CN117686795A - 一种高压频域介电谱测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高压频域介电谱测试装置及方法，其中装置包括：PC端、以及电源模块、高压放大器装置和以及由微电流放大器和嵌入式控制板卡构成的综合程控装置；其中，高压放大器装置的放大倍数为1000倍，最高测试电压为‑10kV～+10kV，带宽为DC～10kHz。本申请的测试装置通过提高介电谱测试的电压和测试频率，最高输出电压可达到10kV，现场测量抗干扰能力强；能够在恶劣的干扰环境下准确的测量试品的介电频响曲线以及发现绝缘劣化的非线性特征，从而解决了现有技术测量准确性低、且无法发现套管绝缘劣化的非线性特的问题。

Description

一种高压频域介电谱测试装置及方法

技术领域

本申请涉及电力变压器技术领域，尤其涉及一种高压频域介电谱测试装置及方法。

背景技术

电力变压器作为发电厂和变电所的主要设备之一，是昂贵且不可或缺的核心设备。高压套管作为电力变压器的出线装置，具有把高电压、大电流从金属箱壳中引入或引出的功能，担负着绝缘和机械支撑的重要任务。

从高压输变电设施可靠性指标的分析结果可以看出，套管故障是造成变压器非计划停运的主要原因之一。由于套管长期工作在高电压、大电流、高温度的工况下，并且其头部会受到引线拉力、风力等外力作用，运行条件十分恶劣，导致在运行过程中由套管引发的变压器事故频繁发生。

可靠且灵敏的绝缘检测手段，能够及时、高效的发现套管绝缘缺陷，避免出现严重的后果产生。目前生产中，主要通过测试套管工频条件下的介质损耗因数和电容量以判断套管受潮状态，但工频介质损耗对于套管的受潮诊断不够灵敏。而频域介电谱法凭借其不会受到介质空间电荷积累的影响，携带绝缘信息丰富，能够对变压器绝缘问题进行无损检测与评估等优点而得到了广泛应用。

然而对于频域介电谱技术而言，现有测试电压偏低，属于低压测量。因此，由于测试电压局限性，对于复杂电磁环境下高电压等级的电力变压器及套管的测试灵敏度低、抗干扰能力差、现场影响因素复杂。另外，对于非线性介质，如受潮较严重的套管，过低的测试电压使得难以发现其非线性特征，从而丢失了一部分有效的诊断信息。因此，亟需设计一种测量准确性高、且能够发现套管绝缘劣化的非线性特征的频域介电谱测试装置。

发明内容

本申请提供了一种高压频域介电谱测试装置及方法，用于解决现有技术测量准确性低、且无法发现套管绝缘劣化的非线性特的问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种高压频域介电谱测试装置，所述装置包括：

PC端、以及电源模块、高压放大器装置和以及由微电流放大器和嵌入式控制板卡构成的综合程控装置；其中，所述高压放大器装置的放大倍数为1000倍，最高测试电压为-10kV～+10kV，带宽为DC～10kHz；

所述嵌入式控制板卡，通过DA模块将所述PC端软件输出的数字信号转换为±10V的模拟信号，并作为测试信号输入到所述高压放大器装置，同时控制AD模块采集由所述微电流放大器放大后的电流信号；

所述高压放大器装置，通过测量线缆与待测试品的高压端相连，对所述测试信号进行放大得到高压信号，并通过测量线缆施加到所述待测试品的高压端，使得所述高压信号经所述待测试品后从测量回路输出电流信号；

所述微电流放大器，通过测量线路与待测试品的末屏相连，对从测量回路输出的电流信号进行放大；

所述电源模块，用于分别为高压放大器装置、微电流放大器和嵌入式控制板卡提供电能；

所述PC端的上位机，用于接收所述电流信号，并进行分析、处理、存储、显示。

可选地，所述微电流放大器的放大倍数为1×10²V/A～1×10¹⁰V/A，最大输出电压为5V。

可选地，所述嵌入式控制板卡，将电路开关、保护电路、测量电路以及数据的发生、采集和处理集成于一体，且所述嵌入式控制板卡通过ZYNQ XC7Z100芯片进行系统控制，其中，所述ZYNQ XC7Z100芯片内置FPGA和ARM。

