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吳忠強

1  概述
高壓電容電橋用于測量絕緣材料和電力設備的電容參數和介質損耗，關系著電氣設備的安全使用與運行。特別是在對電力設備的制造檢修、交接驗收、預防性試驗中都需要使用。對高壓電力設備的絕緣介質損耗進行測量是《電力設備預防性試驗規程》中的常規試驗項目之一，它能及時發現、診斷高壓電力設備的絕緣故障，是保證電力設備安全運行的有效手段之一。因此，如何有效排除測試現場強大的電場干擾，準確地測出電力設備的絕緣介質損耗角tg是當前介損測量技術研究的重點。在我國，隨著國家電力建設的不斷投入，城鄉電網改造的不斷深入，500kV甚至更高等級的發電廠、變電站也將越來越多，而隨著輸變電電壓等級的提高，強電場干擾也日益嚴重，原來采用的電源倒相和自動計算的方法已不能滿足現場測試的需求，誤差較大。
GWS-3A型介質損耗測試儀是一種新型的計量儀器，列入了2001年國家級火炬計劃項目(計劃編號：01D23172004442)，該儀器設計原理先進、結構新穎，采用一體化結構，由光纖傳遞高壓信號，內部采用微機進行操控與數據處理，測量精度高，具有很高的分辨率，抗外電場干擾性能好，操作簡單，使用方便。廣泛應用于工礦、企業、電力、能源及科研單位。
2  方法比較及先進性
絕緣材料在電場作用下的介質損耗大致可分為三個方面：① 泄漏電流引起的損耗；② 介質極化引起的損耗；③ 局部放電引起的損耗。
傳統的測量介損方法有電橋法。其典型代表為西林電橋，它采用交流電橋差值比較原理，利用電橋平衡條件來測算出被試品的電容值C_x及tg值。其優點為準確度相對較高，但在試驗電源有較大的諧波干擾或外界強電場干擾時，電橋常常無法平衡，讀數誤差較大，因而多在實驗室等干擾較小的場所使用。為此，曾提出不少解決方法，如屏蔽法、電源倒相法、三倍頻試驗電源法、分級加壓法、替代法、反干擾源法、移相法、干擾電源法等，這些方法現場使用各有其缺陷，不盡適用。如在現場測試的實際應用中，QS1電橋一般采用電源倒相法。當現場干擾信號較大時，再配上電源移相器，但其測試程序復雜，自動化水平低，操作工作量大，人為因素影響較大。
現在也有采用異頻法(或叫變頻法)的。它利用現場的干擾主要為50Hz基波及其三次諧波的特點，采用變頻技術，把50Hz試驗電源變頻成其它頻率(如40Hz、45Hz、55Hz以及60Hz等)的電源，將干擾信號(50Hz)和被測試品信號(已變頻成其它頻率)用頻率區分開；線路中應用帶通濾波器、陷波器，濾掉50Hz及其高次諧波的干擾信號；測試得到非工頻條件下的電容值Cx及tg值；分別測試不同頻率(如45Hz和55Hz)下的值，再根據一定的加權計算，換算成50Hz條件下的電容值C_x及tg值。此方法的優點是可以有效排除干擾，缺點是由于電子技術的限制，為了有效濾除干擾信號，其變頻后的頻率一般離50Hz有一定距離，其50Hz條件下的電容值C_x及tg值是通過換算模擬出來的，與真實工頻條件下的測試值存在一定誤差，尤其對少數被試品，由于其結構的特殊性，tg值隨頻率不成線性變化或變化比較劇烈，用變頻法測量出的數據誤差就明顯偏大。
經過綜合比較，我們決定采用干擾自動跟蹤移相法。如圖1所示，其原理是在不改變試驗電源的頻率，即仍采用50Hz的試驗電源的情況下，先測量出干擾信號的大小和相位，再利用電子移相電路，產生一個大小與干擾信號相等而相位剛好相反(相差180度)的電子抵消信號，移相信號和試品信號(疊加有干擾信號)相加的結果，就基本抵消掉干擾信號，從而把很大的干擾信號轉換成了很小的干擾信號，再利用電源倒相法，最終得到50Hz條件下的電容值C_x及tg值。實踐證明，電子移相法加電源倒相法兩重抗干擾方法，能完全抑制強電場的干擾，滿足強電場下的使用要求，提高了儀器測量的可靠性和準確性。 

