CN208568969U - 基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪及同步测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪，包括同步测量装置和工控机，同步测量装置包括数据处理模块、数据传输模块、数据采集模块、温湿度检测模块以及极化电压输出模块；本实用新型可以在不取罩、吊芯，破坏原绝缘结构的基础之上实现无损的绝缘检测，以作为传统的油气相色谱等检测方法的补充，来判断设备的绝缘程度。

Description

基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪及同步测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪及同步测量装置。

背景技术

电网规模不断扩大，现在已有数以万计的电气设备投入使用，这些电气设备的绝缘强度是保证电网能否安全可靠运行的关键。现如今，有很大一部分的电气设备采用油纸绝缘的绝缘结构，通过即时、方便的手段、装置来检测这些结构的可靠性对于电网的可靠运行十分重要。

目前，传统的绝缘检测方式有：绝缘电阻的检测、介质损耗角正切的检测、局部放电检测，非电参量的检测手段有油色气相分析。这些传统方式已十分成熟，在目前工程实际中已广泛应用。但是，由于存在种种问题，如：需要吊芯、取罩等本身就会损坏绝缘结构的操作，以及易受外部噪音干扰的影响。国内外学者提出了，基于介电响应法的绝缘检测手段。通过建立Debye模型来对绝缘结构进行电气分析。

极化去极化电流法是为介电响应法在时域内应用的一种无损检测方法，无需对被测试品进行取样。该方法的操作方法分以下几个步骤：首先对被测试品外加一阶跃电压，持续一段时间，此过程中记录时间上的电流变化曲线，该过程的电流即称为极化电流(polarization current)；然后将该直流电压撤去，将此两试验端进行短接，同时记录该过程中的电流变化曲线，该电流即称为去极化电流(depolarization current)。国内外的研究选择发现，绝缘性能良好的结构的极化、去极化电流的初始值大小，电流变化频率等相关参量不尽相同，故可根据这些参量来判断绝缘的老化或受损程度。

由于极化电流、去极化电流由于外施极化电压为200-500V，对电气设备的绝缘不造成破坏，极化去极化电流的大小相应为皮安级，因此，对测量设备的对噪声的屏蔽要求较高，这也是本实用新型的设计难点之一。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于介电响应法的，无损的，用于电气设备绝缘检测的介电测试。该仪器可以在不取罩、吊芯，破坏原绝缘结构的基础之上实现无损的绝缘检测，以作为传统的油气相色谱等检测方法的补充，来判断设备的绝缘程度。本实用新型还提供一种同步测量装置。

极化去极化电流法是基于全电流理论的。极化去极化电流法是一种无损的、时域的介电响应绝缘检测方法，是目前国内外学者研究的重点。具体方法是对试品施加一电压

U(t) (1)

在电介质试品两端外加电压时，电介质中的电荷、离子以及偶极子等将受到产生位移，亦即该过程不只有一种极化形式，电介质会产生电位移D(t)，电位移D(t)与外施电场E(t) 成正比，即与U₀的大小成正比，此时，流过电介质的全电流由下式表示

其中，C₀为电介质试件的几何电容；

σ为电介质试件的直流电导率；

ε₀为真空介电常数；

ε_r为电介质试件的相对介电常数；

为外施电压；

为电介质的响应函数，亦即试验所测得的曲线。

一种基于介电响应法的油纸绝缘介电测试方法，步骤如下：

S1)数据采集：通过同步测量装置同步采集被测电气设备的极化、去极化电流大小，存储在工控机上；

S2)数据处理：对极化电流、去极化电流大小进行处理，绘制出极化去极化电流曲线；以被测电气设备刚投入运行所测得的极化去极化电流曲线作为参考标准曲线；

S3)测试绘制测试曲线：在设备监控过程中测试被测电气设备的极化、去极化电流大小，对极化电流、去极化电流大小进行处理，绘制出极化去极化电流曲线，该曲线作为测试曲线；

S4)比较判断：将被测电气设备所得的极化去极化电流曲线与被测电气设备刚投入运行所测得的参考标准曲线进行比较，观察测试时的极化去极化电流曲线是否低于刚投入运行时所采集的参考标准曲线，以此比较被测设备的绝缘状态，若是被测设备曲线低于参考标准曲线，则绝缘状态受损，设备应进行检修以防事故发生。

本实用新型提供了一种基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪，包括同步测量装置和工控机，同步测量装置包括数据处理模块、数据传输模块、数据采集模块、温湿度检测模块以及极化电压输出模块；

