專利名稱：交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力設備在線檢測技術領域，具體涉及一種交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣的在線檢測裝置。
背景技術：
交聯聚乙烯電力電纜具有優(yōu)良的電氣性能，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。交聯聚乙烯電纜投入運行后將受到電、熱、機械、環(huán)境等因素的作用發(fā)生老化，絕緣性能下降，成為電力運行事故隱患。傳統(tǒng)的電力預防性試驗因間隔時間長，且難以發(fā)現電纜的潛在故障，很難滿足對電力運行穩(wěn)定性日益增長的要求，因此為保證電纜的安全運行，在線檢測交聯聚乙烯電力電纜的絕緣性能顯得非常重要。
樹枝狀老化(水樹枝、電樹枝)是交聯聚乙烯電纜絕緣破壞的主要因素。產生樹枝狀老化的基本條件是有水份和雜質的存在，現代交聯聚乙烯電纜生產工藝已經為電纜的高品質生產創(chuàng)造了條件，可以保證在電纜生產過程中的凈化，基本消除交聯聚乙烯絕緣產生樹枝狀老化的內在因素。由于電纜內在質量的提高，一般認為電纜在其使用期內主要危害來自外護套的損壞，當護套絕緣層被破壞時，金屬鎧裝層會逐步腐蝕，使絕緣層進水，在高壓電場作用下主絕緣會產生樹枝化放電通道，很快導致絕緣擊穿；同時由于護層的破壞，產生了一個接地點，與電纜的鎧裝接地點構成了一個環(huán)路，由于環(huán)路中電阻較小，電流較大，會危及外護套和金屬鎧裝層的安全。因此，有必要通過檢測護套的絕緣情況，及時發(fā)現由于交聯聚乙烯電力電纜外護套受損而導致絕緣損壞的情況發(fā)生。
現在普遍采用護套耐壓試驗作為運行電纜的預防性實驗手段，對中國期刊網(www.xa.cnki.net)和中國專利信息檢索系統(tǒng)(http//www.sipo.gov.cn/s和/zljs/default.htm)進行檢索，發(fā)現在線檢測電纜外護套絕緣性能的方法和裝置尚未見到相關報導。其原因為(1)電纜運行現場具有強烈電磁干擾，而待檢測信號十分微弱，信號提取相當困難；(2)國家電力試驗規(guī)程對電纜屏蔽接地方式有嚴格規(guī)定，電力運行部門一般不允許電纜的地線斷開。本發(fā)明通過一系列保護措施，來保證在檢測電纜外護套絕緣時斷開電纜接地線的可行性，同時也能有效屏蔽外界干擾信號，提取檢測信號。
發(fā)明內容
針對在線檢測交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣的迫切要求，本發(fā)明的目的在于提供一種在線檢測交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣狀況的裝置。
為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是，一種用于交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣的在線檢測裝置，該裝置包括，安裝在電纜地線的交流接觸器和電流繼電器，電流繼電器串聯有過電流保護繼電器，其特點是，在電流保護繼電器依次串接有二極管、限流電阻、取樣電阻和直流電源與交流接觸器構成回路；在過電流保護繼電器和二極管之間還連接有電容器，和交流接觸器構成并聯回路，電容器兩端并聯有避雷器；在限流電阻和取樣電阻之間并聯有濾波模塊；在取樣電阻的兩端，并聯有信號調理模塊，信號調理模塊與AD采樣器通信，AD采樣器與單片機互連，單片機上還連接有主控板、顯示模塊和串口通訊模塊。
本發(fā)明的其他一些特點是，所述的交流接觸器和電流繼電器分別有3個，分別安裝在三相電纜的三根接地線上。
所述的電流保護繼電器的動作電流為12.5A。
所述的電容器為干式電力電容器。
所述的AD采樣器采樣率為20kHz。
本發(fā)明的交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線檢測裝置，能夠對三相電纜進行自動循環(huán)檢測，能及時發(fā)現護套絕緣受損而導致絕緣破壞的情況發(fā)生，以判斷電纜外護套的老化狀況，裝置能夠進行閾值報警，具有串口通訊功能，可將檢測結果通過串口傳送給計算機，并可通過串口進行參數修改。
圖1為交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線監(jiān)測裝置的示意圖，圖1中的符號表示1-交流接觸器，2-電流繼電器，3-過電流保護繼電器，4-電容器，5-避雷器，6-二極管，7-電阻，8-濾波模塊，9-電阻，10-直流電源，11-信號調理模塊，12-AD采樣器，13-單片機，14-主控板，15-顯示模塊，16-串口通訊模塊。
