CN201966119U - 定子水内冷发电机绝缘特性测试仪 - Google Patents

Abstract

一种能消除内冷水极化电势对测量影响的定子水内冷发电机绝缘特性测试仪，其屏蔽端G端设置为双线，一根为电流线，另一根为电压采样线，两者在汇水管连接处短连。内冷水极化电势的测量与再现单元接口串联在屏蔽端G端的电压采样线中。测量前，内冷水极化电势的测量与再现单元采样并记录汇水环管与机座间电位差，此电位差即为内冷水极化电势。L端加高压测量时内冷水极化电势的测量与再现单元在接口处使极化电势再现，从而仪表G端与E端不再等电位，其电压与外部固有的内冷水极化电势相抵消，故汇水环管-机座支路的电流为0，消除了内冷水极化电势对测量的影响。

Description

定子水内冷发电机绝缘特性测试仪

技术领域

本实用新型涉及一种对定子水内冷发电机进行绝缘测试的试验仪器。该仪器能在测试中自动补偿并消除内冷水的极化电势对测量结果带来的误差，从而保证了水内冷定子绕组绝缘测量结果的真实性和准确性。

背景技术

国内生产的发电机，定子绕组通常采用水内冷的冷却方式，用低压屏蔽法测量其绝缘时，需要其专用的定子水内冷发电机绝缘特性测试仪，等值电路图如附图1所示。I_Y为流经R_Y的电流；I_H为流经R_H支路的电流；U_H为R_H两端的电压；I_X为流经R_X的电流，即泄露电流；内冷水流过进出水管绝缘法兰时，在其两端会产生极化电势E_H ^[1]。兆欧表根据L端输出的试验电压的大小与流经E端的电流而得出试品的绝缘电阻值。

测试时，兆欧表的L端通常输出负高压U_S，G端和E端自动调节为等电位，U_EG＝0，即汇水管与机座的电位被强制相等。此时I_Y＝U_S/R_Y，R_Y比绝缘电阻R_X要小，I_Y为数十到数百毫安，由于高压U_S不能被拉落，故要求该兆欧表较大容量，较大输出电流。在图1所示电流环路中应用柯西荷夫电压定理，得U_H+E_H-U_EG＝0。由于存在E_H，而汇水管与机座等电位，即U_EG＝0，故U_H＝-E_H+U_EG＝-E_H，I_H＝-E_H/R_H，所以流经E端的电流I_E＝I_X+I_H＝I_X-E_H/R_H，当E_H比较小，R_H比较大，且绝缘电阻R_X比较小，I_X＝U_S/R_X比较大时，相较于I_X而言，I_H很小，可以忽略不计，I_E可以近视认为等于I_X，仪表系统可根据U_S和I_E得出R_X的值。

随着绝缘材料性能的提高，定子绕组的绝缘电阻值R_X已可达到数千兆欧，I_X则较小，仅为数个微安级；对于并联了较多汇水环管的发电机而言，R_H比较小，若E_H比较大，则I_H也较大，甚至远大于I_X。此时相较于I_X而言，I_H不能忽略不计，从而测出的绝缘电阻值有较大误差甚至根本无法测量。

发明内容

为了解决现有的水内冷定子专用兆欧表因内冷水的极化电势而导致测量误差较大或根本无法测量的不足，本实用新型提供一种新型的定子水内冷发电机绝缘特性测试仪，该仪器能有效消除内冷水的极化电势对测试结果的影响，使测量结果能真实、准确反映定子绕组的绝缘性能。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：屏蔽端G端设置为双线，一根为电流线，另一根为电压采样线，两者在汇水管连接处短连，见附图3。电压采样线只用于电压采样，不通过电流，故电压采样线上无电压降落，确保了绝缘电阻测量时电压的采样反馈精度。同时在传统的水内冷定子专用兆欧表的基础上增加一套内冷水极化电势的测量与再现电路， 该装置的两端口既能作为电压测量输入，又能作为电压再现输出，是双向的输入/输出端口。内冷水极化电势的测量与再现单元首先采样并记录汇水环管与机座间电位差，此电位差即为内冷水极化电势，仪表测量时内冷水极化电势的测量与再现单元在端口处使极化电势再现，该端口串联在G端电压采样线中，从而使仪表G端与E端间形成的电位差与外部固有的内冷水极化电势相抵消。

