CN1099484A - 智能化自动换挡高压兆欧表 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能化高压兆欧表，用于电力系 统、电机、电力变压器、电力电缆等绝缘性能检测。本 仪表采用R-F转换电路代替A/D转换器，采用单 片机控制整个系统的信号采集、数据处理、吸收比和 极化系数的计算和显示。利用R-F电路，光电耦合 电路，独特的串行I/O接口电路，配合软件程序等 综合抗干扰措施，从而使显示数据稳定，操作简便。 测试高压为2500v/5000v，测试范围为0～20万兆 欧，自动切换量程，测试精度达5％，可胜任各类电力 设备绝缘性能测量。

Description

本发明涉及高压、高绝缘性能测试仪表。常用于电力系统电机、电力变压器、电力电缆及电力电容器等绝缘性能检测。

涉及测量电阻及材料、设备性能仪表，其型式多样、品种繁多，测量原理和测量方式各有差异。常用的普通低压万用表（指针式和数字式）使用的相当普遍，而用于高压绝缘测量的兆欧表，除传统摇表外，有日、美生产的高档指针式兆欧表，也有国内引进生产的。对于上述各高、低压兆欧表的发展及性能。有关文献中已有记载，不再赘述。根据检索，了解到目前测试性能较好的高压绝缘测量仪表，仍为国内生产的GZ-5A型数字式高压兆欧表（GK86105996），其测试电压为2500V/5000V，量程20-20万兆欧，批量产品精度为5～10%，高于上述所有仪表的精度，并备有计时、报时、短路延迟保护、量程自动切换及数据保持功能。测试功能较强，电源容量较大，有较强的现场抗干扰能力，是目前国内正在普及推广的、较为适用的数字式高压兆欧表。但是唯有不足之处是现有技术采用非常规的A/D变换工作方式，在测试电压（2500-5000V）等级不同时，准确度略有差异，数字显示有跳动。而且，吸收比和极化系数仍需读出折算，给测量带来不便。

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处，提出新一代智能化高压数字兆欧表，以适用于高测试电压，多电压等级的测量，并有计算功能。除保留了原兆欧表（GK86105996）优点之外，本发明自动化程度较高，具有新的计算方法，不仅可进一步缩短测量时间，还可测量和显示试品绝缘性能参数。

本发明的目的可用如下措施实现，基本结构可分为主、副两个通道。主通道有：输入取样单元、R-F转换电路、光电耦合电路及数据处理电路;副通道有：测试键控电路、串行I/O接口控制电路及输出显示和控制电路。

主通道：输入取样单元：5/2.5KV直流测试高压经串并联电阻取样网络，分别取出与试品电阻Rx成反比的信号电压Vx，经滤波放大后为Vi和参考电压Vref。将Vi和Vref同时送入R-F转换电路，经R-F转换后，输出与Vi成反比，与试品电阻Rx成正比的频率信号Fout。该频率信号经隔离级光电耦合电路后，送至数据处理电路进行计算和数据处理。在软件支持下，数据处理电路将频率信号Fout转换成与试品电阻Rx一致的实际数值及有关的控制信号。

副通道：主通道上数据处理电路的运行，由测试键控电路给出控制信号Q6、Q7。该测试键控电路主要包括七个键位（A-G），其中A-D四个键位分别为“常规测量”、“吸收比”、“极化系数”、和“5/2.5KV”功能控制键，经键盘输入接口给出Q6信号。E键为“复位”，经与门给出Q7信号。Q6和Q7经主通道光电耦合电路，控制数据处理电路的运行。另有两键F和G为电源软开关ON和OFF键。经数据处理电路计算、处理后的数据又经光电耦合电路，送至副通道串行I/O接口控制电路，它将数据处理电路计算、处理后的信息数据转换成输出信号S1-S6，并组合成不同的复合控制信号，分别送给键盘输入接口电路及输出显示和控制电路，分别完成数码显示、计时、报警，并给出高压选择信号Q1、Q2，高压启动信号Q3和自动量程控制信号Q4、Q5。

