（机械制造及其自动化专业论文）基于模糊判断的多档位智能数字兆欧表的设计与研究.pdf

摘要 随着现代化技术的不断更新和拓展，对电力系统及其高电压设备的可靠性也提出了更高要求。 电气设备出现事故或损坏，通常与其绝缘的缺陷密切相关。绝缘诊断是检测电气设备绝缘缺陷或故 障的重要方法。 本课题来自宁夏伦泰仪器仪表有限公司数字兆欧表的技术改造，正是针对现在市面上所生产和 销售的兆欧表产品所存在的问题而提出的，主要围绕如何增加数值兆欧表的档位和测量精度。在不 修改原有产品模具的情况下增加原有产品的档位，在原有的调档算法上进行升级，并且，加入现代 控制理论的新型算法模糊判断以提高产品的测量精度，利用r s - 4 8 5 组成简单的串行通信总线 结构，可与组态软件k i n g v i e w 进行数据通信，将原有产品的功能大幅度提升，成为一种可在线控制 与检测的新型智能仪表。 本文从硬件与软件设计两方面着手，对整个产品进行介绍。在硬件方面将数字兆欧表各部分工 作电路进行介绍，并对采样网络电路和高压产生电路做了详细介绍；在整个程序的设计中，重点介 绍了数据处理过程和组态王串行通信接口部分程序。经过多次实验，引进新型算法解决系统精度问 题。设计成型后的产品具有测量范围大，精度高，便携，可直接与上位机进行通讯等特点。 关键词：绝缘阻值，多档位数字兆欧表，k i n g v i e w 。 模糊判断 a b s t r a c t w i t ht h e u n c e a s i n gr e n e w a la n d t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y , h i g h e r r e q u i r e m e n t sf o rt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dt h er e l i a b i l i t yo f i t sh i g hv o l t a g ee q u i p m e n t a r ep u tf o r w a r d i fe l e c t r i c a le q u i p m e n ta p p e a r sa n ya c c i d e n t so rd a m a g e , i tu s u a l l yh a s c l o s e l yc o r m e c t i o n 、析廿lt h ed e f e c t so f i n s u l a t i o n i n s u l a t i o nd i a g n o s i si sa ni m p o r t a n tm e t h o d o f t e s t i n gt h ed e f e c t so rf a i l u r eo f d e e t r i c a le q u i p m e n t t h i st o p i cc o m e sf r o mt h et e c h n i c a lt r a n s f o r m a t i o ni nn i n g x i aa a r o nt h a ii n s t r u m e n t s c o ，l t d o fd i g i t a lm e g o h m m e t e r , i ti sp u tf o r w a r db a s i n go nt h ee x i s t i n gp r o b l e m so f m e g o h m m e t e ri nt h em a r k e tf o rp r o d u c t i o na n ds a l e s ，w h i c hm a i n l yf o c u s e so nh o wt o i n c r e a s et h ea m o u n to fm e g o h m m e t e rg e a ra n dm e a s u r i n gt h ep r e c i s i o n w i t h o u tc h a n g i n g t h eo r i g i n a lp r o d u c tm o u l d , t h eg e a ro ft h eo r i g i n a lp r o d u c t si si n c r e a s e d , t h eo r i g i n a ls h i f t i n g g e a ra l g o r i t h mi su p g r a d e d , a n dt h em o d e mc o n t r o lt h e o r yo ft h en e a ra l g o r i t h m - - - f u z z y j u d g m e n ti sj o i n e di no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ep r o d u c t s b yu s i n gs i m p l es e r i a l c o m m u n i e a t i o nb