CN109507486B - 一种高压电容电桥扩频装置及扩频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电容电桥扩频装置及扩频方法，其中，扩频装置包括高压电源、标准电容器、被测电容其和电流比较仪，其特征在于：还包括连接信号提取电路、锁相环电路和相敏检波电路。

Description

一种高压电容电桥扩频装置及扩频方法

技术领域

本发明属于高精度仪器仪表仪器领域，尤其涉及一种高压电容电桥扩频装置及方法。

背景技术

高压电容电桥是测量介质损耗tgδ值的一种特殊的交流电桥。在进行测量时，整个线路被构成一个桥形线路，并采用了比较式的测量方式，也就是将被测量与已知量进行比较，从而确定被测量的大小的一种仪器。之所以称高压电桥为特殊的交流电桥，除了两者在结构上和测量要求上不同以外，在测量时对试验电压及频率的要求也有所不同，一般的交流电桥的测量时的试验电压的频率范围是在40Hz至200kHz，电压是在200V以内的交流电压，而高压电桥的试验电压则是在工频下，而且电压为1kV以上的交流高电压。所以总的来说，高压电桥是一种特殊的交流电桥。

高压电容电桥的主要在工频高压下测量各类绝缘材料(如各种绝缘油及绝缘材料)和电力容性设备(如变压器，互感器，电容器，电力电缆等)的电容量及介质损耗因数，并通过介质损耗因数来判断绝缘设备的绝缘水平。如图1，示出了工频高压电容电桥原理图，其中，高压电源通过两并联的标准电容器和被测电容器后两路电流IN₁、IN₂会流入电流比较仪中，指零仪D会测量出其不平衡电流，根据不平衡电流的幅值和相位调节电流比较仪的匝数，进而使其平衡。

然而，大部分的电力设备在实际运行过程中，都会遇到许多谐波分量，并由某些特定的谐波对其造成损坏，从而影响整个电网的安全。而图1中的方案只在50Hz或60Hz下工作，其不能直接在400Hz下应用，除了损耗在计算时需要引入相应系数外，主要原因为在50Hz下其不平衡电流的测量通过一系列滤波手段把低于及高于50Hz的信号尽可能滤除，以达到最好的信噪比，如直接使用在50Hz～400Hz下，高频信号会产生极大衰减，不能满足要求。如采用50Hz电桥的直接滤波方法也不能满足现有需求，主要原因为所研制的电桥为50Hz～400Hz宽频电桥，频率不固定，其指标较高，如使用多套滤波电路其准确度与频率的数量为一对矛盾点，想要针对频率范围内的所有频率都达到最佳的滤波效果是很难的，所以研制了基于自动锁频技术的高压电容电桥。

所以目前在这些电力设备试验中，需要对其在不同频率下进行绝缘性能的测试，来判断绝缘在不同频率下的绝缘水平，从而更好的保证整个电网的运行安全。

发明内容

本发明鉴于上述的情况，提供一种能解决上述问题的高压电容电桥扩频电路和方法。具体而言，本发明提供一种高压电容电桥扩频装置，其特征在于：包括高压电源、标准电容器、被测电容器、电流比较仪和扩频电路。

进一步的，其特征在于：所述扩频电路包括连接信号提取电路、锁相环电路和相敏检波电路。

进一步的，其特征在于：所述信号提取电路为积分器。

进一步的，其特征在于：所述积分器与高电流比较仪中的与标准电容器电连接的线圈相连。

进一步的，其特征在于：所述锁相环电路包括依次连接的鉴相器、滤波器、振荡器，振荡器输出参考信号Vref，并且Vref还被反馈到鉴相器中，所述锁相环电路还包括放大器和倍频器，信号Vout通过放大器和倍频器后输出到振荡器。

进一步的，其特征在于：相敏检波电路包括两路电路，每一路均包括两个乘法器、一个正交信号发生器、和两个低通滤波器LPF。

本发明还提供一种高压电容电桥扩频方法，其特征在于，采用上面一项所述的装置实现。

进一步的，其特征在于：低通滤波器LPF发出的信号分别为U_1a、U_1b、U_2a、U_2b，其中U_1a、U_2a是u₁(t)、u₂(t)在参考正交坐标系下的同相分量；U_1b、U_2b是u₁(t)、u₂(t)在参考正交坐标系下的正交分量。

