雙層電介質界面極化電流測量裝置的設計與實現

曹曉燕，周 凱，冉 立，楊 帆，王吉祥

（四川大學電氣工程學院，成都 610065）

0 引言

高電壓技術實驗課程［1］是電氣類學生的一門重要專業性基礎實驗課程，涉及的內容非常廣泛。界面夾層極化［2］是高電壓技術中一個重要的知識點，也是學生學習過程中的難點。界面夾層極化是指：由不同介電常數和電導率的多種電介質組成的絕緣結構在外加電場下，由初始狀態的按介電常數分壓到穩態的按電導率分壓，介質兩側電壓的變化導致界面電荷累積，從而產生電流；撤去電場后，界面處累積的電荷逐步釋放，同樣會在外電路形成電流。由于涉及絕緣材料內部的微觀結構變化，因此學生在學習過程中不易直接觀察實驗現象，若能夠研制出相應的實驗裝置對電介質界面夾層極化特性進行研究，則對于學生理解該知識點進而進行工程應用具有重要意義。

在實際工程應用中，高壓電氣設備的絕緣結構［3］往往不是采用某種單一的絕緣材料，而是由若干種不同電介質構成的組合絕緣結構。陳泰源［4］、陸小虹［5］、王婷婷［6］分別以線性/非線性雙層復合絕緣界面行為為研究對象，對雙層電介質的界面特性進行研究，進而進行工程應用，但未涉及實驗教學的相關內容。此外，即使只有一種電介質，絕緣材料也不可能完全均勻和同質，尤其在長期運行工況下，絕緣材料出現老化，可能形成多層復合絕緣結構。極化-去極化電流法［7-9］是基于介電響應原理的絕緣介質電性能檢測方法，也是一種靈敏度較高、無檢測死區的容性設備絕緣測試分析手段，能夠高效、準確、快速地檢測實際電網系統的容性設備絕緣缺陷［10-12］。對絕緣介質施加極化電壓，使其內部發生各種極化現象，測量電導過程產生的電導電流以及極化過程感應的極化電流；隨后撤去極化電壓，絕緣介質兩側接地形成回路，極化了的偶極子因熱運動再次恢復雜亂無序的排列，已經局部遷移了的電荷也緩慢釋放，以上過程在回路中測量得到去極化電流。近年來，極化-去極化電流法廣泛應用于變壓器、電容器、電纜等絕緣狀態的檢測。如果能夠基于極化-去極化電流法研發出測量夾層界面極化電流的裝置，直觀反映界面極化特性，就可以對高壓電氣設備的絕緣性能進行評估，同時在實驗教學中使學生對界面極化有更直觀的認識，對夾層界面極化電流的測量在實際工程中的應用［13］有著重要意義。

結合極化-去極化電流測量原理，設計了皮安表、程控直流高壓電源及工控機控制程序，研發了雙層電介質界面極化電流測量裝置，有助于學生掌握界面極化的本質。

1 實驗裝置的研制

1.1 實驗裝置工作原理

界面夾層極化過程中電荷的移動和積聚必然伴隨著能量損耗，而且過程較慢，所以這種極化只有在直流或者低頻交流下才能表現出來。極化-去極化電流法就是對絕緣介質施加固定的直流電壓，采集絕緣介質的電流響應曲線。加電壓和撤去電壓時測得的電流中包含的絕緣介質的絕緣老化信息是極其豐富的。

極化-去極化電流測量系統如圖1（a）所示，測量過程中對被測介質施加的電壓U0及測量的電流I的變化情況如圖1（b）所示。當工控機控制真空繼電器開關切換時，觸點S連接觸點1，直流高壓電源通過真空繼電器、限流電阻、皮安表（pA）對電介質施加直流高壓。此時，位于高壓端的皮安表檢測極化電流Ipol，并利用無線模塊實時將電流數據發送至工控機。極化階段完成后系統切換到去極化階段，工控機控制真空繼電器開關切換，使觸點S連接觸點2，直流高壓電源與電介質斷開，此時皮安表檢測去極化電流Idepol，并實時傳輸到工控機進行分析處理。

