吳遠(yuǎn)密，彭俊臻，張德剛，李治波，田海朋，李雅特，姚建中

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

0前言

兆歐表在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，當(dāng)電纜、開關(guān)、變壓器受熱和受潮時(shí),絕緣材料便老化使絕緣電阻降低，從而造成電器設(shè)備漏電或短路事故的發(fā)生。為了避免事故發(fā)生就要求使用兆歐表測量設(shè)備的絕緣電阻。然而，傳統(tǒng)的兆歐表均為逐相測試，大量的電力設(shè)備絕緣測試工作非常耗時(shí)、耗力，也存在人工換線、接線錯(cuò)誤的情況，嚴(yán)重影響作業(yè)進(jìn)度和作業(yè)質(zhì)量。因此，有必要研究自動(dòng)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(jìn)行研究，也有多檔位和自動(dòng)換檔位數(shù)字兆歐表的研究，但目的都是提高數(shù)字兆歐表的測量精度和適用范圍，實(shí)現(xiàn)兆歐表的多檔化、數(shù)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(shù)。

本文首次提出電力設(shè)備絕緣電阻的三相換相測量技術(shù)，文中以二次電纜為示例，從電纜模型理論分析、PSCAD裝置拓?fù)鋱D仿真、自動(dòng)換相測量兆歐表試驗(yàn)三方面驗(yàn)證換相測量絕緣電阻論點(diǎn)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(hù)層組成，線芯主要用銅作為導(dǎo)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(shù)，其主要用來隔離帶電的或不同電位的導(dǎo)體，當(dāng)導(dǎo)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(jīng)絕緣內(nèi)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(shí)間而衰減消失，因此應(yīng)等這三種電流全部衰減完后，才讀出泄漏電流的數(shù)值，以計(jì)算絕緣電阻，但由于可吸收電流要經(jīng)數(shù)分鐘后才趨于消失，考慮到測量系統(tǒng)長時(shí)間的穩(wěn)定性，測量時(shí)間不宜太長。

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

1.2絕緣電阻值計(jì)算

本文利用類比法進(jìn)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(dǎo)，而絕緣電阻是絕緣電導(dǎo)倒數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示：

已知靜電場與恒定電流場下電壓數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2）所示：

已知靜電場與恒定電流場的高斯定理數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（3）、（4）所示：

已知靜電場與恒定電流場電導(dǎo)理數(shù)學(xué)表達(dá)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(jì)算公式為：

式中：R1為電纜外徑，R2為電纜內(nèi)徑，γ為絕緣材料的電導(dǎo)率。由推導(dǎo)公式不難發(fā)現(xiàn)電纜的絕緣電阻的阻值大小是與相應(yīng)絕緣層材料的厚度、電導(dǎo)率有很密切的關(guān)系，與電纜內(nèi)芯導(dǎo)體粗細(xì)也存在密切的關(guān)系。但眾所周知在電纜實(shí)際應(yīng)用及絕緣特性測試與儀器準(zhǔn)確度、環(huán)境條件、人員素質(zhì)等多方面相關(guān)。

2自動(dòng)換相測量數(shù)字兆歐表設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的自動(dòng)換相測量數(shù)字兆歐表主要包括電源、高壓直流發(fā)生模塊、高壓換相開關(guān)、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(zhuǎn)換器供各模塊使用，高壓直流發(fā)生模塊可考慮采用高效率推挽結(jié)構(gòu)再通過倍壓整流生產(chǎn)直流高壓[7]，高壓換相開關(guān)可以考慮使用高壓固態(tài)繼電器，采樣模塊可以考慮多級放大電路再通過A/D數(shù)字芯片采樣[8]，中央處理器用于控制各模塊的功能、數(shù)據(jù)處理及記錄[9]，原理設(shè)計(jì)如圖1 所示。K 10 控制PWM 控制芯片啟動(dòng)、推挽電路將工作，才開始測量。可整理成測量動(dòng)作邏輯，如表1所示。

