自动换相测量数字兆欧表在电缆绝缘特性测试中的应用

吴远密，彭俊臻，张德刚，李治波，田海朋，李雅特，姚建中

（1.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，景洪666100；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217；3.云南电网有限责任公司培训与评价中心，昆明650217；4.云南电网有限责任公司迪庆供电局，香格里拉674400）

0前言

兆欧表在电力系统中应用广泛，当电缆、开关、变压器受热和受潮时,绝缘材料便老化使绝缘电阻降低，从而造成电器设备漏电或短路事故的发生。为了避免事故发生就要求使用兆欧表测量设备的绝缘电阻。然而，传统的兆欧表均为逐相测试，大量的电力设备绝缘测试工作非常耗时、耗力，也存在人工换线、接线错误的情况，严重影响作业进度和作业质量。因此，有必要研究自动换相测量的兆欧表来解决这一问题[1-2]。

目前，大多文章都是围绕兆欧表测量精确和使用方法进行研究，也有多档位和自动换档位数字兆欧表的研究，但目的都是提高数字兆欧表的测量精度和适用范围，实现兆欧表的多档化、数字化和智能化[3-4]，均未讨论和研究三相换相测量绝缘电阻技术。

本文首次提出电力设备绝缘电阻的三相换相测量技术，文中以二次电缆为示例，从电缆模型理论分析、PSCAD装置拓扑图仿真、自动换相测量兆欧表试验三方面验证换相测量绝缘电阻论点可行性。

1电缆绝缘特性分析

1.1特性概述

绝缘电缆一般由线芯、绝缘层和保护层组成，线芯主要用铜作为导体材料，有单芯、二芯、三芯和多芯，而绝缘层材料一般包括塑料绝缘和橡胶绝缘。绝缘材料有很大的电阻系数，其主要用来隔离带电的或不同电位的导体，当导体载流量或工作电压超出额定值将影响绝缘性能。

在绝缘性能测试中绝缘层加上电压后流经绝缘内部的电流有电容电流、不可逆吸收电流、可吸收电流、泄漏电流，其中前三种电流随时间而衰减消失，因此应等这三种电流全部衰减完后，才读出泄漏电流的数值，以计算绝缘电阻，但由于可吸收电流要经数分钟后才趋于消失，考虑到测量系统长时间的稳定性，测量时间不宜太长。

电缆绝缘材料主要包括电介质的漏导电流、体积电阻和表面电阻、电介质的极化和介电常数、电介质的损耗、电介质的击穿等基本性能，其性能又与温湿度、电场强度、电场频率等密切相关[5]。

1.2绝缘电阻值计算

本文利用类比法进行电缆绝缘特性分析[6]。二次电缆的泄露电极间漏电流i与电极间电压u之比为绝缘材料的漏电导，而绝缘电阻是绝缘电导倒数，数学表达式如式（1）所示：

已知静电场与恒定电流场下电压数学表达式如式（2）所示：

已知静电场与恒定电流场的高斯定理数学表达式如式（3）、（4）所示：

已知静电场与恒定电流场电导理数学表达式如式（5）、（6）所示：

由式（2）～式（6）得：

由式（1）、（7）得：

继电二次电缆等效为圆柱形电容模型，其电容为：

由式（8）、（9）得电缆绝缘电阻值理论计算公式为：

式中：R1为电缆外径，R2为电缆内径，γ为绝缘材料的电导率。由推导公式不难发现电缆的绝缘电阻的阻值大小是与相应绝缘层材料的厚度、电导率有很密切的关系，与电缆内芯导体粗细也存在密切的关系。但众所周知在电缆实际应用及绝缘特性测试与仪器准确度、环境条件、人员素质等多方面相关。

2自动换相测量数字兆欧表设计实现

2.1结构设计

本文提出的自动换相测量数字兆欧表主要包括电源、高压直流发生模块、高压换相开关、采样模块及中央处理器，在电源模块可考虑使用寿命较长的锂电池再通过DC/DC转换器供各模块使用，高压直流发生模块可考虑采用高效率推挽结构再通过倍压整流生产直流高压[7]，高压换相开关可以考虑使用高压固态继电器，采样模块可以考虑多级放大电路再通过A/D数字芯片采样[8]，中央处理器用于控制各模块的功能、数据处理及记录[9]，原理设计如图1 所示。K 10 控制PWM 控制芯片启动、推挽电路将工作，才开始测量。可整理成测量动作逻辑，如表1所示。

图1设计图

2.2原理分析

如图1所示，利用PWM控制芯片产生一定频率的PWM 1和PWM 2，分别通过PWM 1、PWM 2关合MOS管Q1、Q2形成推挽式开关电源，推挽式开关电源输出的直流经倍压整流电路产生直流高压。当高压直流电压流过多通道高压开关模块时，其通过A、B、C三个接线端的接线头加压到电线的A 相线、B 相线、C 相线，N接线端接地，G 接线端根据需要使用。然后PIC单片机自身A/D转换器从R6、R7之间采集电压实现稳压控制，电压运放芯片通过采集R8的电压计算漏电流和绝缘电阻。