加升高压前，由继电器开关将仪表的E端与G端的引出线切换为极化电势的测量输入，首先测量内冷水极化电势E_H的大小。如附图2，A/D转换器ICL7135芯片将该模拟量转换为数字量，该数字量与极化电势E_H的极性方向状态送入与A/D转换器ICL7135芯片相连的微控制器AT89C2051芯片，由AT89C2051芯片片内数据存储器存储。然后继电器开关将E端与G端的引出线切换回测量状态，同时微控制器AT89C2051调用片内所存储的数字量，送入相连的12位D/A转换器TLC5618芯片，将该数字量转换为相应的电压量U_O，极化电势的测量输入此刻切换为模拟量U_O输出，而U_O与极化电势E_H大小相等，并且通过模拟门CD4053切换保证了两者极性方向一致，即实现了极化电势的再现，该输出串联在G端的电压采样线中。最后，L端加升高压，开始进入绝缘电阻的测量阶段。此时E端引出线与G端引出线不再是等电位，而是有一个U_O大小的电位差，即U_EG＝U_O＝E_H。如附图1所示，在机座、汇水管、G端、E端围成的电流环路中，根据柯西荷夫电压定理，U_H+E_H-U_EG＝0。由于加高压前后内冷水系统所固有的极化电势E_H保持不变^[2]，所以U_H＝U_EG-E_H＝0，故I_H＝U_H/R_H＝0。于是I_E＝I_X+I_H＝I_X+0＝I_X，I_E为泄露电流，不再有I_H引入的误差，即消除了内冷水的极化电势对泄露电流的测量带来的影响，从而提高了定子绕组的绝缘电阻测量精度。

本实用新型的有益效果是，加高压前精确测量并记录极化电势E_H的大小，加高压测量时使E端引出线与G端引出线的电位差U_O＝E_H，以抵消机座、汇水管、G端、E端环路中的极化电势，使流经汇水管-机座支路的电流为0。此时E端电流即为定子绕组对地的泄露电流，有效的消除了内冷水极化电势对泄露电流的测量带来的影响，大大提高了绝缘电阻测量结果的真实性和准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是用低压屏蔽法测量水内冷定子绕组绝缘时的等值电路图。

图2是内冷水极化电势的测量与再现单元电路原理图。

图3是定子水内冷发电机绝缘特性测试仪的一个实施例构造测量框图。

图3虚线框部分为实现本实用新型的定子水内冷发电机绝缘特性测试仪。

附图中：

1.汇水环管对机座的电容C_H，2.内冷水极化电势E_H，3.汇水环管对机座的电阻R_H，4.定子水内冷发电机绝缘特性测试仪，5.高压输出端L，6.屏蔽端G，7.接地端E，8.加压相对汇水环管的电阻R_Y，9.汇水环管，10.加压相对汇水环管的电容C_Y，11.加压相对机座的绝缘电阻R_X，12.加压相对机座的电容C_X，13.内冷水极化电势采样再现I/O接口，14.CD4053模拟开关， 15.CD4053模拟开关，16.CD4053模拟开关，17.蓄压电容，18.充放电电阻，19.上拉电阻，20.LM311运算放大器，21.电阻，22.分压电阻，23.分压电阻，24.滤波电容，25.A/D转换器ICL7135芯片，26.电容，27.积分电阻，28.积分电容，29.电容，30.电阻，31.开关二极管1N4148，32.电阻，33.LM385-1.2V基准稳压管，34.限流电阻，35.100K电位器，36.采样/再现控制输入接口，37.光电隔离管TLP521芯片，38.上拉电阻，39.上电复位电阻，40.上电复位电容，41.30pF瓷片电容，42.30pF瓷片电容，43.12M晶体振荡器，44.微控制器AT89C2051，45.D/A转换器TLC5618芯片，46.10K电位器，47.滤波电容，48.LM385-1.2V基准稳压管，49.限流电阻，50.G端电压采样接口，51.内冷水极化电势的测量与再现单元，52.继电器开关，53.泄露电流检测端，54.运算放大器ICL7650芯片，55.定子水内冷发电机绝缘特性测试仪本体，56.高压端，57.继电器开关，58.继电器开关，59.G端电流引线接口

具体实施方式

如图1，用低压屏蔽法测量水内冷定子绕组绝缘时，L高压输出端5输出高电压，E接地端7接机座，G屏蔽端6接汇水环管。屏蔽的目的是使得流经汇水环管-机座支路的电流为0，从而流经E端的电流将全部是水内冷定子绕组的泄露电流，不再有R_H支路的电流干扰。

