基于相位差法的電力設(shè)備高精度在線檢測儀設(shè)計

肖海紅+杜曉+王宜澤+王樹朝

摘 要： 為解決介質(zhì)基于相位差測量方法絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)準(zhǔn)確度低的問題，采用相位、周期同時測量的辦法，設(shè)計了一種高精度的介質(zhì)損耗因數(shù)測試儀。本文描述了基于相位差測量方法的 測量原理、給出了測試儀硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方法。實驗證明，該方案成本低、精度高、使用方便，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：相位測量 周期測量 測量

中圖分類號：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）12-0270-03

據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)110KV以上變壓器80%的事故是由電力設(shè)備的絕緣擊穿事故引起[1]，因此，電力設(shè)備絕緣監(jiān)測一直受到電力工程師們的重視。常用的絕緣檢測采用周期性的預(yù)防性檢測方法，這種檢測方法，既需停電作業(yè)，影響生產(chǎn)，而且不能及時發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備故障，使得電力設(shè)備可能在故障狀況下運行，因此，研制電力設(shè)備絕緣性能在線檢測儀具有重要意義。

電力設(shè)備絕緣性能的一個重要參數(shù)是絕緣介質(zhì)損耗因數(shù) 。介質(zhì)損耗角δ是在交變電場下，介質(zhì)內(nèi)流過的電流向量和電壓向量之間的夾角的余角δ，簡稱介損角。通過檢測介損角大小，可以得到電力設(shè)備電容量變化，從而看出設(shè)備絕緣介質(zhì)老化程度。

常用的絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測方法有電橋法、伏安法、自由軸法、相位差法、基波相位分離法等。這些檢測方法各有優(yōu)劣，而傳統(tǒng)的相位差測量介質(zhì)損耗角采用的方法是通過測量流過試品容性電流與標(biāo)準(zhǔn)電容器電流的相角差，從而可以計算tgδ的數(shù)值。這種測量方法，主要用于實驗室試驗測量，無法完成在線測量。為此，設(shè)計了一種相位差、周期同時測量的高精度 在線檢測儀，該檢測儀避免了實時頻率對介質(zhì)損耗因數(shù)測量的影響，滿足國標(biāo)《固體電工絕緣材料在工頻、音頻、高頻下相對介電系數(shù)和介質(zhì)損耗角正切試驗方法》GB1409—78和《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》DL/T595-1996。

一、測量原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.介質(zhì)損耗角

取得試品的電流向量I和電壓向量U，可以得到如圖1所示相量圖及等效電路圖[2]。

受損的絕緣介質(zhì)等效為純電阻和純電容并聯(lián)電路，加載到試品電壓U經(jīng)電阻電容并聯(lián)電路，產(chǎn)生相位超前的電流，電流和電壓的夾角余弦稱為相介質(zhì)損耗角。從圖1看出，只要測量出來電壓、電流夾角 ，就可以計算介質(zhì)損耗角 ，進(jìn)而計算出絕緣介質(zhì)損耗因數(shù) 。

是一項反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo)，δ越大受損越強，當(dāng)δ接近90°時，介質(zhì)被完全擊穿，成為了純電阻電路。

2.相位差法測量介質(zhì)損耗因數(shù)原理

電壓、電流信號的周期、相位信號波形過程如圖2所示。

正弦信號UP、IP經(jīng)過零比較器產(chǎn)生矩形波信號UP、IP，矩形波經(jīng)二分頻電路，產(chǎn)生周期為源信號兩倍的周期波信號TU、TI。，TU、TI。的同向過零點時間差構(gòu)成電壓、電流相位信號 。采用二分頻形成周期波避免了比較器過零點電位不等所引起的相位漂移，提高了測量準(zhǔn)確度。

設(shè)計過程中，采用CPLD構(gòu)造周期T和相位寬度計數(shù)器，同時測量出周期T和相位，則相位差為：

（1）

相應(yīng)的，介質(zhì)損耗因數(shù)： （2）

3.系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)測量原理，在線監(jiān)測儀主要由電壓檢測電路、微電流檢測電路、信號處理電路和單片機組成，總體框圖如圖3所示。

圖3中，電壓、電流互感器電路是本檢測儀的輸入通道，電壓互感器及電壓取樣電路由安裝設(shè)備的電壓互感器和儀表內(nèi)部電壓取樣電路組成。高壓互感器用以將現(xiàn)場高電壓轉(zhuǎn)換為100V或57.7V電壓；儀表內(nèi)部采用電阻分壓方式，將強電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號。采用美國vernier公司的INA-BTA型微電流互感器，將小電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

信號處理電路完成電壓、電流信號的濾波、放大并經(jīng)過零比較器產(chǎn)生圖2所示的矩形波信號。

CPLD構(gòu)成的相位、周期產(chǎn)生電路產(chǎn)生圖2中周期TU和相位信號 ，兩個信號高電平期間，CPLD內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)，完成周期和相位寬度測量。

單片機讀取CPLD輸出的周期和相位數(shù)據(jù)，計算出 ，進(jìn)行相應(yīng)處理。

二、檢測儀硬件設(shè)計

檢測儀硬件電路包括電壓取樣、電流取樣、信號處理、波形變換等電路，本文重點介紹CPLD構(gòu)成的周期、相位產(chǎn)生電路，其他電路參考文獻(xiàn)[2]，相關(guān)CPLD代碼見參考文獻(xiàn)[4]。