附图说明

图1是现有工频高压电容电桥原理图。

图2是电压信号提取电路。

图3是锁相环提取参考信电路。

图4是正交比例算法原理图

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。

本发明的高压电容电桥扩频电路是图1基础上增加了扩频电路，参见图1-4所示，具体包括高压电源、并联的标准电容器和被测电容器、比较仪和扩频电路，其中所述高压电源输出的电压信号U_out通过两电容器后的两路电流IN₁、IN₂会流入电流比较仪中，电流比较仪中的指零仪D会测量出其不平衡电流，根据不平衡电流的幅值和相位调节电流比较仪的匝数，进而使其平衡。其中关键的一步为测量出指零仪中的电流与IN₁电流幅值与相位的关系，进而通过较为复杂的迭代算法调节去调节电流比较仪的匝数比例，使得指零仪中的不平衡电流越来越小，直至平衡。本专利主要解决的就是在宽频情况下测量出指零仪中电流与IN₁电流幅值与相位的关系，为电流比较仪的调节算法提供信息。

其中，扩频电路与比较仪线圈的与标准电容连接的一路连接，其包括依次连接信号提取电路、锁相环电路和相敏检波电路。

其中信号提取电路为一积分器，通过接虚地的方式利用积分器把激励信号取出。积分器将信号Vout输出给锁相环电路，锁相环电路板包括依次连接的鉴相器、滤波器、振荡器，振荡器输出参考信号Vref，并且Vref还被反馈到鉴相器中。其中，所述锁相环电路还包括放大器和倍频器，信号Vout通过放大器和倍频器后输出到振荡器。通过锁相换电路，参考信号的频率和相位与Vout相同。

锁相环电路输出的参考信号Vref与指零仪电压信号输入到相敏检波电路。所述相敏检波电路包括两路电路，每一路均包括两个乘法器、一个正交信号发生器Generator、和两个低通滤波器LPF，设参考信号及被测电压信号为u₁(t)和u₂(t)，每一信号均通入两个乘法器，正交信号发生器发出信号到两个乘法器，两个乘法器输出信号到低通波器LPF滤波，低通滤波器LPF发出的信号分别为U_1a、U_1b、U_2a、U_2b，其中U_1a、U_2a是u₁(t)、u₂(t)在参考正交坐标系下的同相分量，Ω；

U_1b、U_2b是u₁(t)、u₂(t)在参考正交坐标系下的正交分量，Ω；

所述相敏检波电路的信号处理过程为，参考信号及被测电压信号u₁(t)和u₂(t)，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：

u₁(t)＝Asin(ωt+θ)＝U_1a+jU_1b

式中：A、B为u₁(t)、u₂(t)的幅度，V；

ω为u₁(t)、u₂(t)的角频率；

θ、

是u₁(t)、u₂(t)的初始相位；

U_1a、U_2a是u₁(t)、u₂(t)在参考正交坐标系下的同相分量，Ω；

U_1b、U_2b是u₁(t)、u₂(t)在参考正交坐标系下的正交分量，Ω；

将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式为：

u_a(t)＝sin(ωt)

正交基函数为单位幅度，角频率必须与u₁的角频率相同，将正交基函数分别与被测信号相乘：

同理可得

使用低通滤波器，将上两式带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：

同理，可以得到另一个被测电压信号的同相分量U_2a和正交分量U_2b。

然后令：

易求的：

求出电压的虚部及实部就可以得出其指零仪电压信号与Vref之间的幅值与相位关系，进而得出指零仪电流与IN₂之间的幅值与相位关系。

下面对系统的工作过程进行说明，以输入为400Hz为例，其具体的工作过程是这样的：

1)如图2所示，由于信号为400Hz，即IN₂信号为400Hz，在电压输出端，即Vout端可以输出400Hz电压信号，且此部分信号与IN₂信号相位相差90°。

2)如图3所示，在第1)步中输出的400Hz的电压信号经过锁相环及信号调理后变成一个幅值稳定为1V，频率与Vout频率一致即400Hz的电压信号Vref。

3)得到Vref后与指零仪电压信号一同进入相敏检波电路，测量出其电压幅值与相位比例。

4)而后计算出IN2电流与指零仪之间的幅值与相位关系，并输入给电流比较仪自动平衡电路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (1)

1.一种高压电容电桥扩频装置，其特征在于：包括高压电源、并联的标准电容器和被测电容器、电流比较仪和扩频电路；所述高压电源输出的电压信号通过两电容器后的两路电流流入电流比较仪中；

所述扩频电路包括依次连接的信号提取电路、锁相环电路和相敏检波电路；

其中信号提取电路为一积分器，所述积分器与电流比较仪中的与标准电容器电连接的线圈相连；通过接虚地的方式利用积分器把激励信号取出；积分器将信号输出给锁相环电路；

所述锁相环电路包括依次连接的鉴相器、滤波器、振荡器，振荡器输出参考信号，并且参考信号还被反馈到鉴相器中，所述锁相环电路还包括放大器和倍频器，信号Vout通过放大器和倍频器后输出到振荡器；

所述相敏检波电路包括两路电路，每一路均包括两个乘法器、一个正交信号发生器、和两个低通滤波器LPF。

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