CN213517319U - 一种直流电缆附件电导率检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流电缆附件电导率检测装置，包括电极、多路开关、受控电流源、数模转换器、FPGA芯片、前置滤波器、信号放大器、带通滤波器、模数转换器和PC机；电极包括至少两对电极对，每对电极对与多路开关的输入/输出端连接，多路开关的输入端分别与受控电流源的输出端、FPGA芯片的第一输出端连接，多路开关的输出端与前置滤波器的输入端连接；受控电流源的输入端与数模转换器的输出端连接，数模转换器的输入端与FPGA芯片的第二输出端连接；信号放大器连接于前置滤波器的输出端与带通滤波器的输入端之间，模数转换器连接于带通滤波器与PC机之间。本实用新型能用于检测直流电缆附件内部的电导率分布。

Description

一种直流电缆附件电导率检测装置

技术领域

本实用新型涉及电阻抗成像技术领域，尤其涉及一种直流电缆附件电导率检测装置。

背景技术

在高压直流输电技术中，高压直流电缆附件作为高压直流电缆的中的重要组成部分，起到了连接不同段的电缆作用。在直流电缆系统中，附件稳态运行时，绝缘结构中场强分布与材料体积电导率成反比。为改善应力锥附近电场集中，一般采用电导率梯度分布的结构，均化绝缘结构内部的电场分布，防止因局部场强过高造成绝缘破坏，造成安全隐患。

然而，目前针对于这种电导率梯度分布的结构尚不存在无损检测方法。传统固体介质的无损检测方法包括超声检测、射线检测、磁粉检测、声发射检测、微波无损检测等技术，但这些无损检测方法均不适用于电导率梯度分布的直流电缆附件。因此，亟需研发针对梯度直流电缆附件的无损检测手段，以推动介电功能梯度材料在电力系统及特种电气设备中的应用。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种直流电缆附件电导率检测装置，能用于检测直流电缆附件内部的电导率分布，为梯度直流电缆附件的无损检测提供一种途径。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种直流电缆附件电导率检测装置，包括电极、多路开关、受控电流源、数模转换器、FPGA芯片、前置滤波器、信号放大器、带通滤波器、模数转换器和PC机；其中，所述电极包括至少两对电极对，用于采集直流电缆附件不同位置的电位信号；每对所述电极对与所述多路开关的输入/输出端连接，所述多路开关的第一输入端与所述受控电流源的输出端连接，所述多路开关的第二输入端与所述FPGA芯片的第一输出端连接，所述多路开关的输出端与所述前置滤波器的输入端连接；所述受控电流源的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述数模转换器的输入端与所述FPGA芯片的第二输出端连接；所述前置滤波器的输出端与所述信号放大器的第一输入端连接，所述信号放大器的第二输入端与所述FPGA芯片的第三输出端连接；所述信号放大器的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述FPGA芯片的输入端连接；所述模数转换器的输入/输出端与所述PC机连接。

优选地，所述电极的排布方式包括并列排布和交叉排布。

优选地，所述多路开关包括多个舌簧继电器，每个所述舌簧继电器与一对所述电极对连接。

优选地，所述受控电流源为电压控制电流源，具有多种激励电压值。

优选地，所述信号放大器的放大倍率包括1倍、10倍、100倍和1000倍四个档位。

优选地，所述带通滤波器为中心频率为50kHz的四阶带通滤波器。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的一种直流电缆附件电导率检测装置，能用于检测直流电缆附件内部的电导率分布，为梯度直流电缆附件的无损检测提供一种途径。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种直流电缆附件电导率检测装置的一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型提供的电极两种排布方式的一个实施例的拓扑示意图；

