（电机与电器专业论文）基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t y c o n f o r m i t yw i t hthe01 u n i v e r s i t yi nc o n t o r m i t yw i t ht h er e o u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho f c a p a c i t a n c ep a r a m e t e r m e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t c a n d i d a t e ：h u iz h u s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 0 2 s c h o o l d e p a r t m e n t ：c o l l e g eo fe l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g 一 一 d i s c i p l i n e ： e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i c a lm a c h i n ea n d a p p a r a t u s s u p e r v i s o r ：p r o f l i j 1j i n v r o t l ij u njm - m a r c h ，2 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：榭 2 肋年乡月乃e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：每獬 咖年多月够e i 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 电容型设备在电力系统设备构成中占相当大的比重，它们的绝缘状态是否良 好直接关系到整个电力系统的安全运行。为了保证对电容型设备的质量和性能的 准确检验，应对电容型设备的电容、介质损耗因数等参数进行测量。为此，进行 电容及其参数的测量方法研究具有重要意义。 本文通过对各种测量方法的优缺点对比，提出了以电流比较仪为核心的基于 虚拟技术的数字化电容参数检测仪设计方案。通过对检测仪的选型、硬件电路设 计、软件设计与系统误差修正，设计出一套基于虚拟仪器的高精度数字化电容参 数检测仪。通过样机调试和实验数据分析，验证了电容参数检测仪的设计结构合 理，测量准确。本文还研究了测试系统的电磁兼容性能( e m c ) ，并在l a b v i e w 软 件平台上完成了测试数据、界面以及功能的集成设计。同时通过m a t l a b 进行了 结果验证。 最后，论述了基于p c i 总线的虚拟仪器及其误差的分析方法，对虚拟仪器系 统各组成部分的误差传递与合成进行了研究，并提出了电流比较仪、数据采集系 统和虚拟仪器软件的误差修正方法。 关键词：电流比较仪，介质损耗，虚拟仪器 a b s t r a c t t h ec a p a c i t i v ee q u i p m e m st a k eav e r yi m p o r t a n tr o l em c o m p o s i t i o no fp o w e r s v s t e m i t si n s u l a t i o ni sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h es a f e t yo p e r a t i o no ft h ew h o l ep o w e r s v s t e m i no r d e rt oe n s u r e l el l i 咖q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e o ft h ec a p a c i t i v e e q u i p m e n t s i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pn e wi n s t r u m e n t a t i o na n ds t u d y t h ea c c u r a t e m e a s u r e m e mm e t h o do fc a p a c i t a n c e i nt h i ss t u d y , ad e s i g no fad i g i t a lc a p a c i t a n c ep a r a m e t e r sm e a s u n n gi n s t r u m e n t h a sb e e np r o p o s e da sc u r r e n tc o m p a r a t o rt h e c o r ea n db a