尔文夹2连接，IO接口34与可控阵列开关5连接，总线接口31用于实现模数转换器3内部之间、控制器4与模数转换器3之间的信息数据传输；

可编程增益放大器32用于采集待测电力电缆6两端之间的电压模拟量，并对采集的电压模拟量进行放大处理；

Σ-ΔADC单元33用于将放大后的电压模拟量转换为电压数字量；

IO接口34通过总线接口31接收来自控制器4的控制信号，并将该控制信号传输给可控阵列开关5；

其中，总线接口31通过SPI通信协议与控制器4连接。

本发明采用开尔文夹2对待测电力电缆6进行测试，分离电流和电压的电极，能够消除布线和接触电阻的阻抗，四线法接线图见图2，开尔文电桥是惠斯通电桥的变形，在测量小阻值电阻时能给出相当高的准确度，正的夹子连接恒流源1的一端和模数转换器3中可编程增益放大器32差分输入的正极，负的夹子连接恒流源1的一端和模数转换器3中可编程增益放大器32差分输入的负极，夹具和差分输入端并非直接相连，而是采用RLC滤波电路对信号处理后再输入模数转换器的差分输入端口，滤波电路是信号处理中常见电路，其功能是将输入信号中的目标信号和有用部分滤过，将输入信号的噪声和无用信号滤除。

本发明采用四线法结合交替电流换向方法测量电力电缆直流电阻，四线法连接要求：对于每个测试点都有严格分开，各自构成独立回路的一条激励线和一条测试线，同时要求检测线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线的电流极小，近似为零，二线法的理论测量值为

四线法的理论测量值为

式中：U为电压测量值；I为恒流源电流值；R1和R2为导线电阻的阻值，由此可知，四线法相较于二线法，消除了导线电阻对测量结果的影响，在进行微弱电阻阻值测量时可以显著提高精度。

本发明中，可控阵列开关5包括四对用于恒流源档位切换操作的MOS管和两对用于恒流源电流交替换向操作的MOS管，图3为本实施例中恒流源档位切换控制电路图，由于电力电缆的阻值很小，所以待测电力电缆的压降大小和稳定度直接由直流恒流源决定。在恒流源电路中，一共采用了六个光耦和六对运算放大器，通过模数转换器的IO接口控制光耦驱动MOS管实现四个不同的量程。量程切换时候会有较大的电流变化产生扰动，因此设计了量程切换扰动抑制电路，运算放大器U100通过反向比例放大电路将模数转换器的2.5V参考电压稳定输出-1V的直流电压经R103电阻接到运算放大器U103的反向输入端；

运算放大器U101采用电压跟随器输出R130的电压，运算放大器U102则采用差分比例电路输出电压值为

并经R100电阻接到运算放大器U103的反向输入端，由于放大器的“续断”特性，所以R130和R131之间的压差稳定在

压差为0.2V。四对MOS管公共源极接R130，四对MOS管的漏极分别接四个采样电阻一端，采样电阻的另一端共同接到电阻R131，四档采样电阻阻值分别为0.1欧姆、1欧姆、10欧姆、100欧姆，通过四个光耦分别驱动四个MOS管的开通关断来选择不同的采样电阻，以产生2mA、20mA、200mA、2A的稳定电流源；

此外，为了抵消电势差和热电势对待测电阻阻值的影响，还需要两个光耦驱动另外两对MOS管交替导通，以进行恒流源电流变换方向；

在比较电路后面加入积分电路实现扰动抑制。

将上述电力电缆线芯检测装置应用于实际，其具体的检测过程如图4所示，包括以下步骤：

S1、取单位长度的电力电缆剥离，之后使用开尔文夹2夹紧电力电缆的两端；

S2、控制器4输出档位切换控制信号以及电流交替换向控制信号给模数转换器3，由模数转换器3将接收的控制信号输出给可控阵列开关5，以控制可控阵列开关5的导通与关断，使恒流源1输出对应档位及方向的恒定电流给开尔文夹2；