其中，数据处理模块由控制器U1、电容C1-C3、电阻R1构成，晶振电路的两端接控制器U1的14、15引脚，电阻R1连接电源VCC与控制器U1的1脚和6脚，再经由电容C1 接地；

所述数据采集模块由采集芯片U3A、电阻R2-R5构成，采集芯片U3A的2、4、6、8脚分别通过电阻R2、R3、R4、R5与控制器U1的27-30脚连接，1脚悬空，12、14脚与皮安表U2、U4通过皮安表自带的低噪输出线连接，其中14脚对应被测信号输入端口CH1，12 脚对应被测信号输入端口CH2；

所述温湿度检测模块由温湿度传感器U3B、电阻R6-R9、电阻R12、R13构成，温湿度传感器U3B的11、13、15、17脚分别与控制器U1的21-24脚经由电阻R6-R9连接，19脚悬空，温湿度传感器U3B的5、3脚与电阻R12、R13相连，并与外界的温湿度探头相连；

所述数据传输模块以USB hub为主体，其1、2、3脚与控制器U1的18、19、20脚相连，USB hub的shell与工控机通过USB线相连；

所述极化电压输出模块连接控制器U1的21脚，极化电压输出模块200是一个200-500V 的电源，通过香蕉插头的测试线与被测电气设备相连。

进一步优选，所述数据处理模块设有一指示灯X1与控制器U1的17脚相连接，起到试验状态的指示功能，控制器U1采用的芯片型号为8052。

进一步优选，采集芯片U3A可采用型号为HCTL-2016。

进一步优选，温湿度传感器U3B可采用HTU21D温湿度传感器。

本实用新型提供了一种同步测量装置，包括数据处理模块、数据传输模块、数据采集模块、温湿度检测模块以及极化电压输出模块；

其中，数据处理模块由控制器U1、电容C1-C3、电阻R1构成，晶振电路的两端接控制器U1的14、15引脚，电阻R1连接电源VCC与控制器U1的1脚和6脚，再经由电容C1 接地；

所述数据采集模块由采集芯片U3A、电阻R2-R5构成，采集芯片U3A的2、4、6、8脚分别通过电阻R2、R3、R4、R5与控制器U1的27-30脚连接，1脚悬空，12、14脚与皮安表U2、U4通过皮安表自带的低噪输出线连接，其中14脚对应被测信号输入端口CH1，12 脚对应被测信号输入端口CH2；

所述温湿度检测模块由温湿度传感器U3B、电阻R6-R9、电阻R12、R13构成，温湿度传感器U3B的11、13、15、17脚分别与控制器U1的21-24脚经由电阻R6-R9连接，19脚悬空，温湿度传感器U3B的5、3脚与电阻R12、R13相连，并与外界的温湿度探头相连；

所述数据传输模块以USB hub为主体，其1、2、3脚与控制器U1的18、19、20脚相连；

所述极化电压输出模块连接控制器U1的21脚，极化电压输出模块200是一个200-500V 的电源。

进一步的，所述同步测量装置的外壳上设有蜂窝型散热孔，将温湿度传感器的温湿度探头置于同步测量装置上方的蜂窝型散热孔的一孔中。

进一步的，所述同步测量装置的外壳设有三个输入端口，包括CH1、CH2两个被测信号输入端口，以及GND外部接地端口，一个电源指示灯POWER，一个输出至工控机端口0UTPUT。

相较于现有的绝缘检测技术，使用本实用新型进行绝缘测试具有如下有益效果：

1)本实用新型的外施极化电压为200V至500V，远低于高压电气设备的运行电压。故，该法不会对被测电气设备的绝缘造成破坏，相较于传统的气相色谱等方法，无需取芯、吊罩，即不会对原有的绝缘造成破坏，能够真正做到无损检测；

2)该方法测试所需时间在10至15分钟内，大大加快了设备检修的效率，把原先需要2至3小时的工作检修时间大大缩短。同时，由于外施极化电压不高，对于设备的要求就无需过高，同时也保证了操作人员的安全，降低事故发生的概率；

3)在通过校正公式，可以将不同温度、压力以及湿度条件下的归算到同一标准条件下，减少了因为环境条件的不同造成的误差，使得所得的极化去极化电流曲线在具有统一性的条件下进行比较，使得实验数据更具说服力。

