介质损耗因数的自动数字测量系统

摘 要： 介绍了以80C196为核心的介质损耗因数自动测量系统，使用了Flash Memory和高速A/D等技术，克服了一般测量系统在反接测量时的绝缘和干扰等问题，达到了较高的测量精度。
关键词： 介质损耗因数tgδ 闪速存储体 高速A/D 密封电池

介质损耗因数tgδ是反映高电压电气设备绝缘性能的一项重要指标。通过测量tgδ可以反映出绝缘的一系列缺陷，如绝缘受潮、劣化变质或绝缘中有气体发生放电等。因此，在电力设备运行过程中，要定期对反映设备绝缘的介质损耗因数进行测量，若达不到一定标准，将不能继续使用该电力设备。
长期以来，tgδ的测量是通过QS-1电桥实现的。但它的测试程序复杂，操作工作量大，测量时间长，自动化水平低，并易受人为因素的影响，这些都限制了QS-1在电力系统中的应用。
由于绝缘测量的重要性，一些单位开展了数字化测量介质损耗因数的工作。但由于介质损耗测量具有特殊性，如在反接时实际上是在极高的共模电压下测量介质损耗因数，对系统的绝缘、抗干扰性能有较高的要求，这些对介质损耗因数的数字化测量造成了困难。本课题组采用高速A/D、闪速存储体(Flash Memory)和电池供电等技术，解决了测量时对绝缘和抗干扰能力的要求，测量精度也达到了QS-1的标准。由于本系统在信号输入端采用和QS-1相同的接口，因此可以很方便地在实际测量中取代QS-1系统。

1 正接和反接条件下的介损测量
介损因数测量有正接和反接两种方法，如图1所示，其中Cx和Rx为试品的等值电容和等值电阻，Cn为无损标准电容，R1和R2为试品和参考电流的取样电阻。对于一些重量比较轻且其外壳没有和地形成不可分割状态的电气设备，可以用正接法对其测量，此时测量电压主要集中在电容两端，测量系统对地处于低电位，对系统的绝缘性能要求不高。对于一些重量很重或其外壳不能和地分开的电气设备，只能采用反接法测量其介质损耗因数，此时测量系统工作在极高的共模电压下(一般为10kV)，对系统的绝缘性能要求很高，若此时测量系统仍采用220V交流电源供电，在电源变压器的两端要承受10kV以上的交流电压，使系统的结构复杂化。2 自动数字介损测量系统
鉴于反接法在实际测量中的重要性，并考虑到系统的便携性，本测量系统没有采用一般系统的交流供电的方法，而使用重量很轻且可充电的密封电池(Sealed Battery)供电。在实际系统中，采用了6V4Ah/20HR密封铅蓄电池。经试验，在一次充电之后，系统可以连续工作5个小时以上，完全满足实际测量的要求。
另外，为了提高系统的自动化程度并减小测量人员的风险，本系统采用了自动测量的方式。如在反接方式下，测量人员连接好相应连线后，打开测量系统的电源开关并按下测量键，此时只需给试品提供测量电压而不用再对系统进行操作。当电压升高到一定阈值后，测量系统自动进入测量状态。约一分钟后，系统即可测量完毕，并将结果保存到闪速存储体中。这时测量人员可退下测量电压，在无高压存在的情况下将测量结果读出。为方便测量人员读取数据，系统配备了字符式液晶，按下计算键后，即可将结果显示在液晶屏上。为了便于操作，系统还安装了3个发光二极管，根据发光二极管的亮、灭和闪烁，测量人员可以了解系统的运行情况。整个系统的框图如图2所示。3 提高精度的几个措施
为提高测量的可靠性，本系统没有采用一般的过零比较法，而是使用A/D芯片，将模拟信号转换为数字信号，并使用数字信号处理方法对采集后的信号进行滤波，去除了在过零处信号的毛刺现象。为提高测量精度，还在硬件和软件方面采取了以下几项措施：
(1) 使用高速A/D芯片，提高A/D转换速度。在本系统中每个通道都配置了Burr-Brown公司的ADS7800芯片，它的转换时间为3μs，在读取本次转换结果的同时启动下一次A/D转换。由于使用80C196读取转换结果并将结果存入到SRAM所用的时间超过3μs(系统工作在12MHz频率)，因此没有必要在程序中对转换是否完成进行判断。在本系统中完成两个通道的A/D转换并将结果存入到SRAM的时间为10μs左右。对于50Hz工频信号，一个周期内可以采样2000个点左右，它的测量精度为360/2000=0.18°。(2) 采用两通道同时采样，去除由于启动转换的时间间隔造成的误差。在数据缓存处将转换结果分时读出。A/D部分电路如图3所示。(3)使用模拟滤波芯片UAF42构成低通滤波电路。由于UAF42内部电容有极好的匹配性，只需调节外部电阻即可使两路信号在经过滤波电路时产生的相移尽可能相等。(4) 系统还具有通道自检功能。在每次测量前，系统自动使用标准端产生的信号对两个通道进行检查，测出两个通道在通过同一个信号时产生的相位差。然后两个通道分别通过标准信号和测试信号，测出此时两个通道的相位差，减去自检时的相位差作为该时刻的结果，从而减小通道不匹配对测量结果的影响。(5) 在一次测量中采集多个周期的信号，对测量的结果取中值作为介质损耗的δ值。用查表的方法得出tgδ的值。

4 测试结果
在系统完成后，对多个样品进行了测试，并和QS-1的测量结果进行了比较。测试结果如表1所示。由该表可以看出，本系统的测量值与QS-1的测量结果基本相符。

经过对多个样品的测试比较，本系统相对于QS-1具有更好的可操作性，测量时间比QS-1短了很多，而且精度也达到了QS-1的测量标准。另外，本系统采用了和QS-1相同的信号输入接口，在实际测量中可以很方便地对QS-1进行替换。本系统还采用了双层绝缘结构，一方面减少了外界对测量电路的电磁干扰，另一方面也符合了高压测量的要求，确保了测量人员的安全。


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