本发明的目的还可以通过如下措施达到：所述R-F转换电路由受取样信号Vi（或Vx）控制的充电恒流源、受参考电压Vref控制的放电恒流源及由时基电路构成的脉冲发生器构成。数据处理电路包括输入接口驱动电路、单片机芯片、程序存贮器及输入接口驱动电路组成。所述串行I/O接口控制电路由译码器、逻辑驱动器和R-S触发器构成。测试键控电路主要包括四个测试功能键和键盘输入接口;一个复位键和与非门;二个电源软开关键和门电路组成的R-S触发器构成。所述输出显示和控制电路包括数据显示器、时间显示器、欠压报警电路、蜂鸣器及命令口构成，其中命令口由串行缓冲器和数据锁存器组成，受S1、S5、S6控制，输出Q0-Q5控制信号。

本发明与现有技术相比，除保留现有产品计时、报警、自动换档、短路延迟保护及数据保持功能外，由于采用数据处理电路，并固化了数据处理软件，智能化程度较高，变革以往贯用折算法评估吸收比和极化系数，而直接由仪表对吸收比和极化系数参量进行测量、计算和显示。采用R-F转换电路及串行I/O控制电路，不仅简化了电路结构，更进一步提高抗干扰能力，适应在恶劣的现场测量。用R-F转换电路取代非常规使用的A/D变换器，克服了测试电压（高压）等级改变对精度的影响，使仪表线性度及动态工作范围扩大。R-F转换稳定性很高，在输入数据变化40db时，输出频率非线性度在0.5db内。本仪表可交直流供电，直流测试高压为2500V、5000V，试品绝缘电阻测量精度与测试电压等级无关，可实现高压梯级调节。测量范围为0～20万兆欧，保守精度不劣于5%，被测试品的电阻可以到零，能胜任大容量电力设备绝缘性能测量。

本发明的附图图面说明：

图1为本发明总体结构框图

图2为输入取样单元[1]的展开图

图3为R-F转换电路[2]等效电路图

图4为R-F转换电路[2]时序电路图

图5为光电耦合电路[3]和数据处理电路[4]示意图

图6为串行I/O接口控制电路[5]示意图

图7为电源软开关电路[14]展开图。

本发明下面结合（附图）实施例作进一步详述：

图1为本发明的总体结构框图。由输入取样单元[1]产生两个电压信号，一个为参考电压Vref，另一与试品电阻Rx成反比的取样电压Vi。将Vref和Vi同时送至R-F转换电路[2]变换成与取样电压Vi成反比，与试品Rx成正比的频率Fout信号，加到起隔离作用的光电耦合电路[3]中，最后馈至数据处理电路[4]，在软件支持下，数据处理电路[4]对输入的Fout信号进行计算和数据处理。测试键控电路[15]主要包括七个键位，A-D四键为测试功能键，分别是“常规测量”、“吸收比”、“极化系数”和“5/2.5KV”操作，每一按键通过键盘输入接口[12]（选用多级静态移位寄存器CD4014）输出Q6信号。E键为“复位”，通过与门[13]（选用与非门CD4011）输出Q7信号。Q6、Q7两控制信号仍通过光电耦合电路[3]，加到数据处理电路[4]中。另两键F和G为电源软开关“ON”和“OFF”键。经数据处理电路[4]计算和数据处理后的信号由CPU（80C31）的P1.4～P1.7输出，再反方向馈给光电耦合电路[3]。光电耦合电路[3]是采用两级光电耦合器组成，每级（选TLP521-4型）为8对输入输出线，完全能胜任本发明的需要。光电耦合电路[3]输出控制信号P1.4’～P1.7’加到串行I/O接口控制电路[5]中，转化为不同的控制信号S1…S6组成复合控制信号，再加到输出显示和控制电路[16]。用S1、S2控制键盘输入接口[12];用S1、S3信号控制数据显示器[10];用S1、S4控制时间显示器[11];用S1、S5、S6控制输出显示和控制电路[16]中的命令口[17]，该命令口[17]由串行缓冲器[9]（选用CD4015）和数据锁存器[8]（选用CD40174）组成，由命令口[17]输出信号Q0控制蜂鸣器[7]报时。欠压报警电路[6]也控制蜂鸣器[7]，当+12V的电源电压低于+10V时，欠压报警电路[6]动作，使蜂鸣器[7]报警，通知用户更换电池。命令口[17]还提供Q1、Q2信号作为高压5000V和2500V的选择信号;提供Q3信号作为高压启动信号;提供Q4、Q5为自动量程选择信号。另外Q4、Q5信号同时加到了键盘输入接口[12]上，供程序监视外电路使用。