附图说明

图1为本实用新型中同步测量装置的结构框图。

图2为本实用新型中同步测量装置的电路原理图。

图3为同步测量装置的主视图。

图4为同步测量装置的俯视图。

图5为同步测量装置的左视图。

图6为某变压器在标准条件下所得的极化去极化电流曲线。

图7为不同温度条件下极化去极化电流曲线的影响。

图8为不同湿度条件下极化去极化电流曲线的影响。

图9为实例试验曲线与参考曲线比较图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

一种基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪，包括同步测量装置和工控机，工控机可采用现有技术常用的型号。参照图1和图2，同步测量装置包括数据处理模块100、数据传输模块500、数据采集模块300、温湿度检测模块400以及极化电压输出模块200。

其中，数据处理模块100由控制器U1、电容C1-C3、电阻R1构成，晶振电路的两端接控制器U1的14、15引脚，电阻R1连接电源VCC与控制器U1的1脚和6脚，再经由电容C1接地。根据现场需要，有一指示灯X1与控制器U1的17脚相连接，起到试验状态的指示功能。控制器U1采用的芯片型号为8052。

数据采集模块300由采集芯片U3A(HCTL-2016)、电阻R2-R5构成，采集芯片U3A的2、4、6、8脚分别通过电阻R2、R3、R4、R5与控制器U1的27-30脚连接，1脚悬空，12、 14脚与皮安表U2、U4(Keithly 6485)通过皮安表自带的型号为4803的低噪输出线连接，其中14脚对应被测信号输入端口CH1，12脚对应被测信号输入端口CH2。采集芯片U3A可采用型号为HCTL-2016。

温湿度检测模块400由温湿度传感器U3B、电阻R6-R9、电阻R12、R13构成，温湿度传感器U3B的11、13、15、17脚分别与控制器U1的21-24脚经由电阻R6-R9连接，19脚悬空，温湿度传感器U3B的5、3脚与电阻R12、R13相连，并与外界的温湿度探头相连，以获得温湿度信息。温湿度传感器U3B可采用HTU21D温湿度传感器。

数据传输模块500以USB hub(AT43301)为主体，其1、2、3脚与控制器U1的18、 19、20脚相连，USB hub(AT43301)的shell(OUTPUT接口)与工控机通过USB线相连。

极化电压输出模块200连接控制器U1的21脚，极化电压输出模块200是一个200-500V 的电源，通过香蕉插头的测试线与被测电气设备相连。

图2中晶振电路的取值为3M，电源Vcc为5V。电阻电容的取值分别为，R2:3kΩ、 R3:3kΩ、R4:3kΩ、R5:3kΩ、R6:15kΩ、R7:1kΩ、R8:15kΩ、R9:15kΩ、R12:15kΩ、 R13:7kΩ、C1:50pF、C2:50pF、C3:1μF。

同步测量装置通过控制器U1(8052)实现对极化电流、去极化电流的数据获取与处理。通过USB hub(AT43301)进行将外部USB口的数据传输。

如图3-5所示，从同步测量装置的主视图可以看到有三个输入端口(其中包括CH1、CH2 两个被测信号输入端口，以及GND外部接地端口)，一个电源指示灯POWER，一个输出至工控机端口0UTPUT。其中使用带香蕉插头的测试线(6m/20ft，2.5mm²)以及为了避免被测设备电磁污染而使用的延长三轴电缆(18m/60ft，50Ω)，如此进行信号输入。接地电缆选择带夹子的接地电缆。与工控机连接选择USB 2.0A/B线(1.8m)。电源指示灯POWER 亮绿光时，为正常工作状态，红色为出现故障状态。在所有端口连接完好之后，通过工控机控制，即可进行试验。工控机实验界面可以显示当时实验环境的湿度、温度信息，并且可以进行试验极化去极化曲线的绘制，并与参考曲线进行对比，从而判断被测设备的绝缘状态。

如图3-5所示，同步测量装置的外壳上设有蜂窝型散热孔，将温湿度传感器的温湿度探头置于同步测量装置上方的蜂窝型散热孔的一孔中，进行实验环境的温湿度测量，并传入工控机进行数据记录，工控机的显示屏显示数据为多次测量的平均数据，以避免误差。

一种基于介电响应法的油纸绝缘介电测试方法：

S1)数据采集：通过同步测量装置同步采集被测电气设备的极化、去极化电流大小，存储在工控机上；参考标准曲线测试时，应在25摄氏度，一个标准大气压以及70％的相对湿度条件下，以排除无关变量的影响

S2)数据处理：采用快速傅里叶算法对极化电流、去极化电流大小进行处理，绘制出极化去极化电流曲线；以被测电气设备刚投入运行所测得的极化去极化电流曲线作为参考标准曲线；

