基于Matlab的絕緣材料電氣性能測試系統(tǒng)設計

雷 霆，閆國兵，鐘力強，王流火，王 柯

(1.廣東電科院能源技術有限責任公司，廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣州 510080)

0 引言

絕緣材料一般指的是電阻率特別高的物質(zhì)，他能夠?qū)⑽矬w中的不同電位的帶電體分隔開來，從而起到保護和隔離的作用，因此在我們?nèi)粘Ｉ畹膽锰貏e廣泛[1]。對于電氣設備而言，絕緣材料不僅是產(chǎn)品先進性的保證，更是保障其能夠安全地、可靠地和穩(wěn)定地運行的決定性因素。比如常見的配電用干式變壓器中，一次和二次線圈使用了絕緣紙等材料來實現(xiàn)高低電位的隔離。當紙受到了過高的電壓時，部分材料可能會因為周圍強電場的影響而析出游離態(tài)的電子，這類電子如果逐漸聚集起來之后就有可能引發(fā)局部放電現(xiàn)象，嚴重時可能會導致材料被擊穿甚至出現(xiàn)短路現(xiàn)象造成更大的危害[2-3]。因此，電氣設備的絕緣性能的好壞也決定著電網(wǎng)是否能長期穩(wěn)定的運行，任何設備在投入運行前必須要對其的絕緣性能進行必要的檢測[4-8]。通常情況下，我們會使用絕緣耐壓測試儀等專門的儀器來對材料進行絕緣性能試驗。不過，這種專用設備的功能比較單一，試驗只能按照廠家提供的方式進行，可調(diào)節(jié)和可更改的參數(shù)較少造成擴展性也較差，特別是該設備無法兼容新興的絕緣性能評價方法，比如頻域介電響應方法：在被測材料上施加不同頻率的交變電場，測量試驗電壓與流過介質(zhì)的電流產(chǎn)生相位差來對被測物的絕緣性能進行評估[9-10]。本文通過選用一些在電力試驗所常見的儀器與設備，設計了一套簡單易行且操作方便的絕緣材料測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具備對絕緣材料在直流跟工頻電壓下的常規(guī)檢測能力，而且由于添加了能夠消除頻率響應函數(shù)影響的前置濾波器，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對被測物體在不同頻率的電壓條件下的試驗功能。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)達到了設計指標，并且能夠滿足我們在日常工作中的測試需要，實現(xiàn)了研發(fā)該系統(tǒng)的目的。

1 絕緣性能測試方法

1.1 常規(guī)絕緣性能測試方法

常規(guī)絕緣材料的電氣性能測試方法是被測物體處于特定測試條件下，通過相應的電氣試驗進行分析，方便迅速地判別絕緣材料的性能，可用于類似于品質(zhì)控制或者類似目的。這項測試主要是用于檢測因工藝變更、材料老化或者其他由環(huán)境情況引起的絕緣性能相較于正常值的變化或偏離[4-6]。

一般來說，絕緣材料的電氣性能會隨著溫度和水分含量而變化，為提高試驗的準確性，在實驗前需要對被測物體進行預處理，通常的做法是將試樣放置在溫度為23(±2) ℃、相對濕度為50(±5)%的標準大氣環(huán)境中靜置不少于24小時。

絕緣性能測試時需要注意的試驗條件主要有環(huán)境條件、試驗電極和試驗電壓信號。

試驗的環(huán)境條件指的是試驗時的溫度、氣壓和濕度等，選取的試驗環(huán)境則不應與被測物體發(fā)生顯著的相互作用為宜。例如電壓等級較低的試驗，就可以直接在空氣中進行，而電壓等級較高的試驗則需要在專門的環(huán)境中進行(變壓器油)，防止在電極邊緣的放電現(xiàn)象對測試的準確性造成比較大的影響。

試驗電極應隨著被測物體的形狀、大小等物理特性而改變，選取的準則為電極不應改變被測物體周圍的電場分布為宜。例如，對板狀或者片狀的材料進行試驗時，電極應垂直于材料表面且接觸面應光滑和清潔。

