智能型并聯諧振交直流耐壓試驗裝置的研制

摘 要： 采用并聯諧振補償原理，研制了智能型交直流耐壓實驗裝置，裝置保證試驗電壓的工頻頻率和波形質量。 對被試品的狀態參數（電壓、電流、頻率）進行實時采樣，并可根據試驗要求對電壓波形進行智能分析，打印試驗結果及波形，儀器測量精度為0.5% 。整套設備從傳統試驗設備的5～6 t，減輕到現在的50～200 kg，縮短試驗時間。

關鍵詞： 并聯諧振技術； 工頻頻率； ADI高性能電能計量芯片； ARM系列芯片

中圖分類號： TN06?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0153?04

Development of intelligent parallel resonance AC/DC withstand voltage test device

SUN Dong?e1， GUO Yue?an1， GAO Hua2， ZHANG Ying1， FENG Ya1

（1. Northwest Geological Institute of Nonferrous Metal， Xi’an 710054， China；

2. School of Management Engineering， Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710061， China）

Abstract： An intelligent AC/DC withstand voltage test device was developed on the basis of parallel resonance compensation principle. The device ensures the power frequency and the waveform quality of the test voltage. The real?time sampling of state parameters （voltage， current and frequency） for the specimin under test was performed. The intelligent analysis and test result printing for voltage waveform can be conducted according to the experiment request. The detecting precision of the instrument is 0.5%. The weight of the whole device was lightened from 5～6 t to 50～200 kg. The experiment duration was shortened.

Keywords： parallel resonance technology； power frequency； high?performance electric energy metrology chip of ADI； ARM series of chip

0 引 言

我國經濟的快速持續增長勢必要求電力工業的發電系統持續保持正常快速的生產，這就對電力檢測儀器第一時間高效準確進行檢測、檢修提出了更高層次的要求。同時伴隨著全社會電力需求增長持續，電力行業的裝機容量也在持續增長，但針對發電企業核心設備發電機的檢測試驗技術近年來卻沒有突破性的發展，目前大部分發電企業還是采用傳統的方式在進行試驗，開發一種安全、輕便、智能化、操作簡便的試驗儀器成為行業和市場的需要。

智能型工頻交直流耐壓試驗器是一種用于判斷發電機繞組設備、電動機等絕緣強度的智能化儀器。該儀器創新點在于突破了傳統的試驗技術，采用并聯諧振技術，使整套設備從傳統試驗設備的5～6 t，減輕到現在的50～200 kg。儀器先進性在于它將高壓測量技術和計算機智能控制技術相結合，具有測量過程操作自動化水平高、實時數據處理和智能分析能力強等智能化特點。并可存儲、打印、調用試驗數據及波形。通過智能控制保證試驗電壓的工頻頻率和波形質量。采用并聯諧振技術避免了目前串聯諧振技術的一些缺點：一是試驗過程調諧不方便，二是試驗升壓過程不夠平穩。突破了傳統技術儀器的價格高、重量體積大、試驗難度高、測試時間長等缺點。

1 儀器裝置

1.1 技術原理

智能型發電機并聯諧振工頻交直流耐壓試驗器采用并聯諧振補償原理[1]，通過智能控制保證試驗電壓的工頻頻率和波形質量。 儀器內存貯了國內目前主要發電機的型號及對應的標準試驗電壓及補償電流，用戶可根據自己的需求添加和刪除，可以根據被試品額定電壓和電容量，計算出被試品的試驗電壓和補償電流。在試驗過程中，儀器對被試品的狀態參數（電壓、電流、頻率）進行實時采樣，并可根據試驗要求對電壓波形進行智能分析，從而給使用者以準確的試驗結果。儀器原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器原理框圖

1.2 主要技術與性能指標

主要技術與性能指標見表1。各項指標符合中華人民共和國電力行業標準《GB50150?2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》 、《DL/T596?1996電力設備預防性試驗規程》 、《DL/T848.2?2004高壓試驗裝置通用技術條件?工頻高壓試驗裝置》。

表1 主要技術與性能指標

[參數＼范圍＼測量范圍＼精度＼備注＼工作電源 /V＼AC 220±10%@50 Hz＼＼＼＼環境溫度 /℃＼-10～40＼＼＼＼相對濕度＼<90%＼＼＼無凝

露狀況＼額定電壓 /kV＼50＼0～80＼0.5%＼＼額定電流 /A＼45＼0～70＼0.5%＼＼額定容量 /kV·A＼10＼0～125＼0.5%＼＼諧振電壓波形 /Hz＼正弦波＼0～60＼0.5%＼＼定時范圍 /s＼0～999＼＼＼＼存儲容量 /GB＼0～8＼＼＼＼]