s e do nt h ev i ( v i r m a l i n s t r u m e n t s ) t h er e s u l t so fp r o t o t y p ed e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t a l d a t aa n a l y s i s i n d i c a t e dt h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e t h ei n s t r u m e n t sp o s s e s s1 1 i 曲 a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y d a t aa c q u i s i t i o nb o a r d s ，c u r r e n tc o m p a r a t o ra n dc o n d i t i o m n g c i r c u i th a v eb e e ns t u d i e di nd e s i g n i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fv is y s t e m s o m e u s e f u la n t i i n t e “i e r e n c em e a s u r e sh a v eb e e np r o p o s e d t om a i n t a i ns i g n a li n t e g r i t y v i s o m a r ea r c h i t e c t u r ew a si n v e s t i g a t e d l a b v i e ws o f t w a r ep l a t f o r mw a s u s e df o rt l l e a c m e v e m e n to fd a t at e s t ，i n t e r f a c ea n dp e r f o r m a n c ea n dt h ed e s i g no f t h eb e s tm e t h o d d i g i t a lf i l t e r t h er e s u l t sc a nb et e s t i f i e db ym a t l a b t h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mc o m p o n e m so f t h ee r r o rp r o p a g a t i o na n ds y n t h e s i s h a sb e e ns t u d i e d t h ec u r r e n tc o m p a r m o r ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s a n dv i r t u a l i n s t l l u n e n t a t i o ns o f t w a r ee r r o rc o r r e c t i o nm e t h o dw a so b t a i n e d k e y w o r d ：c u r r e n tc o m p a r a t o r ；d i e l e c t r i cl o s s ；v i r t u a li n s t r u m e n t ； i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章引言1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 课题研究现状2 1 2 1 测量仪器的研究现状2 1 2 2 电容参数测量仪的研究现状4 1 3 本文的主要工作5 1 4 本章小结6 第2 章容性设备介损测量的理论分析与总体设计7 2 1 介质损耗的基本概念7 2 2 电桥的原理与选型：8 2 3 电流比较仪电桥的结构与原理1 3 2 3 1 电容和介质损耗因数的测量原理1 3 2 3 2 外接精密电流互感器扩大量程1 6 2 3 3 引线阻抗的补偿1 6 2 4 电容测试系统的总体设计1 7 2 4 1 电容测试仪性能指标及测试任务1 7 2 4 2 虚拟仪器的构成方式与系统选型1 8 2 5 本章小结2 2 第3 章电容参数检测仪的硬件设计与实现2 3 3 1 电容参数检测系统构成2 3 3 1 1 基于p c i 平台的系统基本构成2 3 3 1 2 硬件设计目标与要求2 4 3 1 3 电容参数检测仪的硬件结构设计2 4 3 2 数据采集模块的设计2 5 3 2 1p c i 数据采集系统的构成2 5 3 3 2 数据采集卡的选择2 7 3 2 3 信号调理电路的设计3 l 3 3 继电器控制模块的设计3 5 3 3 1i o 控制板卡的选择3 5 3 3 2 继电器选择与控制3 