試驗電壓信號是測試時重要的試驗條件之一。測試時需選擇適當?shù)纳龎悍绞?，常見的有快速升壓、慢速升壓、非常慢速升壓以及逐?梯形)升壓方式。

1.2 頻域介電響應測試方法

頻域介電響應(frequency domain spectroscopy，F(xiàn)DS)是一種新興的絕緣狀態(tài)評估方法。頻域介電響應方法是通過對被測物體施加一定頻率范圍(通常為1 mHz～5 kHz之間頻率信號)內(nèi)的電壓并測量流過介質(zhì)的電流，然后計算在不同頻率下的復介電常數(shù)、介損等參量，最后得到相應的頻譜圖，利用圖中的譜線提取出某些特征參數(shù)來對被測物體的絕緣狀態(tài)評估[9-10]。在 FDS 的試驗頻率范圍以內(nèi)，受到外部電場的影響，介質(zhì)中會出現(xiàn)如偶極子的極化(極化過程耗時10-10～10-2秒)、空間電荷極化(極化過程耗時 10-1～104秒)以及界面極化(極化過程耗時 10-1～104秒)等松弛型極化，被測材料如發(fā)生過類似老化降解等現(xiàn)象，其弛豫特性會產(chǎn)生變化，相較于正常時會存在一定的偏差。相關的研究表明，復介電常數(shù)與電介質(zhì)的損耗聯(lián)系緊密。通常，電介質(zhì)損耗可根據(jù)損耗的特性劃分為電導損耗和極化損耗。當介質(zhì)上所施加的電壓頻率較高時，極化損耗會相對增加更多而表現(xiàn)的占優(yōu)勢。在低頻區(qū)域，因為介質(zhì)兩端電極因電場分布而出現(xiàn)累積電荷的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可稱為電極極化，通常會造成介電常數(shù)量值異常高的現(xiàn)象。同時，低頻電壓下，電介質(zhì)更多的表現(xiàn)為電阻特性，故電介質(zhì)的損耗主要是電導損耗。因此，在低頻區(qū)域，考慮在電極極化和電導損耗造成介電常數(shù)升高的情況下，極化損耗不太明顯則很容易被噪聲所掩蓋。綜上，電介質(zhì)的頻域介電響應的測量需要選擇合適的頻率區(qū)間。

2 系統(tǒng)設計

為了滿足能夠測試絕緣材料的這個目的，我們所設計的測試系統(tǒng)不僅應具備產(chǎn)生高電壓的能力，而且也能夠?qū)υ囼炛械母黜梾?shù)進行監(jiān)測以滿足不同的測試需求[11-12]。因為高電壓會對設備及其操作人員而言存在比較大的風險，所以該系統(tǒng)又必須充分考慮針對人員與設備的保護措施。整體的系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本文所設計的測試系統(tǒng)的主要指標由表1所示。

表1 測試系統(tǒng)

2.1 高電壓發(fā)生模塊

絕緣材料的測試通常是需要對被測物體施加一個較高的電壓，有時也需要將電壓維持一段時間來檢測該絕緣材料是否能夠滿足相應的標準[4-6]。通常，用于此類試驗的電壓是直流或工頻交流電壓，而常用的升壓方式有線性升壓與梯度升壓等。本文設計的高電壓發(fā)生模塊，如圖2所示，由Matlab軟件、數(shù)據(jù)采集輸出卡(DAQ)、功率放大器、升壓變壓器、整流電路構成。測試信號首先通過Matlab軟件生成并使用該軟件內(nèi)的工具箱與外置的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ板卡)相連。數(shù)字化的測試信號通過DAQ完成數(shù)模轉(zhuǎn)換后作為模擬輸入信號進入功率放大器。隨后，測試信號經(jīng)過功率放大器進行功率的放大，再經(jīng)由升壓變壓器進行二次升壓形成滿足試驗條件的高壓電壓。因為絕緣材料的試驗電流都是毫安級別，試驗時所需的功率較小，故一般電壓互感器就可以作為升壓變壓器直接使用。直流高電壓的生成只需要在互感器后端添加橋式整流電路即可：互感器輸出的交流電壓在經(jīng)過橋式整流后輸出為脈動的直流電壓，只有經(jīng)過了電容器組的濾波，才能最后得到測試所需要的直流高電壓。