圖1 電介質極化-去極化測量原理

1.2 實驗裝置總體設計

由圖1（a）可知，極化-去極化電流測量系統中的測量裝置包括皮安表、程控直流高壓電源和工控機。皮安表主要用于極化-去極化電流數據的檢測與發送，程控直流高壓電源的功能主要是測量過程中所需的直流高壓的輸出與繼電器觸點間的切換。程控直流高壓電源可輸出0～5 kV 的直流電壓，滿足電壓的需求。工控機中分析程序的主要功能是根據測量流程控制測量裝置之間的工作順序，并對測量裝置發送的測量數據進行顯示、分析和存儲。實驗裝置的總體設計框圖如圖2 所示。

圖2 實驗裝置總體設計框圖

1.3 皮安表設計及實現

實驗裝置的關鍵技術為皮安表的設計，皮安表的功能是實現微弱電流的檢測與發送。內部電路的主要結構分為多量程微電流檢測電路、A/D（模/數）轉換電路、單片機最小系統電路和無線通信電路，如圖3 所示。在測試時，電路中器件的失調電壓、失調電流等導致裝置的零點發生偏移，所以該裝置在設計中需要考慮自動校準零點的功能。

圖3 皮安表總體設計

由于測量的極化-去極化電流變化范圍跨過9 個數量級（pA～mA），因此為保證在不同量級下皮安表能準確采集電流，皮安表應具有量程自動切換功能。多量程自動切換是皮安表的關鍵技術，實現方法是在設計電路時劃分4 個擋位進行電流電壓轉換，每個擋位單獨使用一個反饋電阻，通過控制開關K1來實現不同阻值反饋電阻的接入，具體電路原理如圖4 所示。圖4 中的反饋電阻阻值與擋位的對應關系如表1 所示。在測量過程中，皮安表通過采集到的電流大小自動切換測量擋位，實現微弱電流的準確采集。

表1 測試擋位阻值

圖4 多量程電流電壓轉換電路

1.4 程控直流高壓電源設計

程控直流高壓電源主要功能是直流高壓的輸出，因此其內部主要結構為單片機最小系統電路、D/A（數/模）轉換電路、程控升壓模塊、真空高壓繼電器和電壓采樣電路。該裝置在工作時，工控機通過通用串行（USB）總線向裝置中的微控制器發送一個指定大小的電壓值，然后微控制器將該值進行處理后發送給D/A轉換器以產生對應大小的電壓，程控升壓模塊再將該電壓值還原為工控機設定的電壓值進行輸出。為了能夠實時監測直流高壓電源的輸出狀態并更好地控制電壓輸出值，在高壓輸出后還會進行采樣，由于不能對數千伏的電壓直接采樣，因此在對該電壓進行采樣時設計了一個由采樣電阻組成的分壓電路。此時，輸出電壓會按照特定的比例縮小，然后將該電壓進行濾波并接入工控機中，能夠復用為模擬數字轉換器（ADC）模擬輸入通道的I/O口，最后根據ADC測試值和電路分壓比例計算出輸出電壓值，并通過USB 總線發送至工控機中顯示。程控直流高壓電源總體設計框圖如圖5 所示。

圖5 直流高壓電源總體結構設計框圖

1.5 工控機控制程序設計

工控機中的控制程序主要包括以下部分：極化-去極化電流測量流程控制程序、極化-去極化電流測量裝置通信程序、程控直流高壓電源通信程序、數據分析及處理程序、數據存儲及顯示程序。工控機結構設計示意圖如圖6 所示。

圖6 工控機結構設計示意圖

極化-去極化電流測量流程控制程序的作用為：一是給工作中的測量系統提供測量時間信息，系統的測量時間由極化時間和去極化時間組成，每個時間倒計時完畢后，系統會根據該時間節點向測量裝置發送切換工作狀態或者斷開與工控機連接的信息等；二是將測量數據以圖形的形式直觀地顯示出來，方便測試者觀察并對測量得到的數據進行分析。為了減少人工操作帶來的實驗誤差，整個測量過程采用工控機智能控制，流程如圖7 所示。

圖7 極化-去極化電流測量流程控制程序

2 界面極化電流測量實驗項目設計

利用所設計的測量裝置可測得電介質的極化-去極化電流曲線，再通過曲線可求得界面極化電流。以水樹老化電纜［14-15］為例說明界面夾層極化電流的測量。電纜的水樹老化是指電纜在運行情況下，受到水分及電場的共同作用產生的老化。若不能及時發現這種老化問題則極易轉化為更嚴重的老化，危害電力系統的安全穩定運行。