S3)测试绘制测试曲线：在设备监控过程中测试被测电气设备的极化、去极化电流大小，采用快速傅里叶算法对极化电流、去极化电流大小进行处理，绘制出极化去极化电流曲线，该曲线作为测试曲线；

S4)比较判断：将被测电气设备所得的极化去极化电流曲线与被测电气设备刚投入运行所测得的参考标准曲线进行比较，观察测试时的极化去极化电流曲线是否低于刚投入运行时所采集的参考标准曲线，以此比较被测设备的绝缘状态，若是被测设备曲线低于参考标准曲线，则绝缘状态受损，设备应进行检修以防事故发生。

以参考标准曲线为f(t)，测试时的极化去极化电流曲线为g(t)，根据下式判断

lg[f(t₀)/g(t₀)]＝σ，

若σ≤2.71828则绝缘状态良好，

若σ≥5.2344则绝缘状态较差，应立即检修。

式中取t₀为80％极化时间。

极化去极化电流曲线获取过程如下：

(1)对新投入的电气设备，交接实验结束且合格投入运行后，进行介电响应试验；外施200V至500V的极化电压5min，施加极化电压的过程称为极化过程，极化过程需用皮安表记录极化电流的变化曲线，储存在工控机上；极化过程结束，将电气设备短接，进行完全放电，此过程定义为去极化过程，将此过程的电流用皮安表记录下，绘制去极化电流曲线，从而得到参考标准曲线；

(2)在以后的运行检修过程中，对被测电气设备进行介电测试，所得的极化去极化电流曲线与首次测试所得参考标准曲线进行比较，在比较过程中，若极化去极化电流尾端的电流远低于参考标准曲线，则应该立即检修，以免发生重大损失。

上述参考曲线，应根据设备的型号不同，在刚刚投入运行时得到相应的极化去极化电流曲线，以作为标准参考曲线。如图6所示的某变压器刚投入运行时，外加400V极化电压所得的极化去极化电流曲线。

如图7、图8为分析温度以及湿度对极化去极化电流曲线的影响。

如图7，极化去极化电流均随测量时间增加逐渐减小，并在时间末端趋于稳定。在此变化过程中，极化时间较长的介质界面极化占据主导地位，该缓慢极化的逐渐建立导致极化、去极化电流逐渐减小，而最后稳定值的大小则是由绝缘纸的电导率绝定，而去极化电流的最后稳定值则是反映了实验环境的噪声电流大小。所以试验时，环境噪音以及周遭电磁环境应该做到有效的屏蔽及隔离。

如图8，相同情况下，极化电流、去极化电流大小与油纸绝缘系统中的微水含量成正相关。该正相关关系取决于以下两个方面，其一，由于水分子是强极性分子，因而水分子提高了油纸绝缘系统的直流电导率，是油纸绝缘系统内部的正负电荷的迁移和注入更加显著，由于微观粒子的活动增强，使得宏观上的传导电流大小也再打；其二，绝缘油中的亲水性离子或基团，这些粒子与水分子先后结合形成带电基团，为油纸绝缘系统中提供了更多的带电粒子，使得离子极化增强；其三，水分子在外施极化电压的作用下，可以形成诱导偶极矩，使得油浸纸板的界面极化增强。上述结论是在微水均匀分布的情况下确立的，在实际使用过程中，微水的分布不均更是常态，而此时与均匀分布时是有所不同的。极化使得自由电荷迁移与界面极化建立变得缓慢以及困难极化特性减弱，极化、去极化电流大小相比于均匀分布情况下都要更小。因此，试验时的湿度条件应该保持与参考曲线时的湿度条件相同，以排除湿度的影响。

测试时控制温湿度环境与测试参考标准曲线的温湿度一致，环境温湿度的调节通过温湿度控制装置来实现，同时对环境噪音以及周遭电磁环境应该做到有效的屏蔽及隔离。测试极化、去极化电流大小时，同时测试环境的温湿度，难以做到与参考曲线测试时环境相同时，绘制不同温度以及湿度下的极化去极化电流曲线，并据此计算出校正公式，在测试被测电气设备极化去极化电流曲线时，记录温度和湿度，然后根据校正公式将不同温度、湿度条件下的极化去极化电流曲线归算到同一标准条件下，再与参考标准曲线比较。

下文为本实用新型的实验数据：

某变电站的某110kV变压器，型号为SF11-20000/110，于2013年7月犹如运行，其中2013年12月测试数据正常，取该次测得的极化去极化电流曲线参考曲线。在2018年3 月的变压器例行检修时，对其进行了介电测试试验，得到如图9所示的极化去极化电流曲线(测试曲线)。

