基于錯頻法的介質損耗測試研究

郭 華,申忠如

（西安交通大學城市學院，陜西西安,710018）

基于錯頻法的介質損耗測試研究

郭 華,申忠如

（西安交通大學城市學院，陜西西安,710018）

采用錯頻法可將同頻干擾的問題轉變為對異頻干擾的濾除；在本測試系統中，選用微處理器外置DAC的方法產生準確的激勵電源，并進行程序再校驗，避免了輸入信號相位漂移產生的誤差；利用同步分離法將待測的試品（電阻電容串聯等效）的實部和虛部分離，經A/D轉換器送入微處理器計算介質損耗因數。測試結果表明，該系統工作穩定，介質損耗因數的絕對誤差小于0.01%。

介質損耗因數；錯頻法；同步分離法；濾波

0　引言

絕緣損壞是電力設備故障的主要因素，高壓電容型設備在電力系統中占有很大的比例，而介質損耗因數是反映其絕緣狀況的重要參數。通過測量介質損耗角的正切值tanδ可以發現電氣設備絕緣整體受潮、劣化變質以及局部放電等缺陷，對電力系統的安全運行具有重要意義。

在介質損耗的現場測量中，干擾主要來自外界工頻電網產生的強電場。這是因為介質損耗測量裝置內部產生的高壓測量電源是由輸入工頻供電電源直接升壓得到的，其頻率與產生強電場干擾的電網是源于同一供電系統即兩者具有相同的頻率，因此會造成“工頻同頻干擾”。解決同頻干擾的較好的方法是改變測量頻率，即測量時使用不同于工頻的電源作為激勵電源，使50Hz的同頻干擾信號成為異頻干擾信號，可以用頻域鑒相的方法將其濾除，有效提高測量結果的準確性。基于上述理論，本文在錯頻測試的基礎上，結合同步分離法設計了一種以微處理器TM4C123GH6PM為核心的介質損耗測試系統。

1　錯頻法測試介質損耗原理

錯頻法測試介質損耗是將激勵源的頻率偏離工頻50Hz上下取值，本文選用45Hz和55Hz的功率信號作為激勵電源，分別進行兩組重復測量；然后求平均值可得工頻下的介質損耗值。錯頻法測試介質損耗的電路如圖1所示。

圖1中，輸入偏離工頻頻率的正弦波激勵信號作用于有介質損耗的絕緣體，本文將其等效為電容和電阻的串聯阻抗。試驗時，分別獲取兩條并聯支路的電流信號，經過調理電路，濾除干擾信號送入數據處理單元，計算介質損耗角tanδ的值。

2　同步分離法計算介質損耗因數

2.1有介質損耗的絕緣體等效模型

用電路的概念來描述，可以把有介質損耗的絕緣體看成是電容和電阻的并聯或者串聯的等效阻抗，本文將電容和電阻的串聯。介質損耗因數tanδ定義為電介質在施加電壓時所消耗的有功功率與無功功率的比值，即

圖1　錯頻法介質損耗測試原理框圖

其中，φ角為串聯等效模型的相位角；R和X分別為等效模型的實部和虛部。

2.2同步分離法測試原理

圖2為同步分離法測量阻抗的原理圖。采用相敏檢波技術把實部和虛部分離出來，然后取平均值，以便得到的實部（對應R）和虛部（對應X）按電壓的平均值輸出，將分離后的兩信號分別送入微處理器中處理得到測量值。

濾去2ωt項，有2）

式（2）和（3）即為被測阻抗Z的實部和虛部。聯立式（1）（2）

3　系統方案設計

圖2　同步分離法測量原理圖

圖4　低通濾波電路

圖3　系統方框圖

本系統原理方框圖如圖3所示，由激勵電源、同步分離電路、A/D轉換器、微處理器、D/A轉換器和LED顯示組成。激勵電源產生準確的余弦信號作用于試品，并移相90°共同輸入同步分離電路；得到試品的實部和虛部后經A/D轉換輸入微處理器中進行計算，可得試品的介質損耗因數tanδ。

