CN106483385B - 一种基于穿心式互感器的介质损耗测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于穿心式互感器的介质损耗测量方法及系统，完成测试接线后，输出试验电压设置为零，测量被测电容电流和标准电容电流的幅值，以及这两个电流相对参考向量的相位；施加试验电压后，再次测量被测电容电流和标准电容电流的幅值，以及这两个电流相对参考向量的相位。得到试验电压对应的激励结果，从而可以计算出稳定、准确的介质损耗。本发明在50Hz条件下测量电容器的介质损耗，比变频法更加真实；通过多次向量采集可有效的去除同频段的干扰信号，测试过程中无需更换试验接线，现场工作量小。

Description

一种基于穿心式互感器的介质损耗测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于高压试验技术领域，尤其涉及在高压干扰环境下使用穿心式互感器测量容性设备介质损耗、电容量的方法及系统。

背景技术

容性设备的介质损耗测量一般采用西林电桥的方式。传统西林电桥采用人工调节桥臂阻容参数实现电桥的平衡，通过平衡条件计算出被测电容的介质损耗。数字式电桥采用软件自动调整平衡的方式，具有操作简单的特点。

为避免现场各种50Hz干扰源的影响，电桥法采用变频方式躲开干扰频率，通过施加非50Hz的试验电压获得被测信号，采样后通过数字滤波技术去除干扰信号。变频方式虽然躲开了干扰，但在非50Hz条件下介质损耗测量的有效性一直存在争议。采用更换极性等改变接线的方式可以在一定程度上消除干扰，但接线工作量大、测量结果受人为因素影响。

西林电桥是上世纪90年代引进的测试技术，经过30多年的发展，硬件技术水平已有大幅提升，普通工频运算放大器的输入偏置电流达到皮安级，这使得对微安级电流的精密测量成为可能。西林电桥的被测电容和测试设备采用电路隔离的方式，绝缘裕度低；穿心式零磁通电流互感器采用磁路隔离的方式，绝缘裕度高，可精密测量微小电流的相位。百兆级别的高速浮点DSP芯片已十分普遍，为精密计算提供了硬件保证。在使用了穿心式零磁通电流互感器、高精度运算放大器、高速DSP芯片后，对工频电流信号的测量技术水平达到直接测量容性电流的要求。

容性设备的介损计算需要获得被测电容的电压和电流两个交流量，由于介质损耗一般较小，被测电容的电压和电流的相位测量精度要求较高。和电流互感器相比，电压互感器的相位误差较大，相位稳定度也较低，一般采用测量限流阻抗上电流的方式测量电压。常用的限流阻抗为标准电容，通过测量标准电容上的电流，可以获得被测电容的电压。干扰电流的幅值一般和试验电流的幅值相差较大，使用一个互感器测量时难以在全量程达到满意的精度，一般采用多互感器、多量程的方式测量。测试环境中的元器件一般均为线性器件，满足叠加原理，通过无试验电压和有试验电压两种情况的测量，在理论上可去除所有外部干扰源的影响，实现在50Hz测试环境下的稳定测量。

发明内容

为解决电桥法在容性设备介质损耗测量中的缺点，本发明提供了一种直接测量的方式获得介质损耗等参量，可有效解决50Hz测试环境下高压电场对测试精度的干扰，得到稳定、准确的测试结果。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于穿心式互感器的介质损耗测量系统，包括标准电容、两个第一穿心式零磁通互感器、两个第二穿心式零磁通互感器、一个测量参考向量的互感器、采集计算单元；其特征在于：

标准电容和被测电容并联连接；

将一个第一穿心式零磁通互感器和一个第二穿心式零磁通互感器套设在标准电容支路中；

将另一个第一穿心式零磁通互感器和另一个第二穿心式零磁通互感器套设在被测电容支路中；

将试验电压的供电电源和限流电阻串联形成回路获得参考向量，并在该回路中套设测量参考向量的互感器，其中，参考向量电流值设置为50mA；

所述采集计算单元通过两个第一穿心式零磁通互感器采集标准电容和被测电容两端施加额定试验电压时标准电容和被测电容的接地电流；通过两个第二穿心式零磁通互感器采集标准电容和被测电容两端在不施加试验电压而仅存在干扰源时标准电容和被测电容的接地电流；通过测量参考向量的互感器采集参考向量的相位；