6 3 3 3 各模块继电器控制部分硬件设计3 8 3 4 测试系统的电磁兼容性分析与设计4 1 3 4 1 信号源和测试系统类型4 2 3 4 2 电容参数测试系统的信号输入配置4 3 i i i 同济大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究 3 4 3 测试系统的抗干扰措施4 5 3 5 本章小结4 6 第4 章电容参数检测仪的软件设计4 6 4 1 电容参数检测仪软件开发平台的选择4 7 4 2 测试系统的软件总体设计4 8 4 2 1 电容参数检测仪软件设计要求4 8 4 2 2 电容参数检测仪软件设计框架4 9 4 3 软件设计的具体实现5 0 4 3 1 界面设计5 0 4 3 2 d a q 采样程序设计5 1 4 3 3 数据处理模块5 3 4 3 4 数据传递模块5 4 4 3 5 按钮功能模块5 4 4 4l a b v i e w 平台下数字滤波器设计5 6 4 4 1 数字滤波器的选型5 6 4 4 2 数字滤波器的设计5 8 4 5 本章小结6 2 第5 章电容参数检测仪的误差分析与修正6 3 5 1 误差理论6 3 5 1 1 误差的定义6 3 5 1 2 误差的基本性质6 4 5 1 3 误差的合成6 5 5 2 电容参数检测仪各组成部分的误差分析6 6 5 2 1 信号调理电路误差分析6 7 5 2 2 数据采集卡的误差分析7 0 5 2 3 软件的误差分析7 3 5 3 电容检测仪系统的误差描述与修正7 4 5 3 1 电容测试系统的误差描述7 4 5 3 2 电容测试系统的误差修正7 6 5 3 3 电容测试系统的误差修正应用7 6 5 4 电容参数检测仪测量数据分析8 0 5 5 本章小结8 4 第6 章结论与展望8 5 6 1 结论8 5 6 2 进一步工作方向8 5 致谢8 7 参考文献8 8 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果9 0 i v 第1 章引言 1 。1 选题的背景和意义 第1 章引言 现代社会对电力的依赖性极高，安全、可靠、优质地供电是现代电力系统运 行的基本要求。电网事故和大面积停电造成的经济损失无法估量，“十五”期间， 我国电网中由于设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的2 6 3 。因此， 提高电力设备运行的可靠性是保证电力系统运行的关键。 对于高压电力设备而言，设备运行的可靠性在很大程度上取决于设备绝缘状 态的好坏。电力设备在运行过程中，其介质不可避免地承受热、电、化学、机械 等多种因素的作用【3 】，设备的绝缘性在不可避免地发生劣化，严重时甚至导致绝 缘功能的丧失，从而引发设备故障。因此，及早且有效地发现绝缘缺陷，对减少 事故的发生、提高设备运行的可靠性具有重要意义。 在电力系统中，高压电容式套管、电容式电流互感器、耦合电容器等设备是 由若干个电容器串联组成的，故将它们统称为电容型设备 4 1 。其数量约为变电站 设备总台数的4 0 - - 5 0 ，在电力系统设备构成中占相当大的比重，它们的绝缘 状态直接关系到整个电力系统的安全运行。从国内外的运行经验来看，为了检验 评定电工设备、元件的性能，选择合适的绝缘材料，以及判断绝缘系统中的含湿 量、老化程度【5 1 ，发现电力设备绝缘系统的整体性缺陷就必须对电容型设备的电 容、介质损耗因数t 9 8 等参数进行测量。 目前虽然在线检测技术已成为当前研究绝缘检测技术的首选，但国内绝缘检 测中应用最多的仍是常规的预防性试验，长期以来电力系统都是通过定期进行常 规预防性试验的方法对设备的绝缘状态进行检测，特别是在对电力设备的制造、 交接验收、预防性检修中。这就意味着预防性试验在各种高压测量设备中依然占 有较大的市场份额，对这种高压测量设备进行研究改造，使其更加方便地满足绝 缘检测的需求是具有重要意义的。 现在国内使用的很多高压测量设备，与国外的先进设备相比较，依然存在很 多缺陷。例如国内很多高压测量仍处于手动操作的原始阶段，没有实现自动化， 带来的结果是，视觉上的偏差、手动的调节偏差，造成设备的性能发挥不一且测 量速度较慢，数据接口不兼容导致地难以进行有效的数据管理，高速发展的通信 技术无法在这些测试设备中应用。总之，这些传统高压设备笨重、价格昂贵、维 护成本高、几乎无法升级、测量数据管理困难、手动操作速度慢且人为因素造成 同济大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究 的误差大。 随着计算机和信息技术的发展，特别是虚拟仪器技术的广泛应用，软件目前 已经在绝缘检测中扮演了越来越重要的角色，大部分绝缘检测系统已经由以前的 纯硬件装置进化为计算机软硬件系统。虚拟仪器的引入降低了成本，它将各种设 备的数据采集、分析处理和数据管理的功能用同一台计算机来处理；信号调理模 块体积小，不同要求的信号调理模块也可以集成到同一机箱中，从而减小了设备 的体积重量；应用虚拟仪器的设备可以以最少的硬件投资和基本的升级即可改进 整个系统；计算机控制测量过程以及处理测量数据，对数据的准确度、管理和传 递都提升了一个层次。 