图2为输入取样单元[1]的展开图，由（Rx+Ro）//（R1+R2）组成串并联电阻取样网络[19]。其中试品电阻Rx和Ro构成取样支路，R1和R2构成参考支路，一般应满足Rx＞＞Ro，R1＞＞R2。直流高压电源[18]提供2500V和5000V测试高压，经取样网络[19]分压取样，在取样支路取被测电压Vx，其值与试品电阻Rx成反比。在参考支路取出参考电压Vref。被测信号Vx经有源滤波器[20]和直流放大器[21]，最后输出Vi。本例中，有源滤波器[20]选LF353（双运放）担任，直流放大器[21]选5G7650担任，最后将Vi和Vref同时加到R-F转换电路[2]中。

图3和图4分别为R-F转换电路（2）的等效电路和时序电路，受取样电压Vi（或Vx）控制的充电恒流源[22]，提供恒流I1＝g1Vi;受参考电压Vref控制的放电恒流源[23]，提供恒流I2＝g2Vref，其中g1、g2为放大电路的跨导增益。脉冲发生器[24]输出的信号控制互补开关D1、D2。当脉冲发生器[24]输出为低电平（“0”态）时，D2闭合，D1断开，充电电容器C1以恒流I2＝g2Vref线性放电，C1上电压Vcl呈线性下降。当Vcl下降到给定的门限电压Vt时，脉冲发生器[24]产生一个脉冲宽度为Ta的正脉冲（“1”态），从而使D2断开，D1闭合，在正脉冲持续期间（即脉宽Ta）内，电容C1以恒流（I1-I2）被充电，充电时间即等于脉冲发生器[24]输出正脉冲脉宽Ta。在该正脉冲结束时，脉冲发生器[24]的输出又转换为低电平，D2再次闭合、D1断开，电容C1又恒流放电。在Vcl下降到门限电压Vt时，脉冲发生器[24]又输出脉宽为Ta的正脉冲，如此周而复始，脉冲发生器[24]即产生宽度（Ta）恒定的脉冲周期信号F。

设脉冲发生器[24]输出的脉冲信号F的周期为T。在一个周期内电容C1充电电量（I1-I2）Ta与放电电量（T-Ta）I2应相等，即没有电荷积累，则通过数学推导得：

T＝（I1×Ta）/I2＝[（g1×α×Ro×Ta）/（g2×β）]/Rx

这里，α、β均为常数，其中α是滤波、放大电路的直流传输系数，β为参考电路分压系数，它等于：

β＝R2/（R1+R2）

所以，脉冲发生器输出的脉冲频率F为：

F＝1/T＝N×Rx

这里N为系数，它由下式决定

N＝（g2×β）/（g1×α×Ro×Ta）

可见，脉冲发生器输出的脉冲频率F与试品（被测）电阻值Rx成正比关系，而且试品Rx值的测量准确度不受测试高压等级及稳定度的影响。上述推导由电路实验得到了很好地证明。另外在R-F转换电路[2]中设置有测量溢出单元，当外电路测量的电阻Rx大于20万兆欧时，比较器[26]（由LM324组成）输出高电平，逻辑溢出控制器[25]（选CD4011）使输出信号Fout与8KHz频率信号相接，表示测量溢出。当外电路测量的电阻小于20万兆欧时，比较器[26]输出为低电平，8KHz信号被阻断，此时输出的Fout等于F信号。