可选地，所述AD模块的芯片为AD7960，且所述AD模块的前段还设置有运放和滤波功能，用于实现信号的平滑采集处理，将采集数据送给FPGA进行分析处理。

可选地，所述AD模块，还用于采集所述高压放大器装置的分压信号及微电流放大器输出电压信号。

可选地，所述DA模块采用PCM5102A型号芯片，所述PCM5102A型号芯片用于接收所述PC端软件输出的数字信号，并转化输出为任意波形高精密电压信号，通过LC滤波及输出防护至高压放大器装置。

可选地，还包括：保护模块；

所述保护模块设置于所述高压放大器装置与测量线缆之间，用于防止过流或过压击穿所述高压放大器装置。

可选地，所述高压放大器装置，还设置于：1000：1分压输出功能，用于对高压信号进行实时测量。

可选地，所述电源模块，具体用于：为高压放大器装置提供的电压为AC220V，为微电流放大器提供的电压为DC±9V，为嵌入式控制板卡提供的电压为DC12V。

本申请第二方面提供一种高压频域介电谱测试方法，应用于权利要求1-9中任意一种所述的高压频域介电谱测试装置；

所述方法包括：

PC端通过控制嵌入式控制板卡，从而控制DA模块将PC端软件输出的数字信号转换为±10V的模拟信号，并作为测试信号输入到高压放大器装置；

所述高压放大器装置对所述测试信号进行放大得到高压信号，并通过测量线缆施加到待测试品的高压端，使得所述高压信号经所述待测试品后从测量回路输出电流信号；

所述嵌入式控制板卡分别采集所述高压放大器装置的分压信号、以及由微电流放大器放大后的电流信号，并将采集结果上报至PC端；

PC端将所述分压信号和所述电流信号经过FFT分析后，得到所述分压信号的幅值、初相角，所述电流信号的幅值、初相角，从而确定所述分压信号与所述电流信号的相位夹角、复阻抗；并根据所述相位夹角、所述复阻计算得到系统的介质损耗因数。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请提供了一种高压频域介电谱测试装置，包括：PC端、以及电源模块、高压放大器装置和以及由微电流放大器和嵌入式控制板卡构成的综合程控装置；其中，高压放大器装置的放大倍数为1000倍，最高测试电压为-10kV～+10kV，带宽为DC～10kHz；其中，嵌入式控制板卡，通过DA模块将PC端软件输出的数字信号转换为±10V的模拟信号，并作为测试信号输入到高压放大器装置，同时控制AD模块采集由微电流放大器放大后的电流信号；高压放大器装置，通过测量线缆与待测试品的高压端相连，对测试信号进行放大得到高压信号，并通过测量线缆施加到待测试品的高压端，使得高压信号经待测试品后从测量回路输出电流信号；微电流放大器，通过测量线路与待测试品的末屏相连，对从测量回路输出的电流信号进行放大；电源模块，用于分别为高压放大器装置、微电流放大器和嵌入式控制板卡提供电能；PC端的上位机，用于接收电流信号，并进行分析、处理、存储、显示。

本申请的测试装置提高介电谱测试的电压和测试频率，最高输出电压可达到10kV，提高输出信号的信噪比，现场测量抗干扰能力强；能够在恶劣的干扰环境下准确的测量试品的介电频响曲线以及发现绝缘劣化的非线性特征，从而解决了现有技术测量准确性低、且无法发现套管绝缘劣化的非线性特的问题。

附图说明

图1为本申请实施例中提供的一种高压频域介电谱测试装置的硬件设计框图；

图2为本申请实施例中提供的一种微电流放大器内部逻辑设计框图；

图3为本申请实施例中提供的一种芯片ZYNQ XC7Z100控制电路框图；

图4为本申请实施例中提供的一种芯片AD7960信号采集电路框图；

图5为本申请实施例中提供的一种DA信号输出电路框图；

图6为本申请实施例中提供的一种AD前端保护电路框图；

图7为本申请实施例中提供的一种电源模块的供电系统框图；

图8为本申请实施例中提供的一种高压频域介电谱测试的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请实施例中提供的一种高压频域介电谱测试装置，包括：PC端、以及电源模块、高压放大器装置和以及由微电流放大器和嵌入式控制板卡构成的综合程控装置。