因此，可以选择合适的高压电容参数检测设备与一台集成了信号调理模块、 高速数据采集卡和高精度数据采集卡的计算机配以软件支持，即利用虚拟仪器技 术设计一个自动测量的测量设备以代替传统手动测量设备，其具有重要的理论价 值以及实际意义，由此诞生了本课题一基于虚拟仪器的电容参数检测仪研究。 1 2 课题研究现状 1 2 1 测量仪器的研究现状 测量仪器发展至今，大体经历了五代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪 器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 第一代模拟仪器，是以电磁感应定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、 指针式电压表、指针式电流表等。这类仪器借助指针来显示最终结果。 第二代分立元件式仪器，当2 0 世纪5 0 年代出现电子管，6 0 年代出现晶体管时， 便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代仪器。 第三代数字化仪器，2 0 世纪7 0 年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电 路芯片为基础的第三代仪器。这类仪器目前相当普遍，如数字电压表、数字频率 计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最 终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。 第四代智能仪器，随着微电子技术的发展和微处理仪表的普及，以微处理器 为核心的第四代仪器迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又 具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称其为智能仪器。其缺 点是它的功能块全部都以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，无论针对其开发还 是应用，都缺乏灵活性。 第五代虚拟仪器，随着微电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的发 2 第1 章引言 展，仪器技术和计算机技术的深层次结合就创造了虚拟仪器的概念。虚拟仪器技 术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，用户借助通用 的仪器硬件平台，调用不同的测试软件，就可以构成不同功能的仪器。它的出现 使测量仪器与计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新时代。 所谓虚拟仪器( v m u a li n s t r u m e n t s ) ，就是将现有的计算机主流技术高 效灵活易用的软件、高性能模块化的硬件、用于集成的软硬件平台三者结合在一 起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测量与控制系统。这种方式不但 让用户享受到普通p c 机不断发展的性能，还可以由用户设计和定义其功能。使 用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就像在操作自己定义、自己设计的仪器一样， 从而完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储和打印。其实质是利用计算 机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结 果：用计算机强大的软件功能实现信号的运算、分析和处理；利用i o 接口设备 完成信号的采集与调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义： ( 1 ) 虚拟仪器的面板上的各种“图标 与传统仪器面板上的各种“器件 所完成的功能是相同的。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的，虚拟 仪器是在以p c 机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功能 的。 虚拟仪器的特点是仪器控制面板由计算机软件界面代替，由计算机控制仪器 硬件。虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用p c 组成灵活的虚拟仪器，更重要的 是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。 