图3是本实用新型提供的舌簧继电器的一个实施例的电路结构示意图；

图4是本实用新型提供的受控电流源的一个实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，是本实用新型提供的一种直流电缆附件电导率检测装置的一个实施例的结构示意图，该装置包括电极、多路开关、受控电流源、数模转换器、FPGA芯片、前置滤波器、信号放大器、带通滤波器、模数转换器和PC机；其中，所述电极包括至少两对电极对，用于采集直流电缆附件不同位置的电位信号；每对所述电极对与所述多路开关的输入/输出端连接，所述多路开关的第一输入端与所述受控电流源的输出端连接，所述多路开关的第二输入端与所述FPGA芯片的第一输出端连接，所述多路开关的输出端与所述前置滤波器的输入端连接；所述受控电流源的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述数模转换器的输入端与所述FPGA芯片的第二输出端连接；所述前置滤波器的输出端与所述信号放大器的第一输入端连接，所述信号放大器的第二输入端与所述FPGA芯片的第三输出端连接；所述信号放大器的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述FPGA芯片的输入端连接；所述模数转换器的输入/输出端与所述PC机连接。

具体地，检测装置包括电极、多路开关、受控电流源、数模转换器、FPGA芯片、前置滤波器、信号放大器、带通滤波器、模数转换器和PC机；其中，所述电极包括至少两对电极对，一对电极对用于施加激励，另一对电极对用于采集电位信号。一般地，利用导电胶带将电极粘附在直流电缆附件上内壁和外壁，一对电极对中的一个电极粘附在内壁上，另一个电极粘附在外壁上。电极的主要作用是用于采集直流电缆附件不同位置的电位信号；每对电极对与多路开关的输入/输出端连接，用于接收受控电流源传送过来的电压信号和将采集到的电位信号传输出去。

多路开关的第一输入端与受控电流源的输出端连接，用于接收受控电流源传送过来的电压信号；多路开关的第二输入端与FPGA芯片的第一输出端连接，用于接收FPGA芯片对多路开关的选择指令并执行；多路开关的输出端与前置滤波器的输入端连接，用于将电极采集到的电位信号传输给前置滤波器。

受控电流源的输入端与数模转换器的输出端连接，数模转换器的输入端与FPGA芯片的第二输出端连接，用于接收FPGA芯片的控制指令，调整受控电流源的施加激励信号。

前置滤波器的输出端与信号放大器的第一输入端连接，用于将前置滤波器传输过来的信号进行放大；信号放大器的第二输入端与FPGA芯片的第三输出端连接，用于接收FPGA芯片的控制电平以选择放大倍率。

信号放大器的输出端与带通滤波器的输入端连接，用于过滤信号放大器传输过来的电位信号中的高频噪声。带通滤波器的输出端与模数转换器的输入端连接，用于将过滤后的电位信号转换为数字信号。模数转换器的输出端与FPGA芯片的输入端连接，用于将PC机的控制指令传输至FPGA芯片；模数转换器的输入/输出端与PC机连接，用于接收PC机下发的控制指令和将采集到的信号信息上传至PC机。

本实用新型实施例提供的一种直流电缆附件电导率检测装置，能用于检测直流电缆附件内部的电导率分布，为梯度直流电缆附件的无损检测提供一种途径。

作为上述方案的改进，所述电极的排布方式包括并列排布和交叉排布。

具体地，电极的排布方式包括并列排布和交叉排布。一般地，内部电导率分布较为对称的梯度电缆附件适用于并列排布模式，而内部电导率分布不对称的适用于交错排布模式。参见图2，是本实用新型提供的电极两种排布方式的一个实施例的拓扑示意图，其中左边为并列排布模式，右边为交叉排布模式，图2中的序号1指的是电极，序号2指的是绝缘层，序号3指的是直流电缆附件。

作为上述方案的改进，所述多路开关包括多个舌簧继电器，每个所述舌簧继电器与一对所述电极对连接。

具体地，多路开关包括多个舌簧继电器，每个舌簧继电器与一对电极对连接，这样就可以通过继电器的开断控制电极对是否加入测量，从而确定测量直流电缆附件的哪一位置点的电位。

参见图3，是本实用新型提供的舌簧继电器的一个实施例的电路结构示意图。由图3可知，继电器的有效开断控制是通过电压转换电路实现，舌簧继电器的控制电压为5V，开端时间为0.2ms，触点的杂散电容小于5pF。继电器的控制由FPGA芯片上搭载的数字I/O模组控制开断，由于数字I/O电压是3.3V，而舌簧继电器开断电压为5V，当数字I/O电位为低电位，光耦不会被触发，继电器两端不存在电位差，从而不会动作；当数字I/O电位为高电位，光耦三极管立刻被触发，三极管基极电位提高，继电器两端出现电位差，从而触点动作完成电路开断。