需要说明的是，本装置统一采用220V供电，并加装空开和漏电保护、防止过压损坏器件等。各端口添加光耦隔离保护，防止静电等击穿器件。

其中，高压放大器装置的放大倍数为1000倍，最高测试电压为-10kV～+10kV，带宽为DC～10kHz；

嵌入式控制板卡，通过DA模块将PC端软件输出的数字信号转换为±10V的模拟信号，并作为测试信号输入到高压放大器装置，同时控制AD模块采集由微电流放大器放大后的电流信号；

高压放大器装置，通过测量线缆与待测试品的高压端相连，对测试信号进行放大得到高压信号，并通过测量线缆施加到待测试品的高压端，使得高压信号经待测试品后从测量回路输出电流信号；

需要说明的是，进一步地，高压放大器装置，还包括：保护模块设置于高压放大器装置与测量线缆之间，用于防止过流或过压击穿高压放大器装置。

微电流放大器，通过测量线路与待测试品的末屏相连，对从测量回路输出的电流信号进行放大；

电源模块，用于分别为高压放大器装置、微电流放大器和嵌入式控制板卡提供电能；

PC端的上位机，用于接收电流信号，并进行分析、处理、存储、显示。

在一个实施例中，高压放大器装置的设计说明如下：

高压放大器作为本申请高压频域介电谱装置的关键组成部分，由于受到电源输出功率的限制，高压电源的输出电流会随着电压的幅值和频率的升高而减小。所以，放大器的技术指标是影响装置性能的重要因素。现有商业FDS测试仪中测试电压最高的是Megger的IDAX系列结合VAX020高压放大器，最高可以输出2kV峰值的电压。

为了探究存在受潮缺陷的油纸绝缘套管在更高电压下的介电谱数据变化情况，本申请的高压放大器装置放大倍数为1000倍，最高测试电压为-10kV～+10kV，输出电流为±40mA，带宽为DC～10kHz，随前端信号源的输入不失真的输出0～±10kV灵活可调的任意波形，同时带有1000：1分压输出功能，以便对高压信号进行实时测量。

在一个实施例中，由微电流放大器和嵌入式控制板卡构成的综合程控装置的设计说明如下：

其中，微电流放大器设计说明如下：

高压放大器装置给被测变压器套管样品施加电压后，经过高压套管响应的电流通常都非常低，甚至可以达到pA级，所以响应电流的准确测量是保证装置测量精度的关键。Keithley公司生产的微电流测量仪因型号丰富、性能优越，被国内外科研机构广泛采用，但体积较大无法实现便携化、集成化。

本申请设计的微电流放大器不仅灵敏度高、系统噪声低、放大倍数可任意调整，而且更加小型化，可远程控制，便于系统模块化集成、结构更紧凑，微电流放大器的内部逻辑设计框图如图2所示。本申请的微电流传感器的放大倍数为1×10²V/A～1×10¹⁰V/A，最大输出电压为5V，可以测量pA至mA级的电流。微电流传感器内置有低通滤波电路，其低通截止频率和放大倍数均可以通过软件进行远程控制。

嵌入式控制板卡设计说明如下：

针对嵌入式控制板卡进行集成化设计，将电路开关、保护电路、测量电路以及数据的发生、采集和处理等集成于一体。其中信号输出通过“程控数字信号+DA模块”实现，即通过计算机软件输出数字信号经DA模块后转换为模拟信号，以此来实现任意信号的生成；数据采集功能通过AD模块实现。整个板卡通过ZYNQ XC7Z100芯片进行系统控制。

