双层电介质界面极化电流测量装置的设计与实现

曹晓燕，周 凯，冉 立，杨 帆，王吉祥

（四川大学电气工程学院，成都 610065）

0 引言

高电压技术实验课程［1］是电气类学生的一门重要专业性基础实验课程，涉及的内容非常广泛。界面夹层极化［2］是高电压技术中一个重要的知识点，也是学生学习过程中的难点。界面夹层极化是指：由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构在外加电场下，由初始状态的按介电常数分压到稳态的按电导率分压，介质两侧电压的变化导致界面电荷累积，从而产生电流；撤去电场后，界面处累积的电荷逐步释放，同样会在外电路形成电流。由于涉及绝缘材料内部的微观结构变化，因此学生在学习过程中不易直接观察实验现象，若能够研制出相应的实验装置对电介质界面夹层极化特性进行研究，则对于学生理解该知识点进而进行工程应用具有重要意义。

在实际工程应用中，高压电气设备的绝缘结构［3］往往不是采用某种单一的绝缘材料，而是由若干种不同电介质构成的组合绝缘结构。陈泰源［4］、陆小虹［5］、王婷婷［6］分别以线性/非线性双层复合绝缘界面行为为研究对象，对双层电介质的界面特性进行研究，进而进行工程应用，但未涉及实验教学的相关内容。此外，即使只有一种电介质，绝缘材料也不可能完全均匀和同质，尤其在长期运行工况下，绝缘材料出现老化，可能形成多层复合绝缘结构。极化-去极化电流法［7-9］是基于介电响应原理的绝缘介质电性能检测方法，也是一种灵敏度较高、无检测死区的容性设备绝缘测试分析手段，能够高效、准确、快速地检测实际电网系统的容性设备绝缘缺陷［10-12］。对绝缘介质施加极化电压，使其内部发生各种极化现象，测量电导过程产生的电导电流以及极化过程感应的极化电流；随后撤去极化电压，绝缘介质两侧接地形成回路，极化了的偶极子因热运动再次恢复杂乱无序的排列，已经局部迁移了的电荷也缓慢释放，以上过程在回路中测量得到去极化电流。近年来，极化-去极化电流法广泛应用于变压器、电容器、电缆等绝缘状态的检测。如果能够基于极化-去极化电流法研发出测量夹层界面极化电流的装置，直观反映界面极化特性，就可以对高压电气设备的绝缘性能进行评估，同时在实验教学中使学生对界面极化有更直观的认识，对夹层界面极化电流的测量在实际工程中的应用［13］有着重要意义。

结合极化-去极化电流测量原理，设计了皮安表、程控直流高压电源及工控机控制程序，研发了双层电介质界面极化电流测量装置，有助于学生掌握界面极化的本质。

1 实验装置的研制

1.1 实验装置工作原理

界面夹层极化过程中电荷的移动和积聚必然伴随着能量损耗，而且过程较慢，所以这种极化只有在直流或者低频交流下才能表现出来。极化-去极化电流法就是对绝缘介质施加固定的直流电压，采集绝缘介质的电流响应曲线。加电压和撤去电压时测得的电流中包含的绝缘介质的绝缘老化信息是极其丰富的。

极化-去极化电流测量系统如图1（a）所示，测量过程中对被测介质施加的电压U0及测量的电流I的变化情况如图1（b）所示。当工控机控制真空继电器开关切换时，触点S连接触点1，直流高压电源通过真空继电器、限流电阻、皮安表（pA）对电介质施加直流高压。此时，位于高压端的皮安表检测极化电流Ipol，并利用无线模块实时将电流数据发送至工控机。极化阶段完成后系统切换到去极化阶段，工控机控制真空继电器开关切换，使触点S连接触点2，直流高压电源与电介质断开，此时皮安表检测去极化电流Idepol，并实时传输到工控机进行分析处理。