圖2 電壓發(fā)生模塊

以輸出直流高電壓為例，我們需要使用Matlab軟件對波形信號進行設置，如式(1)所示：

y(t)=Amaxsin(ωt)·f(t)

(1)

其中:Amax為輸出幅值，取值范圍為0到10 kV。正弦波是調(diào)用Matlab的庫函數(shù)來實現(xiàn)的，默認頻率為工頻50 Hz。f(t)為的升壓模式的選擇：比如線性升壓時，該函數(shù)為線性函數(shù)，使得輸出y的值按照設置的斜率線性上升；而當選擇梯形升壓時，該函數(shù)可看成分段函數(shù)，在各段函數(shù)內(nèi)，y的值會首先按照斜率線性上升，之后保持穩(wěn)定，最終實現(xiàn)階梯式上升的輸出電壓。

除了在工頻電壓下的測試之外，利用不同頻率的高電壓對被測材料的絕緣性能進行評估也有著很重要的意義[8-10]。不過，隨著頻率的升高，由于變壓器鐵芯的勵磁電流的不斷增加，即使輸入的信號的幅值保持不變，系統(tǒng)輸出的電壓也會不斷下降。特別是在信號頻率較高時，系統(tǒng)實際輸出電壓與預想的輸出電壓會存在比較大的偏差。在不考慮非線性等復雜原因的情況下，這種偏差可以用系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)(frequency response function,FRF)來進行解釋與消除，如式(2)所示：

(2)

其中:Vout(jω)為系統(tǒng)輸出頻譜，Vsignal(jω)為輸入信號頻譜。

由(2)式可知，系統(tǒng)輸出跟輸入信號和頻率響應函數(shù)有關。因為系統(tǒng)輸出的電壓會隨著頻率升高而不斷下降，在輸入信號幅值不變的情況下，可以得到G(jω)的幅值在隨著頻率逐漸下降。但當頻率繼續(xù)升高時，由于變壓器的勵磁電感可能會與電路中的寄生電容發(fā)生諧振，這會導致系統(tǒng)在該頻率附近輸出幅值很大的電壓，即G(jω)在諧振頻率處取得極大值。因此，為了減小系統(tǒng)輸出電壓所存在的偏差，我們需要利用系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)對Matlab信號進行前置濾波處理,如式(3)[13]。

Vsignal-filtered(jω)=Vout(jω)·G-1(jω)

(3)

其中:Vsignal-filtered(jω)為經(jīng)過前置濾波之后的信號頻譜。

根據(jù)傅里葉變換理論，波形信號對其頻譜進行反變換即可，如式(4)所示：

y(t)=F-1(Vsignal-filtered(jω))·f(t)

(4)

最后，還需要對波形信號的幅值大小進行檢查，保證信號幅值不會超過DAQ設備的輸出最大值VDAQ-peak，避免產(chǎn)生削頂?shù)那闆r產(chǎn)生。信號波形需滿足的條件如(5)所示：

MAX|y(t)|≤VDAQ-peak

(5)

可見，跟直流電壓的生成方式不同，交流信號的生成首先要在頻域里設計測試信號的幅值與香味等頻域信息，然后經(jīng)過前置濾波器濾波，最后利用傅里葉反變換獲得了信號的時域波形數(shù)據(jù)。對于交流電壓信號，采用頻域的方式能夠較方便的生成各種頻率信號，特別是當一個信號含有多種頻率成分時，只需要在頻域內(nèi)設置好不同的頻率分量的幅值與相位即可。系統(tǒng)最高的輸出頻率為5 kHz。