圖1設(shè)計(jì)圖

2.2原理分析

如圖1所示，利用PWM控制芯片產(chǎn)生一定頻率的PWM 1和PWM 2，分別通過PWM 1、PWM 2關(guān)合MOS管Q1、Q2形成推挽式開關(guān)電源，推挽式開關(guān)電源輸出的直流經(jīng)倍壓整流電路產(chǎn)生直流高壓。當(dāng)高壓直流電壓流過多通道高壓開關(guān)模塊時(shí)，其通過A、B、C三個(gè)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(jù)需要使用。然后PIC單片機(jī)自身A/D轉(zhuǎn)換器從R6、R7之間采集電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，電壓運(yùn)放芯片通過采集R8的電壓計(jì)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(dǎo)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(tài)；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(dǎo)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(tài)；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(dǎo)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(tài)；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(dǎo)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(tài)；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(dǎo)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(tài)；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(dǎo)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(tài)。其中每次自動(dòng)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(dòng)換相后

表1動(dòng)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(yàn)導(dǎo)線作為二次電纜示例，電纜相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2參數(shù)表

利用PSCAD軟件搭建自動(dòng)換相測量數(shù)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(jié)果圖

經(jīng)仿真，由圖3可知當(dāng)對電纜加壓2500 V直流電壓后電纜中產(chǎn)生的泄露電流為0.1 uA。由公式（1）計(jì)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(nèi)徑R2=0.00089 m，利用公式（10）計(jì)算出該二次電纜理論單位長度的絕緣電阻值R=24.84 GΩ。經(jīng)分析，仿真結(jié)果值與理論計(jì)算值相近，說明自動(dòng)換相測量數(shù)字兆歐表設(shè)計(jì)可行，能正確測量電纜絕緣電阻值。

3.2試驗(yàn)驗(yàn)證

上文已對自動(dòng)換相測量數(shù)字兆歐表機(jī)理進(jìn)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(jìn)行實(shí)測，以進(jìn)一步驗(yàn)證論點(diǎn)的正確性。

1）自動(dòng)換相準(zhǔn)確率測試

利 用3個(gè) 額 定 值 為0.1 GΩ、1 GΩ、10 GΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻做為三相負(fù)載進(jìn)行新裝置校驗(yàn)，在三相負(fù)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(tài)A、B相電平不變化，A、B兩相高壓換相開關(guān)均斷開、通道均無電流；當(dāng)發(fā)出A 相測量指令時(shí)，A 相電平變化，A 相高壓換相開關(guān)合上，A 相測量通道有電流通過；當(dāng)發(fā)出B相測量指令時(shí)，A、B相電平均變化，A 相高壓換相開關(guān)斷開、B相高壓換相開關(guān)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(jié)束返回初始狀態(tài)，B、C間換相過程與之一樣。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證并選取3組數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3換相試驗(yàn)記錄表

由表3數(shù)據(jù)可得裝置換相準(zhǔn)確率100%，證明自動(dòng)換相測量數(shù)字兆歐表能可靠換相。

2）絕緣特性精確度測試

使用自動(dòng)換相測量數(shù)字兆歐表和普通數(shù)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(yàn)導(dǎo)線進(jìn)行絕緣電阻值測試。

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

表4絕緣電阻值測量數(shù)據(jù)記錄表

由表4可知，測試結(jié)果與理論計(jì)算、仿真結(jié)果存在一定誤差，經(jīng)分析其誤差主要由于制作水平等因素引起。根據(jù)《SJ/T 11385-2008絕緣電阻測試儀通用規(guī)范》4.6.1.4條可知該制作準(zhǔn)確等級為20的自動(dòng)換相測量數(shù)字兆歐表精度滿足要求，故試驗(yàn)證明論點(diǎn)可行。

4結(jié)束語

本文提出電力設(shè)備絕緣電阻的三相換相測量技術(shù)，并從電纜模型理論分析、PSCAD裝置拓?fù)鋱D仿真、自動(dòng)換相測量兆歐表試驗(yàn)三方面驗(yàn)證換相測量絕緣電阻論點(diǎn)可行性。該技術(shù)將解決傳統(tǒng)的兆歐表測量電纜絕緣特性耗時(shí)、耗力和人工換線、接線錯(cuò)誤的問題，從而可提高作業(yè)的效率和質(zhì)量。