图1 电介质极化-去极化测量原理

1.2 实验装置总体设计

由图1（a）可知，极化-去极化电流测量系统中的测量装置包括皮安表、程控直流高压电源和工控机。皮安表主要用于极化-去极化电流数据的检测与发送，程控直流高压电源的功能主要是测量过程中所需的直流高压的输出与继电器触点间的切换。程控直流高压电源可输出0～5 kV 的直流电压，满足电压的需求。工控机中分析程序的主要功能是根据测量流程控制测量装置之间的工作顺序，并对测量装置发送的测量数据进行显示、分析和存储。实验装置的总体设计框图如图2 所示。

图2 实验装置总体设计框图

1.3 皮安表设计及实现

实验装置的关键技术为皮安表的设计，皮安表的功能是实现微弱电流的检测与发送。内部电路的主要结构分为多量程微电流检测电路、A/D（模/数）转换电路、单片机最小系统电路和无线通信电路，如图3 所示。在测试时，电路中器件的失调电压、失调电流等导致装置的零点发生偏移，所以该装置在设计中需要考虑自动校准零点的功能。

图3 皮安表总体设计

由于测量的极化-去极化电流变化范围跨过9 个数量级（pA～mA），因此为保证在不同量级下皮安表能准确采集电流，皮安表应具有量程自动切换功能。多量程自动切换是皮安表的关键技术，实现方法是在设计电路时划分4 个挡位进行电流电压转换，每个挡位单独使用一个反馈电阻，通过控制开关K1来实现不同阻值反馈电阻的接入，具体电路原理如图4 所示。图4 中的反馈电阻阻值与挡位的对应关系如表1 所示。在测量过程中，皮安表通过采集到的电流大小自动切换测量挡位，实现微弱电流的准确采集。

表1 测试挡位阻值

图4 多量程电流电压转换电路

1.4 程控直流高压电源设计

程控直流高压电源主要功能是直流高压的输出，因此其内部主要结构为单片机最小系统电路、D/A（数/模）转换电路、程控升压模块、真空高压继电器和电压采样电路。该装置在工作时，工控机通过通用串行（USB）总线向装置中的微控制器发送一个指定大小的电压值，然后微控制器将该值进行处理后发送给D/A转换器以产生对应大小的电压，程控升压模块再将该电压值还原为工控机设定的电压值进行输出。为了能够实时监测直流高压电源的输出状态并更好地控制电压输出值，在高压输出后还会进行采样，由于不能对数千伏的电压直接采样，因此在对该电压进行采样时设计了一个由采样电阻组成的分压电路。此时，输出电压会按照特定的比例缩小，然后将该电压进行滤波并接入工控机中，能够复用为模拟数字转换器（ADC）模拟输入通道的I/O口，最后根据ADC测试值和电路分压比例计算出输出电压值，并通过USB 总线发送至工控机中显示。程控直流高压电源总体设计框图如图5 所示。

图5 直流高压电源总体结构设计框图

1.5 工控机控制程序设计

工控机中的控制程序主要包括以下部分：极化-去极化电流测量流程控制程序、极化-去极化电流测量装置通信程序、程控直流高压电源通信程序、数据分析及处理程序、数据存储及显示程序。工控机结构设计示意图如图6 所示。

图6 工控机结构设计示意图

极化-去极化电流测量流程控制程序的作用为：一是给工作中的测量系统提供测量时间信息，系统的测量时间由极化时间和去极化时间组成，每个时间倒计时完毕后，系统会根据该时间节点向测量装置发送切换工作状态或者断开与工控机连接的信息等；二是将测量数据以图形的形式直观地显示出来，方便测试者观察并对测量得到的数据进行分析。为了减少人工操作带来的实验误差，整个测量过程采用工控机智能控制，流程如图7 所示。

图7 极化-去极化电流测量流程控制程序

2 界面极化电流测量实验项目设计

利用所设计的测量装置可测得电介质的极化-去极化电流曲线，再通过曲线可求得界面极化电流。以水树老化电缆［14-15］为例说明界面夹层极化电流的测量。电缆的水树老化是指电缆在运行情况下，受到水分及电场的共同作用产生的老化。若不能及时发现这种老化问题则极易转化为更严重的老化，危害电力系统的安全稳定运行。