1.3 主要研究內容

1.3.1 并聯諧振技術

儀器采用并聯諧振補償原理[2]，使主設備只需要提供一個mA級的勵磁電流，耐壓試驗所需的電流有電流補償裝置提供，又因使用的并聯諧振，使得電流補償裝置可以采用新型的高科技絕緣材料以及最新的絕緣加工工藝，大大減小了電流補償裝置的重量和體積。

由[L]和[C]并聯即構成并聯諧振電路，如圖2所示。其中[R]為電感線圈的電阻， [U]為輸出電壓，[IS]為電流源的電流，[C]為被試品，[L]為電流補償裝置。

圖2 并聯諧振電路

（1）并聯諧振的產生及品質因數

電路的輸入阻抗為：

[Z=R+jωL1jωCR+jωL-1ωC]

在電子工程實際中總是有[Q?1]（即[R]十分小），[ω0]很高，且[ω]是在[ω0]附近變化，故有[ωL?R，]上式可寫為：

[Z=jωL1jωCR+jωL-1ωC=LCR+jX=ρ2R+jX] （1）

式中：[X=ωL-1ωC]為并聯回路的總電抗；[ρ=LC]為并聯回路的特征阻抗。

由式（1）可見，當：

[X=ωL-1ωC=0] （2）

有：[Z=Z0=ρ2R=ρQ。]

式中[Q=ρR=LCR]為并聯回路的品質因數。

由式（2）可見，[Z0]為一純電阻，亦即[U]與[IS]相同，電路達到了諧振，而式（2）即為電路達到諧振的條件。[Z0]稱為諧振阻抗。

由式（2）可求得諧振角頻率和頻率為：

[ω0=1LC f0=12πLC]

（2）諧振時電路的特性

輸入阻抗[Z]達到最大值，且為純電阻，即[Z=Z0。][IS]與[U]近似同相。輸出電壓[U]達到最大值[U0，]即：

[U0=ISZ0=ISQρ]

故可得：

[QIS=U0ρ=U0ω0L=U01ω0C]

電感與電容支路中的電流[IC0]與[IL0]均比[IS]大[Q]倍，即：

[IL0=U0R2+（ω0L）2≈U0ω0L=QISIC0=U01ω0C=QIS， IL0=IC0=QIS]

當[Q?1]時，[IL0=IC0?QIS。]并聯諧振又稱為電流諧振。

諧振時電路的向量圖如圖3所示。可見此時[IL0]與[IC0，]近似大小相等，相位相反，而[IS]與[U]同相。

（3）頻率特性

阻抗的模頻特性如下：

[Z=LCR+jωL-1ωC=Z01+jQωω0-ω0ω]

[Z=Z01+Q2ωω0-ω0ω2=Z01+Q2ff0-f0f2]

阻抗的模頻特性曲線如圖4所示。

圖3 并聯諧振電路諧振時的向量圖

圖4 并聯諧振電路的阻抗模頻特性

輸出電壓頻率特性如下：

[U=ISZ=ISZ01+Q2ωω0-ω0ω2=U01+Q2ωω0-ω0ω2=U01+Q2ff0-f0f2]

[U0=ISZ0]為諧振時的輸出電壓。電壓頻率特性如圖5所示，與阻抗的模頻特性相似。

圖5 輸出電壓頻率特性

[Q]值與頻率特性的關系與串聯諧振電路的結論全同。

（4）選擇性

由于諧振時輸出電壓[U]的值為最大值[U0，]并聯諧振也具有選擇性，電路的[Q]值越高，選擇性就越好。

1.3.2 交直流電壓、電流、頻率數據采集技術

采用ADI公司新型高智能數據處理芯片來完成交直流電壓、電流、頻率的數據處理。該芯片是高性能電能計量芯片[3?4]，器件內置七個Σ?Δ型ADC和一個高精度電能計量內核、能夠測量線路電壓和電流，并計算有功、無功功率以及瞬時電壓和電流有效值。芯片內部的電壓監測測電路可以保證加電和斷電時正常工作。輸入動態工作范圍（1 000∶1）內，非線性測量誤差小于0.1%。提供瞬時電流和電壓讀數，電流、電壓有效值，有效值精度高于0.5%。提供功率因數、線頻率參數。提供靈活的I2C、SPI（串行端口接口）或HSDC（高速數據捕捉）接口，可實時訪問原始波形，方便與外部MPU通信。如圖6所示。