表1 1 传统仪器与虚拟仪器的性能比较 传统仪器虚拟仪器 硬件起主导作用软件起主导作用 开发与维护成本高软件使得开发与维护的费用低 技术更新周期长( 5 - 1 0 年)技术更新周期短( o 5 - - 1 年) 价格昂贵价格低，可重复用，可重配置性强 厂商定义仪器功能用户自主定义仪器功能 系统封闭、固守系统开放、灵活，与计算机同步进步 功能单一、操作不便自动、智能化、远距离传输 只可连有限的设备可用网络联络周边各仪器 如表1 1 所示，与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能 同济大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究 价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，因此本文在开发数字化电容测 试仪时选择了虚拟仪器为开发平台。 1 2 2 电容参数测量仪的研究现状 检测电容参数技术大致可分为两种方法：数字法和模拟法。 ( 1 ) 数字法 随着计算机技术的应用，出现了按照微机的特点来进行，充分利用微机的运 算存储和控制功能的数字化测量方法。由于介质损耗角6 就是流经试品的电流和 运行电压的向量之间夹角9 的余角，如果能测量或计算出电流信号和电压信号之 间的相位差r p ，也就能得到设备的介质损耗角正切t 9 8 。通过传感器从试品上取 得所需的信号u ( t ) 和砸) ，经前置预处理电路数字化后送至数据处理部分即计算 机或单片机，就可以算出电流电压之间的相位差r p 。由于对得到的数字信号进行 处理和分析等方法的不同形成了两大分支：主要靠“硬件”实现的测量法和主要靠 “软件”实现的测量法。 主要靠“硬件”实现的测量法，如过零点时差法，此法是一种将相位测量变为 时间测量的方法。在时域中，通过过零比较电路和脉冲读数技术，直接测量周期 为r 的正弦，u 信号由负变正过零点的时差时差丁，换算为9 = 2 z ( a t t ) ， 再算得艿= ( z 2 ) 一妒。另外，还有一种过零点电压比较法是测量两个正弦波在过零 点附近的电压差，并由电压差来计算相位差。 主要靠“软件”实现的测量法，如谐波分析法。在介质损耗因数的实际测量 中，现场有各种干扰，其中电网运行中的高次谐波分量对介质损耗因数的测量影 响较大。谐波分析法就是利用离散傅立叶变换对试品的电压电流信号进行谐波分 析，得出基波，再求出介质损耗因数。 ( 2 ) 模拟法 在高电压下测量电容参数的常用方法是电桥法，它的发展历程大致分为四 步： 第一步，上世纪4 0 年代国外最先着手生产高电压不平衡电桥，它利用电桥回 路产生一个容性电流，抵消了被试品上的容性电流分量，以求得试品上的阻性电 流，进而利用回路计算出t 9 8 。现场使用操作简捷方便，精度可满足一般工业测 量的要求。 第二步，德国的西林教授在1 9 2 0 年提出的高压西林电桥也是目前应用较广泛 的一种电桥。特别在工频高压下，其优越性显得更突出，许多国家都有产品投入 市场，如德国的k 一1 3 0 型，a - 5 0 0 型，苏联m a i i 型，p 5 2 5 型，瑞士t e t t e x 公司的2 8 0 1 型等。它具有较高的准确度，采取相应的措施还能在强电磁干扰下做到准确的测 4 第1 章引言 量。我国自五十年代开始也生产这类西林电桥，其型号有4 6 0 型，q s l 0 型，q s 3 型。 第三步，随着技术的进步，绝缘材料的介质损耗因数t 9 5 非常小，达到1 0 一， 一般的西林电桥对如此小的 已难于保证测量精度和分辨率，于是国外于6 0 年 代开始研制电流比较仪型电桥，以变压器的比例臂代替普通的阻抗臂，提高了测 量的准确度。它被应用于高压介质损耗测量装置上，其产品有瑞士t e t t e x 公司的 2 8 0 5 、4 7 6 4 型，加拿大9 9 1 0 a 型，国产q s l 9 、q s 3 0 型电桥。 第四步，后来8 0 年代中后期又出现了配合专门的模拟或数字辅助电路，实现 模拟或数字的自动平衡电桥以及带微处理器的测量装置，如2 6 1 8 型自动电桥及 m 2 0 0 0 型自动电桥采用先测出干扰，再消除干扰的措施，而a i 6 0 0 0 型自动电桥采 用变频自动抗干扰措施。 辔6 的非电桥测量方法一般有瓦特表法和谐振法。前者由于测量准确度太低， 已被淘汰；而后者适用于低压高频状态下测量。除此还有利用专门的相敏电路制 成的z t i 型介质损耗测量仪和利用相位分离电路技术制成的z j y i 型自动介电测量 仪。前者，相敏电路的输出信号与试品的电压和电流的相位差成比例；而后者， 相位分离是将正弦电流分离成互成9 0 0 的两部分，即复数形式的虚部和实部。以 上的种种方法，其原理都是模拟的。即使是数字化自动电桥，也只是采用数字化 技术来调节电桥的平稳，而实际上的测量原理仍然是用标准电容和电阻与试品做 比较的模拟方法。 数字法主要的应用场合是在线检测技术，是目前研究领域的热点问题，但精 度不高；而模拟测量法中的非电桥法，虽然结构简单，但测量精度低，抗干扰能 力差。而本文研发的电容参数测量仪，对精度要求高，暂不考虑在线监测功能， 因此，采用平衡电桥测量法是本文的首选。 