圖2(a)是圖1的濾波模塊8，信號調理模塊11，AD采樣器12，單片機13，主控板14，顯示模塊15，串口通訊模塊16具體電路連接圖。圖2(b)～(h)分別是濾波模塊、信號調理、無源濾波電路、差動放大電路、二階有源濾波電路、可變增益放大電路、四階有源濾波電路、單片機和PSD構成的最小系統(tǒng)的具體實現電路圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和發(fā)明人給出的實施例和裝置的工作原理對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
如圖1所示，交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線監(jiān)測裝置，包括交流接觸器1，電流繼電器2，過電流保護繼電器3，電容器4，避雷器5，二極管6，電阻7，濾波模塊8，電阻9，直流電源10，信號調理模塊11，AD采樣器12，單片機13，主控板14，顯示模塊15，串口通訊模塊16。
交流接觸器1的兩端分別連接斷開的電纜接地線上端和下端(接地線下端接地)，交流接觸器1的控制信號連接主控板14上的控制信號，用于實現電纜地線的斷開和閉合。對三相電纜有三根接地線，每根接地線需要一個交流接觸器1，從而需要三個交流接觸器1。在檢測電纜外護套絕緣電阻時，單片機通過主控板使交流接觸器1斷開，從而將直流電壓施加在護套絕緣上；當檢測完畢時，單片機通過主控板使交流接觸器1閉合，恢復電纜地線正常接地，以保證電纜的安全運行。交流接觸器1的選擇依據電纜地線的電流容量，例如對于110kV的交聯聚乙烯電纜而言，可以選擇300A的交流接觸器，也就是在交流接觸器閉合時能承受300A的過電流。
電流繼電器2也是三個，每個電流繼電器2的一端連接對應的電纜地線上端，另一段連接過電流保護繼電器3，電流繼電器2的控制信號連接主控板14上的控制信號。電流繼電器2與交流接觸器1具有相同的控制信號，在檢測過程中配合使用。某相電線上的交流接觸器1斷開時，與其相連的電流繼電器2閉合，同時其余兩個斷開。
過電流保護繼電器3的作用是限制回路中的電流，保護回路中的檢測元件。本裝置所選擇的過電流保護繼電器3的動作電流為12.5A。
電容器4并聯在回路上，當檢測時電纜地線中流過瞬時脈沖電流，電流將經過電容器4流入大地，因為電容對于脈沖信號而言相當于短路。電容器4為干式電力電容器，其電容大小取決于所檢測電纜的長度和電壓等級，要求電容器4的電容值大于電纜外護套電容值的100倍。例如對于10km 110kV的交聯聚乙烯電力電纜，電容器4的電容值可選300μF。
避雷器5并聯在電容器4兩端，以保護電容器4。避雷器保護電壓為280V。
二極管6的作用是防止電流灌入直流電源10，保護直流電壓。電阻7串連在回路中，起限流作用，電阻7的電阻值為7kΩ。濾波模塊8的作用是對回路電流進行濾波，盡量減小回路中的交流信號和各種干擾信號。電阻9為取樣電阻，將電流轉化為電壓，電阻值為100Ω。直流電源10的負極應與地線相連，其電壓大小為15V。
信號調理模塊11實現信號的濾波、放大和隔離。信號先經過無源濾波電路，去除高頻分量。無源濾波電路包含差模和共模濾波，這樣可以避免較大的高頻信號對差動放大器的損壞。由于所檢測的信號十分微弱，需要對信號進行多級放大。為了能夠檢測副值變化范圍較大的信號，放大電路中采用可編程放大器，可以根據測量電流的幅值來調節(jié)放大倍數。對信號進行隔離，可以防止共模噪聲進入測量系統(tǒng)，隔離電路前后的電源嚴格分開避免因共用電源而引入的干擾。
AD采樣器12實現信號的模數轉化，其采樣率為20kHz。單片機13用于對信號進行數字濾波處理，計算電纜外護套電阻值，將結果輸入顯示模塊15。單片機13與主控板14相連，以控制交流接觸器1和電流繼電器2的開端和閉合。串口通訊模塊16可以將測量結果上傳給其他計算機，并可以通過該模塊進行參數修改，以適應不同檢測對象的要求。
圖2(a)是圖1中的濾波模塊8的具體電路圖。采用無源濾波方式，構成RC和LC濾波電路。電路中的19為快速熔斷器，即當電路中有大電流流過時會切斷回路從而保護了整個系統(tǒng)。17為信號輸入端，22為信號輸出端。18、20、21分別為電感、電阻和電容。23為電路的信號參考地。
圖2(b)是圖1中信號調理模塊的具體構成，它分別有幾個電路組成。該模塊主要起到信號的調理功能，對準確的測量起到關鍵作用。
圖2(c)是圖2(b)中的LC無源濾波電路，它起到濾掉高頻噪聲的作用。根據需要該電路的截止頻率為2KHz。24是信號的輸入端，27是信號的輸出端，25為電感。26為電容，選取要求選則高阻抗的電容。
圖2(d)是差動放大電路，由AD公司的AD620芯片組成。采用差動放大電路的主要目的是去處電路中的共模干擾。28和32分別是電路的輸入和輸出端，29為放大電路的放大倍數選擇電阻。30和31為運算放大電路的電源供給。電路的放大倍數為100倍。
圖2(e)是由單運算放大器OP27構成的二階有源濾波電路。因為無源濾波電路的濾波截止頻率很難做小，而有源濾波電路可以很容易實現。該濾波電路的截止頻率為50Hz。33為電路的輸入端，39為信號的輸出端，34為電阻，35為電容。36、37和38為電路的供電接口。