作为上述方案的改进，所述受控电流源为电压控制电流源，具有多种激励电压值。

具体地，受控电流源为电压控制电流源，具有多种激励电压值。也就是说，激励信号的幅值可变。由于不同大小的电缆附件电阻抗存在量级差异，因此受控电流源需针对不同的阻抗特性调整其激励信号的强弱，为了满足大功率电流源的使用需求，可以进一步提升受控电流源输出能力。

参见图4，是本实用新型提供的受控电流源的一个实施例的电路结构示意图。由图4可知，受控电流源是基于Howland电流泵原理通过运算放大器A4和运算放大器A5按照一定的转换关系将电压信号转化为电流信号，因此该受控电流源可以实现交、直流电压到电流的转换。由运算放大器A5构成的电压跟随器形式，将负载Z上的电压经电阻R7反馈到运算放大器A4，消除阻抗匹配问题及改善运算放大器A4主电流源电路的电流特性。运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3配制成差分放大电路，用于调整输入信号特性和修正增益误差。运算放大器A6、两个恒流源IREF、电位器R4和电阻R5配置成偏置调整电路，消除差分放大电路的直流偏置和电压电流转换电路失调电压引起的输出偏置电流的影响。

图4中的受控电流源的带载能力可达20mA，波形线性度好，可以满足不同阻抗特性的电缆附件测试需求。例如，当测试阻抗较小时，采集到的信号经处理器内部判定经D/A转换器反馈到受控电流源，实现输入信号的动态调整。

作为上述方案的改进，所述信号放大器的放大倍率包括1倍、10倍、100倍和1000倍四个档位。

具体地，信号放大器的放大倍率包括1倍、10倍、100倍和1000倍四个档位。信号放大器为双通道低漂移直流前置放大器，放大器的放大倍率可以由面板数码开关控制，也可由TTL电平控制。TTL电平由一对地址线A0/A1输入，输入高电平为5V，低电平为0.7V。TTL电平由程序控制通过FPGA芯片的数字I/O发出，在FPGA内编写放大倍率选择代码，就实现了根据输入信号的范围全自动改变量程。

作为上述方案的改进，所述带通滤波器为中心频率为50kHz的四阶带通滤波器。

需要说明的是，电位信号被信号放大器放大后通常会带有一些噪声，需要采用滤波器滤除高频噪声和高频的直流分量。本实用新型中，采用集成有源滤波器，由于采用连续时间电路设计，因此它无需时钟电路，与开关电容滤波器相比具有更低的噪声、动态性能更好。其中心频率可以达到300kHz，精度为0.9％，只需简单的配置几个电阻就可以实现较好的滤波效果。

在本实用新型该实施例中，将滤波器设置成中心频率为50kHz的四阶带通滤波器，可以有效的滤除采集信号中的无用信号和干扰噪声，使波形更加纯净。

此外，数模转换器为16位的D/A转换器，可将FPGA芯片中的实时控制器发出的信号转换为受控电流源能识别的模拟信号，信号的频段范围可从直流变化至交流10kHz，从而满足不同阻抗特性待测样品的测量需求。电压范围可在±10V范围内变化，且波形失真度小于90％。

前置滤波器，采用DDS低通滤波器。由于测量的两电极间的电压差会引入较大的共模电压，并伴随着较大的噪声和共模干扰。因此需要前置滤波器过滤掉采集信号中的高频部分。

模数转换器为16位的A/D转换器，经过带通滤波器后得到电位信号的实部信息，该实部信息为直流分量，因此需要通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，并将转换后的数据通过串口通信发送至PC机，以利用PC机通过相应的算法实现电导率参数重构。A/D转换对于电压信号的采集与存储具有重要的作用，它的精度直接影响到系统的整体测量精度。利用16位的A/D转换器可以明显的增加系统的采集精度，使系统具有较好的整体性能。

为了加深对本实用新型的理解，本实用新型该实施例对直流电缆附件电导率检测方法的流程进行简要说明，具体步骤如下：

获取直流电缆附件不同位置点的测量电位，该步骤是通过在直流电缆附件不同位置点安装电极，通过一电极对施加激励，并通过另一电极对采集，从而得到直流电缆附件不同位置点的测量电位。