1 3 本文的主要工作 本文通过对各种电气绝缘与电容设计检测设备的分析与研究以及电容参数 测试的各种方法的优缺点对比，提出了以电流比较仪电桥为核心的基于虚拟技术 的数字化电容参数检测仪设计方案。并通过对检测仪的总体与选型、硬件电路设 计、软件设计与系统误差修正设计，完成电容参数检测系统的研究与设计工作， 并且始终以精度作为测试仪设计的立足点。最后通过样机调试和实验数据分析， 验证了高精度电容检测仪的设计是合理的、可行的。如何利用先进的检测技术提 高电容与辔6 的检测精度、准确性和抗干扰性能以及如何利用虚拟仪器技术来构 建这样一台检测仪是本文的主要研究内容。本文的主要工作如下： 同济大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究 ( 1 ) 检测仪总体框架设计与研究，通过对虚拟仪器各种硬件构成方式的分 析确定检测仪的总体构成方案。 ( 2 ) 通过对各种模拟法测量与数字法测量的对比分析确立采用模拟测量法 中的电流比较仪法为基础的测量法，充分考虑该电桥的特点，研究该电桥的结构 与参数，设计出的检测仪既可以提高精度和灵敏度，又能达到加快测量速度的要 求，还能尽量减小干扰的引入。 ( 3 ) 以保证测量精度与功能实现为前提，完成硬件电路的设计，并针对电 磁兼容问题与测试系统抗干扰进行必要的分析，为后期的基于虚拟仪器的软件开 发提供硬件保障。 ( 4 ) 软件平台的选择与以l a b v i e w 为开发工具的测试仪软件系统研发。 ( 5 ) 合理利用硬件设计中的信号调理电路、软件设计中数字滤波器以及系 统误差修正方法提高测量精度。 ( 6 ) 对测量结果进行分析，完成电容参数检测仪设计的合理性以及测量精 度的分析。 1 4 本章小结 本章介绍了电容参数检测仪课题的研究背景和意义，对电容参数检测仪的现 状和发展趋势进行了调查研究，提出了基于虚拟仪器的数字化电容参数检测仪的 测试方案。最后，给出了本文的主要研究内容。 6 第2 章容性设备介损测量的理论分析与总体设计 第2 章容性设备介损测量的理论分析与总体设计 2 1 介质损耗的基本概念 在电场作用下，没有损耗的电介质称为理想电介质。实际电介质在电网运行 过程中，除了向电网输出一定的无功功率q 之外，其内部由于电导和极化将产生 一定的有功功率p 。该有功功率就是能量损耗，称为介质损耗，一般表现为电介 质中的部分电能转变为热能，它是导致电介质热击穿的根源。对于良好的绝缘体， 介质损耗是非常微小的。然而当绝缘出现缺陷时，介质损耗会明显增大，通常会 使绝缘介质温度升高，绝缘性能进一步恶化，甚至导致绝缘熔化、焦化，失去绝 缘作用，所以研究绝缘材料的介质损耗具有重要意义。 无论交流还是直流电压作用下，电介质都存在介质损耗。直流电压下，良好 绝缘体只有很小的电导电流，因而损耗一般很小；交流电压下损耗较大，且损耗 机理也较复杂。如图2 1 所示为交流电压下电容设备被看成是一个充满介质的电 容器，如图2 1 ( a ) 所示。图( b ) 为其并联等效电路图，图( c ) 为其相量图， 图( d ) 为其串联等效电路图r 。 印 e，【 g ( c ) ( d ) 图2 1 介质损耗的等效电路 习惯上，我们并不测量绝缘材料的介质损耗，而是测量其介质损耗角的正切 值，即介质损耗因数辔6 。从图2 1 中可以看出，测量留6 的途径大致分为三种： 其一如图( b ) ，流过介质的电流由容性电流分量厶和阻性电流，r 分量两部 分组成，阻性电流分量就是因介质损耗而产生的，所以介质损耗因数为 郴：拿些墼x 1 0 0 - 一上 2 孺磊丽丽、 此法的代表性测量方法是电流比较仪型电桥测量方法。 7 旦囫_o 同济大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究 其二如图( c ) ，因介质损耗而产生的阻性电流分量使流过介质的电流偏离容 性电流的角度称为介质损耗角6 ，6 = 9 0 0 - 9 ，9 为功率因数角。在实际测量中 要了解损耗的变化，通常由妒角得出6 ，进而得出正切值t g s 。此法的代表性测 量方法是在线测量的数字化测量方法。 其三如图( d ) 所示，将介质等效为串联的等值电阻和电容， 数留仃为： t 9 6 = 黼1 0 0 = r x 峨沁雨丽丽炉k x 切心x 其介质损耗因 ( 2 2 ) 此法的代表性测量方法是西林电桥测量方法。 不同的测量途径代表不同的测量原理、测量结构，它们是测量系统的核心， 决定了测量系统的测量精度和准确度，因此选择正确、合理的测量方法对测量系 统至关重要。 2 2 电桥的原理与选型 由第一章分析，电容参数检测仪我们首选平衡电桥，本章将进一步研究电桥 选型与原理。 电桥选择直接关系到电容参数仪的测量精度、测量速度，是电容参数检测仪 的核心，下面简单分析一下两种最常用的电桥。 ( 1 ) 西林电桥 西林电桥法是一种通过西林电桥上的已知参量来表示被测电容器的电容c ， 和串联等值电阻如，从而求出电容器的t g t 值的常用测量方法。图2 2 所示为目 前应用广泛的高压西林电桥基本电路，q s 3 、2 8 0 1 、m a i i 等都属于这类电桥。 