2.2 監(jiān)測與保護模塊

如上文所述，對于試驗系統(tǒng)來說，需要測量的物理量為施加在被測物體上的電壓以及回路電流。如圖1所示，對電壓和電流的測量分別是采用電容分壓器利用電容分壓原理獲得的低電壓信號Vu以及測量串聯(lián)在測試回路中的定值電阻上電壓降Vi來實現(xiàn)的。電壓和電流信號在經(jīng)過信號調(diào)理模塊處理之后，傳遞給DAQ設備完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸入到Matlab軟件并進行實時地展示與保存。由于試驗中被測物體存在隨時被高電壓擊穿的可能性，而擊穿后形成的短路電流會對設備，甚至是操作人員帶來很大的風險，所以良好的保護功能也在系統(tǒng)設計中也占有重要地位。本文主要是通過硬件上和軟件上來解決這個問題。首先我們在測量電路中串聯(lián)了限流電阻，作用就是抑制可能出現(xiàn)的短路電流大小。其次，回路中增加了熔斷器，當流過的電流超過熔斷器的定值時，熔斷器會熔斷使電路斷路。同時，為了防止絕緣材料在被擊穿之后的短路電流對信號采集卡造成危害，系統(tǒng)采用了AD215寬頻隔離放大器以及信號調(diào)理電路來對信號源和DAQ設備進行了隔離，如圖3所示，其中AD215采用了同相放大器的連接方式，輸出由式(6)給出：

VO=(1+RF/RG)×Vcurrent

(6)

圖3 AD215隔離放大器電路圖

關于測試時的保護功能，該測試系統(tǒng)也通過在軟件層面上予以實現(xiàn)。該功能的實現(xiàn)主要就是通過在試驗時，對電壓電流數(shù)據(jù)進行不間斷的實時采集，并對所采集到的數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)測試過程的實時監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況出現(xiàn)，軟件能夠自動判斷出存在異常并立刻停止測試且保存相關的數(shù)據(jù)。比如當電流讀數(shù)上升過快，電流的導數(shù)值超過了一定的閾值，測試系統(tǒng)馬上拋出異常并立刻停止測試。

2.3 測試系統(tǒng)的軟件設計

測量軟件是系統(tǒng)的重要的組成部分之一, 它不僅能為用戶提供簡潔的交互界面，也對系統(tǒng)的各個功能進行有效的控制, 使整個系統(tǒng)能夠安全、高效和穩(wěn)定地運行。測試系統(tǒng)軟件是基于Matlab 2016B 版本中的GUI模塊開發(fā)，該模塊能夠通過在界面中添加不同的控件，并編寫相應的響應函數(shù)來實現(xiàn)所設計的功能。通過添加GUI的顯示模塊，軟件界面能夠在系統(tǒng)運行時，實時地顯示通過硬件采集系統(tǒng)所測量到的電壓與電流值，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)界面

圖5為配置測試信號的界面，主要包含輸入、輸出信號、安全閾值和分壓器等參數(shù)設置，能夠很方便的讓試驗人員配置試驗時所用的諸如電壓等級、測試時長以及電壓的頻率等測試信號的參數(shù)。當在系統(tǒng)軟件界面上設置好所有的測試信號參數(shù)之后，啟動，系統(tǒng)就能夠按照所設置的測試方案自動進行測試。

圖5 系統(tǒng)設置界面

圖6為系統(tǒng)運行流程圖。可見當程序啟動以后，系統(tǒng)首先會讀取設置文檔，并根據(jù)該文檔信息生成信號的原始頻譜。然后，該信號的原始頻譜需要通過表征系統(tǒng)頻率響應函數(shù)的前置濾波器來進行濾波，并最終通過傅里葉反變換得到測試用的Vsignal-filtered時域信號。測試信號在經(jīng)過閾值判別成功后開始測試，否則系統(tǒng)會報錯并停止測試。系統(tǒng)會在測試時不斷地采集相關的電壓和電流數(shù)據(jù)并實時判斷時候是否存在異常直至測試結(jié)束。當數(shù)據(jù)采集完畢后，系統(tǒng)會對采集的數(shù)據(jù)進行濾波、分析并最終在界面和彈窗中展示出來。