ZYNQ XC7Z100电路：

ZYNQ XC7Z100为主芯片，内置FPGA和ARM。图3所示为ZYNQ XC7Z100控制电路框图。主要完成控制AD信号的采集、DA信号的输出、数据的分析处理，最终由ARM通过TCP协议上报至上位机PC。

AD模块电路

信号发生AD模块的AD转换芯片采用AD7960，图4所示为AD7960信号采集电路框图。主要采集微电流放大器输出的电压信号和高压放大器分压信号，AD模块的前端添加运放和滤波实现信号的平滑采集处理，将采集数据送给FPGA进行分析处理。AD7960主要参数如下表1：

表1

名称	参数指标
		通道	10路
分辨率	18bit
		采样率	5MS/s
频率范围	1MHz
		电压输入量程	±10V
输入阻抗	1MΩ/50Ω可调

DA模块电路：

图5所示为信号发生DA模块的电路框图，采用PCM5102A型号芯片。PCM5102A输出任意波形高精密电压信号，通过LC滤波及输出防护至高压放大器装置用于试品施加高压信号。FPGA软件在PL端设置DDS信号，arm进行配置，产生正弦波输出，频率和幅值可调。PCM5102A主要参数如下表2：

表2

进一步地，还包括：AD前端保护电路：

图6为AD前端保护电路框图。AD前端采集最大幅值为±10V的模拟信号，前端添加TVS管和线性电阻进行过压过流保护。并在AD前端添加高通可选滤波器，防止高频率过压信号有效抑制现场高频信号进入击穿运放和AD芯片。

在一个实施例中，电源模块的整体供电系统设计说明如下：

图7所示为高压频域介电谱测试装置的电源模块的整体供电系统供电系统框图。整个高压频域介电谱测试装置采用HD60-12型号供电电源，输出功率60W，实现将AC 220V转DC12V为嵌入式板卡供电。其中嵌入式板卡支持3～36V宽范围供电，DC12V电源进入嵌入式板卡后，先通过DC/DC-24模块升压至24V，然后通过LTM8074IY芯片将DC12V电源转换为DC±9V给微电流放大器供电，通过LTC3260芯片转换为DC5VAD给芯片供电，通过TPS54622转换为DC3.3V给主控芯片供电。

本申请实施例中提供的一种高压频域介电谱测试装置，最高输出电压可达到10kV，并且提高了输出信号的信噪比，具有现场测量抗干扰能力强，避免现场测量工作容易受到干扰产生误差等优点。

以上为本申请实施例中提供的一种高压频域介电谱测试装置，以下为本申请实施例中提供的一种高压频域介电谱测试方法。

请参阅图8，本申请实施例中提供的一种高压频域介电谱测试方法，包括：

步骤101、PC端通过控制嵌入式控制板卡，从而控制DA模块将PC端软件输出的数字信号转换为±10V的模拟信号，并作为测试信号输入到高压放大器装置。

可以理解的是，PC控制嵌入式程控模块控制DA输出不同幅值、不同频率的标准正弦信号(测试信号)，启动高压放大器装置输出高压信号(最大输出10kV)。

步骤102、高压放大器装置对测试信号进行放大得到高压信号，并通过测量线缆施加到待测试品的高压端，使得高压信号经待测试品后从测量回路输出电流信号。

步骤103、嵌入式控制板卡分别采集高压放大器装置的分压信号、以及由微电流放大器放大后的电流信号，并将采集结果上报至PC端。

可以理解的是，嵌入式程控板卡控制其内部的AD模块分别采集被测设备的分压信号和微电流放大器放大后的电流信号，并将采集结果上报至PC端。

步骤104、PC端将分压信号和电流信号经过FFT分析后，得到分压信号的幅值、初相角，电流信号的幅值、初相角，从而确定分压信号与电流信号的相位夹角、复阻抗；并根据相位夹角、复阻计算得到系统的介质损耗因数。

需要说明的是，PC端将采集到分压波形信号、电流波形信号经过FFT分析后，得到分压信号的幅值U_u、初相角θ_u,电流信号的幅值I_i、初相角θ_i，则分压信号与电流信号的相位夹角为：θ₀＝θ_u-θ_i，复阻抗从而得到系统的介质损耗因数：