1.周期、相位產(chǎn)生電路構(gòu)建

根據(jù)脈寬填數(shù)測量相位原理，本電路構(gòu)造了基于CPLD的周期和相位產(chǎn)生電路，RTL電路圖如圖4所示。

b 相位形成電路

圖4a為電壓、電流周期信號產(chǎn)生電路，信號采集電路輸出的電壓、電流信號經(jīng)比較器轉(zhuǎn)換為矩形波。構(gòu)造CPLD內(nèi)部二分頻電路，將矩形波信號轉(zhuǎn)換為周期信號。

圖4b是相位形成電路，該電路完成電壓信號（A）和電流信號（B）下降沿之間輸出高電平（y）。設(shè)計了兩個VERILOG進(jìn)程，在一個進(jìn)程中，判斷電壓信號下降沿來臨時電流電平并標(biāo)記狀態(tài)；另外一個進(jìn)程中，采用電平敏感信號，通過判斷第一個進(jìn)程的標(biāo)記狀態(tài)，給出相應(yīng)y（相位信號）輸出電平。

2.計數(shù)器電路構(gòu)成

CPLD內(nèi)部構(gòu)造兩個32位門控計數(shù)器，用以在測量周期和相位時間寬度，RTL原理圖如圖5所示。

圖5中，clk為CPLD工作頻率，輸入信號T為周期信號或相位信號，當(dāng)輸入信號為高電平時，計數(shù)器以CLK頻率加1計數(shù)；輸入為低電平時停止計數(shù)，并輸出到緩沖器，同時一引腳輸出高電平，等待單片機讀取數(shù)據(jù)。單片機讀取32位數(shù)據(jù)后將計數(shù)器數(shù)據(jù)清0。

3.CPLD與單片機接口電路

為使8位數(shù)據(jù)寬度的51系列單片機讀取32位數(shù)據(jù)，構(gòu)造了CPLD內(nèi)部分時輸出電路，CPLD與單片機接口電路如圖6所示。

DIN[31：0]為圖5所示兩個32位計數(shù)器輸出，在LOAD為高電平期間，單片機順序地分時讀出32位數(shù)據(jù)。單片機共發(fā)送4個CLK信號，第一個讀信號（CLK），讀取低8位數(shù)據(jù)，最后一個CLK信號，讀取高8位數(shù)據(jù)，用以計算介質(zhì)損耗因數(shù)。

LOAD信號為CPLD輸出的電平指示器，由單片機控制，為高電平時，允許輸出數(shù)據(jù)，為低電平時，輸出高阻態(tài)，以免影響單片機系統(tǒng)的正常運行。

三、檢測儀軟件設(shè)計

本檢測儀采用51系列單片機完成介質(zhì)損耗因數(shù)測量，單片機工作流程如圖7所示。

單片機復(fù)位后，進(jìn)入初始化模塊。初始化模塊完成對單片機內(nèi)部RAM、定時器及引腳電平設(shè)置，以使單片機準(zhǔn)確控制電子系統(tǒng)運行狀態(tài)。

初始化完成后，單片機判斷CPLD是否完成周期和相位信號的測量，若在規(guī)定時間內(nèi)，檢測到的LOAD信號一直為低電平，表示該檢測儀未接入被試品，則顯示器一直顯示“0.00“；若規(guī)定時間內(nèi)LOAD信號有高電平輸出，則分時讀取兩個32位計數(shù)器數(shù)值，然后計算介質(zhì)損耗因數(shù)并顯示。

其他工作模塊指的是本檢測儀其他功能，譬如：存儲、讀鍵、鍵處理、通信。

四、測試結(jié)果

系統(tǒng)組建完成后 ，在實驗室選擇不同大小的標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容搭建等效電路，并對等效電路進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1.

結(jié)束語

設(shè)計的在線檢測儀，具有實時在線檢測電力設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)功能，周期、相位同時測量方法，減少了分時測量所引起的測量誤差。本儀器的設(shè)計避免了了實驗室測試給用戶帶來的不便。在不斷電的情況下對電力設(shè)備進(jìn)行測試，更避免了頻率變化給測試結(jié)果帶來的誤差，具有一定的推廣價值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳天翔，盧華祥，張保會，馬曉燕，李彪.電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]丁偉民，許春雨，宋建成.一種礦用高壓電纜介質(zhì)損耗在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].工礦自動化，2010，（07）：9-12.

[3]王克甫，肖海紅.基于PSoC的工頻相位差測量儀設(shè)計.電氣應(yīng)用，2013，32（20）：84-87.

[4]Xiao Haihong， Chen Tao.Design of signal generator circuit for three- phase power frequency testing power supply based on SOPC[J]. Energy Education Science and Technology Part A： Energy Science and Research.2013 Volume （issues） 31（3）： 1501-1506.

[5]JJF-1095-2002《電容器介質(zhì)損耗測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》[S].北京：中國計量出版社，2002.

作者簡介：肖海紅，（1966-），男，河南蘭考人，漢，河南工程學(xué)院教授，從事電氣測量技術(shù)研究及儀器儀表研制。