S3、模数转换器3依次采集不同档位及方向恒定电流情况下的电力电缆两端电压数据，并将采集的多个电压数据实时传输给控制器4；

S4、控制器4通过欧姆定律计算得到多个电压数据对应的电力电缆直流电阻值，并将计算得到的多个直流电阻值传输给工控机7进行存储及分析；

S5、工控机7根据多个直流电阻值，拟合出不同测量条件下的电力电缆电阻值曲线，结合预设的电力电缆电阻标准值，得到该电力电缆线芯质量评价结果。

本实施例中，控制器选用MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，模数转换器选用ADS1217芯片，工控机选用x86工控机。由模数转换芯片ADS1217进行恒流源控制和高精度电流的测量；MCU通过SPI通信协议与ADS1217进行数据通信，并通过温度传感器对电阻进行温度补偿；x86工控机与MCU通过SPI转USB模块进行通信，在工控机上对测量数据进行进一步的处理、分析和存储，其中，模数转换芯片ADS1217在MCU的协调下完成恒流源档位的自动选择、数据的采集以及数据的传输，系统完成对模数转换芯片初始化任务后，ADS1217完成对档位的自动选择并读取电压值，MCU通过欧姆定律完成对直流电阻值的初步计算以及存储，再通过USB协议将测量数据传输到工控机，后续可使用Labview对大量精准数据进行分析。

综上所述，上述检测装置具有精细化分类的多量程切换功能，具有高分辨率、高精度测量的优点，分辨率高达0.01μΩ，通过配置高精度(±0.1℃)温度传感器以及含高精度导体温度传感器的测试夹具，大大提高了温度自动补偿的速度，每次测量时，会自动选定恒流电流，自动零点矫正，克服热电压和线电阻引起的误差，保证每次测量的准确性，另外测量完成后，能够将相关参数自动上传至上位机(即工控机)，并进行数据融合，可拟合出不同测试条件下的电阻值曲线，综合把控待测电缆质量，还可内置数据存储器，以记录保存上千组测量数据及参数，连接上位机可生成完整的技术文件；

本采用可编程增益放大器与高精度ADC集成方式，便于进行信号噪声及干扰控制，采用德州仪器八通道二十四位的高速模数转换芯片ADS1217采集电阻两端的电压值，利用ADS1217可以无噪声实现数据高精度高效率的采集功能，大大增强了精密电阻测量仪的实时操作性，提高了数据采集的速率以及数据的精度，并有效降低了设备的体积和功耗，对其内部结构具体分析可以发现该模数转换芯片由模拟开关电路、1-128倍的可编程增益放大器、输入缓冲器、标准串行SPI接口、控制器与时钟发生器等组成，使用ADS1217进行高精度数据采集系统设计时，通过对16个独立寄存器进行配置完成转换器工作过程，在对ADS1217的寄存器进行设置时，需要完成模拟多路开关、I/O选择、采样速度、PGA和自校准等信息的配置，并且掌握其中主要寄存器的状态，在通信方面，使用四线制SPI通信方式，作为SPI从属模式工作；

选用MCU作为控制器，基于ARM的高性能数据处理技术，一方面与模数转换芯片ADS1217进行SPI通信，控制ADS1217的IO接口智能调节挡位，并将模数转换芯片ADS1217采集到的数据通过SPI总线的方式传送回MCU，另一方面MCU将数据简单处理后经单独的SPI转USB模块将数据传给x86工控机，在Labview软件上完成数据进一步的处理、分析与记录，即通过对电力电缆直流电阻的测量，能够进一步检测出电力电缆线芯可能存在的质量缺陷：导线的断裂或者其中的部分单线断裂；电力电缆的生产截面不符合生产标准；电力电缆生产的长度不正确等，由于电力电缆的电阻值是评价线芯电缆质量的重要指标之一，因此可通过对电缆阻值的测量分析可以实现对电力电缆线芯质量的评价；

采用四对MOS管进行直流源档位的切换，通过模数转换芯片的IO输出控制MOS管切换，可以输出2mA、20mA、200mA、2A四个档位的恒定直流，各档电流稳定性为0.004％/10min，且为了防止挡位切换过程中精密直流源产生较大的扰动，还采用积分电路进行抗扰动处理；

采用基于x86架构的Windows操作平台，使用Labview软件对电缆数据进行分析处理和储存，数据处理过程更加稳定，并且可以更加方便地使用Labview集成的开发模块进行数据的分析，稳定高效。

