摘? 要: 介紹了以80C196為核心的介質(zhì)損耗因數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，使用了Flash Memory和高速A/D等技術(shù)，克服了一般測(cè)量系統(tǒng)在反接測(cè)量時(shí)的絕緣和干擾等問(wèn)題，達(dá)到了較高的測(cè)量精度。
關(guān)鍵詞: 介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ? 閃速存儲(chǔ)體? 高速A/D? 密封電池
介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ是反映高電壓電氣設(shè)備絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)測(cè)量tgδ可以反映出絕緣的一系列缺陷，如絕緣受潮、劣化變質(zhì)或絕緣中有氣體發(fā)生放電等。因此，在電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，要定期對(duì)反映設(shè)備絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行測(cè)量，若達(dá)不到一定標(biāo)準(zhǔn)，將不能繼續(xù)使用該電力設(shè)備。
長(zhǎng)期以來(lái)，tgδ的測(cè)量是通過(guò)QS-1電橋?qū)崿F(xiàn)的。但它的測(cè)試程序復(fù)雜，操作工作量大，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，自動(dòng)化水平低，并易受人為因素的影響，這些都限制了QS-1在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。
由于絕緣測(cè)量的重要性，一些單位開(kāi)展了數(shù)字化測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)的工作。但由于介質(zhì)損耗測(cè)量具有特殊性，如在反接時(shí)實(shí)際上是在極高的共模電壓下測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的絕緣、抗干擾性能有較高的要求，這些對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的數(shù)字化測(cè)量造成了困難。本課題組采用高速A/D、閃速存儲(chǔ)體(Flash Memory)和電池供電等技術(shù)，解決了測(cè)量時(shí)對(duì)絕緣和抗干擾能力的要求，測(cè)量精度也達(dá)到了QS-1的標(biāo)準(zhǔn)。由于本系統(tǒng)在信號(hào)輸入端采用和QS-1相同的接口，因此可以很方便地在實(shí)際測(cè)量中取代QS-1系統(tǒng)。
1 正接和反接條件下的介損測(cè)量
介損因數(shù)測(cè)量有正接和反接兩種方法，如圖1所示，其中Cx和Rx為試品的等值電容和等值電阻，Cn為無(wú)損標(biāo)準(zhǔn)電容，R1和R2為試品和參考電流的取樣電阻。對(duì)于一些重量比較輕且其外殼沒(méi)有和地形成不可分割狀態(tài)的電氣設(shè)備，可以用正接法對(duì)其測(cè)量，此時(shí)測(cè)量電壓主要集中在電容兩端，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地處于低電位，對(duì)系統(tǒng)的絕緣性能要求不高。對(duì)于一些重量很重或其外殼不能和地分開(kāi)的電氣設(shè)備，只能采用反接法測(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)，此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)工作在極高的共模電壓下(一般為10kV)，對(duì)系統(tǒng)的絕緣性能要求很高，若此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)仍采用220V交流電源供電，在電源變壓器的兩端要承受10kV以上的交流電壓，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
2 自動(dòng)數(shù)字介損測(cè)量系統(tǒng)
鑒于反接法在實(shí)際測(cè)量中的重要性，并考慮到系統(tǒng)的便攜性，本測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有采用一般系統(tǒng)的交流供電的方法，而使用重量很輕且可充電的密封電池(Sealed Battery)供電。在實(shí)際系統(tǒng)中，采用了6V4Ah/20HR密封鉛蓄電池。經(jīng)試驗(yàn)，在一次充電之后，系統(tǒng)可以連續(xù)工作5個(gè)小時(shí)以上，完全滿足實(shí)際測(cè)量的要求。
另外，為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度并減小測(cè)量人員的風(fēng)險(xiǎn)，本系統(tǒng)采用了自動(dòng)測(cè)量的方式。如在反接方式下，測(cè)量人員連接好相應(yīng)連線后，打開(kāi)測(cè)量系統(tǒng)的電源開(kāi)關(guān)并按下測(cè)量鍵，此時(shí)只需給試品提供測(cè)量電壓而不用再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。當(dāng)電壓升高到一定閾值后，測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。約一分鐘后，系統(tǒng)即可測(cè)量完畢，并將結(jié)果保存到閃速存儲(chǔ)體中。這時(shí)測(cè)量人員可退下測(cè)量電壓，在無(wú)高壓存在的情況下將測(cè)量結(jié)果讀出。為方便測(cè)量人員讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)配備了字符式液晶，按下計(jì)算鍵后，即可將結(jié)果顯示在液晶屏上。為了便于操作，系統(tǒng)還安裝了3個(gè)發(fā)光二極管，根據(jù)發(fā)光二極管的亮、滅和閃爍，測(cè)量人員可以了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖2所示。
