基于相位差法的電力設(shè)備高精度在線檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

肖海紅+杜曉+王宜澤+王樹(shù)朝

摘 要： 為解決介質(zhì)基于相位差測(cè)量方法絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)準(zhǔn)確度低的問(wèn)題，采用相位、周期同時(shí)測(cè)量的辦法，設(shè)計(jì)了一種高精度的介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀。本文描述了基于相位差測(cè)量方法的 測(cè)量原理、給出了測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明，該方案成本低、精度高、使用方便，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：相位測(cè)量 周期測(cè)量 測(cè)量

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

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(cè)一直受到電力工程師們的重視。常用的絕緣檢測(cè)采用周期性的預(yù)防性檢測(cè)方法，這種檢測(cè)方法，既需停電作業(yè)，影響生產(chǎn)，而且不能及時(shí)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(yùn)行，因此，研制電力設(shè)備絕緣性能在線檢測(cè)儀具有重要意義。

電力設(shè)備絕緣性能的一個(gè)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(chǎng)下，介質(zhì)內(nèi)流過(guò)的電流向量和電壓向量之間的夾角的余角δ，簡(jiǎn)稱介損角。通過(guò)檢測(cè)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(cè)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(cè)方法各有優(yōu)劣，而傳統(tǒng)的相位差測(cè)量介質(zhì)損耗角采用的方法是通過(guò)測(cè)量流過(guò)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(jì)算tgδ的數(shù)值。這種測(cè)量方法，主要用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)量，無(wú)法完成在線測(cè)量。為此，設(shè)計(jì)了一種相位差、周期同時(shí)測(cè)量的高精度 在線檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀避免了實(shí)時(shí)頻率對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量的影響，滿足國(guó)標(biāo)《固體電工絕緣材料在工頻、音頻、高頻下相對(duì)介電系數(shù)和介質(zhì)損耗角正切試驗(yàn)方法》GB1409—78和《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》DL/T595-1996。

一、測(cè)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(cè)量出來(lái)電壓、電流夾角 ，就可以計(jì)算介質(zhì)損耗角 ，進(jìn)而計(jì)算出絕緣介質(zhì)損耗因數(shù) 。

是一項(xiàng)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(qiáng)，當(dāng)δ接近90°時(shí)，介質(zhì)被完全擊穿，成為了純電阻電路。

2.相位差法測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)原理

電壓、電流信號(hào)的周期、相位信號(hào)波形過(guò)程如圖2所示。

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

設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用CPLD構(gòu)造周期T和相位寬度計(jì)數(shù)器，同時(shí)測(cè)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(jì)

根據(jù)測(cè)量原理，在線監(jiān)測(cè)儀主要由電壓檢測(cè)電路、微電流檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路和單片機(jī)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(cè)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(chǎng)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(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)。采用美國(guó)vernier公司的INA-BTA型微電流互感器，將小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

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

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(hào) ，兩個(gè)信號(hào)高電平期間，CPLD內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，完成周期和相位寬度測(cè)量。

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

二、檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀硬件電路包括電壓取樣、電流取樣、信號(hào)處理、波形變換等電路，本文重點(diǎn)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(jiàn)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(cè)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(hào)產(chǎn)生電路，信號(hào)采集電路輸出的電壓、電流信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為周期信號(hào)。

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

2.計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成

CPLD內(nèi)部構(gòu)造兩個(gè)32位門(mén)控計(jì)數(shù)器，用以在測(cè)量周期和相位時(shí)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(hào)T為周期信號(hào)或相位信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器以CLK頻率加1計(jì)數(shù)；輸入為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，并輸出到緩沖器，同時(shí)一引腳輸出高電平，等待單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。單片機(jī)讀取32位數(shù)據(jù)后將計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)清0。

3.CPLD與單片機(jī)接口電路

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

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

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

三、檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀采用51系列單片機(jī)完成介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量，單片機(jī)工作流程如圖7所示。

單片機(jī)復(fù)位后，進(jìn)入初始化模塊。初始化模塊完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)部RAM、定時(shí)器及引腳電平設(shè)置，以使單片機(jī)準(zhǔn)確控制電子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

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

其他工作模塊指的是本檢測(cè)儀其他功能，譬如：存儲(chǔ)、讀鍵、鍵處理、通信。

四、測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)組建完成后 ，在實(shí)驗(yàn)室選擇不同大小的標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容搭建等效電路，并對(duì)等效電路進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1.

結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的在線檢測(cè)儀，具有實(shí)時(shí)在線檢測(cè)電力設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)功能，周期、相位同時(shí)測(cè)量方法，減少了分時(shí)測(cè)量所引起的測(cè)量誤差。本儀器的設(shè)計(jì)避免了了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試給用戶帶來(lái)的不便。在不斷電的情況下對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，更避免了頻率變化給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的誤差，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)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(cè)量技術(shù)研究及儀器儀表研制。