圖6 芯片功能結構

1.3.3 波形存儲分析

該技術由Samsung ARM[5]系列的微處理器、8G存儲量的SD[6]存儲卡、液晶顯示器AG?320240A4STQW?TR9H?S（N）（R）[7]、鼠標EC11?1B?18T（編碼器）共同完成。實現波形的實時顯示、存儲。對被試品的狀態（交流電壓、電流、頻率）進行實時采樣，實時顯示試驗電壓的波形，并可根據試驗要求對電壓波形進行智能分析，可以截取波形的任意一段，進行數據顯示、打印。試驗數據可通過USB接口導出 [8]。

1.4 儀器電路控制

在控制系統上，根據儀器功能設計有試驗電源控制回路、高壓采樣控制回路、電流采樣控制回路、數據采集及數據處理、數據顯示分析、數據打印等主要模塊，各功能模塊在微處理器的控制下，完成相應的操作。

2 儀器測試

依據中華人民共和國電力行業標準《GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》[9]、《DL/T596-1996電力設備預防性試驗規程》[10]、《DL/T848.2?2004高壓試驗裝置通用技術條件?工頻高壓試驗裝置》[11]國家標準對樣機進行了全面測試。

實驗一：以被試品為北京發電機廠生產300 MW機組為例進行試驗。

實驗條件見表2。實驗波形如圖7所示。

表2 實驗條件（一）

[試品測試

要求參數＼每相電容

0.18 μF＼額定電壓

[Un=]24 kV＼試驗電流

2.034 A＼試驗電壓

36 kV＼勵磁變壓器

參數＼額定容量

10 kV·A＼輸出電壓

220 V＼頻率

50 Hz＼＼交直流試驗

裝置參數＼額定容量

10 kV·A＼輸出電壓

50 kV＼頻率

50 Hz＼＼電流補償

裝置參數＼額定電壓

40 kV＼額定電流

2 A＼電感量

56 H＼頻率

50 Hz＼]

圖7 實驗波形

實驗二：被試品為高壓電機型號YKS5500?4功率 5 500 kW。

實驗條件見表3。實驗數據見表4。

表3 實驗條件（二）

[試品測試

要求參數＼每相電容

0.1 μF＼額定電壓

6 kV＼試驗電流

282 mA＼試驗電壓

9 kV＼交直流試驗

裝置參數＼額定容量

2 kV·A＼輸出電壓

AC 10 kV＼輸出電壓

DC 15 kV＼交流頻率

50 Hz＼電流補償

裝置參數＼額定電壓

1.5 kV＼額定電流

150～300 A＼電感量

100～200 H＼頻率

50 Hz＼]

表4 實驗數據

[泄漏電流

/μA＼試驗電壓（DC） /kV＼5＼10＼15＼U＼0.30＼0.60＼1.00＼V＼0.30＼0.65＼1.10＼W＼0.30＼0.60＼1.00＼交流耐壓

1 min＼試驗參數＼試驗電壓

/kV＼補償電流

/mA＼是否通過＼U＼9＼272.5＼通過＼V＼272.5＼W＼272.5＼耐后絕緣： 20 000 MΩ＼]

3 結 語

通過多次現場試驗證明：測試精度達到了裝置設計要求，裝置操作簡單方便，檢測時間比傳統檢測試驗方法減少3～4倍。

參考文獻

[1] 侯軍利.并聯諧振欠補償在交流耐壓試驗中的應用[EB/OL].[[2012?02?20].]http：//wenku.baidu.com/view/0195652cbd64783e?

09122b39.html

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[3] 袁景，施火泉.基于電能計量芯片90E36諧波電能表的設計[J].自動化技術與應用，2012，31（2）：75?78.

[4] 時志娜，董愛華，孫士棟，等.基于芯片ADE7755單相電能計量電路的設計[J].微計算機信息，2009（26）：203?204，216.

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[8] 周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[9] 中華人民共和國建設部.GB50150?2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].北京：中國計劃出版社，2006.

[10] 中華人民共和國電力工業部.DL/T596?1996電力設備預防性試驗規程[S].北京：中國電力出版社，2000.

[11] 國家發展和改革委員會.DL/T848.2?2004高壓試驗裝置通用技術條件?工頻高壓試驗裝置[S].北京：中國電力出版社，2004.