圖1  工作原理框圖

3  具體實現
(1)  信號取樣：前置采用低噪聲、低零漂、高增益的放大器，運放電流取樣，保證輸入阻抗≤2Ω，有效降低測試線分布電容對取樣信號的相位干擾。
(2)  該儀器工作原理采用一個穩定的標準源，標準信號源采用以SF6作氣源的標準電容，其耐壓為10kV，容量50pf，介損值tg≤0.0001，是一種高穩定度的標準源。在施加所需的高壓(2~10kV)后，采集得到被試品信號Ix和標準信號源的的信號In，由于標準信號源的容量為50pf，介損值tg為一固定值，根據兩者間的幅值比，則可算出被試品電容量C_x=50pf×Ix/In。對介損值tg，采用過零法及相位差法。過零檢測比較法，主要原理是通過比較Ix和In的過零時刻t1和t2，求得兩者之間的相位差α＝2π（t1－t2）/T（T為工頻周期)，其中Δt＝t1－t2的值用高頻脈沖計數取得。相位差法的數字化測量易于實現，線性好，精度高。根據相位差α，則可算出被試品的介損角=α-β，(其中β為一角度常量)，再通過計算機數據處理從而得到介損角tg。針對過零法易受諧波影響的特點，線路中使用了多重濾波，重點加強了對三次諧波以及高次諧波的濾除，以保證對過零點測量的精度要求。
(3)  對小信號干擾，采用目前通用的電源倒相法。先測算出在正相電源下的電容值C_x1及tg1值，再將電源倒相180°，測出倒相電源下的電容值C_x2及tg2值，則Cx=(C_x1+Cx2)/2；tg=(C_x1*tg1+Cx2*tg2) /(C_x1+C_x2)。在無干擾的情況下，C_x1=C_x2；tg1=tg2。干擾越大，則C_x1與C_x2以及tg1與tg2間的差值也越大，因此，可以根據此差值判斷外界干擾的大小。當干擾大到一定程度，電源倒相法誤差較大，已不適用，此時應采用更先進的方法。對此，我們采取的措施是：關閉信號采集端口，只讓干擾信號通過，同時啟動電子移相器，采用干擾自動跟蹤移相法抵消干擾信號，再采用電源倒相法，以便徹底消除干擾，得到準確的測量值。
(4)  對于高壓信號的處理，采用一個精密的放大器對電流信號進行采樣，放大后信號經濾波由單片機(89C2051)經ADC轉換成載頻為300kHz的調頻數字格式，再由數字光纖傳遞，將高壓信號從浮地高壓(對地最高為10kV)通道(VB-VS)通過光纖轉成地線參考電源端的低壓信號，再進入單片機進行處理。光纖的使用既增強了高壓采集信號的抗噪聲能力，又實現了高低壓隔離，保證了安全。
(5)  本儀器針對測量的是容性試品，具有沖擊電流大的特點，精心設計了儀器的抗沖擊保護功能。儀器內部設有完善的過壓過流保護，緩慢升壓，儀器在運行中全部由單片機控制自動投入和切斷高壓，保證了操作人員的人身安全。
(6)  本儀器全部采用微鍵觸摸操作，光標指示選擇方式進行測量，全中文菜單顯示界面，測量過程中直接顯示試驗電壓，自動顯示并打印測量結果，既易于操作又提高了產品的可靠性，使用中只需操作、調整，代表了智能儀器的發展方向。
(7)  本儀器以單片機構成控制系統，能自動判斷干擾的強弱，整個測試過程全自動操作并自動抗干擾，無需人工干預，每次測量都連續采集50組數據，數字模擬濾波相結合，微機控制進行數據處理，測試時間短(30秒左右)。
(8)  采用一體化設計，集高壓電源和測量裝置于一體，不需任何輔助設備，體積小、重量輕、便于攜帶，完全符合現場使用要求。
4  技術特點
測試工作方法：正接線法、反接線法、外施高壓法；
內部高壓電源容量：1500VA；
內部高壓輸出：10kV、5kV、3kV、2kV；
介損測量范圍：0%～50%；
介損測量精度：
正接線法：當△tg≤15%時，
            △tg=±(讀數×1%+0.0005)；
          當15%≤△tg≤50%時，
            △tg=±(讀數×3%)；
反接線法：當△tg≤15%時，
            △tg=±(讀數×1%+0.0010)；
          當15%≤△tg≤50%時，
            △tg=±(讀數×5%)；
電容測試范圍：△C_x≤60000pf；
電容測量精度：當△tg≤15%時，
            △C_x=±(讀數×2%+2pf)；
              當15%≤△tg≤50%時，
            △C_x=±(讀數×5%+5pf)。
該儀器采用光導纖維作為傳遞訊號媒介，一體化設計，不需任何輔助設備，完全實現測試自動化，讀數準確，可進行正接、反接、帶電、外施高壓測量，抗干擾能力強，能測量各種電壓等級的耦合電容器、電流互感器、電壓互感器、主變套管、主變鐵芯、避雷器、開關等，是目前理想的介損測量裝置。

參考文獻：
[1]  李朝青. 單片機原理及接口技術[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社,1999.
[2]  何立民, 馬忠梅,等. 單片機的C語言應用程序設計應用技術設計[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社,1997.
[3]  馬明建, 周長城. 數據采集與處理技術[M]. 西安: 西安交通大學出版社,1998.