u ss t m c t u r ec o m p o s e do ft h er s - 4 8 5 ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i t h c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ek i n g v i e wc a nb er e a l i z e d , a n dt h eo r i g i n a lf u n c t i o no fp r o d u c t si s g r e a t l ye n h a n c e d t h u s ，i tb e c o m e sak i n do fn e wi n t e l l i g e n ti n s t n m a e n tw h i c hc a nf u l f i l l o n - l i n ec o n t r o l l i n ga n dt e s t i n g f r o mt h et w oa s p e e t so fh a r d w a r ea n ds o t h a r ed e s i g n , t h i sp a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o n o ft h ew h o l ep r o d u c t i nt h eh a r d w a r ep a r t , t h ew o r kc i r 。m i ti ne v e r yp a r to fd i g i t a l m e g o h m m e t e ri si n t r o d u c e d ，a n dt h es a m p l i n gc i r c u i ta n dc i r c u i tn e t w o r kp r o d u c e db yt h e l l i g hv o l t a g ea l eg i v e nad e t a i l e di n t r o d u c t i o n i nt h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n , i tf o c u s e so n t h ep r o c e s so fd a t a p r o c e s s i n g a n dt h e p a r tp r o g r a m o f c o n f i g u r a t i o nk i n g s e r i a l c o m m u n i c a t i o n a f t e rm a n ye x p e r i m e n t s ，t h en e wa l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt os o l v et h es y s t e m p r e c i s i o np r o b l e m t h ef i n i s h e dp r o d u c t sp o s s e s st h ea d v a n t a g e so fh u g em e a s u r i n gr a n g e ， h i g hp r e c i s i o n , p o r t a b i l i t y , a n dt h ed i r e c tc o m m u n i c a t i o nw i mt h eu p p e rm a c h i n e ，e t c k e yw o r d s ：i n s u l a t i o nr e s i s t a n c e ，m u l t i p l e - g e a rd i g i t a lm e g o h m m e t e r ，k i n g v i e w ，f u z z y j u d g m e n t 宁夏大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 现代生活中人们一刻也离不开电。在用电过程中就存在着使用安全问题，在电器设备中，例如电 机、电缆、家用电器等。它们的正常运行之一的参数就是其绝缘材料的绝缘程度即绝缘电阻的数值。 当受潮和受热时，绝缘材料自身便老化，其绝缘阻值便降低，从而造成电器设备短路或漏电事故的发 生。为了避免诸如此类的事故发生崴要求经常测量各种电器设备的绝缘阻值。判断其绝缘程度是否 满足需要。电阻的测量通常有低电压测量和高电压测量两种方式，而绝缘电阻由于一般数量级较高 ( 兆欧级) 。在低电压的测量值不能反映在高电压条件下工作的真正绝缘电阻值。兆欧表正是一种应 运而生的专用于检测试品绝缘阻值极化系数，吸收比等绝缘特性参数的仪表。它是测量绝缘电阻最 常用的仪表，在测量绝缘电阻时本身就有高电压电源，这就是它与测电阻仪表的不同之处。数字兆欧 表用于测量绝缘电阻即方便又可靠。 