CN105334403B - 用于周期电场下空间电荷测量的自动均分移相检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种测量技术领域的用于空间电荷测量的自动均分移相检测系统，包括：任意波形函数发生器、高压电源、激励模块、空间电荷检测模块、电阻分压器和处理单元，其中：任意波形函数发生器的第一信号输出端与高压电源的输入控制端相连，任意波形函数发生器的第二信号输出端与激励模块的输入控制端相连，高压电源的输出端分别与空间电荷检测模块和电阻分压器的高压输入端相连并传输任意波形周期电场信号，激励模块输出端和空间电荷检测模块相连并提供激励信号，空间电荷检测模块的输出端与处理单元相连并传输表征空间电荷信息的电压信号，电阻分压器的输出端与处理单元相连并传输表征任意波形周期电场相位信息的电压信号。本发明无需相位检测电路，不仅提高了空间电荷测量的相位分辨率，缩短了移相扫描周期，且对激励的频率范围并无要求。

Description

用于周期电场下空间电荷测量的自动均分移相检测系统
技术领域
本发明涉及的是测量技术领域，具体是一种适用于任意波形周期电场下空间电荷测量的自动均分移相检测系统。
背景技术
电力、电子设备内部的绝缘材料在长期运行中不可避免的会产生空间电荷积累，当空间电荷积累达到一定程度后，绝缘材料内部的电场将发生严重畸变，从而加速绝缘材料的老化，影响设备的安全稳定运行。目前绝缘材料内空间电荷测量技术正在逐步发展，但是主要集中在直流电场下的检测，而周期性电场下的检测比较复杂，发展相对缓慢。
限制周期性电场下空间电荷测量的技术瓶颈在于激励源频率，由于工频等周期性电场下试样内部的空间电荷分布变化很快，要获得不同相位的空间电荷分布，需要在不同相位施加激励信号，且检测相位越多，激励频率要求越高，因此传统的检测技术中需要激励源输出的激励频率必须很大于电场频率。
为克服激励源频率的限制，国内外曾提出配置移相电路的方法以调整激励源输出激励和周期电场的相位关系，从而实现不同相位的空间电荷测量，但移相电路存在以下几个缺陷：1)调整需要手动控制，不同检测相位间的间距很难保证相等，故移相精度不高，且手动控制操作时间过长、效率低；2)激励频率要求高于周期电场频率，无法适用于高频周期电场的检测；3)采用现有移相电路技术，最高相位分辨率一般在20°左右，且仅适合于交流电场下的简单波形，对其他波形的周期电场，移相电路过于复杂，设计困难且成本过高。因此为实现交流、方波和其他波形周期电场下的空间电荷测量，同时为了提高测量的相位分辨率，必须采用新的测量技术。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103605008A，公开(公告)日2014.02.26，公开了一种基于电声脉冲法的高压电缆空间电荷测量系统和方法，其特点是，高压脉冲源与高压电容串联后接试样两端的测量电极，高压电源通过限流电阻也连接试样上下端的测量电极，压电传感器紧贴在下测量电极，压电传感器采集应力波信号经过处理后送计算机构成的测量系统，交流高压电源接相位检测单元，相位检测电路输出同步控制信号到高压脉冲源的脉冲发生单元，高压电源通过电极在电力电缆的绝缘层中形成的空间电荷，再通过高压脉冲源使电力电缆绝缘中电荷产生扰动，形成动态应力波，测量系统采集压力传感器信号，分析出电力电缆空间电荷分布情况。该技术与本发明相比，其采用的相位检测单元由电路控制，电路设计复杂且移相操作时间过长，仅适用于简单的工频交流电场，另外高压脉冲频率必须高于交流电场频率，因此在其它波形周期电场下的空间电荷检测中适应性不强。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种适用于任意波形周期电场下空间电荷测量的自动均分移相检测系统，利用周期电场和激励信号频率的非整倍数特性，实现不同波形周期电场下不同相位的空间电荷自动均分移相检测，不仅能够提高空间电荷测量的相位分辨率，缩短移相扫描周期，而且对激励信号的频率范围并无要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：任意波形函数发生器、高压电源、激励模块、空间电荷检测模块、电阻分压器和处理单元，其中：任意波形函数发生器的第一信号输出端与高压电源的输入控制端相连并传输任意波形信号，任意波形函数发生器的第二信号输出端与激励模块的输入控制端相连并传输激励触发信号，高压电源的输出端分别与空间电荷检测模块和电阻分压器的高压输入端相连并传输任意波形周期电场信号，激励模块输出端和空间电荷检测模块相连并提供激励信号，空间电荷检测模块的输出端与处理单元相连并传输表征空间电荷信息的电压信号，电阻分压器的输出端与处理单元相连并传输表征任意波形周期电场相位信息的电压信号。