所述采集计算单元采集到的上述标准电容、被测电容在施加额定试验电压时的接地电流、不施加试验电压而仅存在干扰源时的接地电流和参考向量的相位，计算被测电容的电容量和介质损耗值。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述第一穿心式零磁通互感器为量程为0-1A的uA级穿心式零磁通互感器；

所述第二穿心式零磁通互感器为量程为0-100mA的uA级穿心式零磁通互感器。

所述采集计算单元包括电流采集单元、滤波单元、数据存储单元、幅值计算单元、相角计算单元、电容量计算单元、介质损耗计算单元、将计算结果上传的通信单元。

接地电流信号经采集单元与滤波单元后，保存在数据存储单元；幅值计算单元与相角计算单元对数据存储单元存储的数据进行计算，得出电流信号的幅值与相角；通过电容量计算单元、介质损耗计算单元计算被测电容的电容值及介损，通过通信模块将计算结果发送给人机界面。；

本申请还公开了一种基于穿心式互感器的容性设备介损测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：将标准电容和待测电容并联连接，在标准电容和待测电容并联支路两端连接试验电源，调整试验电压到零，使用0-100mA量程的穿心式零磁通互感器实时测量标准电容、被测电容在零试验电压的接地电流瞬时值I_0标准、I_0被测，测量由额定试验电压同频率有固定工频相角差的电压源和限流电流串联而成的回路接地电流即参考向量瞬时值I_0参考；测量到的标准电容在零试验电压的接地电流I_0标准、被测电容的在零试验电压下接地电流I_0被测、和零试验电压下参考向量的电流信号I_0参考用于表征零输入状态下，仅由干扰引起的各电流采样值；

步骤2：根据步骤1采集得到的I_0标准、I_0被测、I_0参考计算得到标准电容、被测电容在零试验电压的接地电流相量值以及零试验电压下参考向量的相量值其中的相角为0，的相角都是以为参考向量计算而得；

步骤3：将标准电容和待测电容并联支路两端的试验电压调整到额定试验电压即10kV，使用0-1A量程的穿心式零磁通互感器测量标准电容、被测电容在额定试验电压条件下的接地电流I_e标准、I_e被测，并测量额定试验电压下的参考向量的电流信号I_e参考；

步骤4：根据步骤3采集得到的I_e标准、I_e被测、I_e参考计算得到标准电容、被测电容在额定试验电压下的接地电流相量值以及额定试验电压下参考向量的相量值其中的相角为0，的相角都是以为参考向量计算而得；

步骤5：根据步骤2和步骤4的计算结果，按照下式分别计算标准电容的计算向量和被测电容的计算向量

步骤6：根据步骤5的计算结果，使用标准电容的计算向量被测电容的计算向量标准电容的电容值C_标准、额定试验电压下参考向量的相量值计算出被测电容的电容值C_X和介质损耗值tanσ：

其中，σ为被测电容介损角，tanσ为被测电容的介质损耗值，Cx为被测电容值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

1、抗干扰能力强；

2、试验设备与试验电压隔离，设备与人身安全性好。

附图说明

图1为本申请基于穿心式互感器的介质损耗测试系统结构示意图；

图2为本申请介质损耗测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

附图1为本发明介绍的基于穿心式互感器的介质损耗测量系统的结构组成图，本系统包括标准电容、两个第一穿心式零磁通互感器、两个第二穿心式零磁通互感器、一个测量参考向量的互感器、采集计算单元；其特征在于：

标准电容和被测电容并联连接；

将一个第一穿心式零磁通互感器和一个第二穿心式零磁通互感器套设在标准电容支路中；

将另一个第一穿心式零磁通互感器和另一个第二穿心式零磁通互感器套设在被测电容支路中；

将试验电压(由AC220V升压而得)的供电电源(该AC220V)和限流电阻串联形成回路，并在该回路中套设测量参考向量的互感器，参考向量电流值为50mA左右(从高压试验具体实施细节来看，额定试验电压是AC220V升压而得的10kV电压，而参考向量的电压就可以选该路AC220V电源)；

