專利名稱：抗電場干擾的介質損失角和電容量的測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力測量領域，涉及電容式電壓互感器、電流互感器、高壓套管、高壓開關斷口電容器等容性試品的介質損失角和電容量的測量方法及其裝置。
電力系統廣泛地使用電容式電壓互感器、電流互感器、高壓套管、高壓開關斷口電容器等容性試品，如何能在強電場干擾下準確地測量出其介質損失角和電容量對判斷其絕緣的好壞具有非常重要的意義。
能源部《電氣設備預防性試驗規程》規定對高壓容性試品均需作介質損失角tgδ和電容量C的測量，如500KV等級的電流互感器每年必需作一次介質損失角和電容量的測量，并且介質損失角不得超過0.7%，電容值一般不得與出廠值相差±5%。目前我國預防性試驗中廣泛采用QS-Ⅰ型高壓西林電橋和M型介質試驗器，它們只能在電場干擾極弱的地方測量出介質損失角和電容值。然而500KV、200KV變電所內，由于臨近線路的干擾，被試品上的干擾電壓達10KV，干擾電流一般為200～400微安，QS-Ⅰ型高壓西林電橋和M型介質試驗器在這樣大干擾情況下無法準確測量出介質損失角和電容量。
本發明的目的是提供一種抗電場干擾的介質損失角和電容量的測量方法及其裝置。
測量介質損失角和電容量的具體方法是1)將被試品CX接在與倒相器輸出端聯接的電壓互感器PT的高壓端與分流電阻RX之間，即裝置的輸出端X、Y;
2)倒相器的輸入端A、B接交流電源;
3)給被試品加壓，加壓范圍為2.5～10KV，從分壓器電阻RN、分流電阻RX取電壓信號UV、U1，調節分流電阻RX的值使UV、U1相等，通過鍵盤輸入RX的值;
4)將取得的電壓信號UV、U1經輸入單元送到單片機在高速輸入通道控制下進行一個周期的模數轉換UI(t) =ΣK=1NUIKSin(Kω t+φU I K) (1)]]>UV(t)=ΣK=1NUVKSin(Kω t+φUVK) (2)]]>式中N符合采樣定理;
5)經計算程序對采樣得到的波形進行付立葉變換即對電壓基波進行積分;
2T∫oTUI(t)e-jω tdt=UI 1e-j φ UI 1(3)]]>2T∫oTUV(t)e-jω tdt=UV 1e-j φ UV 1(4)]]>將(3)式除以電阻RX并且由于φU11＝φ11，UV1/RX＝I1得I1e-jφI1(5)將(4)式乘以分壓比KU并且由于φUV1＝φU1，KU·UV1＝U1得U1e-jφU1(6)
將(6)式化為單位向量e-jφU1(7)將(5)式、(7)式相除得I1e-jφ I 1/e-j φ U 1=I1e-j(φ I 1-φ U 1)=I1Cos(φI 1-φU 1)+jI1Sin( φI 1-φU 1) (8)]]>將(8)式化為單位向量e-j (φ I 1-φ U 1)=Cos(φI 1-φU 1)+jSin( φI 1-φU 1) (9)]]>6)積分后得到電壓UV、U1的幅值及相角，通過程序控制計算出被試品CX的介質損失角(tgδ1)和電容量(CX1)即由(6)式、(8)式求出的電容量CX1為CX 1=IC 1ω U1=I1Sin(φI 1-φU 1)ω U1(10)]]>由(9)式可求出介質損失角tgδ1為tgδ1=ctg(φI 1-φU 1)=Cos(φI1-φU 1)Sin(φI 1-φU 1)(11)]]>并將計算出的試品電容CX的介質損失角(tgδ1)和電容量(CX1)存貯起來;
7)在程序控制下單片機輸出口發出一個正脈沖信號控制倒相器中的可控硅二極管IC13的控制極，使加在電壓互感器原邊的電源進行180°倒相;