2.1 界面极化电流产生原理

电缆水树老化后，由于水树区域和交联聚乙烯（XLPE）的介电常数与电导率相差较大，因此水树-XLPE界面在直流下产生界面夹层极化。单个“水树-XLPE”界面等效电路模型［16］如图8 所示，可将水树老化电缆的界面极化看作多个单一“水树-XLPE”界面极化效应的叠加。

图8 水树-XLPE界面等效电路［16］

图8 中，ε1、γ1、C1、d1、G1、U1分别表示水树区的介电常数、电导率、等值电容、厚度、电导和分配到的电压，ε2、γ2、C2、d2、G2、U2分别表示XLPE 的介电常数、电导率、等值电容、厚度、电导和分配到的电压，2 层面积相同，外加直流电压为U。

在开关合上瞬间，2 层介质上的电压分配与各自的电容成反比，到达稳态时，电压分配与电导成反比，即：

对于水树老化电缆，2 层介质极化过程中电压存在一个动态变化过程，2 层介质的分界面累积电荷。随着测试时间的增加，U2下降而U1增加，但总的电压保持不变。也就是说，C2通过G1放掉一部分电荷，而C1通过G2从电源补充一部分电荷，于是“水树-XLPE”界面上将累积多余的正电荷。在电荷运动过程中形成吸收电流，即界面极化电流。界面极化电流是由于XLPE等效电容C2通过G1放电，或水树等效电容C1通过G2充电而形成的，该电流符合电容C2的放电特性或C1的充电特性。此时，如果采用一定的方法测量出界面极化电流，就可以对电缆的绝缘性能进行评估。

2.2 界面极化电流理论计算

用Ic（t）表示极化电流与去极化电流的差值，则有

对于新电缆，Ic（t）为一固定值，几乎不随时间变化。对于水树老化电缆，则有

式中：IR（t）为极化电流与去极化电流差值不随时间变化的电流，是一常数；IJ（t）为极化-去极化电流测量过程中因“水树-XLPE”界面极化而产生的电流。

2.3 实验过程及结果分析

根据实验原理图连接实验设备，如图9 所示。由于是高压实验，因此需在实验周围设置安全提示并使用安全围栏进行隔离，另外还需将电缆铜屏蔽层及设备接地。连接好线路以后，打开直流高压电源及皮安表电源，并分别将皮安表与直流高压电源与工控机进行连接。

图9 实物连接示意图

电路连接好以后，设置测试电压为1 kV，极化时间为90 s。分别对相同长度的一根新电缆和一根水树老化电缆进行极化-去极化电流测量，运用式（1）～（3）对测量得到的极化-去极化电流进行处理，得到Ic（t）值，再减去IR（t）值，得到新电缆和老化电缆界面极化电流IJ（t），如图10 所示。

图10 新电缆及老化电缆的界面极化电流

由于界面吸收电流方向与极化电流方向相同，导致极化电流增大，在极化开始时界面电荷密度逐渐增加，因此界面极化电流逐渐增大。随后由于介质两端电压趋于稳定，电荷的转移速率逐渐下降，界面极化电流减小，因此在整个极化测试过程中，界面极化电流呈现先增大后减小的趋势。

通过得到的界面极化电流曲线可以清晰地判断电气设备的绝缘老化状态，可对电力系统的多种电气设备进行绝缘状态检测。该测量装置不仅可以对电缆绝缘老化状态进行诊断，还可以对各种线性或非线性双层电介质进行绝缘状态检测。学生在后续的学习中，可以研究不同测试电压、测试时间下的界面极化电流，从而对电气设备的绝缘状态进行准确及全方位的评估。

3 结语

采用极化-去极化电流测量系统得到新电缆与老化电缆的极化-去极化测试数据后，通过所学的界面夹层极化理论知识对数据进行分析，从而更近一步理解界面夹层极化特性。教学和科研相结合是提高教学质量和培养学生创新能力的有效途径。对微观问题采用宏观手段进行研究，大大地提高了学生的实验兴趣。