图4为R-F转换电路[2]的时序电路，由充电放大器[27]（选LF353）与晶体管T1、T2、T3组成充电恒流源[22]，它受取样电压Vi（Vi正比于Vx）控制，使输出电流与Vx成正比。由放电放大器[28]（选LF353）与晶体管T4构成放电恒流源[23]，受参考电压Vref控制，使输出恒流与Vref成正比。D1、D2为两只晶体二极管，构成互补开关，它们受由定时器555构成的脉冲发生器[24]的控制，电路的门限电压Vt由时基电路555自身产生。脉冲发生器[24]输出的正脉冲宽度决定于R6×C2，R6、C1、C2应选取高质量、性能稳定的元件。

图5为光电耦合电路[3]和数据处理电路[4]示意图。光电耦合电路[3]采用了两级耦合形式，分输入耦合级[29，31]和输出耦合级[30，32]，选用TLP521-4光电耦合器件，每个器件有4对输入输出端，每级使用两片即可满足本发明的双向耦合要求。数据处理电路[4]有输入接口驱动电路[33]（选用CD4069）和输出接口驱动电路[34]（选用74LS04），单片机[35]芯片选用80C31担任，其配用的程序存贮器[36]选用EPROM（27C32）芯片构成。

R-F转换电路[2]最后输出与Vx成正比的频率信号Fout，经两级光电输入耦合级[29，31]及输入接口驱动电路[33]送给单片机[35]，在软件支持下，单片机[35]完成将Fout转换为试品Rx的有效数值。同时由单片机[35]P1口的P1.4-P1.7输出处理后的数据及有关控制信号，该信号再通过输出接口驱动电路[34]和光电输出耦合级[32，30]反向传递给串行I/O接口控制电路[5]，经过该电路逻辑译码后形成各种控制信号线，控制外电路中的测量、显示及对键盘的访问。

另外光电耦合器[3]和数据处理电路[4]的电源分别独立由隔离变压器逐级提供，Vcc通过一级隔离变压器给光电耦合电路[3]提供电源;通过二级隔离变压器给数据处理电路[4]提供电源。这样，可使本仪表的数据处理电路[4]与外围电路和测量电路各自独立供电，相互隔离，确保单片机可靠工作。

图6为串行I/O接口控制电路[5]的示意图，由译码器[37]（选CD4051）、逻辑驱动器[38]（选CD4069）和R-S触发器[39]（选CD4011）组成。从光电耦合器电路[3]输出的信号包含P1.4’、P1.5’、P1.6’、P1.7’加到译码器[37]输入端，经解码后，输出八路信号y0…y7，其中，y5和y6作为R-S触发器[39]的置“0”、置“1”控制输入线，其输入的信息由R-S触发器[39]保存。R-S触发器[39]输出信号为S1，它作为测量电路中串行接口的数据线。译码器[37]输出的y1、y2、y3、y4、y7经逻辑驱动器[38]后，分别输出控制信号S2、S3、S4、S5、S6，这些控制信号和R-S触发器[39]输出的信号S1相组合，形成了一系列对测量电路控制的读写复合信号。其中：S1、S2控制键盘输入接口[12];S1、S3信号控制数据显示器[10];S1、S4控制时间显示器[11];用S1、S5、S6控制输出显示和控制电路[16]中的命令口[17]。