数字兆欧表( 又称摇表) 作为一种常见检测电气设备绝缘程度的一种常用仪表，但在农村或一些 边远落后的地区，一般只有高压输出为5 0 0 v 或1 0 0 0 v 的兆欧表，当检测高压电气设备的绝缘程度 时，经常会碰到兆欧表的输出电压不足，灵敏度低，甚至达不到检查局部绝缘性缺陷的目的。因为 用5 0 0 v 兆欧表检测被试品绝缘阻值较高时，再用2 5 0 0 v 兆欧表测其绝缘阻值已低到不能使用的程 度。绝缘是相对的，一些绝缘体对于低压是绝缘的，但对予高压就不一定再是绝缘的，因此，用不 同档位的电压兆欧表测出的绝缘电值是不同的。例如，在同一时间同一环境温度下对一台有缺陷的 被测试品进行测量，当使用不同等级电压的兆欧表对该试品测量绝缘阻值时，其检测结果如表1 1 所示： 表1 - 1 绝缘电阻实测值 兆欧表电压 5 0 0 v1 0 0 0 v2 5 0 0 v 测试结果 4 8 0 m q1 4 0 m q9 5 m q 在表1 - 1 中可以得出，随所使用兆欧表电压的增高而被测试品的绝缘阻值是降低的。在这情况 下工作人员很容易造成误判断。所以，对于高压电气设备应用采用相应高压等级的兆欧表进行绝缘 阻值的测量，以利绝缘缺陷的暴露。 根据串联电压叠加原理，可以通过把i k v 或0 5 k v 电压等级的兆欧表串联起来使用。将两块 1 k v 电压等级及一块0 5 k v 电压等级的兆欧表串联起米，就可在得到2 5 k v 的直流电压从而加在 被测试品上。但在串联使用时应该注意以下两点： ( 1 ) 将两块表进行串联后，串联在电路中的第一只兆欧表对地电位已被抬高，故应当采取保护 措施，首先操作人员应采取戴手套等安全措施，然后将兆欧表外壳对地绝缘。 ( 2 ) 串联使用的兆欧表尽量为同一厂家生产，这样特性人体一致。 电机是国民经济生产使川中最广泛的机电设备之一，它制约着】：业生产的各个环：饥而绕组义 是电机的“心脏”，其匝间绝缘性能的优劣直接决定了电机的寿命。电机在使用中出现故障最多的是 绕组击穿、绕组短路、绕组断路、绕组烧坏等，这些都属于电机绝缘问题。r 厂在电机生产过程：| 序包含对电机绕组进行预烘、浸漆、烘干等绝缘处理。其目的是川漆填满绝缘内层中所有空隙和覆 1 宁夏大学硕士论文第一章绪论 盖表面，去除潮气、氧、灰尘等有害物质，经绝缘处理后可以提高电机绕组的耐潮性能、耐热性和 导热性、耐化学腐蚀性能、电机绝缘电气性能和机械性能以及绕组的化学稳定性等性能。生产过程 中，通过对电机绕组烘干过程中的电机绕组热态阻值跟踪测量，及时、准确的获取电机绕组在绝缘 处理过程中的参数变化情况，再对所获信息进行归纳和综合后，再与试验标准和工艺规定值以及以 往试验结果进行比较，就可以得出当前电机绕组是否满足绝缘等级要求，是否到达工艺标准。再对 相关记录数据归纳后进行分析，针对相关数据进一步改进工艺，从而减少废品率，提高生产能力， 降低出厂成本提高企业利润等。 本课题正是针对现在市面上所生产和销售的兆欧表产品所存在的问题而提出的，主要雨绕如何 增加数值兆欧表的档位和测量精度。在不修改原有产品模具和电路的情况下增加原有产晶的单位， 在原有的调档算法上进行升级，并且，加入现代控制理论的新型算法一模糊判断，利用r s - 4 8 5 组成简单的串行通信总线结构，将原有产品的功能大幅度提升，成为现代智能仪表的典范。设计成 型后的产品具有测量范围大，精度高，便携，可直接与上位机进行通讯等特点。 1 2 绝缘检测技术发展现状 电气设备的绝缘程度程度，可由绝缘材料的绝缘阻值来反映，绝缘阻值的测量仪表是智能兆欧 表，此表的研制技术在国外已经比较完善，但是价格较贵，通常就要几千，甚至上万美元；并且， 国外早在2 0 世纪7 0 年代，就已经开始对用电设备进行出厂前鉴定，还对用电设备进行跟踪检测及 定期维护，尽量减少事故的发生。国外产品，例如美国的e d & d ，德国b e h a ，日本共立( k y o r i t s u ) 和恒河等，其产品精度，性能和功能比国内产品更加优良。国外的产品仍然在绝缘电阻测试以及相 关产品方面领先。目前流行的高压智能兆欧表，大都以单片机为核心，以其测精度高，自动化程度 高而备受使用者青睐。国外在此基础上已经开发了基丁绝缘电阻测量的数字兆欧表，功能较为全面， 具有多种测量方式，可自动计算、打印绝缘电阻值、吸收比、极化指数和残余吸收电流等绝缘特征 参数，获取的性能参数多。 在国内也有自主研发的，但是技术还不成熟，对热态电机绕组绝缘阻值测量这一块还没有引起 重视，市场上还没有相应的测量仪表。 国内对设备绝缘性能进行定期或不定期的检测，人多采用的绝缘电阻表主要还处下非在线测量。 常规摇表在进行绝缘阻值测量时主要有以一i - ) t , 个缺点： l 、测量时为了维持正常的输出电压，必须刚手摇动发电机并保证有1 2 0 r s 的速度； 2 、电压等级少，量程范围小： 3 、由于采用机械式表针指示，刻度非线性，读数误差，测量误差都较人； 4 、操作复杂，无法输出比较稳定的电压； 5 、关机时反向冲击电流大，容易损坏指针： 6 、人一l = 抄表，不符合试验数据信息化的要求； 7 、体积重量大，不便携带，给使川带米不便； 8 、不能长时间在线测量，所测数据无法自动采集，白动化水平比较低，在i ：业控制场合难以实 现系统集成； 9 、最低电压也是l k v ，其产品的测量范围大多都在儿m q 儿十g q ，测量误差在8 之内： 宁夏大学硕士论文 第一章绪论 目前市场上大部分还是进口设备，这种兆欧表功能较单一，没有实时通讯功能，无法实现现场 要求的多台仪表统一管理的智能控制要求。