圖6 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測試

為驗證本文所搭建的系統(tǒng)的性能，我們使用該系統(tǒng)進行了直流與交流電壓的測試。

3.1 直流電壓測試

圖7和圖8分別為系統(tǒng)對某絕緣材料進行直流電壓測試的電壓與電流信號波形圖。

圖7 直流電壓測試的電壓波形圖(絕緣材料)

圖8 直流電壓測試的電流波形圖(絕緣材料)

由直流電壓測試的波形圖可知，系統(tǒng)輸出的直流電壓能夠隨著時間而線性的進行升壓，其中輸出電壓的峰值為9.5 kV左右。如圖8所示，隨著電壓的增加，檢測到的泄露電流的幅值也逐漸上升。當系統(tǒng)在90 s附近停止電壓信號輸出時，由于電容器的作用，檢測到的電壓會緩慢下降而不是立刻降低。同時，由并聯(lián)電流分流原理，此時流過絕緣材料的電流幾乎為零。

圖9～11分別為系統(tǒng)對某干式變壓器器用絕緣紙進行直流電壓測試的電壓、電流信號以及濾波后的電流波形圖。在此項試驗中，出于安全性考慮，系統(tǒng)的電壓輸出閾值被設置為1 kV。由電壓波形圖可知，剛開始系統(tǒng)輸出電壓線性上升，當升至1 kV的峰值時，系統(tǒng)判斷輸出電壓超過設置的電壓輸出閾值，故系統(tǒng)立刻了停止測試并保存了相應的數(shù)據(jù)。試驗時泄露電流隨著電壓的增加而上升，但由于被測的電流信號較小，容易受到周圍環(huán)境中的噪聲的干擾，降低測量結(jié)果的準確性，如圖10所示。圖11為對電流信號使用移動平均濾波濾波器之后的結(jié)果，可見電流波形圖的噪聲基本被消除，圖像清晰度明顯提高。

圖9 直流電壓測試的電壓波形圖(絕緣紙)

圖10 直流電壓測試的電流波形圖(絕緣紙)

圖11 濾波后的直流電壓測試的電流波形圖(絕緣紙)

3.2 交流電壓測試

圖12和圖13分別為測試系統(tǒng)輸出交流電壓信號以及交流信號局部放大圖。由波形圖可知，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)線性升壓模式的交流電壓輸出，其中輸出電壓的峰值為10 kV左右。局部放大圖顯示所生成的交流電壓的頻率為50 Hz。 如上文所述，輸出信號的頻率可以根據(jù)需求在頻域中進行配置，比如我們要測量某絕緣材料從50 Hz到2 kHz的頻域介電響應，只需要在操作界面設置這兩種頻率并執(zhí)行即可，測試系統(tǒng)會以50 Hz的默認步長自動運行，并保存相應的試驗結(jié)果方便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

4 結(jié)束語

本文通過選用常見設備，設計了一套基于Matlab絕緣材料電氣性能測試系統(tǒng)。通過給輸入信號添加了前置濾波器來消除頻率響應函數(shù)對輸出電壓在不同頻率上的不利影響，保證了激勵信號的精度。在電流檢測上，通過采用溫度系數(shù)低的高精度電阻將電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，然后使用寬頻隔離放大器 AD215對信號進行調(diào)理以滿足DAQ輸入的阻抗匹配。實際實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅擁有常規(guī)的直流跟工頻檢測功能，也具備在不同頻率的電壓試驗的能力，適用于對被測物的絕緣性能進行綜合性評估，具有很高的工程應用價值。

圖13 交流電壓輸出測試局部放大圖