所述采集计算单元通过两个第一穿心式零磁通互感器采集标准电容和被测电容两端施加额定试验电压时标准电容和被测电容的接地电流；通过两个第二穿心式零磁通互感器采集标准电容和被测电容两端在不施加试验电压而仅存在干扰源时标准电容和被测电容的接地电流；通过测量参考向量的互感器采集参考向量的相位；

所述接地电流信号经电流采集单元、滤波单元、数据存储单元后，经幅值计算、相角计算、电容量计算、介损计算等单元处理，形成计算结果，最后由通信单元上传计算结果至人机界面。

其中，所述第一穿心式零磁通互感器为量程为0-1A的uA级穿心式零磁通互感器；

所述第二穿心式零磁通互感器为量程为0-100mA的uA级穿心式零磁通互感器。

测量参考向量的互感器给零磁通互感器采集的全电流信号提供参考向量。

标定过程中，两个0-100mA量程的零磁通互感器分别采集无试验电压下，标准电容的接地电流I_0标准，以及被测电容(本申请所述被测电容的接地电流也即根据零磁通互感器实测的接地电流实际包括被测电容实际的接地电流加上流过干扰电容的接地电流)的接地电流I_0被测。测量参考向量互感器采集的无试验电压下的电流信号I_0参考。

试验过程中，两个0-1A量程的零磁通互感器分别采集额定试验电压10kV下，标准电容的接地电流I_e标准，被测电容的接地电流I_e被测。测量参考向量的互感器采集与试验电压成正比的电流信号I_e参考。

各个接地电流信号经电流采集单元采集至介质损耗测量系统，由带通滤波器进行滤波，滤波后的数据存储在数据存储单元。

幅值计算模块、相角计算模块调用存储单元的数据，计算得出被测电容的电容量、介损。并通过通信模块将计算结果发送给人机界面。

本发明采用WiFi模块作为通信模块，试验设备为可充电的电池供电。

图2为本发明提供的方法实施方式流程图。本实施例提供的基于穿心式互感器的介质损耗测量方法包括：

S201：按照附图1的接线，将标准电容和待测电容并联连接，在标准电容和待测电容并联支路两端连接试验电源，调整试验电压到零，使用0-100mA量程的穿心式零磁通互感器实时测量标准电容、被测电容在零试验电压的接地电流瞬时值I_0标准、I_0被测，测量由额定试验电压和限流电流串联而成的回路接地电流即参考向量瞬时值I_0参考；测量到的标准电容在零试验电压的接地电流I_0标准、被测电容的在零试验电压下的接地电流I_0被测、和零试验电压下参考向量的电流信号I_0参考用于表征零输入状态下，仅由干扰引起的各电流采样值；

S202：根据S201采集得到的I_0标准、I_0被测、I_0参考计算得到标准电容、被测电容在零试验电压下的接地电流相量值以及在零试验电压下参考向量的相量值其中的相角为0，的相角都是以为参考向量计算而得；

S203：将标准电容和待测电容并联支路两端的试验电压调整到额定试验电压即10kV，使用0-1A量程的穿心式零磁通互感器测量标准电容、被测电容在额定试验电压条件下的接地电流I_e标准、I_e被测，并测量额定试验电压下的参考向量的电流信号I_e参考；

S204：根据S203采集得到的I_e标准、I_e被测、I_e参考计算得到标准电容、被测电容在额定试验电压下的接地电流相量值以及在额定试验电压下参考向量的相量值其中的相角为0，的相角都是以为参考向量计算而得；

S205：根据S202和S204的计算结果，按照下式分别计算标准电容的计算向量和被测电容的计算向量

S206：使用标准电容的计算向量被测电容的计算向量标准电容的电容值C_标准、额定试验电压下参考向量的相量值计算出被测电容的电容值C_X和介质损耗值tanσ：

其中，σ为被测电容介损角，tanσ为被测电容的介质损耗值，Cx为被测电容值，ang表示两向量之间的相角差。

这样计算得到的测量结果，是剔除现场干扰因素后的测量结果，在现场干扰较大的场合测量，不会影响测量结果的准确性。

以上所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于穿心式互感器的介质损耗测量系统，包括标准电容、两个第一穿心式零磁通互感器、两个第二穿心式零磁通互感器、一个测量参考向量的互感器、采集计算单元；其特征在于：