图7为电源软开关电路，属测试键控电路[15]中的电源开关键部分。采用软开（ON）关（OFF）电路，可减少电路中大电流引线的干扰。该电路由两个与非门[40，41]（选CD4011担任）构成R-S触发器、两个按键ON和OFF、开关晶体管[42]及一些阻容元件组成。电路中应满足Con＜Coff，当系统上电或按键OFF按下时，Von为低电平，从而使开关晶体管[42]截止，+12V电源与测量电路电源输入端子Vcc视为断开。当按键ON按下时，R-S触发器翻转，Von为高电平，则开关晶体管[42]饱和，+12V电源与测量电路电源输入端子Vcc接通。

本发明的数据处理电路[4]的输入信息除R-F转换电路[2]输入的频率信号Fout外，还有来自测试键控电路[15]的信号，它们是复位信号Q7和键盘信号Q6。四个测试键位是通过键盘输入接口[12]输出Q6信号。仪表在开机时，单片机软件不停地访问键盘。当有键按下时，软件通过位查询，转移到相应的程序段中。另外换挡信号[Q4，Q5]也接在键盘输入接口电路[12]，仪器在测量过程中，通过串行输入方式对换挡信号查询，并与程序已设定的换挡信号进行比较，就可判断外电路的工作状态，以做出相应的反应。

本发明的软件程序已固化在数据处理电路[4]中的EPROM中，可分为键盘控制程序、数据采集程序、数据处理程序、电路控制程序和输出显示程序。下面简介所述程序：

1）.键盘控制程序：其作用是实现操作人员对本仪表的功能设置。仪表上电后，软件就开始运行键盘控制程序，检查是否有键按下。如果有键按下，就转到相应的程序段，完成用户所设置的功能，如高压2500V和5000V的选择、电阻值的测量、极化系数的测量、及吸收比的测量。

2）.数据采集程序：程序首先设置单片机内的计数/定时器1为16位计数方式，计数/定时器1的输入信号就是通过光电耦合器耦合而来的与试品电阻成正比的Fout信号。然后程序把1秒分为四个相等的时间段，也就是0.25秒。在每个时间段的开始，设置计数/定时器1的时间常数为0，并开始计数，在这个时间段的结尾，令计数结束，从计数器中取出所计录的数值，显然，这个数据就直接表示了试品的电阻值。这样在1秒中内程序共采集了四个数值。

3）.数据处理程序有三个子程序：

a.抗干扰处理：分为两方面，首先把外电路的现状态读入到计算机中，通过分析，系统就可以知道仪器受外界的干扰情况。如果外界的干扰已经使电路工作状态发生变化，则认为即刻所采集的数据无效，继而计算机重新向外电路发出命令，使系统工作恢复正常状态。在系统正常工作状态下，程序在每一秒内，采集4个数据，然后对该4个数进行抗干扰处理。程序首先检查这4个数，舍弃其中最大值和最小值，将剩余2个数进行平均，所得结果即认为在该时间段的有效测量数据。

b.迭加滤波：为了从所测数据中得出误差最小的计算值，把每一时间段得出的数据进行加权迭加。从理论上讲，随着迭加的次数的增加，所得结果将敉合测量数据的随机波动，无限接近于实时的真值。具体方法：设现时刻输出显示结果为R（n），初始测量的数值对R（n）贡献小，随后数值的贡献逐渐增大，最新测量的数值对R（n）的贡献最大。把诸数值贡献的成分迭加起来，即为输出的结果R（n）。其表达式：

R（n）＝α1×R（n-1）+α2×X（n）

实际上，这是一个低通滤波器，系数α1、α2决定滤波的时间常数，R（n）为即刻输出的数值，R（n-1）为前一时刻的输出数值，Xn为即刻时间段的有效测量数值;α1、α2为小于1的正数，其和为1。

c.吸收比和极化系数的测量：吸收比γ的定义是第60秒测量的电阻值R（60）与第15秒所测量的电阻值R（15）之比，即γ＝R（60）/R（15）;极化系数Φ的定义为10分钟测量的电阻R（600）与1分钟测量的电阻R（60）之比，即Φ＝R（600）/R（60）。常规的现场绝缘测试时，是将测量的值通过手工记录计算得到的。吸收比和极化系数可用来评估试品的绝缘性能，通常如果吸收比和极化系数大于1.3，可判定试品绝缘性能合格，否则为不合格。本仪表吸收比和极化系数由单片机通过程序进行计算和显示，能直观地检查被测试品的绝缘性能。