所述的自动均分移相是指高压电源与激励模块频率值满足特征方程Na/fa＝Np/fp，其中：fa和fp分别是高压电源和激励模块的频率值，两者为非整数倍关系；Na和Np分别是完成一个自动均分移相扫描周期所需的高压电源最小整周期数和激励模块激励数。
所述的自动移相检测系统的相位分辨率为2π/Np，完成单次自动均分移相扫描的周期时间为Na/fa。
所述的空间电荷检测模块包括：电极系统、待测试样和电压信号转化电路，其中：电极系统分别与高压电源和激励模块相连，待测试样置于电极系统中，电压信号转化电路将待测试样内部形成的表征空间电荷信息的非电信号转化为电信号。
所述的处理单元包括：信号测量装置和空间电荷分析单元，其中：信号测量装置的两输入端分别与空间电荷检测模块的电信号转化电路和电阻分压器相连，信号测量装置的输出端与空间电荷分析单元相连并传输表征任意波形周期电场相位和空间电荷信息的电压信号。
技术效果
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1)不需要复杂的移相电路，仅利用高压电源的周期电场频率和激励频率为非整倍数时，各自通过整数个周期后可实现某一相位点同步的特性，实现周期电场下空间电荷的自动均分移相，从而缩短了空间电荷测量时间，提高了空间电荷测量的相位分辨率；
2)空间电荷激励源输出的激励频率可不受高压电源频率的限制，其在低于高压电源频率时亦能实现不同相位的空间电荷测量；
3)高压电源输出的周期电场波形不受限制，能够实现任意波形周期电场下的空间电荷测量。
附图说明
图1为本发明装置的框架图；
图2为激励特征序列实现的自动均分移相示意图；
图3为待测试样在50Hz交流电场下不同激励频率测量获得的空间电荷分布示意图，其中：(a)为高压电源输出的交流波波形，(b)激励频率25.5Hz，相位分辨率7.06°，自动均分移相扫描周期2s，(c)激励频率1010Hz，相位分辨率3.56°，自动均分移相扫描周期0.1s，(d)激励频率1001Hz，相位分辨率0.36°，自动均分移相扫描周期1s；
图4为待测试样在50Hz方波电场下测量获得的空间电荷分布示意图，其中：(a)为高压电源输出的方波波形，(b)激励频率1001Hz，相位分辨率0.36°，自动均分移相扫描周期1s。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例采用的试样、器件及其具体参数为：待测试样42材料为低密度聚乙烯，厚度为350μm；高压电源2输出交流电压，频率fa为50Hz，峰峰值10kV，如图3(a)所示；激励模块3采用高压电脉冲源，幅值1kV，频率fp为高压电源2频率fa的非整倍数，分别设置了25.5Hz，1010Hz，1001Hz三个不同的高压电脉冲频率，空间电荷分布检测结果如图3(b)‐(c)所示；空间电荷检测模块4的电压信号转化电路43采用电声脉冲法原理检测。
如图1所示，本实施例包括：任意波形函数发生器1、高压电源2、激励模块3、空间电荷检测模块4、电阻分压器5和处理单元6，其中：任意波形函数发生器1的第一信号输出端与高压电源2的输入控制端相连并传输任意波形信号，任意波形函数发生器1的第二信号输出端与激励模块3的输入控制端相连并传输激励触发信号，高压电源2为空间电荷检测模块4提供任意波形周期电场，高压电源2与电阻分压器5的高压输入端相连并传输任意波形周期电场信号，激励模块3的输出端与空间电荷检测模块4相连并提供激励信号，空间电荷检测模块4的输出端与处理单元6相连并传输表征空间电荷信息的电压信号，电阻分压器5的输出端与处理单元6相连并传输表征任意波形周期电场相位信息的电压信号。
所述的任意波形函数发生器1的第一输出端对应通道为高压电源2提供任意波形信号，控制高压电源2输出任意波形周期电场的频率，的第二输出端对应通道根据空间电荷检测的相位分辨率要求为激励模块3提供激励触发信号，控制激励模块3输出的激励信号频率，高压电源2和激励模块3的频率设置基于自动均分移相原理。
所述的自动均分移相原理：高压电源2和激励模块3的频率值为非整倍数关系时，各自通过整数个周期后可实现某一时间点同步，此过程中激励模块3输出的连续激励序列称为激励特征序列，可实现对任意波形周期电场的自动均分移相，且适用于任意波形周期电场下的空间电荷测量，如图2所示，激励模块3输出频率为25.5Hz时的激励特征序列对50Hz高压电场0～360°相位范围的自动均分移相结果。
所述的激励模块3和高压电源2的频率值，基于特征方程Na/fa＝Np/fp设定，其中fa和fp分别是高压电源2和激励模块3的频率，Na和Np分别是完成一个自动均分移相扫描周期所需的高压电源2最小整周期数和激励模块3激励数，其值在fa和fp确定后是唯一的。完成单次自动均分移相扫描的周期时间为Na/fa，激励模块3频率fp小于或大于高压电源2频率fa皆可。如图3(b)‐(c)所示，当激励模块3频率小余或大于高压电源2频率50Hz时，都可实现空间电荷的检测，且激励模块3频率分别设置为25.5Hz，1010Hz，1001Hz时，单次自动均分移相扫描周期分别仅需为2s、0.1s、1s。
