自動換相測量數字兆歐表在電纜絕緣特性測試中的應用

吳遠密，彭俊臻，張德剛，李治波，田海朋，李雅特，姚建中

（1.云南電網有限責任公司西雙版納供電局，景洪666100；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217；3.云南電網有限責任公司培訓與評價中心，昆明650217；4.云南電網有限責任公司迪慶供電局，香格里拉674400）

0前言

兆歐表在電力系統中應用廣泛，當電纜、開關、變壓器受熱和受潮時,絕緣材料便老化使絕緣電阻降低，從而造成電器設備漏電或短路事故的發生。為了避免事故發生就要求使用兆歐表測量設備的絕緣電阻。然而，傳統的兆歐表均為逐相測試，大量的電力設備絕緣測試工作非常耗時、耗力，也存在人工換線、接線錯誤的情況，嚴重影響作業進度和作業質量。因此，有必要研究自動換相測量的兆歐表來解決這一問題[1-2]。

目前，大多文章都是圍繞兆歐表測量精確和使用方法進行研究，也有多檔位和自動換檔位數字兆歐表的研究，但目的都是提高數字兆歐表的測量精度和適用范圍，實現兆歐表的多檔化、數字化和智能化[3-4]，均未討論和研究三相換相測量絕緣電阻技術。

本文首次提出電力設備絕緣電阻的三相換相測量技術，文中以二次電纜為示例，從電纜模型理論分析、PSCAD裝置拓撲圖仿真、自動換相測量兆歐表試驗三方面驗證換相測量絕緣電阻論點可行性。

1電纜絕緣特性分析

1.1特性概述

絕緣電纜一般由線芯、絕緣層和保護層組成，線芯主要用銅作為導體材料，有單芯、二芯、三芯和多芯，而絕緣層材料一般包括塑料絕緣和橡膠絕緣。絕緣材料有很大的電阻系數，其主要用來隔離帶電的或不同電位的導體，當導體載流量或工作電壓超出額定值將影響絕緣性能。

在絕緣性能測試中絕緣層加上電壓后流經絕緣內部的電流有電容電流、不可逆吸收電流、可吸收電流、泄漏電流，其中前三種電流隨時間而衰減消失，因此應等這三種電流全部衰減完后，才讀出泄漏電流的數值，以計算絕緣電阻，但由于可吸收電流要經數分鐘后才趨于消失，考慮到測量系統長時間的穩定性，測量時間不宜太長。

電纜絕緣材料主要包括電介質的漏導電流、體積電阻和表面電阻、電介質的極化和介電常數、電介質的損耗、電介質的擊穿等基本性能，其性能又與溫濕度、電場強度、電場頻率等密切相關[5]。

1.2絕緣電阻值計算

本文利用類比法進行電纜絕緣特性分析[6]。二次電纜的泄露電極間漏電流i與電極間電壓u之比為絕緣材料的漏電導，而絕緣電阻是絕緣電導倒數，數學表達式如式（1）所示：

已知靜電場與恒定電流場下電壓數學表達式如式（2）所示：

已知靜電場與恒定電流場的高斯定理數學表達式如式（3）、（4）所示：

已知靜電場與恒定電流場電導理數學表達式如式（5）、（6）所示：

由式（2）～式（6）得：

由式（1）、（7）得：

繼電二次電纜等效為圓柱形電容模型，其電容為：

由式（8）、（9）得電纜絕緣電阻值理論計算公式為：

式中：R1為電纜外徑，R2為電纜內徑，γ為絕緣材料的電導率。由推導公式不難發現電纜的絕緣電阻的阻值大小是與相應絕緣層材料的厚度、電導率有很密切的關系，與電纜內芯導體粗細也存在密切的關系。但眾所周知在電纜實際應用及絕緣特性測試與儀器準確度、環境條件、人員素質等多方面相關。

2自動換相測量數字兆歐表設計實現

2.1結構設計

本文提出的自動換相測量數字兆歐表主要包括電源、高壓直流發生模塊、高壓換相開關、采樣模塊及中央處理器，在電源模塊可考慮使用壽命較長的鋰電池再通過DC/DC轉換器供各模塊使用，高壓直流發生模塊可考慮采用高效率推挽結構再通過倍壓整流生產直流高壓[7]，高壓換相開關可以考慮使用高壓固態繼電器，采樣模塊可以考慮多級放大電路再通過A/D數字芯片采樣[8]，中央處理器用于控制各模塊的功能、數據處理及記錄[9]，原理設計如圖1 所示。K 10 控制PWM 控制芯片啟動、推挽電路將工作，才開始測量。可整理成測量動作邏輯，如表1所示。

圖1設計圖

2.2原理分析

如圖1所示，利用PWM控制芯片產生一定頻率的PWM 1和PWM 2，分別通過PWM 1、PWM 2關合MOS管Q1、Q2形成推挽式開關電源，推挽式開關電源輸出的直流經倍壓整流電路產生直流高壓。當高壓直流電壓流過多通道高壓開關模塊時，其通過A、B、C三個接線端的接線頭加壓到電線的A 相線、B 相線、C 相線，N接線端接地，G 接線端根據需要使用。然后PIC單片機自身A/D轉換器從R6、R7之間采集電壓實現穩壓控制，電壓運放芯片通過采集R8的電壓計算漏電流和絕緣電阻。

