CN115932398A - 一种大截面导体交流电阻自动测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大截面导体交流电阻自动测试系统及方法，涉及电气测试领域，包括：计算机、FPGA/实时系统、D/A转换器1、D/A转换器2、D/A转换器3、A/D转换器、压控电流源、电极、GIL导电管试样、穿心式高精密电流互感器、高精密电阻R、锁相放大器和带有负载Z的耦合变压器，本发明消除了电流回路与电压测试回路之间的互感以及试品自感的影响，基于等效电路模型通过FPGA和D/A转换器产生超前电流90°的电压，用于补偿试品自感和电压测试回路中互感上的电压，减小被测导体上的电压与激励电流间相角，解决大截面导体交流电阻测试的精度问题，实现大截面导体交流电阻准确地自动化测量。
Description
技术领域
本发明属于电气测试领域，具体涉及一种大截面导体交流电阻自动测试系统及方法。
背景技术
随着国民经济对电力需求的不断增长，导体的载流量以及导体的标称截面不断增加，由于集肤效应和邻近效应的影响，导体交流电阻往往比直流电阻要大得多，然而，目前国内外学者对测量大截面导体交流电阻没有一个公认的方法，因此，为保证大截面导体安全可靠运行，研究大截面导体交流电阻测量技术具有重要应用意义。
大截面导体的导电性能会随着铺设环境的不同而发生变化，进而影响大截面导体的输电能力和电力系统的运行可靠性。为了检测大截面导体的载流能力，需要测量大截面导体的电气性能参数。在众多衡量大截面导体性能参数中，导体的交流电阻可以更精准地反映导体的导电性能，这是因为交变电流下的大截面导体的载流量与交流电阻密切相关，大截面导体的交流电阻由于集肤效应和邻近效应的影响而增大，导致载流量的减小，但是在检测过程中很多因素都会影响大截面导体交流电阻的测试精度。其中最主要的影响因素是被测对象为大截面导体，等效电感大，导致电压与电流间相角
接近90°，由函数误差可知相角
造成交流电阻的误差较大，严重影响其测试精度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于电压补偿技术的大截面导体交流电阻自动测试系统及方法，基于等效电路模型利用FPGA技术和实时系统构建虚拟基准电压，用于补偿试品自感和电压测试回路中互感上的电压，通过实时系统实时更新虚拟基准电压，减小被测导体上的电压与激励电流间相角，解决大截面导体交流电阻的测试精度问题，实现大截面导体交流电阻准确地自动化测量。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种大截面导体交流电阻自动测试系统，包括：计算机、FPGA/实时系统、D/A转换器1、D/A转换器2、D/A转换器3、A/D转换器、压控电流源、电极、GIL导电管试样、穿心式高精密电流互感器、高精密电阻R、锁相放大器和带有负载Z的耦合变压器；
所述计算机与所述FPGA/实时系统电连接，所述计算机用于对所述FPGA/实时系统发出数据和控制指令，所述计算机还用于对所述大截面导体交流电阻自动测试系统进行数据分析、处理和显示；
所述FPGA/实时系统分别与所述D/A转换器1、所述D/A转换器2、所述D/A转换器3和所述A/D转换器电连接，所述FPGA/实时系统用于接收所述A/D转换器的数字信号，所述FPGA/实时系统还用于分别对所述D/A转换器1、所述D/A转换器2、所述D/A转换器3输出数字信号；
所述D/A转换器1，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第一模拟电压，并将所述第一模拟电压输出至所述压控电流源；
所述D/A转换器2，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第二模拟电压，并将所述第二模拟电压输出至所述锁相放大器；
所述D/A转换器3，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第三模拟电压，并将所述第三模拟电压输出至所述带有负载Z的耦合变压器实现电压补偿；
所述A/D转换器，用于将所述高精密电阻R上的模拟电压转换为数字信号，并输出至所述FPGA/实时系统；
所述压控电流源，用于将所述第一模拟电压信号转换成激励电流信号，并将所述激励电流信号输出至所述GIL导电管试样，所述压控电流源与所述穿心式高精密电流互感器、所述GIL导电管试样形成电流回路；
所述电极，放置于所述GIL导电管试样上，用于测量所述GIL导电管试样上的电压；
所述GIL导电管试样为被测对象，进行其交流电阻的测量；
所述穿心式高精密电流互感器，用于将流过所述GIL导电管试样的电流转换为小电流输出到所述高精密电阻R；