所述的自动均分原理的相位分辨率为2π/Np，可通过提高激励模块的周期数Np实现高分辨率测量。如图3(b)‐(c)所示，当激励模块3频率分别设置为25.5Hz，1010Hz，1001Hz时，空间电荷的相位检测分辨率分别为7.06°、3.56°和0.36°。
所述的高压电源2优选为高压放大器，通过对任意波形函数发生器1输出的任意波形信号放大，获得不同类型、频率和幅值的高压周期电压，为空间电荷检测模块4提供任意波形周期电场。
所述的激励模块3用于为空间电荷检测模块4施加一个激励，激励的类型可以为电脉冲或压力波。
所述的空间电荷检测模块4包括：电极系统41、待测试样42和电压信号转化电路43，其中：电极系统41分别与高压电源2和激励模块3相连，待测试样42置于电极系统41中，电压信号转化电路43将待测试样内部形成的表征空间电荷信息的非电信号转化为电信号，可采用电声脉冲法或压力波法原理。
所述的电阻分压器5用于监测施加在待测试样42上的任意波形周期电场相位，为空间电荷分析单元62提供相位提取的依据。
所述的处理单元6包括：信号测量装置61和空间电荷分析单元62，其中：信号测量装置61的两输入端分别与空间电荷检测模块4的电压信号转化电路43和电阻分压器5相连，信号测量装置61的输出端与空间电荷分析单元62相连并传输表征任意波形周期电场相位和空间信息的电压信号；
所述的信号测量装置61用于对空间电荷检测模块4输出的表征空间电荷信息的电压信号和电阻分压器5输出的表征任意波形周期电场相位的电压信号进行同步测量和保存，优选为含连续事件采集功能的测量装置，连续事件采集数大于一个自动均分移相周期内所需的激励数，以便数据平均，提供测量信号的信噪比；
所述的空间电荷分析单元62基于激励模块3输出的激励，根据激励特征序列实现对信号测量装置61保存的表征任意波形周期电场相位的电压信号进行相位提取，从而确定不同相位下空间电荷的分布情况。
实施例2
本实施例采用的试样、器件及其具体参数为：待测试样42材料为低密度聚乙烯，厚度为350μm；高压电源2输出50Hz方波电压，峰峰值2kV，上升沿0.75ms，波形如图4(a)所示；激励模块3采用高压电脉冲源，幅值1kV，频率1001Hz，如图4(b)所示，相位分辨率分别0.36°，单次自动均分移相周期为1s；空间电荷检测模块4的电压信号转化电路43采用电声脉冲法原理检测，其它设置同实施例1。

Claims (1)

1.一种用于空间电荷测量的自动均分移相检测系统，其特征在于，包括：任意波形函数发生器、高压电源、激励模块、空间电荷检测模块、电阻分压器和处理单元，其中：任意波形函数发生器的第一信号输出端与高压电源的输入控制端相连并传输任意波形信号，任意波形函数发生器的第二信号输出端与激励模块的输入控制端相连并传输激励触发信号，高压电源的输出端分别与空间电荷检测模块和电阻分压器的高压输入端相连并传输任意波形周期电场信号，激励模块输出端和空间电荷检测模块相连并提供激励信号，空间电荷检测模块的输出端与处理单元相连并传输表征空间电荷信息的电压信号，电阻分压器的输出端与处理单元相连并传输表征任意波形周期电场相位信息的电压信号；
所述的任意波形函数发生器的第一输出端对应通道为高压电源提供任意波形信号，控制高压电源输出任意波形周期电场的频率，第二输出端对应通道根据空间电荷检测的相位分辨率要求为激励模块提供激励触发信号，控制激励模块输出的激励信号频率；
所述的自动均分移相是指高压电源与激励模块的频率值满足公式Na/fa＝Np/fp，其中：fa和fp分别是高压电源和激励模块的频率值，两者为非整数倍关系；Na和Np分别是完成一个自动均分移相扫描周期所需的高压电源最小整周期数和激励模块激励数；
所述的自动均分移相的相位分辨率为2π/Np，完成单次自动均分移相扫描的周期时间为Na/fa；
所述的处理单元包括：信号测量装置和空间电荷分析单元，其中：信号测量装置的两输入端分别与空间电荷检测模块和电阻分压器相连，信号测量装置的输出端与空间电荷分析单元相连并传输表征任意波形周期电场相位的电压信号和表征空间电荷信息的电压信号；
所述的信号测量装置用于对空间电荷检测模块输出的表征空间电荷信息的电压信号和电阻分压器输出的表征任意波形周期电场相位的电压信号进行同步测量和保存；
所述的空间电荷分析单元基于激励模块输出的激励，根据激励特征序列对信号测量装置保存的表征任意波形周期电场相位的电压信号进行相位提取，得到不同相位下空间电荷的分布情况。
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