一种极化-去极化电流测量系统的制作方法

本发明属于电力设备绝缘诊断领域，更具体地，涉及一种极化-去极化电流测量系统。

背景技术：

自上世纪80年代以来，交联聚乙烯(XLPE)电缆凭借其优良的热性能，机械性能，电气性能以及易于安装，便于维护的优点，开始广泛地应用于我国电力系统中。由于电、热、水分、机械、外界环境，化学腐蚀等因素的影响，XLPE电缆在长期运行过程中将会逐渐有水树生成，发生绝缘劣化，最终威胁电缆的安全可靠运行。所以，对XLPE电缆进行预试维护，对电力系统安全稳定运行意义重大。

极化-去极化电流法是一种基于介质响应理论的新型电缆诊断方法，通过对电缆施加直流极化电压后短接，测量电缆极化/去极化电流，由于电缆绝缘老化程度不同，其极化/去极化电流呈现不同特性，基于这些特性对电缆绝缘状态进行诊断。

XLPE电缆绝缘阻值高，使得极化-去极化电流为10^-2～10^-12A量级，然而在现有技术的极化-去极化电流，常常混入强烈的工频干扰，同时，由于与高压装置的隔离与绝缘不良，可能使测量的极化-去极化电流的直流偏置高达nA级别。同时，量程切换速度仅为ms，无法捕捉到极化-去极化电流测量的前期信号，不利于极化-去极化电流信息完整采集。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明公开了一种用于极化-去极化电流测量系统，其目的在于通过减少极化-去极化电流中的干扰信号， 从而提高极化-去极化电流的测量精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种极化-去极化电流测量系统，包括保护模块，电流电压转换模块，滤波模块，AD转换模块以及数据处理模块；

所述保护模块的输入端作为所述测量系统的输入端，用于连接交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层，在极化-去极化电流测量的充电阶段，将前端电位控制在安全电位以内，从而防止初始电流对电流电压转换模块的冲击破坏；

所述电流电压转换模块的第一输入端连接所述保护模块的输出端，用于将所述交联聚乙烯电缆输出的极化-去极化电流信号转换为电压信号并输出；

所述滤波模块的输入端连接所述电流电压转换模块的输出端，用于滤除所述电压信号中的工频干扰，并将无干扰的电压信号输出；

所述AD转换模块的输入端连接所述滤波模块的输出端，用于将所述电压信号转换为数字信号并输出；

所述数据处理模块的输入端连接所述AD转换模块的输出端，第一输出端连接所述电流电压转换模块的第二输入端，用于将所述数字信号转换为实际的极化-去极化电流值，并根据所述极化-去极化电流值向所述电流电压转换模块输出切换信号。

优选地，所述测量系统还包括隔离供电模块，其第一输出端连接电流电压转换模块，第二输出端连接滤波模块，第三输出端连接AD转换模块，第四输出端连接数据处理模块，用于分别向所述电流电压转换模块，滤波模块，AD转换模块以及数据处理模块提供直流电压。

作为进一步优选地，所述隔离供电模块包括直流电源以及DC-DC隔离装置，所述直流电源的输出端连接所述DC-DC隔离装置的输入端，所述DC-DC隔离装置的第一输出端作为所述隔离供电模块的第一输出端，第二输出端作为所述隔离供电模块的第二输出端，第三输出端作为所述隔离供 电模块的第三输出端，第四输出端作为所述隔离供电模块的第四输出端。

优选地，所述保护模块包括继电器和放电管，所述继电器的一端连接所述电流电压转换模块的输入端，另一端与所述电流电压转换模块的低压端共地，用于在极化-去极化电流测量的充电阶段导通，从而防止初始电流对电流电压转换模块的冲击破坏；所述放电管与所述继电器并联，用于将所述电流电压转换模块的前端电位控制在安全电位。

优选地，所述数据处理模块还用于输出控制信号，所述测量系统还包括通讯模块，所述通讯模块的控制端连接所述数据处理模块的控制端，用于将数据处理模块的控制信号发送给外部高压装置，并把外部高压装置的状态信号反馈给数据处理模块，同时用于将所述数据处理模块输出的极化-去极化电流信号发送给外部处理器。

作为进一步优选地，所述通讯模块由无线通信模块以及串口通信模块组成，所述无线通信模块用于将数据处理模块的控制信号发送给外部高压装置，并把外部高压装置的状态信号反馈给数据处理模块，所述串口通信模块用于将极化-去极化电流信号发送给外部处理器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列的有益效果：

1、通过保护模块将交联聚乙烯电缆与电流电压转换模块相连，防止了测量系统在电缆进行充电和放电开始瞬间，过电流对电流电压转换模块的破坏；

2、通过滤波模块抑制测量系统中的工频干扰，避免了工频干扰对极化-去极化电流信号的影响，从而显著提高了测量系统的信噪比；

3、优选通过数据处理模块直接向模拟开关输出切换信号，提高了响应速度，避免了机械开关抖动问题；

4、优选通过隔离供电模块将电流电压转换模块，滤波模块，AD转换模块以及数据处理模块的直流电压进行隔离，从而避免了数据处理模块对 模拟电路的干扰，提高了测量系统的工作稳定性，同时也防止了共电源造成的电磁干扰。