所述高精密电阻R，用于将所述穿心式高精密电流互感器得到的电流信号转换为电压信号，并输出至所述A/D转换器；
所述锁相放大器，用于获取所述GIL导电管试样上的经过补偿后A路电压信号，将补偿后A路电压信号经USB接口输出到所述计算机；
所述带有负载Z的耦合变压器，用于将经过所述第三模拟电压按照所述带有负载Z的耦合变压器设定的比例关系输出，被测电压与所述带有负载Z的耦合变压器输出电压差分后输出到所述锁相放大器的A路，从而实现补偿后电压信号的测量。
优选地，所述大截面导体交流电阻自动测试系统分为电压测试回路和电流激励及其测试回路。
优选地，所述电压测试回路包括：放置于导体表面的电极、锁相放大器、带有负载Z的耦合变压器、FPGA/实时系统、D/A转换器2和D/A转换器3。
优选地，所述电流激励及其测试回路包括：FPGA/实时系统、D/A转换器1、压控电流源、GIL导电管试样、穿心式高精密电流互感器、高精密电阻R和A/D转换器。
优选地，所述FPGA/实时系统包括：Real-Time(RT)实时系统、FPGA机箱和输入输出I/O模块。
一种大截面导体交流电阻自动测试方法，应用于所述的大截面导体交流电阻自动测试系统，包括：
在FPGA内构建大截面导体的等效电路模型，通过激励电流和计算机赋值的参数建立一个虚拟基准；
通过FPGA和D/A转换器1给压控电流源施加电压，产生电流激励作用在GIL导电管试样上；
电流激励通过穿心式电流互感器和高精密电阻R转换为电压信号，A/D转化器将其转换为数字信号经FPGA传输至计算机，计算机通过运算得到电流有效值及相角；
通过FPGA和D/A转换器2给锁相放大器施加与电流同频率的电压信号，所述电压信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器以所述参考信号为基础获得同频率被测GIL导体上的初始电压信息，并经USB接口传输至计算机；
计算机通过初始电压与电流的有效值以及相角计算出等效电路模型的参数，并赋值给FPGA构建虚拟基准；
FPGA基于激励电流实时信息和等效电路模型的参数值生成一超前电流90°的感性虚拟基准电压，实时系统保证虚拟基准电压的实时更新，并通过D/A转换器3输出至带有负载Z的耦合变压器；
带有负载Z的耦合变压器按照匝数比输出虚拟基准电压，作用于锁相放大器用于采集电压的A路，实现与被测GIL导体上的电压差分；
锁相放大器获取差分电压经过USB接口传输到计算机，并计算出被测试品的交流电阻。
一种大截面导体交流电阻自动测试方法，所述等效电路模型包括电阻和电感的串联形式。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种大截面导体交流电阻自动测试系统，应用FPGA技术具有实时控制功能，与计算机共同实现交流电阻的测试，具有智能化和精度高的特点；
(2)本发明提供的一种大截面导体交流电阻自动测试方法，该方法基于等效电路模型利用FPGA技术和实时系统产生虚拟基准电压用于补偿被测试品自感和回路中互感上的电压，通过实时系统实时更新虚拟基准电压，无需调整电感，实现自动补偿，减小被测导体上的电压与激励电流间相角，解决大截面导体交流电阻的测试精度问题，实现大截面导体交流电阻准确地自动化测量；
(3)该方法不仅能补偿电感电压，当等效电路模型为负电抗时依然能实现电压的补偿，减小被测导体上的电压与激励电流间相角，从而实现精确自动测量，对等效电路模型具有普适性；
(4)该方法以电流作为激励，采用穿心式高精密电流互感器和锁相放大器分别获取电流和导体上电压信号，大幅度抑制噪声，改善检测信噪比，提高了测试精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明中的大截面导体交流电阻自动测试系统的测量原理图；
图2为本发明中的GIL导电管的等效电路示意图；
图3为本发明中的大截面导体交流电阻自动测试方法的相量图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
一种大截面导体交流电阻自动测试系统，包括：计算机、FPGA/实时系统、D/A转换器1、D/A转换器2、D/A转换器3、A/D转换器、压控电流源、电极、GIL导电管试样、穿心式高精密电流互感器、高精密电阻R、锁相放大器和带有负载Z的耦合变压器；
所述计算机与所述FPGA/实时系统电连接，所述计算机用于对所述FPGA/实时系统发出数据和控制指令，所述计算机还用于对所述大截面导体交流电阻自动测试系统进行数据分析、处理和显示；
所述FPGA/实时系统分别与所述D/A转换器1、所述D/A转换器2、所述D/A转换器3和所述A/D转换器电连接，所述FPGA/实时系统用于接收所述A/D转换器的数字信号，所述FPGA/实时系统还用于分别对所述D/A转换器1、所述D/A转换器2、所述D/A转换器3输出数字信号；