2.1 界面極化電流產生原理

電纜水樹老化后，由于水樹區域和交聯聚乙烯（XLPE）的介電常數與電導率相差較大，因此水樹-XLPE界面在直流下產生界面夾層極化。單個“水樹-XLPE”界面等效電路模型［16］如圖8 所示，可將水樹老化電纜的界面極化看作多個單一“水樹-XLPE”界面極化效應的疊加。

圖8 水樹-XLPE界面等效電路［16］

圖8 中，ε1、γ1、C1、d1、G1、U1分別表示水樹區的介電常數、電導率、等值電容、厚度、電導和分配到的電壓，ε2、γ2、C2、d2、G2、U2分別表示XLPE 的介電常數、電導率、等值電容、厚度、電導和分配到的電壓，2 層面積相同，外加直流電壓為U。

在開關合上瞬間，2 層介質上的電壓分配與各自的電容成反比，到達穩態時，電壓分配與電導成反比，即：

對于水樹老化電纜，2 層介質極化過程中電壓存在一個動態變化過程，2 層介質的分界面累積電荷。隨著測試時間的增加，U2下降而U1增加，但總的電壓保持不變。也就是說，C2通過G1放掉一部分電荷，而C1通過G2從電源補充一部分電荷，于是“水樹-XLPE”界面上將累積多余的正電荷。在電荷運動過程中形成吸收電流，即界面極化電流。界面極化電流是由于XLPE等效電容C2通過G1放電，或水樹等效電容C1通過G2充電而形成的，該電流符合電容C2的放電特性或C1的充電特性。此時，如果采用一定的方法測量出界面極化電流，就可以對電纜的絕緣性能進行評估。

2.2 界面極化電流理論計算

用Ic（t）表示極化電流與去極化電流的差值，則有

對于新電纜，Ic（t）為一固定值，幾乎不隨時間變化。對于水樹老化電纜，則有

式中：IR（t）為極化電流與去極化電流差值不隨時間變化的電流，是一常數；IJ（t）為極化-去極化電流測量過程中因“水樹-XLPE”界面極化而產生的電流。

2.3 實驗過程及結果分析

根據實驗原理圖連接實驗設備，如圖9 所示。由于是高壓實驗，因此需在實驗周圍設置安全提示并使用安全圍欄進行隔離，另外還需將電纜銅屏蔽層及設備接地。連接好線路以后，打開直流高壓電源及皮安表電源，并分別將皮安表與直流高壓電源與工控機進行連接。

圖9 實物連接示意圖

電路連接好以后，設置測試電壓為1 kV，極化時間為90 s。分別對相同長度的一根新電纜和一根水樹老化電纜進行極化-去極化電流測量，運用式（1）～（3）對測量得到的極化-去極化電流進行處理，得到Ic（t）值，再減去IR（t）值，得到新電纜和老化電纜界面極化電流IJ（t），如圖10 所示。

圖10 新電纜及老化電纜的界面極化電流

由于界面吸收電流方向與極化電流方向相同，導致極化電流增大，在極化開始時界面電荷密度逐漸增加，因此界面極化電流逐漸增大。隨后由于介質兩端電壓趨于穩定，電荷的轉移速率逐漸下降，界面極化電流減小，因此在整個極化測試過程中，界面極化電流呈現先增大后減小的趨勢。

通過得到的界面極化電流曲線可以清晰地判斷電氣設備的絕緣老化狀態，可對電力系統的多種電氣設備進行絕緣狀態檢測。該測量裝置不僅可以對電纜絕緣老化狀態進行診斷，還可以對各種線性或非線性雙層電介質進行絕緣狀態檢測。學生在后續的學習中，可以研究不同測試電壓、測試時間下的界面極化電流，從而對電氣設備的絕緣狀態進行準確及全方位的評估。

3 結語

采用極化-去極化電流測量系統得到新電纜與老化電纜的極化-去極化測試數據后，通過所學的界面夾層極化理論知識對數據進行分析，從而更近一步理解界面夾層極化特性。教學和科研相結合是提高教學質量和培養學生創新能力的有效途徑。對微觀問題采用宏觀手段進行研究，大大地提高了學生的實驗興趣。