其次，现今的智能兆欧表对电机绕组热态绝缘电机阻值 较小，容性较大的情况下，测量数据精度不高，误差较大：最后，所测数据无法自动采集、存储和 查询，自动化水平比较低，而且不能一机多用。因而。我们需要根据丁厂要求设计出0 5 k v 、i k v 、 2 5k v 、5k v 可自动换挡的智能数字兆欧表。 1 3 研究的思路与主要内容 本课题主要依照厂方要求增加原有产品的测量档位并采用一种新的智能控制方法，其特点主要 是：产品性能更优，相对于传统的绝缘阻值测试仪，智能数字兆欧表进行了本质上的改进，使其达 到较高的测量精度，具备与上位机通信功能，与组态软件共同使用可以实现全自动的测量数据，减 少了工人的劳动强度。顺应了企业提高产品质量和管理水平的要求，能够对电器产品的生产过程中 进行绝缘阻值检测，并将产品型号、操作人员，生产日期，绝缘阻值相关信息一同录入电脑中存档， 以供查询。 根据课题要求，进行了系统的整体设计与改造，产品主要由软件与硬件组成，硬件的改造主要 实现档位的扩充，软件的设计主要提高产品测量精度，实现通讯功能。 根据整体设计，本论文分别从仪表硬件部分和软件部分入手作详细讲解。按此方式，本文共分 为六大部分： 第一部分既是本节，介绍了本课题的研究背景和意义，国内外的发展趋势和系统总体计。 第二部分是全文的第二章，介绍了绝缘体的基本特性、测量原理和测量方法，并对电机绝缘阻 值测量的数学模型进行了动态分析； 第三部分是全文的第三章，介绍智能数字兆欧表的设计，详细介绍了它的硬件电路设计。 第四部分是全文的第四章，介绍智能温控仪表的设计，详细介绍了它的软件程序设计。 第五部分是全文的第五章，主要介绍新型算法对系统误差的减少。 最后一部分为系统的结论与展望，总结系统所实现的功能和特点，展望下位仪表的使用前景。 3 宁夏大学硕士论文第二章绝缘介质特性与测量原理 2 1 绝缘介质 第二章绝缘介质特性与测量原理 绝缘介质主要作用是用来隔离带电的或不同等电位的导体，使电流能按照一定的方向在导体中 流通。绝缘介质的性能和场强设计是电气设备的绝缘性能主要因素，电介质是指在外电场作用下， 电阻率超过1 0 8q c m 能被极化的物质。广泛采用液体、同体幕i 某些气体电介质作为i j 绝缘材料， 可以提高高压设各的耐压能力。因此密封化结构可以使设备的绝缘能力一般不受外界大条件变化的 影响，绝缘材料的采用可以减小电器设备的结构尺寸。 在电场作用下，绝缘材料除具有电气绝缘性能外所表现出的物理特性主要有极化、损耗、电导， 若外界电场强度较高时会发生击穿，随着工作运行时间的增加材料自身也会逐渐老化。为揭示绝缘 性能的改变，达到绝缘检测的目的，因此必须了解绝缘介质在电场中的特性，定期测量这些特性的 绝缘电阻、泄露电流、介质损耗角正切等参数。 2 2 绝缘介质的基本特性 2 2 1 极化 置于外电场中的电介质，沿电场方向产生偶极距、在电介质表面产生束缚电荷的现象称为极化。 介质极化的类型决定于绝缘介质的分子结构和分子的运动形式。根据形成极化的机理不同，介质极 化可以分为四种，即电子和离子的位移极化，热离子位移极化，偶极子极化以及夹层极化。 根据电介质极化形式大体可分为两种类型： 第一种类型的极化为立即瞬态过程，完全弹性方式，无能量损耗，也即无热损耗产生； 第二种类型的极化为非瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进 行，这种称为松弛极化。 2 2 2 电导 理想的绝缘介质不含带电质点，也没有自由电子，应该不具带电性。在现实世界中，理想的绝 缘介质是不存在的，任何绝缘材料和绝缘结构在电场作川卜都会冈载流子的定向流动形成微小的电 流，具有微弱的导电性，呈现数值很高但有限量的绝缘阻值。 物体中衡量传导电流通过的能力为电导。电介质中的电导可分为离子电导和电子电导。正常情 况- 卜，电介质中导电的载流子时离子而不是自由电子。 绝缘介质中总含有少量的杂质离子，在外电场的作州+ 卜- ，介质本身的离子和外米杂质离子分解 为正负离子，并各自沿电场方向移动，形成载流子迁移的离子性电导电流，电导电流随环境温度增 大呈上升趋势，电导率增大，电阻率下降。这一特性恰恰与金属导电的情况相反，这是因为温度升 高时，到电的离子数量因热离解而增加；介质粘滞性的下降使分子问相互作圳力减小，有利于离子 4 二2 譬篁翌生墨2 一一 第二章绝缘介质特性与测量原理 的迁移。 绝缘介质在高压电场作应下被碰撞和游离激发出来的自由电子沿电场方向移动形成电子电导 电流时，表明绝缘介质已被击穿。一般认为绝缘介质中的电导均指离子性电导。 2 2 3 电介质的损耗 绝缘介质在一定电压作用下都将产生的各种损耗，称为介质损耗。按照物理性质，电介质损耗 通常可分为三种形式。 第一种是电导损耗。他是电导电流使绝缘介质发热而产生电导的能量损耗，在交直流电压下都 产生，电导损耗对于后面两种损耗而言是很小的。介质吸收水分后，将引起损耗增大时，这一损耗 也急剧增加。 第二种是极化损耗。在交变电场中，随着外界电场大小和方向的改变，绝缘介质的极化也随之 改变其强度和方向，带电质点沿交变电场的方向作有限的往复位移和重新捧列。