所述D/A转换器1，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第一模拟电压，并将所述第一模拟电压输出至所述压控电流源；
所述D/A转换器2，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第二模拟电压，并将所述第二模拟电压输出至所述锁相放大器；
所述D/A转换器3，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第三模拟电压，并将所述第三模拟电压输出至所述带有负载Z的耦合变压器实现电压补偿；
所述A/D转换器，用于将所述高精密电阻R上的模拟电压转换为数字信号，并输出至所述FPGA/实时系统；
所述压控电流源，用于将所述第一模拟电压信号转换成激励电流信号，并将所述激励电流信号输出至所述GIL导电管试样，所述压控电流源与所述穿心式高精密电流互感器、所述GIL导电管试样形成电流回路；
所述电极，放置于所述GIL导电管试样上，用于测量所述GIL导电管试样上的电压；
所述GIL导电管试样为被测对象，进行其交流电阻的测量；
所述穿心式高精密电流互感器，用于将流过所述GIL导电管试样的电流转换为小电流输出到所述高精密电阻R；
所述高精密电阻R，用于将所述穿心式高精密电流互感器得到的电流信号按照一定比例关系转换为电压信号，并输出至所述A/D转换器；
所述锁相放大器，用于获取所述GIL导电管试样上的经过补偿后A路电压信号，将补偿后A路电压信号经USB接口输出到所述计算机；
所述带有负载Z的耦合变压器，用于将经过所述第三模拟电压按照所述带有负载Z的耦合变压器设定的比例关系输出，被测电压与所述带有负载Z的耦合变压器输出电压差分后输出到所述锁相放大器的A路，从而实现补偿后电压信号的测量；
所述计算机通过采集激励电流模拟信号、获取电压信息，从而得到等效电路的模型参数和交流电阻。
进一步地，所述大截面导体交流电阻自动测试系统可以分为电压测试回路和电流激励及其测试回路。
进一步地，所述电压测试回路包括：放置于导体表面的电极、锁相放大器、带有负载Z的耦合变压器、FPGA/实时系统、D/A转换器2和D/A转换器3。
进一步地，所述电流激励及其测试回路包括：FPGA/实时系统、D/A转换器1、压控电流源、GIL导电管试样、穿心式高精密电流互感器、高精密电阻R和A/D转换器。
进一步地，所述FPGA/实时系统包括：Real-Time(RT)实时系统、FPGA机箱和输入输出I/O模块。
如图1所示，本实施例由电流激励及其测试回路和电压测试回路构成，应用于大截面导体交流电阻的测试，所述FPGA/实时系统为CompactRIO嵌入式系统，所选用的实时控制器型号为cRIO-9024，所述压控电流源采用基于Apex PA52A功率放大器的压控电流源，所述穿心式高精密电流互感器的型号为知用Cybertek的CTA200，电流传输比为1:1000，所述高精密电阻R为25Ω无感电阻，所述锁相放大器采用Signal Recovery公司的7230型锁相放大器，所述带有负载Z的耦合变压器采用坡莫合金制成。
一种大截面导体交流电阻自动测试方法，应用于所述的大截面导体交流电阻自动测试系统，包括：
在FPGA内构建大截面导体的等效电路模型，通过激励电流和计算机赋值的参数建立一个虚拟基准；
通过FPGA和D/A转换器1给压控电流源施加电压，产生电流激励作用在GIL导电管试样上；电流激励通过穿心式电流互感器和高精密电阻R转换为电压信号，A/D转化器将其转换为数字信号经FPGA传输至计算机，计算机通过运算得到电流有效值及相角；
通过FPGA和D/A转换器2给锁相放大器施加与电流同频率的电压信号，所述电压信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器以所述参考信号为基础获得同频率被测GIL导体上的初始电压信息，并经USB接口传输至计算机；
计算机通过初始电压与电流的有效值以及相角计算出等效电路模型的参数，并赋值给FPGA构建虚拟基准；FPGA基于激励电流实时信息和等效电路模型的参数值生成一超前电流90°的感性虚拟基准电压，实时系统保证虚拟基准电压的实时更新，并通过D/A转换器3输出至带有负载Z的耦合变压器；带有负载Z的耦合变压器按照匝数比输出虚拟基准电压，作用于锁相放大器用于采集电压的A路，实现与被测GIL导体上的电压差分；锁相放大器获取差分电压经过USB接口传输到计算机，并计算出被测试品的交流电阻。
进一步地，所述等效电路模型可以是电阻和电感串联、电阻和电容的并联或电阻和电感串联再与电容并联等。由于本发明所选用的大截面导体试样为GIL导电管试样，所以本专利等效电路模型为电阻和电感串联。