如果兆歐表要測量A 相線絕緣電阻值，A相輸出端加在A 相電纜導體上、N 端加在電纜絕緣層上，合上K 1、K 8、K 9繼電器，其他繼電器處于斷開狀態；如果兆歐表要測量B相線絕緣電阻值，B相輸出端加在B相電纜導體上、N端加在電纜絕緣層上，合上K 3、K 7、K 9繼電器，其他繼電器處于斷開狀態；如果兆歐表要測量C相線絕緣電阻值，C相輸出端加在C相電纜導體上、N端加在電纜絕緣層上，合上K 5、K 7、K 8繼電器，其他繼電器處于斷開狀態；如果兆歐表要測量A-B相間絕緣電阻值，A 相輸出端加在A 相電纜導體上、N 端懸空，合上K 1、K 8繼電器，其他繼電器處于斷開狀態；如果兆歐表要測量A-C相線絕緣電阻值，A 相輸出端加在A 相電纜導體上、N 端懸空，合上K 1、K 9 繼電器，其他繼電器處于斷開狀態；如果兆歐表要測量B-C相線絕緣電阻值，B相輸出端加在B相電纜導體上、N端懸空，合上K 3、K 9繼電器，其他繼電器處于斷開狀態。其中每次自動換相前K 10繼電器會控制PWM控制芯片停用、推挽電路將停用，待自動換相后

表1動作邏輯表

3算例分析

3.1仿真分析

文章選用JBF單芯銅芯丁晴聚氯乙烯多絞合電力試驗導線作為二次電纜示例，電纜相關參數如表2所示。

表2參數表

利用PSCAD軟件搭建自動換相測量數字兆歐表測量電纜絕緣電阻的仿真模型，如圖2 所示。

圖2仿真模型圖

圖3仿真結果圖

經仿真，由圖3可知當對電纜加壓2500 V直流電壓后電纜中產生的泄露電流為0.1 uA。由公式（1）計算得絕緣電阻R=25 GΩ。

圖4電纜線模型圖

畫出該電纜模型，如圖4所示。其中電纜外徑R1=0.00195 m，電纜內徑R2=0.00089 m，利用公式（10）計算出該二次電纜理論單位長度的絕緣電阻值R=24.84 GΩ。經分析，仿真結果值與理論計算值相近，說明自動換相測量數字兆歐表設計可行，能正確測量電纜絕緣電阻值。

3.2試驗驗證

上文已對自動換相測量數字兆歐表機理進行了仿真和分析，下面我們將使用研制的裝置對二次電纜進行實測，以進一步驗證論點的正確性。

1）自動換相準確率測試

利 用3個 額 定 值 為0.1 GΩ、1 GΩ、10 GΩ標準電阻做為三相負載進行新裝置校驗，在三相負載上加2500 V 直流電壓后利用示波器換相跟蹤。

兩通道示波器追蹤A、B相換相過程為：初始狀態A、B相電平不變化，A、B兩相高壓換相開關均斷開、通道均無電流；當發出A 相測量指令時，A 相電平變化，A 相高壓換相開關合上，A 相測量通道有電流通過；當發出B相測量指令時，A、B相電平均變化，A 相高壓換相開關斷開、B相高壓換相開關合上，A 相測量通道無電流、B相測量通道有電流通過；換相結束返回初始狀態，B、C間換相過程與之一樣。經過多次試驗驗證并選取3組數據，如表3所示。

表3換相試驗記錄表

由表3數據可得裝置換相準確率100%，證明自動換相測量數字兆歐表能可靠換相。

2）絕緣特性精確度測試

使用自動換相測量數字兆歐表和普通數字兆歐表分別對3根3米長的JBF單芯銅芯丁晴聚氯乙烯多絞合電力試驗導線進行絕緣電阻值測試。

將自動換相測量數字兆歐表與普通數字兆歐表對同一三相二次電纜的絕緣電阻值測試結果記錄，并進行橫向比較，如表4所示。

表4絕緣電阻值測量數據記錄表

由表4可知，測試結果與理論計算、仿真結果存在一定誤差，經分析其誤差主要由于制作水平等因素引起。根據《SJ/T 11385-2008絕緣電阻測試儀通用規范》4.6.1.4條可知該制作準確等級為20的自動換相測量數字兆歐表精度滿足要求，故試驗證明論點可行。

4結束語

本文提出電力設備絕緣電阻的三相換相測量技術，并從電纜模型理論分析、PSCAD裝置拓撲圖仿真、自動換相測量兆歐表試驗三方面驗證換相測量絕緣電阻論點可行性。該技術將解決傳統的兆歐表測量電纜絕緣特性耗時、耗力和人工換線、接線錯誤的問題，從而可提高作業的效率和質量。