复合绝缘子转轮法老化试验系统设计与开发

刘洋，王建国，方春华，蔡力，薛健

(1．武汉大学电气工程学院，武汉430072；2．江苏省电力试验研究院有限公司，南京211100)

0 引言

复合绝缘子转轮法的研究在20 世纪80 年代就已经开始，但在其后并没有得到较大的发展[1]。近年来，复合绝缘子在全世界范围内得到大量的应用[2-5]，复合绝缘子的使用寿命成为电力系统普遍关心的问题，为此国内外科研机构为研究复合绝缘子老化性能开展了各种人工加速老化试验[6]，在老化试验方法的讨论中，考虑到50O0h 老化试验过于复杂，因此转轮法试验被重新推荐为复合绝缘子老化试验标准，加拿大电子委员会很快就拟定了CEALWIWG-1996 标准[7]，国际电工委员会随即颁布了IEC 62217 标准[8]，作为复合绝缘子的一种简单老化试验方法，用于检验复合绝缘子生产中材料的选择和产品的设计，转轮法在韩国、美国和加拿大以及北美地区有着广泛的应用[9-13]，而中国转轮法试验系统研究的较少，目前仅清华大学研制出采用步进电机控制的转轮法装置[14-18]。

笔者开发了一套双转轮结构的复合绝缘子转轮法试验系统，由机械传动装置和泄漏电流采集测量系统两个部分组成，采用三相异步电机配合槽轮机械传动的工作方式，利用槽轮结构解决了长期工作时电机频繁启动关闭造成电机损坏的问题，提高了设备的可靠性，系统通过控制台按键设定转动方向和转动圈数，由位置信号继电器反馈工作状态，采用三级保护电路用于传感器保护，开发了一套基于LabVIEW8.0程序的泄漏电流分析软件，整个试验系统自动化程度高，操作简便。

1 转轮法试验系统工作原理

转轮法试验作为复合绝缘子加速老化试验，主要使绝缘子间隔性地染污和加压，考核其耐漏电起痕能力。试验前将绝缘子在互差90°方向固定在中间转盘上，系统工作时每支绝缘子在4个位置依次各停留40s，即每支试品在盐水中浸泡40s，然后旋转到水平位置自然干燥40s，接着旋转到最高位置加电压40s，再经过水平位置40s休息时间后重新进入盐水池中浸泡，依此循环进行试验，一次试验需要依照标准试验程序旋转3万转，历时约70天，转轮法试验示意图见图1。

2 转轮法机械传动装置

系统在工作时试品每旋转90°需要停留40s间进行加压试验，若采用步进电机控制转盘的转动和停止也可以满足要求，考虑到长时间工作时电机频繁开合会影响电机安全和使用寿命，因此文中设计了一套槽轮传动机构，在保证电机始终闭合工作状态下采用机械传动的方式实现转盘的40s止和10s转动，槽轮机构是一种应用较广的间歇运动机构，槽轮机构由带有均布的开口径向直线槽的槽轮和带有柱销的槽轮动力盘组成，利用三相异步电机配合减速器带动槽轮动力盘连续转动，动力盘上柱销进入轮槽驱动槽轮转动，当动力盘曲柄和槽轮转过一定角度2φ后，曲柄上的柱销开始离开槽轮，曲柄继续转动2π-2φ角期间，从动槽轮停歇，槽轮固定在中轴上，中轴两端连接着带有试品的转盘，该系统采用四槽轮，双转轮结构，由位置信号继电器反馈当前转动圈数，槽轮传动机构和系统侧面及正面图见图2、3。

3 泄漏电流采集测量系统

泄漏电流采集测量系统主要由电流传感器、传感器保护电路、数据采集卡和LabVIEW分析软件4个部分组成，工作时泄漏电流通过电流传感器采样，转换成模拟信号，再由数据采集卡进行A/D 转换，输出到计算机通过LabVIEW分析软件完成测量、数据存储和在线监测等功能，高压测量信号通过电压互感器引入，测量系统结构见图4。

3.1 电流传感器

电流传感器是测量泄漏电流的重要元件，为了保证传感器元件本身不被瞬态电压和冲击电流破坏，采用大功率电阻式电流传感器，避免了波形畸变的问题，电流传感器原理见图5, R1和R2为取样电阻，电流传感器将电流信号变换为电压信号，通过开关器件将幅值大小不同的泄漏电流分别采集，I1和I2分别为测量幅值大和幅值小的泄漏电流。

泄漏电流动态测量范围为0.1mA～100mA，最大值和最小值相差1k倍，采集卡的输入电压是士10V，为保证电压＜10V且满足测量精度要求，取样电阻阻值的选取是关键，通过试验发现，R2阻值选择不应过大，R1电阻值越小，信噪比越低，波形受背景噪音影响较大，见图6，当R1阻值等于500Ω时，0.1mA泄漏电流波形平滑干净，能够满足要求。

3.2 传感器保护电路

为了防止试验中泄漏电流的瞬间变化和试品发生闪络击穿会对传感器测量系统造成冲击和损坏，必须设计一种可靠快速的保护电路，限制采样电阻两端的电压，由于突变的电流信号响应时间较快，因此选择氧化锌压敏电阻、瞬态电压抑制器和气体放电管组成的三级保护电路，瞬态电压抑制器（TVS）是一种硅PN结保护器件，当TVS的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它以1012s量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高幅值的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护线路中的元器件，氧化锌压敏电阻是由半导体氧化锌颗粒和含杂质偏析的晶界所构成的多晶结构，具有非线性指数高、通流能力大的特点，气体放电管为一种放电间隙，能在几十到几百微秒中形成放电通道泄放冲击电流能量[19-20]。