8)再次進行電壓信號UV、UI的采樣，付立葉變換得到UV、UI幅值及相角，通過程序控制計算出被試品的介質損失角(tgδ2)和電容量(CX2)并存貯;
9)根據兩次計算結果由程序自動計算出無干擾情況下被試品的介質損失角tgδ＝(CX1tgδ1+CX2tgδ2)/(CX1+CX2)和電容量CX＝(CX1+CX2)/2。
一種為使用上述方法而設計的裝置，它是由電壓互感器PT、無損電容CN和分壓電阻RN構成的分壓器、可調無感分流電阻RX、具有高輸入低輸出阻抗的輸入單元(Ⅱ)、單片機(Ⅲ)、鍵盤顯示器(Ⅳ)、打印機(Ⅴ)等組成，其特征在于將交流電源作180°倒相變換的倒相器(Ⅰ)的輸入端A、B接交流電源，輸出端M、N與電壓互感器PT的輸入端聯接，倒相器的另一個輸入端P與單片機(Ⅲ)的輸出口[13]聯接，電壓互感器PT的輸出端的一端與無損電容CN的一端聯接并引出一端子X接被試品的高壓端，另一端與分壓電阻RN、分流電阻RX聯接并接地，可調無感分流電阻RX的另一端引出一端子Y接被試品的低壓端，從分壓電阻RN、分流電阻RX的非接地端取電壓信號UV、U1進入輸入單元(Ⅱ)，輸入單元(Ⅱ)與單片機(Ⅲ)聯接，單片機(Ⅲ)經總線與鍵盤顯示器(Ⅳ)和打印機(Ⅴ)聯接。
該裝置的倒向器(Ⅰ)的電路由雙向可控硅元件IC1～IC4、反向器IC5～IC10、光電隔離器IC11、IC12、可控硅二極管IC13、電阻R1、R2、電容C1、C2、抗干擾電容C3、電源VC1、VC2、VC3組成，其中，交流電源經A、B端與雙向可控硅IC1～IC4的陽極聯接，IC1、IC2的陰極共接并引出輸出端M，IC3、IC4的陰極共接并引出輸出端N，光電隔離器IC11、IC12的發射極(2端)均有三路輸出，一路分別經反向器IC8、IC9與可控硅IC1、IC3的控制極聯接，另一路分別經反向器IC7、電阻R1、反向器IC5及反向器IC10、電阻R2、反向器IC6分別與IC2、IC4的控制極聯接，第三路分別經R3、R4與輸出端M、N聯接，電容C1、C2分別跨接在電阻R1、輸出端M和電阻R2、輸出端N之間，電源VC1的正極接到IC11的集電極(1端)，負極與輸出端M聯接，電源VC2的正極接到IC12的集電極(1端)，負極與輸出端N聯接，電源VC3的負極接到IC11、IC12中的發光二極管的陰極(4端)，發光二極管的陽極(3端)經電阻R5、R6與可控硅二極管IC13的陰極聯接并接地，IC13的陽極接VC3的正極，單片機的輸出口[13]經電阻R7與IC13的控制極聯接，IC13的控制極與陰極之間跨接一個電容C3。
該裝置的輸入單元(Ⅱ)的電路由放大器IC14、IC15、分壓電阻R8～R11、限流電阻R14～R17、隔直電容C4、C5、電壓基準源IC17及由過零比較器IC16、反饋電阻R13、電阻R12、R18構成的比較電路組成，其中，輸入信號UV經電阻R8、R9串聯分壓送入IC14的正輸入端，IC14的負輸入端與輸出端之間短接，輸入信號U1經電阻R10、R11串聯分壓送入IC15的正輸入端，IC15的負輸入端與輸出端之間短接，IC14、IC15的輸出端經隔直電容C4、C5與單片機的A/D轉換通道[42]、[43]聯接，電源VC4的正極經電阻R16、R14與IC14的輸出端聯接，電阻R14、R16之間接一電壓基準源IC17并引一基準電壓信號進入單片機的A/D轉換通道[41]，IC17的正極接地，IC15的輸出經電阻R15與IC16的負輸入端聯接，R13跨接在IC16的正輸入端與輸出端之間，IC16的正輸入端經電阻R12接地，IC16輸出端經電阻R18與VC4的正極聯接，IC15的輸出端經電阻R17與電壓基準源IC17的負極聯接，IC16的輸出端與單片機的高速輸入通道[3]聯接。