在具体实施例中，所述大截面导体交流电阻自动测试方法的具体步骤是：
在FPGA内构建大截面导体的等效电路模型，该实施例中是将大截面导体等效为电感Lx和电阻Rx串联的电路，该等效电路模型如图2所示；通过FPGA和D/A转换器1给压控电流源施加电压，产生电流激励作用在GIL导体上；通过穿心式电流互感器采集的电流为
，并通过高精密电阻R获得电压信号，该信号经过A/D转化器变为数字信号经FPGA至计算机，通过计算机运算得到电流有效值及相角；通过FPGA和D/A转换器2给锁相放大器施加与电流同频率的电压信号，该信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器以参考信号为基础获得同频率被测GIL导体上的初始电压信息
并经USB接口传输至计算机；初始电压信息
为：
式中：Rx为GIL导电管的等效电阻；
Lx为GIL导电管的等效电感；
计算机通过初始电压与电流的有效值以及相角计算出等效电路模型的参数L0，并赋值给FPGA构建虚拟基准；FPGA基于激励电流实时信息和等效电路模型的参数值生成一超前电流90°的感性虚拟基准电压
实时系统保证虚拟基准电压的实时更新，并通过D/A转换器3输出至带有负载Z的耦合变压器；带有负载Z的耦合变压器按照匝数比n:1输出虚拟基准电压，作用于锁相放大器采集电压的A路，得到与导体电抗电压
大小相等方向相反的补偿电压信号
补偿电压信号
为：
式中：
为带有负载Z的耦合变压器变压比；
L0为FPGA构建虚拟导体模型中的电感参数。
这样就实现补偿电压与被测GIL导体上的电压差分；上述涉及的相量如图3所示，锁相放大器获取差分电压
经过USB接口传输到计算机，并获得被测试品的交流电阻Rx：
式中：U为
的模值；
I为
的模值；
由
可知，根据系统不确定度的函数误差的公式计算出所述被测GIL导电管的交流电阻Rx的相对误差为：
式中：
为GIL导电管交流电阻的相对误差；
ΔU为测得的U的绝对误差；
ΔI为测得的I的绝对误差；
γU为测得的U的相对误差，由锁相放大器性能决定；
γI为测得的I的相对误差，由穿心式高精密电流互感器性能和高精密电阻R的精度决定；
Δφ为测得的相角的绝对误差，由锁相放大器性能决定。
本实例中使用的7230锁相放大器和CTA200精密电流互感器能够抑制噪声，提高检测信噪比，所以γU、γI和
很小，对交流电阻的相对误差影响较小。由于
数值趋于无穷大，最终成为影响交流电阻误差的主要因素。本方法利用上述涉及的FPGA技术和实时系统的电压补偿方法，消除了电流回路与电压测试回路之间的互感Lh以及试品自感Lx的影响，基于等效电路模型通过FPGA和D/A转换器3产生超前电流90°的感性电压，经过带有负载Z的耦合变压器降压，用于补偿被测试品自感和测试回路中互感上的电压，形成差分电压，减小被测导体上的电压与激励电流相角，从而大幅减小交流电阻的误差，解决大截面导体交流电阻测试的精度问题，实现大截面导体交流电阻准确地自动化测量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种大截面导体交流电阻自动测试系统，其特征在于，包括：计算机、FPGA/实时系统、D/A转换器1、D/A转换器2、D/A转换器3、A/D转换器、压控电流源、电极、GIL导电管试样、穿心式高精密电流互感器、高精密电阻R、锁相放大器和带有负载Z的耦合变压器；
所述计算机与所述FPGA/实时系统电连接，所述计算机用于对所述FPGA/实时系统发出数据和控制指令，所述计算机还用于对所述基于电压补偿的大截面导体交流电阻自动测试系统进行数据分析、处理和显示；
所述FPGA/实时系统分别与所述D/A转换器1、所述D/A转换器2、所述D/A转换器3和所述A/D转换器电连接，所述FPGA/实时系统用于接收所述A/D转换器的数字信号，所述FPGA/实时系统还用于分别对所述D/A转换器1、所述D/A转换器2、所述D/A转换器3输出数字信号；
所述D/A转换器1，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第一模拟电压，并将所述第一模拟电压输出至所述压控电流源；
所述D/A转换器2，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第二模拟电压，并将所述第二模拟电压输出至所述锁相放大器；
所述D/A转换器3，用于将所述FPGA/实时系统输出的数字信号转换为第三模拟电压，并将所述第三模拟电压输出至所述带有负载Z的耦合变压器实现电压补偿；
所述A/D转换器，用于将所述高精密电阻R上的模拟电压转换为数字信号，并输出至所述FPGA/实时系统；