建立直流电缆附件的仿真模型，该仿真模型可以在多物理场仿真软件中进行搭建，例如Comsol商用软件。

设定仿真模型的初始电导率，进行电流场仿真，得到直流电缆附件不同位置点的仿真电位。一般地，仿真模型的初始电导率设定为常用均质电缆附件的电导率。

根据仿真电位和初始电导率，得到直流电缆附件电位与电导率之间的灵敏度矩阵，灵敏度矩阵可以通过有限元求解得到。

根据直流电缆附件不同位置点的测量电位与对应的仿真电位的差值，得到差分电位向量。也就是说，差分电位向量包括多个测量电位与对应的仿真电位的差值。

根据差分电位向量与灵敏度矩阵，得到直流电缆附件的差分电导率向量；其中，差分电导率向量为直流电缆附件不同位置点的电导率分布值与对应的初始电导率之间的差值组成的向量。同样地，差分电导率向量包括多个电导率分布值与对应的初始电导率的差值。

根据差分电导率向量，得到直流电缆附件不同位置点的电导率差值。

若电导率差值小于预设阈值，则根据电导率差值与初始电导率，得到直流电缆附件不同位置点的电导率分布值。电导率差值越小，说明仿真模型仿真得到的电导率越接近直流电缆附件实际的电导率。所以，要设定一个阈值，以评定仿真的效果。

若电导率差值不小于阈值，则重新设定仿真模型的初始电导率，即返回第三步，改变仿真模型的初始电导率，更新灵敏度矩阵，以重新求解差分电导率向量，再次判断电导率差值与阈值的关系。

综上，本实用新型实施例所提供的一种直流电缆附件电导率检测装置，通过受控电流源激励场域，受控电流源的输出幅值可根据场域阻抗大小进行自适应调整，满足不同电压等级电缆附件的测试需求；采用舌簧继电器组成的多路开关抗干扰能力强，杂散电容小，动作速率快，相较于其他开关模块可显著提高测量效率和精度；采用FPGA芯片作为装置的控制中心，软件编译速度快、计算效率高，FPGA芯片的实时控制器可保证整个测量系统的时间一致性，最大限度缩小信号输入于测量之间的时间延迟，从而保证信号相位差和幅值等关键参数的准确测量。该装置通过EIT技术检测附件内部电导率分布信息，为直流系统中的梯度电缆附件提供了一种无损检测方法。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种直流电缆附件电导率检测装置，其特征在于，包括电极、多路开关、受控电流源、数模转换器、FPGA芯片、前置滤波器、信号放大器、带通滤波器、模数转换器和PC机；其中，所述电极包括至少两对电极对，用于采集直流电缆附件不同位置的电位信号；每对所述电极对与所述多路开关的输入/输出端连接，所述多路开关的第一输入端与所述受控电流源的输出端连接，所述多路开关的第二输入端与所述FPGA芯片的第一输出端连接，所述多路开关的输出端与所述前置滤波器的输入端连接；所述受控电流源的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述数模转换器的输入端与所述FPGA芯片的第二输出端连接；所述前置滤波器的输出端与所述信号放大器的第一输入端连接，所述信号放大器的第二输入端与所述FPGA芯片的第三输出端连接；所述信号放大器的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述FPGA芯片的输入端连接；所述模数转换器的输入/输出端与所述PC机连接。

2.如权利要求1所述的直流电缆附件电导率检测装置，其特征在于，所述电极的排布方式包括并列排布和交叉排布。

3.如权利要求1所述的直流电缆附件电导率检测装置，其特征在于，所述多路开关包括多个舌簧继电器，每个所述舌簧继电器与一对所述电极对连接。

4.如权利要求1所述的直流电缆附件电导率检测装置，其特征在于，所述受控电流源为电压控制电流源，具有多种激励电压值。

5.如权利要求1所述的直流电缆附件电导率检测装置，其特征在于，所述信号放大器的放大倍率包括1倍、10倍、100倍和1000倍四个档位。

6.如权利要求1所述的直流电缆附件电导率检测装置，其特征在于，所述带通滤波器为中心频率为50kHz的四阶带通滤波器。

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