使用本方法及其裝置測量容性試品的介質損失角和電容量具有以下優點1)由于測量方法采用了付立葉變換消除了電源諧波干擾對測量結果的影響;
2)由于裝置采用了電源180°倒相技術，消除了電場干擾對測量結果的影響;
3)本裝置可自動完成測量工作，使用方便、測量速度快、測量結果準確;
4)主機中只有輸入單元是模擬電路，其余均為數子電路，因此裝置的工作穩定度高，維修簡單。
圖1為本裝置原理框圖，由倒向器(Ⅰ)、電壓互感器PT、無損電容CN和分壓電阻RN組成的分壓器、可調無感分流電阻RX、具有高輸入低輸出阻抗的輸入單元(Ⅱ)、單片機(Ⅲ)、鍵盤顯示器(Ⅳ)、打印機(Ⅴ)等組成，其中倒相器(Ⅰ)的輸入端A、B接交流電源，輸出端M、N與電壓互感器PT的一次(低壓端)聯接，PT的二次(高壓端)接在分壓器的兩端，其中非接地端與無損電容CN聯接并引出一端子X，電阻RX與PT的接地端聯接，RX的另一端為另一端子Y，測量時，將被試品CX接在兩端子X、Y之間，被試品CX的高壓端與X端子聯接，低壓端與Y端子聯接，從分壓電阻RN、分流電阻RX引出兩電壓信號UV、U1進入輸入單元(Ⅱ)，輸入單元(Ⅱ)與單片機(Ⅲ)聯接，單片機(Ⅲ)的輸出口[13]與控制倒相器倒相的輸入端P聯接，單片機(Ⅲ)經總線與鍵盤顯示器(Ⅳ)和打印機(Ⅴ)聯接。
圖2為倒向器(Ⅰ)的電路原理圖，由雙向可控硅元件IC1～IC4、反向器IC5～IC10、光電隔離器IC11、IC12、可控硅二極管IC13、電阻R1、R2、電容C1、C2、抗干擾電容C3、電源VC1、VC2、VC3組成，其中，交流電源經A、B端與雙向可控硅IC1～IC4的陽極聯接，IC1、IC2的陰極共接并引到輸出端M，IC3、IC4的陰極共接并引到輸出端N，光電隔離器IC11、IC12的發射極(2端)均有三路輸出，一路分別經反向器IC8、IC9與可控硅IC1、IC3的控制極聯接，另一路分別經反向器IC7、電阻R1、反向器IC5及反向器IC10、電阻R2、反向器IC6分別與IC2、IC4的控制極聯接，第三路分別經R3、R4與輸出端M、N聯接，電容C1、C2分別跨接在電阻R1、輸出端M和電阻R2、輸出端N之間組成兩個延時電路，電源VC1的正極接到IC11的集電極(1端)，負極與輸出端M聯接，電源VC2的正極接到IC12的集電極(1端)，負極與輸出端N聯接，電源VC3的負極接到IC11、IC12中的發光二極管的陰極(4端)，IC11、IC12中的發光二極管的陽極(3端)經電阻R5、R6與可控硅二極管IC13的陰極聯接并接地，IC13的陽極接VC3的正極，單片機的輸出口[13]經電阻R7與IC13的控制極聯接，IC13的控制極與陰極之間跨接一個電容C3。
倒相器(Ⅰ)工作過程如下當單片機的輸出口[13]輸出低電平到IC13的控制極上時，IC13截止，IC11、IC12也截止，G、H兩點均為低電平，反向器IC8、IC9輸出高電平，使IC1、IC3導通，同時G、H兩點為低電平經延時電路延時使IC5、IC6輸出低電平，IC2、IC4截止，交流電源由A、B端輸入經IC1、IC3輸出到M、N端，此時進行第一次測量并存貯結果，然后單片機輸出口[13]輸出高電平到IC13的控制極，IC13導通，IC11、IC12也導通，G、H兩點為高電平，反向器IC8、IC9輸出低電平使IC1、IC3截止，同時G、H兩點為高電平經RC延時使IC5、IC6輸出高電平，IC2、IC4導通，此時電源由A、B端輸入經IC2、IC4輸出到M、N端，也就是使電源作了180°倒相。