5、优选利用无线通信模块与高压装置交换控制信号，避免了与高压装置之间的电气连接，避免了极化-去极化电流信号对高压装置的干扰，保证控制信号的可靠准确。

附图说明

图1为实施例1的极化-去极化电流测量系统整体示意图。

图2为实施例1的隔离供电模块示意图；

图3为实施例1的保护模块结构示意图；

图4为实施例1的电流电压转换模块工作原理示意图；

图5为实施例1的滤波模块工作示意图；

图6为实施例1的AD转换模块示意图；

图7为实施例1的通讯模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种极化-去极化电流测量系统，包括保护模块，电流电压转换模块，滤波模块，AD转换模块以及数据处理模块等部分；

所述保护模块由泄露电流小于10fA的继电器和放电管并联组成，继电器一端与所述电流电压转换模块的输入端相连，另一端与所述电流电压转换模块的低压端共地，用于在极化-去极化电流测量的充电阶段，将前端电位控制在安全电位以内，从而防止充电阶段的初始电流对电流电压转换模块的冲击破坏；放电管用于将所述电流电压转换模块的前端电位控制在安 全电位。

电流电压转换模块由模拟开关以及多个阻值不等的反馈电阻组成，所述模拟开关用于根据所述极化-去极化电流的大小选取反馈电阻，并将电流信号转换为施加于所述反馈电阻上的电压信号；所述多个阻值不等的反馈电阻的阻值在100Ω～1GΩ之间，从而将极化-去极化电流信号转换为-2V～2V的电压信号。

所述滤波模块的输入端连接电流电压转换模块的输出端，输出端连接所述AD转换模块的输入端，用于滤去所述电压信号中49.2Hz～50.8Hz的工频干扰，并将无干扰的电压信号输入给AD转换模块。

所述AD转换模块的输出端与所述数据处理模块的输入端相连，用于将所述电压信号转换为数字信号并输入给所述数据处理模块，所述数据处理模块用于对数字信号进行数据处理(包括将电压值转换为对应量程的极化-去极化电流值，并减去数据对应量程的漂移)，将所述数字信号转换为实际的极化-去极化电流值，同时，所述数据处理模块还用于根据所述极化-去极化电流值，向模拟开关输出切换信号，使得模拟开关选择合适当前极化-去极化电流值的反馈电阻，从而将电流电压转换模块的电压信号大小控制在-2V～2V。

该极化-去极化电流测量系统优选通过直流电源以及DC-DC隔离装置隔离供电，所述DC-DC隔离装置的输入端连接直流电源的输出端，第一输出端连接电流电压转换模块，第二输出端连接滤波模块，第三输出端连接AD转换模块，第四输出端连接数据处理模块，用于将所述直流电源提供的电压分别向所述电流电压转换模块，滤波模块，AD转换模块数据处理模块提供直流电压。

由于通常极化-去极化电流的测量还需要高压装置和外部处理器，高压装置连接交联聚乙烯电缆的线芯，用于向交联聚乙烯电缆施加电压，而外部处理器则对极化-去极化电流值进行处理，数据处理模块还可以分别向高 压装置发送控制信号，并接受高压装置反馈的状态信号，同时将极化-去极化电流值发送给外部处理器。此时，需要利用通讯模块对信号进行传递，通常使用无线通信模块在所述向高压装置和电流测量模块之间，传递控制信号并反馈高压装置的状态信号，同时通讯模块中的串口通信模块用于从所述测量系统向外部处理器传递所测量的极化-去极化电流信号。

实施例1

本实施例的极化-去极化电流测量系统包括保护模块，电流电压转换模块，滤波模块，AD转换模块，数据处理模块，通讯模块以及隔离供电模块，如图1所示。

本实施例的隔离供电模块如图2所示，包括电源以及DC-DC隔离装置，电源为市电适配器或者蓄电池这样的独立直流电源，该直流电源电压经DC-DC隔离装置输出为四路，分别给数据处理模块和模拟电路供电，同时由于模拟电路复杂，需要±5v，±9，±12三路分别给电流电压转换模块，滤波模块以及AD转换模块供电，这样的隔离避免了由于市电供电不稳定或电池供电引线引入的电磁干扰，同时将数字电路与模拟电路在供电电源上进行隔离，避免相互干扰。

如图3所示，电流电压转换模块的前端通过保护模块的隔离，与交联聚乙烯电缆导体金属屏蔽层相连，另一端接地。保护模块由继电器和放电管并联组成，从电缆导体金属屏蔽层输出的极化-去极化电流依次通过极低泄露电流继电器(K)与极低泄露电流的放电管(DT)，从而输入电流电压转换模块，继电器和放电管的泄露电流均小于10fA，防止器件自身泄露过大而混入极化-去极化电流，使得测量结果错误；在极化-去极化电流测量开始的前50ms，继电器导通，放电管放电，将电流电压转换模块前端电位钳制在安全电位5V以内，从而避免了前50ms内数百mA电缆充电电流对I/V冲击破坏。