Claims (10)

1.一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，包括恒流源(1)、开尔文夹(2)、模数转换器(3)和控制器(4)，所述恒流源(1)通过可控阵列开关(5)与开尔文夹(2)连接，以提供不同档位、交替换向的恒定电流给开尔文夹(2)，通过开尔文夹(2)将恒定电流施加在待测电力电缆(6)两端；

所述模数转换器(3)用于采集待测电力电缆(6)两端之间的电压数据；

所述模数转换器(3)还分别与可控阵列开关(5)、控制器(4)连接，用于接收控制器(4)输出的信息，以控制可控阵列开关(5)的工作状态，以及将采集的电压数据传输给控制器(4)；

所述控制器(4)用于根据采集的电压数据，计算得到待测电力电缆(6)的直流电阻值；

所述控制器(4)还连接有工控机(7)，用于将待测电力电缆(6)的直流电阻值输出给工控机(7)进行数据存储及数据分析，得到待测电力电缆(6)线芯质量评价结果。

2.根据权利要求1所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述模数转换器(3)包括总线接口(31)、可编程增益放大器(32)、Σ-ΔADC单元(33)和IO接口(34)，所述总线接口(31)分别与控制器(4)、可编程增益放大器(32)、Σ-ΔADC单元(33)和IO接口(34)相连接，所述可编程增益放大器(32)与开尔文夹(2)连接，所述IO接口(34)与可控阵列开关(5)连接，所述总线接口(31)用于实现模数转换器(3)内部之间、控制器(4)与模数转换器(3)之间的信息数据传输；

所述可编程增益放大器(32)用于采集待测电力电缆(6)两端之间的电压模拟量，并对采集的电压模拟量进行放大处理；

所述Σ-ΔADC单元(33)用于将放大后的电压模拟量转换为电压数字量；

所述IO接口(34)通过总线接口(31)接收来自控制器(4)的控制信号，并将该控制信号传输给可控阵列开关(5)。

3.根据权利要求2所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述总线接口(31)通过SPI通信协议与控制器(4)连接。

4.根据权利要求2所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述开尔文夹(2)包括正夹和负夹，所述正夹分别与恒流源(1)的一端、可编程增益放大器(32)的差分输入正极连接，所述负夹分别与恒流源(1)的另一端、可编程增益放大器(32)的差分输入负极连接。

5.根据权利要求4所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述正夹通过RLC滤波电路连接至可编程增益放大器(32)的差分输入正极，所述负夹通过RLC滤波电路连接至可编程增益放大器(32)的差分输入负极。

6.根据权利要求1所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述可控阵列开关(5)包括四对用于恒流源(1)档位切换操作的MOS管和两对用于恒流源(1)电流交替换向操作的MOS管。

7.根据权利要求1所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述工控机(7)上安装有用于进行数据分析的Labview开发模块。

8.根据权利要求1所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述控制器(4)通过SPI转USB模块与工控机(7)相连接。

9.根据权利要求1所述的一种电力电缆线芯检测装置，其特征在于，所述控制器(4)具体为MCU，所述模数转换器(3)具体为ADS1217芯片。

10.一种应用如权利要求1～8任一所述电力电缆线芯检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、取单位长度的电力电缆剥离，之后使用开尔文夹夹紧电力电缆的两端；

S2、控制器输出档位切换控制信号以及电流交替换向控制信号给模数转换器，由模数转换器将接收的控制信号输出给可控阵列开关，以控制可控阵列开关的导通与关断，使恒流源输出对应档位及方向的恒定电流给开尔文夹；

S3、模数转换器依次采集不同档位及方向恒定电流情况下的电力电缆两端电压数据，并将采集的多个电压数据实时传输给控制器；

S4、控制器通过欧姆定律计算得到多个电压数据对应的电力电缆直流电阻值，并将计算得到的多个直流电阻值传输给工控机进行存储及分析；

S5、工控机根据多个直流电阻值，拟合出不同测量条件下的电力电缆电阻值曲线，结合预设的电力电缆电阻标准值，得到该电力电缆线芯质量评价结果。

Images