圖3為輸入單元(Ⅱ)的電路原理圖，由放大器IC14、IC15、分壓電阻R8～R11、限流電阻R14～R17、隔直電容C4、C5、電壓基準源IC17及由過零比較器IC16、反饋電阻R13、電阻R12、R18構成的比較電路組成，其中，輸入信號UV經電阻R8、R9串聯分壓送入IC14的正輸入端，IC14的負輸入端與輸出端之間短接，輸入信號U1經電阻R10、R11串聯分壓送入IC15的正輸入端，IC15的負輸入端與輸出端之間短接，IC14、IC15的輸出端經隔直電容C4、C5與單片機的A/D轉換通道[42]、[43]聯接，電源VC4的正極經電阻R16、R14與IC14的輸出端聯接，電阻R14、R16之間接一電壓基準源IC17并引一基準電壓信號進入單片機的A/D轉換通道[41]，IC17的正極接地，IC15的輸出經電阻R15與IC16的負輸入端聯接，R13跨接在IC16的正輸入端與輸出端之間，IC16的正輸入端經電阻R12接地，IC16輸出端經電阻R18與VC4的正極聯接，IC15的輸出端經電阻R17與電壓基準源IC17的負極聯接，IC16的輸出端與單片機的高速輸入通道[3]聯接。
圖4為本裝置的前面板圖，0～9為數字鍵，10-小數點鍵，11-正、負號鍵，12-測量結果選擇鍵，13-預置數選擇鍵，14-打印命令鍵，15-輸入命令鍵，16-顯示器窗口，U-電壓有效值(KV)，I-電流有效值(mA)，φ-基波電流與電壓的夾角(度)，tgδ-介質損失角(%)，C-試品電容量(pf)，RX-分流電阻(千歐)，KU-分壓器分壓比，Y.M.D-置入年月日。
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步說明。
當測量電容式電壓互感器時，首先將試品的高壓端接到裝置的輸出端X，試品的低壓端接到裝置的輸出端Y，將裝置的接地端子接地，然后將裝置的輸入端A、B接在交流電源上，給被試品加壓到10KV，調節分流電阻RX使從分壓電阻RN、分流電阻RX上取得的電壓信號UV、U1相等，通過鍵盤輸入RX的值，將取得的電壓信號UV、U1經輸入單元送到單片機在高速輸入通道控制下進行一個周期的模數轉換UI(t)=ΣK = 1NUIKSin(Kω t+φUI K) (1)]]>UV(t)=ΣK = 1NUVKSin(Kω t+φUV K) (2)]]>式中N＝256經計算程序對采樣得到的波形進行付立葉變換即對電壓基波進行積分;
2T∫OTUI(t)e-j ω tdt=UI 1e-j φ U I 1(3)]]>2T∫OTUV(t)e-j ω tdt=UV 1e-j φ U V 1(4)]]>
將(3)式除以電阻RX并且由于φU11＝φ11，UV1/RX＝I1得I1e-jφI1(5)將(4)式乘以分壓比KU并且由于φUV1＝φU1，KU·UV1＝U1得U1e-jφU1(6)將(6)式化為單位向量e-jφU1(7)將(5)式、(7)式相除得
將(8)式化為單位向量e-j (φ I 1-φ U 1)=Cos(φI 1-φU 1)+jSin( φI 1-φU 1) (9)]]>積分后得到電壓UV、UI的幅值及相角，通過程序控制計算出被試品CX的介質損失角(tgδ1)和電容量(CX1)即由(6)式、(8)式求出的電容量CX1為CX 1=IC 1ω U1=I1Sin(φI 1-φU 1)ω U1(10)]]>