由图9可以看出，在运行了近五年之后，变压器的整个极化去极化电流曲线与参考曲线有较为明显的差别，曲线尾端的值与参考曲线相差一个数量级，因此该变压器应立即检修。实际上，经过大量数据反复比较，在曲线尾端的电流稳定值与参考曲线相差一个数量级甚至以上，则该设备的绝缘状态已经受损严重，应该立即检修。若在一个数量级以内可以不进行检修，此时的绝缘状态良好。

上述实例仅表现了如何利用电流尾段的稳定值进行绝缘状态判定，实际上，各个过程的极化率也可作为重要的参数。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪，其特征是：包括同步测量装置和工控机，同步测量装置包括数据处理模块、数据传输模块、数据采集模块、温湿度检测模块以及极化电压输出模块；

其中，数据处理模块由控制器U1、电容C1-C3、电阻R1构成，晶振电路的两端接控制器U1的14、15引脚，电阻R1连接电源VCC与控制器U1的1脚和6脚，再经由电容C1接地；

所述数据采集模块由采集芯片U3A、电阻R2-R5构成，采集芯片U3A的2、4、6、8脚分别通过电阻R2、R3、R4、R5与控制器U1的27-30脚连接，1脚悬空，12、14脚与皮安表U2、U4通过皮安表自带的低噪输出线连接，其中14脚对应被测信号输入端口CH1，12脚对应被测信号输入端口CH2；

所述温湿度检测模块由温湿度传感器U3B、电阻R6-R9、电阻R12、R13构成，温湿度传感器U3B的11、13、15、17脚分别与控制器U1的21-24脚经由电阻R6-R9连接，19脚悬空，温湿度传感器U3B的5、3脚与电阻R12、R13相连，并与外界的温湿度探头相连；

所述数据传输模块以USB hub为主体，其1、2、3脚与控制器U1的18、19、20脚相连，USBhub的shell与工控机通过USB线相连；

所述极化电压输出模块连接控制器U1的21脚，极化电压输出模块200是一个200-500V的电源，通过香蕉插头的测试线与被测电气设备相连。

2.根据权利要求1所述基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪，其特征是：所述数据处理模块设有一指示灯X1与控制器U1的17脚相连接，控制器U1采用的芯片型号为8052。

3.根据权利要求1所述基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪，其特征是：所述采集芯片U3A采用型号为HCTL-2016。

4.根据权利要求1所述基于介电响应法的油纸绝缘介电测试仪，其特征是：所述温湿度传感器U3B可采用HTU21D温湿度传感器。

5.一种同步测量装置，其特征是：包括数据处理模块、数据传输模块、数据采集模块、温湿度检测模块以及极化电压输出模块；

其中，所述数据处理模块由控制器U1、电容C1-C3、电阻R1构成，晶振电路的两端接控制器U1的14、15引脚，电阻R1连接电源VCC与控制器U1的1脚和6脚，再经由电容C1接地；

所述数据采集模块由采集芯片U3A、电阻R2-R5构成，采集芯片U3A的2、4、6、8脚分别通过电阻R2、R3、R4、R5与控制器U1的27-30脚连接，1脚悬空，12、14脚与皮安表U2、U4通过皮安表自带的低噪输出线连接，其中14脚对应被测信号输入端口CH1，12脚对应被测信号输入端口CH2；

所述温湿度检测模块由温湿度传感器U3B、电阻R6-R9、电阻R12、R13构成，温湿度传感器U3B的11、13、15、17脚分别与控制器U1的21-24脚经由电阻R6-R9连接，19脚悬空，温湿度传感器U3B的5、3脚与电阻R12、R13相连，并与外界的温湿度探头相连；

所述数据传输模块以USB hub为主体，其1、2、3脚与控制器U1的18、19、20脚相连；

所述极化电压输出模块连接控制器U1的21脚，极化电压输出模块200是一个200-500V的电源。

6.根据权利要求5所述的同步测量装置，其特征是：所述同步测量装置的外壳上设有蜂窝型散热孔，将温湿度传感器的温湿度探头置于同步测量装置上方的蜂窝型散热孔的一孔中。

7.根据权利要求5所述的同步测量装置，其特征是：所述同步测量装置的外壳设有三个输入端口，包括两个被测信号输入端口，以及外部接地端口，一个电源指示灯，一个输出至工控机端口。