3.3 数据采集卡

通过实际测量泄漏电流脉冲信号可知，泄漏电流频率主要在1kHz以内，通常采样频率fs与信号的最高频率fc需满足采样定理，即fs≥2fc，转轮法试验复合绝缘子表面泄漏电流中谐波含量丰富，其中3次谐波含量较高，选择15kS/s的采样率能够满足采样需求，采样位数的选择决定采样的精度，在采样率一定的情况下，采样位数越高，采集的精度越高，采样位数的提高同样增加了数据存储容量，加大了数据处理的难度。

综合考虑数据采集卡的最大测量范围和待测信号范围等因素，采样位数选择16位，根据计算可得出A/D 转换器能区分出的输入电压信号精度为1V×2×LSB＝2/216＝0.0305mV，因此当电流达到0.1mA 时，将能准确测量，该系统选择了NI公司推出的M系列多功能数据采集卡PCI-6221，最高采样率为250Ks/s , 16路单端接或8差分模拟量输入，分辨率：16-Bit , 16路模拟输入；两路16位模拟输出(833Ks/s),NI-DAQ软件和硬件配置程序支持。

3.4 泄漏电流分析软件

LabVIEW是由美国NI公司推出的目前应用广泛的虚拟仪器软件，它具有高效的图形化程序设计环境，结合简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，为用户提供了一个直觉式的系统平台，该系统泄漏电流分析软件主要是基于LabVIEW8.0程序平台开发，软件主要包括泄漏电流波形测量和显示、泄漏电流特征量的提取和数据存储和调用3个部分，泄漏电流分析软件流程图见图7，系统采用循环采样的方法实时显示泄漏电流波形，可定时存储和调用，具有特征量提取的功能便于对波形进行分析。

泄漏电流分析软件采用分屏显示的方式，每屏显示4个通道的波形，泄漏电流特征量的提取必须将脉冲信号和基波信号分离，采用数字滤波器的方法具有一定缺陷，对实际泄漏电流分析可知，采用高通滤波会大大降低脉冲信呼幅值，影响泄漏电流特征量的提取，笔者提出一种非滤波方式工频和脉冲电流分离的方法，首先确定试验初始阶段泄漏电流的最大值，即未出现脉冲电流时工频泄漏电流的峰值绝对值，将此值设为阈值，每次读取一个整周波，判断其峰值绝对值是否大于闭值，若未超过，则认为此周波无脉冲，并将这个周波存入基波分量数组，若超过，舍弃该周波。如此循环待读完指定的周波后，用原始电流减去基波电流分量，便得到脉冲泄漏电流分量，实现了脉冲信号的统计计数，在后期的试验中验证了这一方法的可行性。如图8所示，利用泄漏电流分析软件从实时的泄漏电流波形中提取的泄漏电流特征量有泄漏电流峰值、各档脉冲数、峰值电流对应脉冲累计电量、基波电流最大值和脉冲电流最大值。

软件的存储模块主要包括泄漏电流特征量存储、原始数据存储和手动存储，工作时系统会创建一个表格用于存储特征量文件，每隔一定的时间（可任意设定）系统将分析获得的最新泄漏电流特征量添加至表格的末尾，一段时间的全部数据都放在一个excel文档中。原始数据存储模块以定时存储为主，用户可调整时间，到达规定的时间后，数据将按通道和当前时间自动命名，每次存入1500个点，方便后期数据处理。

3.5 抗干扰措施

为了防止当泄漏电流较低时，外界的电磁干扰和背景噪声对测量信号的影响，采取了一些抗干扰措施，将所有的连接导线采用屏蔽电缆，屏蔽电缆的屏蔽层采用一点接地的方式，一方面防止产生环路电流，引起地电位的抬升，另一方面可以有效的防止干扰信号经电缆引入，同时采用隔离变压器给计算机供电，可有效减噪声，见图9，通过加隔离变压器后，噪声幅度可减少十几倍。

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4 泄漏电流测量系统的验证

为了验证泄漏电流波形测量的准确性，利用任意波形发生器产生不同幅值和不同频率的正弦波、方波、斜坡状波和三角波与泰克示波器对比，对泄漏电流测量系统进行验证，实验结果表明，系统测量准确性较高，相对于示波器结果误差＜l.7%，实验数据见表l～2，系统采集的波形见图10。

利用该套泄漏电流测量系统进行了复合绝缘子转轮法试验，对试验不同阶段的复合绝缘子表面泄漏电流进行了测量，通过对泄漏电流波形的分析可以得到转轮法试验过程中复合绝缘子表面泄漏电流的变化分为4个阶段，见图11(a)-(d)，分别为初始阶段(0-2s)、波形畸变阶段(2-5s)、局部放电阶段(5-10s)，剧烈放电阶段(10-40s)。硅橡胶复合绝缘子在刚接触高压电极时泄漏电流最大，泄漏电流波形由正弦波开始出现畸变，干弧带的地区出现局部放电，随后在硅橡胶伞间和护套部位出现大面积刷状放电，脉冲信号持续产生。

5 结语

利用槽轮机械结构和泄漏电流采集测量系统设计了一套适用于复合绝缘子转轮法试验系统，并详细介绍了整个试验系统的机械传动结构、电流传感器原理、传感器保护电路、数据采集卡和LabVIEW分析软件，采取了用屏蔽电缆代替所有连接线、电缆屏蔽层一端接地和加装隔离变压器的方法防止噪声和外界电磁干扰，最后通过任意信号发生器产生标准波形对泄漏电流测量系统进行验证。实验表明，该系统自动化程度高，操作简单，测量数据准确可靠，机械系统和泄漏电流测量系统稳定性高，对复合绝缘子转轮法老化试验的深入研究提供了良好的基石。

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