标准电容和被测电容并联连接；

将一个第一穿心式零磁通互感器和一个第二穿心式零磁通互感器套设在标准电容支路中；

将另一个第一穿心式零磁通互感器和另一个第二穿心式零磁通互感器套设在被测电容支路中；

将试验电压的供电电源和限流电阻串联形成回路获得参考向量，并在该回路中套设测量参考向量的互感器，其中，参考向量电流值设置为50mA；

所述采集计算单元通过两个第一穿心式零磁通互感器采集标准电容和被测电容两端施加额定试验电压时标准电容和被测电容的接地电流；通过两个第二穿心式零磁通互感器采集标准电容和被测电容两端在不施加试验电压而仅存在干扰源时标准电容和被测电容的接地电流；通过测量参考向量的互感器采集参考向量的相位；

所述采集计算单元采集到的上述标准电容、被测电容在施加额定试验电压时的接地电流、不施加试验电压而仅存在干扰源时的接地电流和参考向量的相位，计算被测电容的电容量和介质损耗值。

2.根据权利要求1所述的基于穿心式互感器的介质损耗测量系统，其特征在于：

所述第一穿心式零磁通互感器为量程为0-1A的uA级穿心式零磁通互感器；

所述第二穿心式零磁通互感器为量程为0-100mA的uA级穿心式零磁通互感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于穿心式互感器的介质损耗测量系统，其特征在于：

所述采集计算单元包括电流采集单元、滤波单元、数据存储单元、幅值计算单元、相角计算单元、电容量计算单元、介质损耗计算单元、将计算结果上传的通信单元；

接地电流信号经采集单元与滤波单元后，保存在数据存储单元；幅值计算单元与相角计算单元对数据存储单元存储的数据进行计算，得出电流信号的幅值与相角；通过电容量计算单元、介质损耗计算单元分别计算被测电容的电容值及介损，通过通信单元将计算结果发送给人机界面。

4.一种基于穿心式互感器的介损测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：将标准电容和待测电容并联连接，在标准电容和待测电容并联支路两端连接试验电源，调整试验电压到零，使用0-100mA量程的穿心式零磁通互感器实时测量标准电容、被测电容在零试验电压的接地电流瞬时值I_0标准、I_0被测，测量由额定试验电压同频率有固定工频相角差的电压源和限流电流串联而成的回路接地电流即参考向量瞬时值I_0参考；测量到的标准电容在零试验电压的接地电流I_0标准、被测电容的在零试验电压下接地电流I_0被测和零试验电压下参考向量的电流信号I_0参考用于表征零输入状态下，仅由干扰引起的各电流采样值；

步骤2：根据步骤1采集得到的I_0标准、I_0被测、I_0参考计算得到标准电容、被测电容在零试验电压的接地电流相量值以及零试验电压下参考向量的相量值其中的相角为0，的相角都是以为参考向量计算而得；

步骤3：将标准电容和待测电容并联支路两端的试验电压调整到额定试验电压即10kV，使用0-1A量程的穿心式零磁通互感器测量标准电容、被测电容在额定试验电压条件下的接地电流I_e标准、I_e被测，并测量额定试验电压下的参考向量的电流信号I_e参考；

步骤4：根据步骤3采集得到的I_e标准、I_e被测、I_e参考计算得到标准电容、被测电容在额定试验电压下的接地电流相量值以及额定试验电压下参考向量的相量值其中的相角为0，的相角都是以为参考向量计算而得；

步骤5：根据步骤2和步骤4的计算结果，按照下式分别计算标准电容的计算向量和被测电容的计算向量

步骤6：根据步骤5的计算结果，使用标准电容的计算向量被测电容的计算向量标准电容的电容值C_标准、额定试验电压下参考向量的相量值计算出被测电容的电容值C_X和介质损耗值tanσ：

其中，σ为被测电容介损角，tanσ为被测电容的介质损耗值，Cx为被测电容值，ang表示两向量之间的相角差。