a 图2 2 西林电桥原理图 从图2 2 中可发看出该电桥有四个桥臂，桥臂a c 为被测试品电容器，其工频 8 第2 章容性设备介损测量的理论分析与总体设计 阻抗为z l = 如一歹石云；桥臂a d 为标准电容器，其工频阻抗为z 2 = 一石1 ；桥 臂c b 为可变电阻恐，其工频阻抗为z 3 = 马；桥臂d b i 主t 电阻心和电容c 4 并联构 成，其工频阻抗为 2 4 卜击。墨小一，击j _ 志 3 ， 据此可完成测试任务，但是西林电桥测量方法有很多缺陷，具体表现如下： 1 ) 测试程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受人为因素的影响。 测量时，常有电桥不能平衡，测量误差过大等现象，而且c r 不能直读。 2 ) 随着输变电电压等级的提高，强电场干扰严重，使变电站高压电器设备 的辔6 测量误差过大，甚至严重偏离真实值。为此，曾提出了不少解决办法，如： 屏蔽法、电源倒相法、移相法、干扰电源法，三倍频试验电源法、分级加压法、 替代法、反干扰源法等，然而这些方法现场采用均各有缺陷，不尽适用。 3 ) 由于电阻的时间常数要求很小而且还要保证测量准确度，普通的高压西 林电桥能精确测量的量程为3 1 0 k v ，电容量程1 0 0 0 p f 以下，不能测试高电压、 大电容试品。 4 ) 当试验电源有较大的谐波干扰时，即使基波电压已获平衡，检流计仍不能 指零，振动式检流计可以消除部分高次谐波干扰，但不能排除与基波相近的谐波 干扰。 5 ) 西林电桥由于受指示器灵敏度及分辨率的限制，以及桥体元件固有误差的 存在和分布电容、电感的影响等，其t g a 测量只能达到1 0 。5 数量级，不能满足更精 确的辔6 测量。 ( 2 ) 电流比较仪电桥 西林电桥与电流比较仪型的电桥有着本质上不同的平衡原理，一个是电势的 平衡，一个是磁势的平衡，但其平衡过程又是相似的。 电流比较仪型的电桥是磁势平衡的原理决定了它具有不受外界温度、湿度及 时间等因素的影响，理论上具有较好的长期稳定性。q s l 9 、q s 3 0 都属于这类电 桥。 电流比较仪是此类电桥最核心的部分，它是一只多绕组的环形变压器，如图 2 3 ( a ) 所示，它是将三个绕组绕在环形铁芯上：r 为被测电流线圈，以为参考 电流线圈，d 为零磁通检测线圈。q 和q 的并联支路构成被测试品，g 和g 分别为标准电容器和标准电导，具体测量是通过调节匝数从来进行的。电流f r 和 f 。流入绕组的方向相反，因而它们产生的磁通方向相反。根据全电流定律 9 同济大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究 叮删= w ，若e i n ：o ，则铁芯中磁场强度为零。反之，若在检测绕组上所 接的指零仪指示为零，说明铁芯中无交变磁通，则有地& = 虬芯，由此可见电 流比较仪型电桥的平衡状态通过调节磁势平衡来实现的，其特点是铁芯工作在零 磁通状态，平衡时铁芯中无磁通，因而心和虮中均无感应电动势，在心和m 上的电压仅取决于绕组的铜阻，所以误差很小。 g s 图2 3 ( a ) 环形变压器图2 3 ( b )电流比较仪电桥原理图 在分析平衡电容时暂且不考虑电导分量的电流，按前述安匝平衡，零磁通原 理，由于铁芯内没有磁通，以和虬绕组的铜阻与电容器的电抗相比是可以忽略 的。和芯( 指容性电流分量) 可按下式计算： i x = j e c x ，i s = j e c s 由于安匝平衡，则 j e 蕊x n x = j e c s n s ， ， od 最后可得 q = g ( 虮以) ( 2 6 ) 在分析电导分量的电流时暂且不考虑电容分量的电流，被测电容损耗的等值 电导瓯的测量，和乞( 指阻性电流分量) 可按下式计算： i x = e g x ，屯= e q 由于安匝平衡，则 e g x n x = e g s n s joo 最后可得 嚷= g ( 虬y 以) ( 2 7 ) 1 0 第2 章容性设备介损测量的理论分析与总体设计 坟6 ：旦：g ：丝： ( 2 8 ) 。 qo c s n s 据此可完成测试任务，电流比较仪型电桥的具体特点如下： 1 ) 具有六位读数，直读电容及t 9 6 2 ) 能直接根据线圈位置确定娜值( 即当被$ 4 t 9 8 小于标准电容器的t 9 8 值) 3 ) 电桥的系统误差小，能自校系统误差。 4 ) 四端法测量大电容，具有自动补偿引线阻抗，提高测量准确度。 5 ) 电桥的准确度取决于电流比较仪的匝数比，它具有恒定性，不受外界温 度、湿度的影响。 6 ) 电桥具有较好的电压线性度( 即工作电压高低影响较小) 。 7 ) 电桥不需要辅助平衡电路，平衡速度快，操作简单而且安全。 ( 3 ) 电容参数检测仪测量方法的确定 本文从西林电桥和电流比较仪电桥中选择一个作为测量仪的核心，基于以下 四个考虑： 1 ) 从测量模型来看，实际电容试品在一个固定频率下，既可以用串连模型 也可以用并联模型表示。