圖2(f)為可變增益放大電路。由AD625和CD4052一起構成的電路，放大倍數可以是1、10、100和1000，可根據信號的大小來選擇。43為電阻，42為電容。
圖2(g)為四階有源濾波電路。在圖2(b)中可以看到，該電路用到了兩次，但它們的截止頻率不一樣。電路僅由一片型號為OP200的芯片構成。48為電阻，47為電容，46為信號的輸入端，49為信號的輸出。50、51和52為電路的供電。
圖2(h)為單片機和PSD(Programmable System Device)構成的最小系統(tǒng)，該電路主要完成圖1中所示的顯示模塊電路15，控制模塊電路14以及和上位機的通信功能。顯示是由PSD的B口輸出BCD碼并通過LED來顯示，控制是通過單片機的I/O來控制繼電器完成，通信是由單片機的串口并通過RS-485串行總線來完成。
本發(fā)明的交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線檢測裝置工作原理如下在檢測時斷開電纜接地線，在斷開的接地線兩端分別連接一直流電壓源的兩端，也就是通過電纜屏蔽層和大地在電纜外護套上施加直流電壓，檢測流過護套絕緣的直流電流，計算出護套絕緣電阻值并進行數值顯示。當護套絕緣電阻值小于某一給定的閾值時，說明電纜外護套已經嚴重老化或受損，裝置將發(fā)出報警信號。
本發(fā)明的交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線檢測裝置，能夠對三相電纜進行自動循環(huán)檢測，對本裝置進行稍加改進也可以檢測多于三根電纜，改進主要表現在相應增加交流接觸器1的個數和電流繼電器2的個數，修改單片機控制軟件中的電纜根數參數。
在實驗室里對裝置測量的準確性進行了試驗，檢測對象是2m長110kV交聯聚乙烯電纜的護套層，該電纜并未投入運行，護套電阻值很大，遠大于實際運行中數百米和數千米的電纜外護套電阻值。在測試過程中讓電纜受潮在進行測試，測量結果如表1所示。
表1裝置的檢測結果表
本發(fā)明已在實驗室完成一套樣機，該裝置包含交流接觸器、電流繼電器、過電流保護繼電器、電容器、避雷器、限流電阻、二極管、取樣電阻、直流電源、信號調理模塊、A/D采集模塊、單片機、主控板、顯示和串口通訊等器件和模塊，能夠在線檢測交聯聚乙烯電力電纜外護套的絕緣電阻。
權利要求
1.一種用于交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣的在線檢測裝置，該裝置包括，安裝在電纜地線的交流接觸器(1)和電流繼電器(2)，電流繼電器(2)串連有過電流保護繼電器(3)，其特征在于，在電流保護繼電器(3)依次串接有二極管(6)、限流電阻(7)、取樣電阻(9)和直流電源(10)與交流接觸器(1)構成回路；在過電流保護繼電器(3)和二極管(6)之間還連接有電容器(4)，和交流接觸器(1)構成并聯回路，電容器(4)兩端并聯有避雷器(5)；在限流電阻(7)和取樣電阻(9)之間并聯有濾波模塊(8)；在取樣電阻(9)的兩端，并聯有信號調理模塊(11)，信號調理模塊(11)與AD采樣器(12)通信，AD采樣器(12)與單片機(13)互連，單片機(13)上還連接有主控板(14)、顯示模塊(15)和串口通訊模塊(16)。
2.如權利要求1所述的電力電纜外護套絕緣的在線檢測裝置，其特征在于，所述的交流接觸器(1)和電流繼電器(2)分別有3個，分別安裝在三相電纜的三根接地線上。
3.如權利要求1所述的電力電纜外護套絕緣的在線檢測裝置，其特征在于，所述的電流保護繼電器(3)的動作電流為12.5A。
4.如權利要求1所述的電力電纜外護套絕緣的在線檢測裝置，其特征在于，所述的電容器(4)為干式電力電容器。
5.如權利要求1所述的電力電纜外護套絕緣的在線檢測裝置，其特征在于，所述的AD采樣器(12)采樣率為20kHz。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線檢測裝置，包括交流接觸器、電流繼電器、過電流保護繼電器、電容器、避雷器、限流電阻、二極管、取樣電阻、直流電源、信號調理模塊、A/D采集模塊、單片機、主控板、顯示模塊和串口通訊模塊等。本發(fā)明的交聯聚乙烯電力電纜外護套絕緣在線檢測裝置，能夠對三相電纜進行自動循環(huán)檢測，能及時發(fā)現護套絕緣受損而導致絕緣破壞的情況發(fā)生，以判斷電纜外護套的老化狀況，裝置能夠進行閾值報警，具有串口通訊功能，可將檢測結果通過串口傳送給計算機，并可通過串口進行參數修改。
文檔編號G01R31/08GK1564009SQ200410025980
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月22日 優(yōu)先權日2004年3月22日
發(fā)明者成永紅, 趙勇, 陳小林, 呂一航, 任成燕 申請人:西安交通大學