由于绝缘介质中存 在建立时间较长的松弛极化现象，极化过程总滞后于交变电场的变化，在大部分时间内，电场总对 移动中的电荷做功，介质因松弛极化而引起的热损耗，被称作极化损耗。这种类型的极化损耗只会 出现在交变电场下。在交变电场频率增加的情况下，电荷的往返运动更趋频繁，极化损耗也愈大。 第三种是游离损耗。游离损耗是指在绝缘介质内的局部，由于气泡，油隙，电极尖端等电场集 中处的电场强度高于某一数值时，产生游离放电引起的。该局部放电因游离和电子注轰击而伴随有 较大的能量损耗。 游离损耗只在外加电场超过一定数值后才会出现，劳随着电压升高而急剧增加。 2 2 4 电介质的击穿 在电介质上施加电压后，电介质中流过不大的泄露电流。当作用电压超过某一临界值时，电介 质中电流剧增，发生破裂或分解，以至丧失其固有的绝缘性能而呈导电性能，这种现象称为电介质 的击穿。在不均匀电场中，场强大处首先达到电介质的耐压强度，产生局部放电、局部击穿和电晕， 但整个绝缘体不一定马上击穿，所以整个绝缘结构的击穿电压往往人于其局部放电或起始电晕电压。 对固体介质而言，大致可分为电击穿，热击穿和放电击穿三类。 0 u 图2 - 1 绝缘击穿时电流与外施电压的关系 实际上，上述三种击穿形式往往同时存在。如图2 - 所示，试品泄漏电流曲线的起始部分基本 符合欧姆定律；当外施电压较高时，电流呈指数增人；最终为强电区，电流陡增，曲线弯曲并向上 出现拐点，直至击穿。 5 宁夏大学硕士论文 第二章绝缘介质特性与测量原理 皇詈皇暑墨墨鲁量| 鼍皇置詈蟹量置詈鼍詈鼍鼍| 皇量詈墨量量皇置量鼍墨皇詈鼍鲁詈皇量皇鼍皇置皇鲁暑皇皇皇鼍暑鼍鼍量量墨l l ! 鼍 2 3 绝缘阻值的动态测量与数学模型 2 3 1 绝缘阻值的基本概念 防爆电机设备的体积较大，绝缘电阻值较高，并具有较大的分布电容。电机绕组热态绝缘阻值 测试作为最基本非破坏性测量方法，根据电机绝缘测试模型的定量分析，准确判定绝缘实验模型的 绝缘性能。在电机定子和线圈上施加直流实验电压后，置丁电场中的电机绝缘介质沿电场方向产生 偶极距，界面产生束缚电荷，形成极化现象。测试电压施加丁电机绕组上产生的电流及其随时间的 变化规律反应了绝缘介质的物理特性，流过电机定子上的硅钢片与绕组之间的总电流由介质吸收电 流i a ( t ) 、电容充电电流i g ( t ) 、局部放电电流i q ( t ) 和泄露电流i c 四个分量组成。兆欧表指示绝缘阻值 随时间而增大并与上述四个电流之和成反比关系，直到充电和极化的过程结束，稳定于某一数值。 总电流由四个分量组成，表示为： i o ) = i o ( t ) + i e ( t ) + 乞( f ) + 之 ( 2 一1 ) 式2 1 中，电容充电电流i 。( t ) 为随时间很快衰减到零的儿何电容和介质弹性极化所形成的电流。 电容电流大小与电机绕组的材质、形状、几何尺寸等有关。由于电荷移动极快，电子弹性极化的建 立时间很短，充电电流实际值比较大，并随试验时间的增加，在很短的时间内星指数规律迅速衰减 到可忽略的程度，所用仪表的测量电路的参数与衰减时间常数和电器设备的电容量有很人的关系。 吸收电流随时间衰减的过程，该过程被称为松弛极化过程。松弛极化电流是由偶极子极化再加 上不均匀介质表面电荷移动所引起。松弛极化的强度，反映材料自身的特点，与外界条件也有很人 关系比如外加电压，温度等。随时间增加而衰减至零，通常用指数规律或幂指数规等相应的函数米 描述该过程的变化规律。在同类产品中介质绝缘性能愈好的产品，。州吸收电流值较人，衰减愈缓慢， 因此可以用衰减速度和吸收电流的大小等参数来判定绝缘性能的优劣。 吸收电流曲线的形态与介质的绝缘能力密切有关，对绝缘介质受潮或脏污相当敏感。松弛极化 过程愈强烈，吸收电流愈大，衰减缓慢，介质绝缘性能愈好，则在相同测量时间范围内的吸收电荷 就愈多。有时长达数小时吸收电流的衰减过程才能完成。 泄露电流i c 为不随时间改变的恒定量。泄漏电流主要由体电导电流和表面漏电流组成。该电流 的大小与很多因素有关，归纳起米主要表现在白身材料的特性和外界电压，温度。试品的绝缘阻值 愈高相对应的泄漏电流愈小，则试品的绝缘性能愈好，泄i 5 ：i ；电流只是判断介质绝缘性能优劣的参数 之一。 对于介质存在极化过程的情况而言，极化和充电都比较缓慢，当充电电流和泄i ；= i ；电流两者都衰 减为零时，也就是说在充电和极化过程都结束时，才能测试晶泄漏电流分量，此时测得的电流才与 真实绝缘阻值在关系上具有反比例关系。 局部放电电流i 。( t ) 是介质绝缘部分击穿的局部放电和油隙或气隙的l h 晕放电l 岜流组成。试晶在 施加交流高压时，局部放电脉冲具有两个方向；在施加直流高压时局部放电脉冲为单方向；由丁- 电 路惯性环：1 ，的存在，脉冲电流的波形通常为衰减振荡形式。由丁l b 场分布的不均匀而产生局部放l h ， 造成的原因主要是：i ：艺、材料缺陷或设计不当等。当局部电场强度高丁某一数值时，则产生局部放 电现象，这种放电现象在短时间内不会在电极之间造成惯性通道，随着时间的增加这种放电会使试 品的绝缘性能。f 降，伴随着绝缘性能的卜- 降，达到一定的积累，最终试品会在外界高压的情况卜产 6 宁夏大学硕士论文 第二章绝缘介质特性与测量原理 生击芽。 