例如5 0 h z 下，下面两个电路对外呈现的特性完全一样： 1 11 3 2k c 2 91 0 1 7p f z = 1 0 0 - 3 1 8 j k q 图2 4 同一试品在同一频率下的两种等效模型 不同的电桥测量这两个试品，其介损都是3 1 4 ，但西林电桥( 2 8 0 1 、q s l 和q s 3 7 等) 测量的电容量是1 0 0 0 0 p f ，电流比较仪电桥( 如q s 3 0 ) 测量的电容 量是9 1 0 1 7 p f 。这是因为西林电桥认为试品损耗是串连模型，q s 3 0 认为试品是 并联模型。实际上当介损在1 0 以下时，这种电容量的差别是很小的。通过大 量的试验和理论计算，实际电力电容器大多数符合并联模型，这是因为有功电流 穿过电极之间的绝缘层，更像是损耗电阻并联在电极之间，而电极本身电阻为零， 没有损耗。 2 ) 从实践经验中看，在六十年代以前，高压电容几乎都是采用西林电桥测 量的。这种电桥在较长的一段时间内成为测试电介质材料的实验室以及其他许多 高压测试单位中的标准设备。但对于准确度要求较高的一些场合，西林电桥已不 f 叶 2 4 0 酒 n k 玛 0 ) = 俩 僻 9上tl5i 同济大学硕士学位论文基于虚拟仪器的电容参数检测仪的研究 能满足要求。近些年来，变压器比例臂型的精密西林桥的出现，使得精密测量技 术前进了一大步，但是由于受比例变压器耐压等的限制，使这种类型的电桥只能 用于几百伏的低电压下工作。而电流比较仪电桥测量技术很好地解决了这些问 题，使得高压下电容精密测量成为可能，并保证了很高的准确性。国内外一些生 产厂家的代表产品如下表所示： 表2 1国内外生产厂家代表产品性能表 型号生产厂家性能 电容测量范围0 1 p f - l u f ，测量精度0 0 5 o 3 p ，分辨率 l l - 2 8 2 2 h a e f e l y0 0 1 p ，介损测量精度0 5 4 - 0 0 1 ，分辨率0 0 0 0 1 ，重量 2 1 k g ，工作频率5 0 h z ，手动自动模式，原理采用西林电桥。 电容测量范围1 0 p f - 0 1 u f ，电容测量精度0 0 1 ，分辨率0 0 5 p ， l l2 8 7 7h a e f e l y介损测量精度0 1 0 0 2 ，分辨率0 0 0 0 1 ，重量3 0 k g ，工作 频率4 5 6 5 h z ，手动模式，原理采用电流比较仪。 西林电桥，手动调节，介损相对误差0 5 ，试验室使用。其改 l l2 8 0 1h a e f e l y 进型为2 8 0 9 a 。 电容测量范围0 3 u f - 2 0 0 0 u f ，测量精度1 5 ，分辨率3 n f ，重量 h b - d k 3 华宝电气8 k g ，工作频率5 0 h z ，自动模式，测试频率5 0 h z ，原理采用西 0 0 0 林电桥。 连云港兴盛 电容测量范围0 0 0 0 1 p f - 9 9 9 9 9 u f ，精度l ，介损测量精度l ， l y 2 8 1 7 电子公司 重量5 k g ，工作频率5 0 h z ，手动模式，原理采用西林电桥。 电流比较仪电桥，手动调节，介损相对误差o 5 o 0 0 0 0 5 ，试 q $ 3 0 上海沪光厂 验室使用。 西林电桥，手动调节，介损相对误差1 0 0 0 0 3 ，现场测量用。 q s l 上海电表厂 支持正反接线，移相或到相抗干扰。 实践证明，电流比较仪在功率仪器设备( 如电能计量装置、正交电流源、高 压电容测量、精密电阻测量、高压有源分压器等) 中具有良好的应用价值，极大 地提高了其输出的稳定性及准确性。 3 ) 从电桥本身的原理及特点看，电流比较型电桥的测量精度和灵敏度高于 一般的西林电桥，电容量和辔6 无需计算就能直接读出，不需要防护电压调节器， 测量用的连接电缆的对地电容对测量结果影响较小，采用带屏蔽的试验电源，可 测量接地或不接地的试品，这些都可显示出电流比较仪型电桥的优势，并且电流 比较仪型电桥与西林电桥相比在精度、准确度和抗干扰性能上具有进一步提升的 空间。 4 ) q s 3 0 a 型高压电桥为上海浦东电容器厂生产的实验室精密型高压电桥， 在国内的测试仪中它的整体性能较好，有较高的精度和较大的测量范围。 1 2 第2 章容性设备介损测量的理论分析与总体设计 基于以上考虑，我们在研发过程中，采用电流比较法作为检测仪的测量原理， 选择上海浦东申高电容器有限公司的q s 3 0 a 型高精度高压电容电桥作为电容测 试系统的内核。 2 3 电流比较仪电桥的结构与原理 2 3 1 电容和介质损耗因数的测量原理 在分析平衡电容时暂且不考虑电导分量的电流，如图2 5 ( a ) ，外加试验电 压e 通过标准电容器g 产生电流岛在虬绕组上的安匝数平衡& 的部分安匝 数。根据安匝平衡，零磁通原理，以和虬的绕组阻抗为零，因此绕组电阻与电 容器的容抗相比是可以忽略的，& 和容性电流分量为： j i x2 譬x ( 2 9 ) 【i s = 归笳s 由于安匝平衡，则 i x n x = i s n s ( 2 1 0 ) 将( 2 9 ) 代入( 2 1 0 ) 式： q = g ( 虬屹) ( 2 1 1 ) 在分析平衡介损时仅考虑电导分量的电流，如图2 5 ( b ) ，被测电容损耗的 等值电导q 的测量与标准电导q 有关，想要设计一种适合在高压下工作的精密 电导是不可能的。克服这一缺陷是用一个产生低