如图4所示，电流电压转换模块由模拟开关(其泄露电流小于10fA， 响应速度小于1μs，按减量程规律切换档位)和8路反馈电阻(R₀～R₇)组成，其中R₀～R₇的阻值依次为100Ω，1kΩ，10kΩ，100kΩ，1MΩ，10MΩ，100MΩ，1GΩ，对应测量的极化-去极化电流量程分别为±20mA，±2mA，±200μA，±20μA，±2μA，±200nA，±20nA，±2nA，极化-去极化电流经过该多路开关，由处理器运算后选择合适量程，控制模拟开关导通不同的反馈电阻，数字快速切换电流量程，从而转换为-2V～2V的电压信号。

该电压信号通过滤波模块滤去49.2Hz～50.8Hz的工频干扰，从而得到无干扰的电压信号，本实施例的滤波模块采用如图5所示的46dB陷波深度带阻滤波器，能使极化-去极化电流中的工频干扰信号衰减250倍，从而防止极化-去极化电流信号被工频干扰信号掩盖，导致器件饱和输出严重失真的情况。

无干扰的电压信号经过如图6所示的AD转换模块，输入数据处理模块性。为了减少I/V转换后信号的调理过程，避免负极信号反相，该AD转换模块采用24位真双极性模数转换芯片AD7732，比普通数模转换芯片精度高，达到24位，具有真双极型，输入电压可以为正负电压；同时为了充分发挥该数模转换器性能，采用外部参考电压芯片AD780，其温漂仅为3ppm/℃，噪声仅为100nV/√Hz，用于给AD7732提供稳定的2.5V参考电压。

数据处理模块不断依次给AD转换模块发送启动和读取两个AD驱动控制信号，AD转换模块会根据该信号进行采样转换，然后将得到的数字信号发送给数据处理模块，数据处理模块先减去对应量程的零漂(在测量前已校订得到每个量程零漂)，依据量程增益反算出对应极化-去极化电流值，将此极化-去极化电流值按照通信协议打包，再将打包后的极化-去极化数字电流信号通过通讯模块送到外部处理器，同时还根据极化-去极化电流值发送切换信号给模拟开关，从而选择合适量程将电流信号转换为合适的电压信号。

本实施例的通讯模块为如图7所示的双路通信，包括无线通信模块与串口通信模块，无线通信模块采用2.4G无线通信技术，向高压模块交换信号，使得本测量系统与外部高压在控制通信上进行必要的电气隔离。串口通信模块采用差分串口RS485通信与中央处理器相连，比非差分串口RS232通信稳定，传输距离远，避免了在变电站这种恶劣电磁环境下的传输误码。

本实施例的极化-去极化电流测量系统的工作过程如图1所示，具体如下：

S1.数据处理模块通过通讯模块向外部高压装置发送极化-去极化命令，高压装置向交联聚乙烯电缆加压，使电缆产生极化-去极化电流，同时将高压装置的工作状态通过通讯模块反馈给数据处理模块；

S2.从电缆导体金属屏蔽层输出的极化-去极化电流通过保护模块，进入电流电压转换模块；电流通过的前50ms，继电器导通，放电管放电，将I/V转换电路前端电位钳制在5V以内，然后继电器断开，放电管充电，从而避免电缆极化-去极化电流产生的过电流或过电压对电流电压转换模块的冲击破坏；

S3.电流电压转换模块的多路模拟开关默认选择100Ω的R₀电阻，将极化-去极化电流转换为电压信号，该电压信号通过滤波模块，滤去工频干扰信号，从而输入AD转换模块转换为数字信号；

S4.该数字信号通过数据处理模块，先减去对应量程的零漂(在测量前已校订得到每个量程零漂)，依据量程增益反算出对应的极化-去极化电流值，一方面通过极化-去极化电流大小，给量程切换模块反馈切换信号，使量程切换模块控制电流电压转换模块的多路模拟开关切换合适的电阻，从而将电流电压转换模块输出的电压信号控制在-2V～2V的量程范围内，另一方面把转换得到的极化-去极化电流值信号，输送给通讯模块；

S5.通讯模块一方面通过串口通信接口与电脑进行通信，电脑会将电流 数据进行实时绘图显示电流曲线，并依据电流数据分析电缆老化状态并生成测量报告。通讯模块另一方面在步骤S1.中通过无线接口与高压装置进行通信，对高压装置发送预工作，极化，去极化等命令，高压模块响应这些命令进入与工作，极化，去极化等状态，并把高压模块的工作状态反馈给通信模块，配合该测量系统完成电缆极化-去极化电流测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。