在绝缘阻值试验时，局部放电电流i q ( t ) 的试验电压等级远远小于泄露电流i 。和介质吸收电流 i a ( t ) ，在加上局部放电电流i q ( t ) 本身的量值就很小，因此局部放电电流i q ( t ) 常可以忽略。则总电流可 简化为三个电流分量，式( 2 1 ) 改写为： f o ) = 名o ) + 乞o ) + 之( 2 - 2 ) 此时，总电流与i g ( t ) 、i a ( t ) 、i c 三个电流分量大致的变化规律和位置形象如图2 - 2 所示： o 图2 - 2 绝缘试验试品电流示意图 可见，总电流i ( t ) 呈指数律衰减，但起始部分由于电容电流的叠加，总电流并不是随时间的推移 趋近于零，而是最终稳定在泄漏电流i c 。介质的绝缘电阻值与总电流成反比例关系，总体随时间呈 指数律逐渐增大，或与双曲线型幂函数律反比对应的抛物线型规律逐渐增大，最终稳定于试品的真 实绝缘阻值。 2 3 2 绝缘阻值的测量试验 电气设备绝缘电阻试验的专用仪表为兆欧表。利刚；i e 欧表产生一个较稳定的直流试验电压，施 加于被试设备，并构成闭合测量回路，回路中流过与被测试品绝缘情况有关的回路电流。采用电流 电压法的兆欧表在仪表内部的采样电阻上获得采样电压，该电压与试品电阻阻值成正比关系，经欧 姆定律运算后，得出被测试品的绝缘阻值。绝缘电阻测量原理示意图如图2 3 所示： rl 图2 - 3 绝缘阻值试验原理电路 在图2 3 中点e ，l ，g 分别为接地端，线路端和试品表面泄i ；i ；电流屏敲通路端：e 。为测试电源 的电动势；r 0 为电压采样电阻；r m 为兆欧表的限流电阻；r i 为等效内阻；r x 为待测电阻。 常用的绝缘阻值试验方式有： ( 1 ) 绝缘阻值试验 对于单一绝缘体的设备如电气仪表、套管等，儿何电容量较小，可以认为其阻抗特性接近丁纯 7 宁夏大学硕士论文 第二章绝缘介质特性与测量原理 电阻。施加直流高压后，极化现象十分微弱，泄漏电流为测试电流的主要成分，且能在短时间内变 为衡定值。为避免其他因素的不稳定影响，通常在施加测试电压延续1 分钟时读取该时刻的测得电 阻值r 舶作为被测试品的绝缘阻值，并以此作为判断的依据，来断定绝缘体是否受温度或湿度的影 响，并且存在贯通性缺陷等劣化现象，评价绝缘情况的好坏。 电力系统中常常会用到变压器，电机和电缆，作为常用的高压设备，大都采用夹层绝缘的方法， 绝缘结构很不均匀，极化过程及其明显，吸收电流的衰减十分缓慢。唯有采用高品质的仪表在施加 高压一段时间后，略去初始阶段的测量数据，从后期由吸收电流和泄漏电流两者数据进行折算，以 通过折算所得的视在绝缘阻值来推断出试品的绝缘状况。只有在充电过程和极化过程都完成之后， 才能测量出设备泄漏电流分量，该值为被测试品的真实绝缘阻值。 ( 2 ) 极化指数试验 对于大型设备在工程上判断绝缘阻值的缓急变化态势，常以吸收比k - 氐r 1 5 s 和极化指数 p i - r l r l 。来推断大型设备绝缘情况的优优劣。 在试品外加直流高压的情况下，在绝缘介质中所流过的电容电流，吸收电流随时间的增而减少， 其中电容电流减少的很快( 1 5 s 内全部衰减) ，而吸收电流的减少速度与绝缘体自身结构有关。在绝 缘体干燥、清洁时，泄露电流很小但吸收电流衰减慢，需要几十秒至数分钟才达到稳定。因此，测 得的绝缘阻值随测量时间的延长而增大。当绝缘受潮、污损时，泄露电流很大而吸收现象不明显， 绝缘电阻不随测量时间的增加而增大。因此，国家标准规定吸收比k 为6 0 s 的绝缘阻值与1 5 s 时所 测得绝缘阻值之比。即k = r 6 0 r 1 5 一般认为k i ，3 为标准要求，k 值若小于1 3 时，表示绝缘结构 情况不好。 对于吸收电流衰减过程延至数分钟的情况，可以采用极化指数来衡量电气设备绝缘情况的好 坏。极化指数是值大电容设备1 0 r a i n 阻值和1 r a i n 阻值之比。一般认为p i i 3 为标准要求，若p i 值 小于1 3 时2 ，表明绝缘状况较好。 。 在此应当强调的是，在绝缘电阻试验的起始时间段内，所读取得电阻值不一定准确，由此导致 折算吸收比误差较大，倘若用绝缘电阻值r 讹、吸收比、极化指数三者其中的某一项参数，来判断 某试品的绝缘性能，将会带来很大的局限性。通常在工程上互相参照使用吸收比和r 1 0 i n 绝缘阻值、 r - 。绝缘阻值和r 。( 即真实绝缘电阻值) 等各项参数来判断试品绝缘性能的好坏。 2 4 兆欧表的测量原理 高压兆欧表原理上主要由直流测试电源和采样电阻串联组成，如图2 - 3 。在整个闭合测量同路 中，以测量试品在高压e s 下所流过的电流，进行换算出试品的绝缘阻值。试品的一端接地。兆欧表 规定采用负极性接法，l 端输出负高压，e 端接地。根据采样电路与测试l 也源串联接法上的相对位 置，高压兆欧表有两种组构制式，即低电位屏蔽和高电位屏敝。 2 4 1 比较测量方式 在图2 3 所示的单支路测量电路中，e s 、i 奴、r 。、分别为为测试电源电势，被测试品电阻、 附加电阻和标准采样电阻组成。在测量同路中r o 上的采样电压u o 为： 8 ! 夏大学硕士论文第二章绝缘介质特性与测量原理 卟而 ( 2 3 ) 当r - x 较小时r m 为了作限流保护或抗干扰滤波而在测量回路中串接的仪表附加电阻。