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3 提高精度的幾個(gè)措施
為提高測(cè)量的可靠性，本系統(tǒng)沒(méi)有采用一般的過(guò)零比較法，而是使用A/D芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并使用數(shù)字信號(hào)處理方法對(duì)采集后的信號(hào)進(jìn)行濾波，去除了在過(guò)零處信號(hào)的毛刺現(xiàn)象。為提高測(cè)量精度，還在硬件和軟件方面采取了以下幾項(xiàng)措施:
(1) 使用高速A/D芯片，提高A/D轉(zhuǎn)換速度。在本系統(tǒng)中每個(gè)通道都配置了Burr-Brown公司的ADS7800芯片，它的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，在讀取本次轉(zhuǎn)換結(jié)果的同時(shí)啟動(dòng)下一次A/D轉(zhuǎn)換。由于使用80C196讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并將結(jié)果存入到SRAM所用的時(shí)間超過(guò)3μs(系統(tǒng)工作在12MHz頻率)，因此沒(méi)有必要在程序中對(duì)轉(zhuǎn)換是否完成進(jìn)行判斷。在本系統(tǒng)中完成兩個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換并將結(jié)果存入到SRAM的時(shí)間為10μs左右。對(duì)于50Hz工頻信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)可以采樣2000個(gè)點(diǎn)左右，它的測(cè)量精度為360/2000=0.18°。
(2) 采用兩通道同時(shí)采樣，去除由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔造成的誤差。在數(shù)據(jù)緩存處將轉(zhuǎn)換結(jié)果分時(shí)讀出。A/D部分電路如圖3所示。
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(3)使用模擬濾波芯片UAF42構(gòu)成低通濾波電路。由于UAF42內(nèi)部電容有極好的匹配性，只需調(diào)節(jié)外部電阻即可使兩路信號(hào)在經(jīng)過(guò)濾波電路時(shí)產(chǎn)生的相移盡可能相等。
(4)系統(tǒng)還具有通道自檢功能。在每次測(cè)量前，系統(tǒng)自動(dòng)使用標(biāo)準(zhǔn)端產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行檢查，測(cè)出兩個(gè)通道在通過(guò)同一個(gè)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的相位差。然后兩個(gè)通道分別通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)，測(cè)出此時(shí)兩個(gè)通道的相位差，減去自檢時(shí)的相位差作為該時(shí)刻的結(jié)果，從而減小通道不匹配對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
(5)在一次測(cè)量中采集多個(gè)周期的信號(hào)，對(duì)測(cè)量的結(jié)果取中值作為介質(zhì)損耗的δ值。用查表的方法得出tgδ的值。
4 測(cè)試結(jié)果
在系統(tǒng)完成后，對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行了測(cè)試，并和QS-1的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。測(cè)試結(jié)果如表1所示。
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????由該表可以看出，本系統(tǒng)的測(cè)量值與QS-1的測(cè)量結(jié)果基本相符。
經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)樣品的測(cè)試比較，本系統(tǒng)相對(duì)于QS-1具有更好的可操作性，測(cè)量時(shí)間比QS-1短了很多，而且精度也達(dá)到了QS-1的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。另外，本系統(tǒng)采用了和QS-1相同的信號(hào)輸入接口，在實(shí)際測(cè)量中可以很方便地對(duì)QS-1進(jìn)行替換。本系統(tǒng)還采用了雙層絕緣結(jié)構(gòu)，一方面減少了外界對(duì)測(cè)量電路的電磁干擾，另一方面也符合了高壓測(cè)量的要求，確保了測(cè)量人員的安全。
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參考文獻(xiàn)
1 馬為民，吳維韓.數(shù)字介質(zhì)損耗測(cè)量中的反接測(cè)量技術(shù).電工技術(shù)雜志，1997.3
2 Burr-Brown CD-ROM Catalog.Burr-Brown Corporation.1997
3 清華大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系高壓實(shí)驗(yàn)室.1997.7