如果兆欧表要测量A 相线绝缘电阻值，A相输出端加在A 相电缆导体上、N 端加在电缆绝缘层上，合上K 1、K 8、K 9继电器，其他继电器处于断开状态；如果兆欧表要测量B相线绝缘电阻值，B相输出端加在B相电缆导体上、N端加在电缆绝缘层上，合上K 3、K 7、K 9继电器，其他继电器处于断开状态；如果兆欧表要测量C相线绝缘电阻值，C相输出端加在C相电缆导体上、N端加在电缆绝缘层上，合上K 5、K 7、K 8继电器，其他继电器处于断开状态；如果兆欧表要测量A-B相间绝缘电阻值，A 相输出端加在A 相电缆导体上、N 端悬空，合上K 1、K 8继电器，其他继电器处于断开状态；如果兆欧表要测量A-C相线绝缘电阻值，A 相输出端加在A 相电缆导体上、N 端悬空，合上K 1、K 9 继电器，其他继电器处于断开状态；如果兆欧表要测量B-C相线绝缘电阻值，B相输出端加在B相电缆导体上、N端悬空，合上K 3、K 9继电器，其他继电器处于断开状态。其中每次自动换相前K 10继电器会控制PWM控制芯片停用、推挽电路将停用，待自动换相后

表1动作逻辑表

3算例分析

3.1仿真分析

文章选用JBF单芯铜芯丁晴聚氯乙烯多绞合电力试验导线作为二次电缆示例，电缆相关参数如表2所示。

表2参数表

利用PSCAD软件搭建自动换相测量数字兆欧表测量电缆绝缘电阻的仿真模型，如图2 所示。

图2仿真模型图

图3仿真结果图

经仿真，由图3可知当对电缆加压2500 V直流电压后电缆中产生的泄露电流为0.1 uA。由公式（1）计算得绝缘电阻R=25 GΩ。

图4电缆线模型图

画出该电缆模型，如图4所示。其中电缆外径R1=0.00195 m，电缆内径R2=0.00089 m，利用公式（10）计算出该二次电缆理论单位长度的绝缘电阻值R=24.84 GΩ。经分析，仿真结果值与理论计算值相近，说明自动换相测量数字兆欧表设计可行，能正确测量电缆绝缘电阻值。

3.2试验验证

上文已对自动换相测量数字兆欧表机理进行了仿真和分析，下面我们将使用研制的装置对二次电缆进行实测，以进一步验证论点的正确性。

1）自动换相准确率测试

利 用3个 额 定 值 为0.1 GΩ、1 GΩ、10 GΩ标准电阻做为三相负载进行新装置校验，在三相负载上加2500 V 直流电压后利用示波器换相跟踪。

两通道示波器追踪A、B相换相过程为：初始状态A、B相电平不变化，A、B两相高压换相开关均断开、通道均无电流；当发出A 相测量指令时，A 相电平变化，A 相高压换相开关合上，A 相测量通道有电流通过；当发出B相测量指令时，A、B相电平均变化，A 相高压换相开关断开、B相高压换相开关合上，A 相测量通道无电流、B相测量通道有电流通过；换相结束返回初始状态，B、C间换相过程与之一样。经过多次试验验证并选取3组数据，如表3所示。

表3换相试验记录表

由表3数据可得装置换相准确率100%，证明自动换相测量数字兆欧表能可靠换相。

2）绝缘特性精确度测试

使用自动换相测量数字兆欧表和普通数字兆欧表分别对3根3米长的JBF单芯铜芯丁晴聚氯乙烯多绞合电力试验导线进行绝缘电阻值测试。

将自动换相测量数字兆欧表与普通数字兆欧表对同一三相二次电缆的绝缘电阻值测试结果记录，并进行横向比较，如表4所示。

表4绝缘电阻值测量数据记录表

由表4可知，测试结果与理论计算、仿真结果存在一定误差，经分析其误差主要由于制作水平等因素引起。根据《SJ/T 11385-2008绝缘电阻测试仪通用规范》4.6.1.4条可知该制作准确等级为20的自动换相测量数字兆欧表精度满足要求，故试验证明论点可行。

4结束语

本文提出电力设备绝缘电阻的三相换相测量技术，并从电缆模型理论分析、PSCAD装置拓扑图仿真、自动换相测量兆欧表试验三方面验证换相测量绝缘电阻论点可行性。该技术将解决传统的兆欧表测量电缆绝缘特性耗时、耗力和人工换线、接线错误的问题，从而可提高作业的效率和质量。