定义测量 回路的串联总电阻为l b ，即 足= r + r + 心( 2 4 ) 一般情况下，下列条件常能满足 r x r i + r o + r m ( 2 - 5 ) 则式( 2 - 3 ) 可以换写成 r r ：警：拿 ( 2 6 ) “ u ou o 比较测量法的测量电路转换系数 = r o e ( 2 - 7 ) 由式( 2 呦可见，采样电压与被测电阻呈现出反比例的函数关系，被测阻值等于转换系数乘以采 样电压值。该转换系数由人为设定固定不变为一常数，不同仪表的转换系数不尽相同。兆欧表在测 量被测试品时的显示值，不仅与仪表总的电路转换系数有关，还与兆欧表指示器的结构有很大关系 关。当仪表的电路和电路增益系数确定以后，则测量电路中的转换系数唯一确定，且不可以随意更 改。由式( 2 - 7 ) 可以看出，测试电源电压e s 与测量电路的转换系数成正比。显然，随着试验电压e s 的变化，转换系数也会作相应的变化。不同电压档次的仪表才 改变，对于指针式的仪表，指示的 刻度规律也不相同。为了保证测量的准确度与精确度，对于测试电源电压e s 的准确度和稳定度都有 很高的要求。单支路测量绝缘阻值的致命弱点便在，此。 在测量支路并联一个基准电压支路，构成如图2 _ 4 所示的双支路电压比较( 比率) 测量法。 e l e u o g 图2 - 4 双支路比较测量原理电路 图2 4 中u o 、r i 、 r x 、 r o 、r m 分别为测试电源电压：电源等效内阻；等效绝缘阻抗；采样 电阻；保护电阻。根据图示电路可得： 卟丢群赢 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 格 宁夏大学硕士论文 第二章绝缘介质特性与测量原理 一般情况下有：r 墨+ r + 如；r i 、r o 、 r m 可忽略不计，用式( 2 8 ) 与式( 2 9 ) 相除可得： 足= 等半，设长“，删唿蝌船： 足= 2 r o ( 1 + 詈) ( 2 - 1 0 ) 将公式( 2 - 8 ) 与公式( 2 9 ) 左右对应相除，便可以消除测试电源电压e s 波动的影响，测量结果更加 的精确。被测电阻r x 的值仅与电压系数入、采样店主r o 有关。在检测时，通过检测r o 的电压值就 可得到r x 的等效阻值。为了使输入a d 芯片的数据有较好的线性度，在中央处理器的控制下可以初 步测得r x 值，然后根据其大小选择阻值合适的r o ，将其接入采样网络电路中再次进行测量，则可 以实现兆欧表量程的自动切换。 2 4 2 枷转换器的除法运算 在单支路测量法中，当条件式( 2 - 5 ) 满足时，式( 2 呦的关系同时成立，采样电压与被测阻值呈现 出正比例关系，被测电阻阻值就等于电路转换系数除以采样电压值所得数值。在仪表的电路中转换 系数的大小与采样电阻值的大小有关，设计时要求该系数为一常数。在采样电路后面串接一个电压 测量和除法电路，便可以完成采样电压换算为被测电阻值的倒数运算，由于该电路的存在被测电阻 阻值便可以直观地指示。 在采用比较测量方法进行测量时，通常采用d 转换器进行模拟信号与数字信号的转换。将基 准两个电压输入刖d 转换器的输入端，便可实现除法运算。如图2 - 5 所示。 图2 5 实现除法运算的a d 转换器原理接法 在按照上述接法的a d 转换器中，可得输入l 匕压u i a 与输山脉冲数关系，如式2 11 所示： ，：生( 2 - 1 1 ) 。 u ， 式中：n 1 - - 计数溢出脉冲数； u i - - 输入电压； u ，一基准参考电压。 采样e h 压u r 和基准电压u o 对应地输入到a d 转换器的两路输入信号端，即u o u r a 端，u r u 认端，则有下式关系 l o 宁夏大学硕士论文 第二章绝缘介质特性与测量原理 n ，：i 生 1 u o ( 2 1 2 ) 由式2 一1 2 可得出u o 与n 2 成反比关系，将式( 2 6 ) 和式( 2 9 ) 代入式( 2 1 2 ) ，整理后可得式 ( 2 1 3 ) r 。：塑坠型堕：f ( n ，)，(2-13) 冗n ， 、“ 由整理后所得式( 2 1 3 ) 可以看出，a d 转换器输出脉冲数n 2 与被测电阻值k 成正比例关系， 完成了除法运算功能，式( 2 1 3 ) 中各电阻与输出脉冲数均为恒定值。选取合适的a d 转换器并且 按照要求设计好电路的相关参数，就能够直接用n 2 显示被测电阻值。在此种方法中，被测电阻阻值 与实验电源电压e s 及参考基准电压u r 无关，基准电压的影响也被消除了，标准电阻和测量电路的 稳定性决定了测量的准确度，且与电源电压等级无关，从而实现了比较测量的原则。比较测量法由 于其灵活、简便，易于实现，常常被广泛使用于各种测量电路当中。 当测试电压u s 改变时，电压一电阻转换系数不受其影响，采用该方法为单机多档电压提供了 可能性。由于a d 转换器灵敏度高，可以测量的绝缘电阻阻值比较高，而且仪表的高低量程分辨力 相同，线性度好，测量误差小。 2 4 3 电阻一频率转换电路 r f 转换电路原理电路和波形图如图2 - 6 和图2 - 7 所示，原理电路由参考电压u r 支路、测量 采样支路、恒流源电路、脉冲发生器、互补电子开关s l 和s 2 、充放电容c 等组成。