由(9)式可求出介質損失角tgδ1為tgδ1=ctg(φI 1-φU 1)=Cos(φI1-φU 1)Sin(φI 1-φU 1)(11)]]>并將計算出的試品電容CX的介質損失角(tgδ1)和電容量(CX1)存貯起來，在程序控制下單片機輸出口發出一個正脈沖信號控制倒相器中的可控硅二極管IC13的控制極，使加在電壓互感器原邊的電源進行180°倒相，再次進行電壓信號UV、U1的采樣，付立葉變換得到UV、U1幅值及相角，通過程序控制計算出被試品的介質損失角(tgδ2)和電容量(CX2)并存貯，根據兩次計算結果由程序自動計算出無干擾情況下被試品的介質損失角和電容量為tgδ =CX 1tgδ1+CX2tgδ2CX 1+Cx2CX=CX 1+CX22]]>本裝置所用直流電源VC1、VC2、VC4為5V，VC3為12V。
當測量電流互感器、高壓套管、高壓開關斷口電容器等容性試品的介質損失角和電容量時，接線方式和測量原理與上述實施例相同。
本裝置使用方法和操作步驟如下1)將被試品CX接在裝置的引出端子X、Y之間，并將裝置外殼接地;
2)倒相器的輸入端A、B接交流電源，給被試品加壓，調節分流電阻RX使U1、UV相等，并從鍵盤輸入RX值，這時裝置自動完成介質損失角和電容量的測量，過約一分鐘數據穩定，測量過程結束，根據需要可按下打印鍵打印測量結果和按下顯示鍵顯示測量結果。
權利要求
1.一種抗電場干擾的介質損失角和電容量的測量方法，其特征在于實現該方法的具體步驟如下1)將被試品CX接在與倒相器輸出端聯接的電壓互感器PT的高壓端與分流電阻RX之間；2)倒相器的輸入端A、B接交流電源；3)給被試品加壓，從分壓器電阻RN、分流電阻RX取電壓信號UV、U1，調節分流電阻RX的值使UV、U1相等，通過鍵盤輸入RX的值；4)將取得的電壓信號UV、U1經輸入單元送到單片機在高速輸入通道控制下進行一個周期的模數轉換；5)對采樣得到的波形進行付立葉變換即對電壓基波進行積分；6)積分后得到電壓UV、U1的幅值及相角，通過程序控制計算出被試品CX的介質損失角(tgδ1)和電容量(CX1)并存貯；7)在程序控制下單片機輸出口發出一個正脈沖信號控制倒相器中的可控硅二極管IC13的控制極，使加在電壓互感器原邊的電源進行180°倒相；8)再次進行電壓信號UV、U1的采樣，付立葉變換得到UV、U1幅值及相角，通過程序控制計算出被試品的介質損失角(tgδ2)和電容量(CX2)并存貯；9)根據兩次計算結果由程序自動計算出無干擾情況下被試品的介質損失角tgδ=(CX1tgδ1+CX2tgδ2)/(CX1+CX2)和電容量CX=(CX1+CX2)/2。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于被試品加壓范圍為2.5～10KV。
3.一種使用權利要求1、2而專門設計的裝置，它是由電壓互感器PT、無損電容CN和分壓電阻RN構成的分壓器、可調無感分流電阻RX、具有高輸入低輸出阻抗的輸入單元(Ⅱ)、單片機(Ⅲ)、鍵盤顯示器(Ⅳ)、打印機(Ⅴ)等組成，其特征在于將交流電源作180°倒相變換的倒相器(Ⅰ)的輸入端A、B接交流電源，輸出端M、N與電壓互感器PT的輸入端聯接，倒相器的另一個輸入端P與單片機(Ⅲ)的輸出口[13]聯接，電壓互感器PT的輸出端的一端與無損電容CN的一端聯接并引出一端子X接被試品的高壓端，另一端與分壓電阻RN、分流電阻RX聯接并接地，可調無感分流電阻RX的另一端引出一端子Y接被試品的低壓端，從分壓電阻RN、分流電阻RX的非接地端取電壓信號UV、U1進入輸入單元(Ⅱ)，輸入單元(Ⅱ)與單片機(Ⅲ)聯接，單片機(Ⅲ)經總線與鍵盤顯示器(Ⅳ)和打印機(Ⅴ)聯接。