最后，循环步骤101-104，测试注入不同频率、不同幅值时试品的性能，绘制曲线，得到高压频域介电谱测试结果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：RandomAccess Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高压频域介电谱测试装置，其特征在于，包括：PC端、以及电源模块、高压放大器装置和以及由微电流放大器和嵌入式控制板卡构成的综合程控装置；其中，所述高压放大器装置的放大倍数为1000倍，最高测试电压为-10kV～+10kV，带宽为DC～10kHz；

所述嵌入式控制板卡，通过DA模块将所述PC端软件输出的数字信号转换为±10V的模拟信号，并作为测试信号输入到所述高压放大器装置，同时控制AD模块采集由所述微电流放大器放大后的电流信号；

所述高压放大器装置，通过测量线缆与待测试品的高压端相连，对所述测试信号进行放大得到高压信号，并通过测量线缆施加到所述待测试品的高压端，使得所述高压信号经所述待测试品后从测量回路输出电流信号；

所述微电流放大器，通过测量线路与待测试品的末屏相连，对从测量回路输出的电流信号进行放大；

所述电源模块，用于分别为高压放大器装置、微电流放大器和嵌入式控制板卡提供电能；

所述PC端的上位机，用于接收所述电流信号，并进行分析、处理、存储、显示。

2.根据权利要求1所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，所述微电流放大器的放大倍数为1×10²V/A～1×10¹⁰V/A，最大输出电压为5V。

3.根据权利要求1所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，所述嵌入式控制板卡，将电路开关、保护电路、测量电路以及数据的发生、采集和处理集成于一体，且所述嵌入式控制板卡通过ZYNQ XC7Z100芯片进行系统控制，其中，所述ZYNQ XC7Z100芯片内置FPGA和ARM。

4.根据权利要求3所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，所述AD模块的芯片为AD7960，且所述AD模块的前段还设置有运放和滤波功能，用于实现信号的平滑采集处理，将采集数据送给FPGA进行分析处理。

5.根据权利要求4所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，所述AD模块，还用于采集所述高压放大器装置的分压信号及微电流放大器输出电压信号。

6.根据权利要求1所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，所述DA模块采用PCM5102A型号芯片，所述PCM5102A型号芯片用于接收所述PC端软件输出的数字信号，并转化输出为任意波形高精密电压信号，通过LC滤波及输出防护至高压放大器装置。

7.根据权利要求1所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，还包括：保护模块；

所述保护模块设置于所述高压放大器装置与测量线缆之间，用于防止过流或过压击穿所述高压放大器装置。

8.根据权利要求1所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，所述高压放大器装置，还设置于：1000：1分压输出功能，用于对高压信号进行实时测量。

9.根据权利要求1所述的高压频域介电谱测试装置，其特征在于，所述电源模块，具体用于：为高压放大器装置提供的电压为AC220V，为微电流放大器提供的电压为DC±9V，为嵌入式控制板卡提供的电压为DC12V。

10.一种高压频域介电谱测试方法，其特征在于，应用于权利要求1-9中任意一种所述的高压频域介电谱测试装置；

方法包括：

PC端通过控制嵌入式控制板卡，从而控制DA模块将PC端软件输出的数字信号转换为±10V的模拟信号，并作为测试信号输入到高压放大器装置；

所述高压放大器装置对所述测试信号进行放大得到高压信号，并通过测量线缆施加到待测试品的高压端，使得所述高压信号经所述待测试品后从测量回路输出电流信号；

所述嵌入式控制板卡分别采集所述高压放大器装置的分压信号、以及由微电流放大器放大后的电流信号，并将采集结果上报至PC端；

PC端将所述分压信号和所述电流信号经过FFT分析后，得到所述分压信号的幅值、初相角，所述电流信号的幅值、初相角，从而确定所述分压信号与所述电流信号的相位夹角、复阻抗；并根据所述相位夹角、所述复阻计算得到系统的介质损耗因数。