4）.电路控制程序：其功能是通过P1.4、P1.5、P1.6、P1.7（经过光电耦合接口）设置测量电路上的命令口[17]的内容，程序根据用户的要求，通过写命令口[17]设定测量电压，启动高压电路工作，并对有效测量数值进行分析，决定并输出下一时刻的有效量程信号。

这里要指出的是仪器在测量状态下，电路控制程序每隔0.125秒就对命令口[17]进行一次写操作，以防止数据锁存器[8]因外高压干扰而造成的命令丢失。而对数据显示器[10]和时间显示器[11]的操作为每秒一次。

5）.输出显示程序：通过抗干扰处理和迭加滤波后的数值及计算得出的吸收比和极化系数为二进制数值，为了能显示十进制数值，程序首先通过二进制到十进制转换，并确定小数点的位置。另外程序还要进行计时，向用户提供测量时间。最后所要显示的数值信息和时间信息分别送到数据显示器[10]和时间显示器[11]

本发明最终的测试结果，即试品在各特定测量时间的实时电阻值、吸收比、极化系数、测量时间等，由数据显示器[10]和时间显示电器[11]读出。

下表为实测的结果，单位：×100MΩ。上行为被测电阻的标准值，中行是测试电压为5000伏实测显示值，下行是测试电压为2500伏实测显示值。

标准值   000.  200.  500 1.00  2.00   5.00   10.0   20.0    50.0   100  200  500  1000

显示值   000.  198.  492 0.97  1.98   4.90   10.0   20.0    50.3   101  201  506  1017

显示值   000.  195.  482 0.98  1.97   4.88   10.0   20.1    50.0   101  203  518  1058

Claims (7)

1、智能化自动换档高压兆欧表，包括输入取样单元[1]、测试键控电路[15]、输出显示和控制电路[16]，其特征在于本发明还包括将取样信号变成频率的R-F转换电路[2]、起隔离作用的光电耦合电路[3]、对频率信号进行运算的数据处理电路[4]及将处理后的信息转化为不同控制信号的串行I/O接口控制电路[5]。

2、如权利要求1所述高压兆欧表，其特征在于所述R-F转换电路[2]由受取样信号Vi（或Vx）控制的充电恒流源[22]、受参考电压Vref控制的放电恒流源[23]及由时基电路构成的脉冲发生器[24]构成。

3、如权利要求1所述高压兆欧表，其特征在于数据处理电路[4]包括输入接口驱动电路[33]、单片机[35]、程序存贮器[36]及输出接口驱动电路[34]组成。

4、如权利要求1所述高压兆欧表，其特征在于所述串行I/O接口控制电路[5]由译码器[37]、逻辑驱动器[38]和R-S触发器[39]构成，其输出S1-S6构成复合控制信号。

5、如权利要求1所述高压兆欧表，其特征在于测试键控电路[15]包括测试功能键通过键盘接口[12]输出Q6信号，复位键经与非门[13]给出复位信号Q7，还有电源软开关键构成。

6、如权利要求1所述高压兆欧表，其特征在于输出显示和控制电路[16]有数据显示器[10]、时间显示器[11]、欠压报警电路[6]，蜂鸣器[7]及命令口[17]构成。

7、如权利要求1或6所述高压兆欧表，其特征在于所述输出显示和控制电路[16]中的命令口[17]由串行缓冲器[9]和数据锁存器[8]组成，受S1、S5、S6控制，输出Q0-Q5控制信号。

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