3.1激勵電源

本系統中的激勵電源由TM4C123GH6PM微處理器外置DAC7625產生，即產生N個固定周期為TN的脈沖信號組成的正弦波。具體過程為：根據正弦波激勵源的頻率fs求出其周期Ts，然后依據頻率高低及單片機的速度確定N；則有固定周期TN= Ts/N。為了方便編程，N一般取32、64、128、26、512等數值。

固定周期TN用微處理器的定時器實現，由若干計數脈沖組成，與機器周期相關。由于每條指令執行都需要相應數量的機器周期，所以實際編制的延時程序總的執行時間與要求的延時時間就會有微量誤差，運行時間越長累積誤差越大。為了避免這個累積誤差造成輸出電壓信號頻率偏離要求值，影響介質損耗因數的準確性，必須對頻率進行校驗。

3.2同步分離電路

同步分離電路中的乘法器選用AD633，低通濾波器選用低噪聲雙運放OPA2111。低通濾波電路直接關系到試品虛部和實部的提取。由OPA2111雙運放搭建的低通濾波器截止頻率可低至10Hz，如圖4所示。

3.3A/D轉換器和微處理器

A/D的轉換過程是把模擬輸入范圍劃為2n段，由于ADC無法區分同一范圍內的不同值，所以輸出碼字的誤差可達±1/2LSB。這種不確定性就是量化誤差，它是任何數字化過程中固有的限制，明顯的改善方法就是增大n值。A/D轉換器的位數越高量化誤差引起的相位計算絕對誤差越小，12位A/D即可達到絕對誤差在1×10-4以內，但是在信號達到A/D滿度值的情況下，若信號的幅值降低，即相當于A/D的位數降低，因此為保證在信號幅值在一定范圍內，系統仍能達到測試儀要求的精度，故應選擇14位A/D轉換器。由于A/D還有差分和積分非線性誤差，故應該選擇差分和積分非線性誤差小的A/D。本文選用14位A/D芯片AD7865。

微處理器選用TI公司的TM4C123GH6PM，對A/D轉換器采集的試品實部和虛部進行計算，并利用外置DAC生成準確的激勵電源。主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

4　測試結果分析

本系統進行模擬測試，測試電壓5V。試品為10000pF電容和660電阻串聯，測試重復十次結果如表1所示。試品介質損耗因數tanδ的理論計算值為2.07×10-3。

表1　10000pF電容試品的介質損耗因數試驗結果

5　結論

本文利用錯頻法原理和同步分離法推導出介質損耗因數的計算公式，設計了介質損耗因數測試系統。實驗結果表明，該系統工作穩定，介質損耗因數的絕對誤差小于0.01%。

[1]曹宇亞，申忠如，任穩柱.介質損耗帶電檢測數字化處理方法研究[J].高壓電器，2003，(3):17-19

[2]文康珍，黎文安，程念陵.介質損耗變頻測量裝置的研制[J].測控技術，2002，(10):17-19

[3]申忠如，郭福田，丁暉.現代測試技術與系統設計(第2版)[M].西安: 西安交通大學出版社，2009.

[4]劉根據，楊延寧，張艷陽，侯勤宏.一種用單片機產生準確頻率正弦波的新方法[J].自動化儀表，2009，30 (2):63-64

[5]周興華.介質損耗變頻測量系統的研制[D].武漢: 武漢大學，2003.

[6]塞爾吉歐弗朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安: 西安交通大學出版社，2004.

Research about Dielectric Loss Detector Based on Frequencyconversion Method

Guo Hua,Shen Zhongru
（Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an,710018）

Adoptingfrequency-conversion method, the same frequency interference problemturned into filter for different frequency interference.In this measurement system, accurate test power-source gained by microprocessor external DAC and routine check, to avoid error of the input signal phase drift.According to the synchro separation method, the test item utilizing capacitance and resistance to simulate as dielectric loss measurement sample divided into real and imaginary part.A/D converter sent data to microprocessor to calculate dielectric loss factor. Test results show that the system working stability,the absolute error of dielectric factor less than 0.01%.

dielectric loss factor;frequency-conversion method;synch separation method;filter

TM934.32

郭華（1977-），女，山西忻州人，副教授，碩士，從事控制算法和測量技術研究；

申忠如（1946-），男，陜西米脂人，教授，從事測量與控制技術，智能儀器研究。