当电容c 上的 电压低于给定的门限电压u 。时，脉冲发生器输出脉宽t , 署i i 幅度恒定的正脉冲。s i 和s 2 为一对z i 幸l , 开关，受控于脉冲发生器。当脉冲发生器输出低电平时，s 2 闭合、s i 断开；当脉冲发生器输出高电 平时，s l 闭合、s 2 断开。 图2 - 6 电阻一频率转换原理电路 u c “ 0 广厂广 图2 7 电阻一频率转换波形图 脉冲发生器的输出信号控制互补开关s 。、s 2 。当脉冲发生器的输出为零电平时，s 2 j j 合、s i 断开。由于脉冲发生器的输入阻抗极高，故电容c 以9 2 u ，经恒流源放电，电容上电压u 。线性下降。 当u 。下降到门限电压u 。时，脉冲发生器产生一个脉冲宽度恒为t 。的正脉冲。正脉冲的高电平使s 2 断开、s l 闭合，电容c 被恒流源充电，充电电流为g l u o - - 9 2 u ，。 于夏大学硕士论文 第二章绝缘介质特性与测量原理 若u f 恒定、u 0 也不变，则充电电流亦为恒定值，充电时间等于脉宽t a 。正脉冲结束时，脉冲发生 器的输出又转化为低电平，s l 、s 2 又再次分别闭合、断开，电容c 又再次被恒流源放电。u c 下降到 门限电压u 。时，脉冲发生器又输出下一个正脉冲，再使s 2 断开、s i 闭合，电容c 又被恒流源充电， 如此反复，脉冲发生器输出宽度恒定为t a 的脉冲串。 在一个周期内，分别受控于采样电压和参考电压的恒流源经互补开关在储能元件上的充电电量 相等，不应有电荷积累，否则脉冲的重复周期t 随即被调整，则有 ( g l u o - - 9 2 u ，) t a _ ( t _ t a ) 9 2 u ， ( 2 1 4 ) 式中，g l 、分别为电路中对储能元件充放电的受控恒流源的跨导。 整理式( 2 1 4 ) ，并将( 2 - 7 ) 、( 2 9 ) 代入，则r _ f 转换器输出脉冲串的频率可以表示为 厂：鱼生：鱼左生r ，：丑r ， ( 2 1 5 ) 。 g 。c v og 。乙r e 11 上式中可以看出i l 】【与e s 无关，仅与测量电路转换系数 3 有关，而a3 是个恒定值量，因而， 测量的准确度仅决定于各电阻值和转换电路的稳定度，与直流测试电源的电压等级无关。单片机内 的计数器对脉冲串计数，输出显示值与脉冲数成正比。r f 转换器电路简单，调试方便，具有较高 的准确度、线性度、动态线性范围和转换稳定度，并具有较高的抗干扰性能；缺点是电容c 上每次 充放电，并非理想过程，电容上的残余电荷会引入误差。 1 2 宁_ 夏大学硕士论文 第三章智能数字兆欧表的硬件设计 第三章智能数字兆欧表的硬件设计 在仪表的硬件设计中，简单、安全、可靠、运行稳定是设计的前提并且设计好的产品要有良好 的保护措旌，本章着重介绍智能兆欧表部分硬件电路的功能及其工作原理。 本课题以高频高压开关稳压电源为基础，将其与单片机相结合，以提高绝缘阻值测量自动化的 水平，提高： 作效率。所要实现的主要功能如下： l 、利用开关电源实现四档位高压输出( 0 5 k v 、i k v ，2 5 k v ，5 k v ) ，并且具有相应的过压、欠 压和过流保护； 2 、通过单片机可实现采样网络的自动转换，在测量不同大小阻值的绝缘电阻时，自动切换至相 应电阻，保证测量精度； 3 、可实现与p c 通话，进行数据上传和仪器参数的下载，实现仪表的远程控制；测量数据存储 在p c 机中，方便历史数据的查询； 4 、测量误差小于5 。 根据厂方要求所设计的兆欧表硬件结构如图3 1 所示，本产品可以提供o 5 k v 、1 0 k v 、 2 5 k v 、5 0 k v 四个档位的电压输出；测量绝缘电阻范围在i m q - - - 1 0 0 0 ( 3 0 之间，测量误差 小于5 ，可以实现自动档位切换，进行不同耐压测试，并可以与上位机通讯。 图3 一i 智能兆欧表系统硬件结构图 兆欧表硬仆主要分为以卜电路组成： ( 1 ) 负高压的产生和自动稳压电路； ( 2 ) 采样网络和量程白动切换电路； ( 3 ) 人机接口和通讯接口电路； ( 4 ) 信号调理和抗干扰电路。 1 3 宁夏大学硕士论文第三章智能数字兆欧表的硬件设计 3 1 负高压产生及自动调节电路 根据不同设备电压等级，选择相应的测试负高压档位。直流负高压是由1 2 v 的直流电经过t l 5 9 4 组成的开关电路、脉冲变压器变化，升压后经过六倍压倍压整流而等到的；测量过程中，单片机通 过电压采样回路实时地对高压发生器的输出电压进行监测，如果输出电压大于或小于标准输出电压 的时，单片机可通过电压调节电路，调节t l 5 9 4 开关电路的p w m 信号的的占空比，以稳定高压发生 器的输出电压。从而实现微机稳压的目的，让产生的直流负高压更加稳定。 3 1 1 1 l 5 9 4 芯片介绍 芯片t l 5 9 4 是美国德州仪器公司所生产的电压驱动型脉宽调制器件，其性能性能十分优良，被 广泛应用于开关电源中，可作为单端式、推挽式、全桥式、半桥式开关电源控制器，是开关电源的 核心控制器件。t l 5 9 4 的输出三极管共有两种方式，分别为共发射极及射极跟随，因而可以选择双 端推挽输出或单端输出方式。若工作在在单端方式时，其两路驱动脉冲为同步同相。工作在双端推 挽输出方式时，他的