所述压控电流源，用于将所述第一模拟电压信号转换成激励电流信号，并将所述激励电流信号输出至所述GIL导电管试样，所述压控电流源与所述穿心式高精密电流互感器、所述GIL导电管试样形成电流回路；
所述电极，放置于所述GIL导电管试样上，用于测量所述GIL导电管试样上的电压；
所述GIL导电管试样为被测对象，进行其交流电阻的测量；
所述穿心式高精密电流互感器，用于将流过所述GIL导电管试样的电流转换为小电流输出到所述高精密电阻R；
所述高精密电阻R，用于将所述穿心式高精密电流互感器得到的电流信号转换为电压信号，并输出至所述A/D转换器；
所述锁相放大器，用于获取所述GIL导电管试样上的经过补偿后A路电压信号，将补偿后A路电压信号经USB接口输出到所述计算机；
所述带有负载Z的耦合变压器，用于将经过所述第三模拟电压按照所述带有负载Z的耦合变压器设定的比例关系输出，被测电压与所述带有负载Z的耦合变压器输出电压差分后输出到所述锁相放大器的A路，从而实现补偿后电压信号的测量。
2.根据权利要求1所述的大截面导体交流电阻自动测试系统，其特征在于，所述大截面导体交流电阻自动测试系统分为电压测试回路和电流激励及其测试回路。
3.根据权利要求2所述的大截面导体交流电阻自动测试系统，其特征在于，所述电压测试回路包括：放置于导体表面的电极、锁相放大器、带有负载Z的耦合变压器、FPGA/实时系统、D/A转换器2和D/A转换器3。
4.根据权利要求2所述的大截面导体交流电阻自动测试系统，其特征在于，所述电流激励及其测试回路包括：FPGA/实时系统、D/A转换器1、压控电流源、GIL导电管试样、穿心式高精密电流互感器、高精密电阻R和A/D转换器。
5.根据权利要求4所述的大截面导体交流电阻自动测试系统，其特征在于，所述FPGA/实时系统包括：Real-Time(RT)实时系统、FPGA机箱和输入输出I/O模块。
6.一种大截面导体交流电阻自动测试方法，应用于权利要求1～5任一项所述的大截面导体交流电阻自动测试系统，其特征在于，包括：
在FPGA内构建大截面导体的等效电路模型，通过激励电流和计算机赋值的参数建立一个虚拟基准；
通过FPGA和D/A转换器1给压控电流源施加电压，产生电流激励作用在GIL导电管试样上；
电流激励通过穿心式电流互感器和高精密电阻R转换为电压信号，A/D转化器将其转换为数字信号经FPGA传输至计算机，计算机通过运算得到电流有效值及相角；
通过FPGA和D/A转换器2给锁相放大器施加与电流同频率的电压信号，所述电压信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器以所述参考信号为基础获得同频率被测GIL导体上的初始电压信息，并经USB接口传输至计算机；
计算机通过初始电压与电流的有效值以及相角计算出等效电路模型的参数，并赋值给FPGA构建虚拟基准；
FPGA基于激励电流实时信息和等效电路模型的参数值生成一超前电流90°的感性虚拟基准电压，实时系统保证虚拟基准电压的实时更新，并通过D/A转换器3输出至带有负载Z的耦合变压器；
带有负载Z的耦合变压器按照匝数比输出虚拟基准电压，作用于锁相放大器用于采集电压的A路，实现与被测GIL导体上的电压差分；
锁相放大器获取差分电压经过USB接口传输到计算机，并计算出被测试品的交流电阻。
7.根据权利要求6所述的一种大截面导体交流电阻自动测试方法，其特征在于，所述等效电路模型包括电阻和电感的串联形式。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211605922.6A Pending CN115932398A (zh) | 2022-12-14 | 2022-12-14 | 一种大截面导体交流电阻自动测试系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115932398A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116151168A (zh) * | 2023-04-23 | 2023-05-23 | 广东电网有限责任公司汕尾供电局 | 一种地网等效导体确定方法、装置、设备及存储介质 |
-
2022
- 2022-12-14 CN CN202211605922.6A patent/CN115932398A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116151168A (zh) * | 2023-04-23 | 2023-05-23 | 广东电网有限责任公司汕尾供电局 | 一种地网等效导体确定方法、装置、设备及存储介质 |
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