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于它的倒相器(Ⅰ)的電路由雙向可控硅元件IC1～IC4、反向器IC5～IC10、光電隔離器IC11、IC12、可控硅二極管IC13、電阻R1、R2、電容C1、C2、抗干擾電容C3、電源CVC1、VC2、VC3組成，其中，交流電源經A、B端與雙向可控硅IC1～IC4的陽極聯接，IC1、IC2的陰極共接并引出輸出端M，IC3、IC4的陰極共接并引出輸出端N，光電隔離器IC11、IC12的發射極(2端)均有三路輸出，一路分別經反向器IC8、IC9與可控硅IC1、IC3的控制極聯接，另一路分別經反向器IC7、電阻R1、反向器IC5及反向器IC10、電阻R2、反向器IC6與IC2、IC4的控制極聯接，第三路分別經R3、R4與輸出端M、N聯接，電容C1、C2分別跨接在電阻R1、輸出端M和電阻R2、輸出端N之間，電源VC1的正極接到IC11的集電極(1端)，負極與輸出端M聯接，電源VC2的正極接到IC12的集電極(1端)，負極與輸出端N聯接，電源VC3的負極接到IC11、IC12中的發光二極管的陰極(4端)，發光二極管的陽極(3端)經電阻R5、R6與可控硅二極管IC13的陰極聯接并接地，IC13的陽極接VC3的正極，單片機的輸出口[13]經電阻R7與IC13的控制極聯接，IC13的控制極與陰極之間跨接一個電容C3。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于它的輸入單元(Ⅱ)的電路由放大器IC14、IC15、分壓電阻R8～R11、限流電阻R14～R17、隔直電容C4、C5、電壓基準源IC17及由過零比較器IC16、反饋電阻R13、電阻R12、R18構成的比較電路組成，其中，輸入信號UV經電阻R8、R9串聯分壓送入IC14的正輸入端，IC14的負輸入端與輸出端之間短接，輸入信號U1經電阻R10、R11串聯分壓送入IC15的正輸入端，IC15的負輸入端與輸出端之間短接，IC14、IC15的輸出端經隔直電容C4、C5與單片機的A/D轉換通道[42]、[43]聯接，電源VC4的正極經電阻R16、R14與IC14的輸出端聯接，電阻R14、R16之間接一電壓基準源IC17并引一基準電壓信號進入單片機的A/D轉換通道[41]，IC17的正極接地，IC15的輸出端經電阻R15與IC16的負輸入端聯接，R13跨接在IC16的正輸入端與輸出端之間，IC16的正輸入端經電阻R12接地，IC16輸出端經電阻R18與VC4的正極聯接，IC15的輸出端經電阻R17與電壓基準源IC17的負極聯接，IC16的輸出端與單片機的高速輸入通道[3]聯接。
全文摘要
將交流電源經倒向器加到電壓互感器PT的低壓端(一次)，PT的高壓端(二次)的非接地端接由無損電容C
文檔編號G01R27/26GK1076029SQ9210121
公開日1993年9月8日 申請日期1992年3月2日 優先權日1992年3月2日
發明者趙二冬, 丁品南 申請人:東北電力試驗研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