内冷水极化电势的测量与再现单元使用与测试仪本体相独立的隔离电源供电。在图2中，LM311运算放大器20、电容17、24、电阻18、19、21、22、23组成振荡器，LM311运算放大器20的输出通过电阻18对电容17快速充电和放电，电容17的电位反馈输入到LM311运算放大器20的反相输入端，从而使LM311运算放大器20的第7输出引脚输出频率为120KHz的方波。该频率信号一方面作为A/D转换器ICL7135芯片25的时钟信号，另一方面作为微控制器AT89C2051芯片44的T0记数输入。A/D转换器ICL7135芯片25的BUSY输出脚、POL极性输出脚分别接AT89C2051芯片44的外部中断输入脚/INT0、I/O引脚P3.1。ICL7135芯片25的外接阻容器件26～32的参数选用ICL7135芯片手册的推荐值。LM385-1.2V基准稳压管33的稳定电压为1.2V，该电压经电位器35分压后作为A/D转换器ICL7135芯片25的基准输入。电阻39和电容40构成微控制器AT89C2051芯片44的上电复位电路，上电时由于电容40会有一个充电过程，故复位引脚出现复位高电平，使单片机完成初始化工作。微控制器AT89C2051芯片44工作的振荡频率选为12MHz，在外接的晶体振荡器两端分别对地接30pF的瓷片电容。AT89C2051芯片44的P1.0、P1.1、P1.2分别控制CD4053模拟开关16、CD4053模拟开关14、CD4053模拟开关15。外部的输入控制信号经光电隔离管TLP521芯片37隔离后接AT89C2051芯片44的P3.0脚，以命令该系统是进行极化电势的采样还是进行极化电势的再现。D/A转换器TLC5618芯片45的数据输入端、时钟输入端、片选信号分别接AT89C2051的I/O接口P1.7、P1.6、P1.5，其电压基准为LM385-1.2V基准稳压管48的稳压值1.2V，D/A转换后OUTA引脚输出相应的模拟量，该模拟量经电位器46分压后作为内冷水极化电势再现输出。

当系统处于极化电势采样状态时，微控制器AT89C2051芯片44控制CD4053模拟开关16的F1端接F2，CD4053模拟开关15的D1端接D2，CD4053模拟开关14的E1端接E3， 从而使A/D转换器ICL7135芯片25能采样来自接口13的模拟信号。A/D转换过程中，ICL7135芯片在时钟信号的驱动下，其BUSY引脚输出一定脉宽的电平信号，微控制器AT89C2051芯片44记录BUSY引脚高电平期间振荡器发出的时钟周期数，将此时钟周期数减去10001后即得到与输入的极化电势大小相对应的数字量。同时ICL7135芯片的POL引脚电平指示了该模拟量的极性。极化电势的大小和极性会存储在微控制器AT89C2051芯片44内部RAM中，为后面的极化电势再现作好准备。

当系统处于极化电势再现状态时，微控制器AT89C2051芯片44控制CD4053模拟开关16的F1端接F3时，即接D/A转换器TLC5618芯片45的电压输出。同时微控制器AT89C2051芯片44调用存储于内部RAM中的与极化电势对应的数字量，将其数据处理后用P1.5，P1.6，P1.7引脚串行输入到D/A转换器TLC5618芯片45中。TLC5618芯片是一个12位的D/A转换器，它将该数字量转换为相应的模拟量，使接口13上产生了与先前极化电势大小相等的电压量。另外，当测得的极化电势为正极性时，微控制器AT89C2051芯片44控制CD4053模拟开关15的D1端接D2，控制CD4053模拟开关14的E1端接E3；测得的极化电势为负极性时，微控制器AT89C2051芯片44控制CD4053模拟开关15的D1端接D3，控制CD4053模拟开关14的E1端接E2。使接口13上产生了与先前极化电势极性方向相同的电压量，从而实现了极化电势的再现。

在图3所示实施例中，在定子水内冷发电机绝缘特性测试仪本体55内，运算放大器ICL7650芯片54的正相输入端接泄露电流检测端53，其反相输入端引出线在串联极化电势采样/再现接口13后作为G端的电压采样线。测量时继电器开关58的B1端接B3；继电器开关52的C1端接C3；继电器开关57闭合，由于运算放大器ICL7650芯片54的负反馈效果，使得其正相输入端和反相输入端的电位相等，故此时虚线框即本实施例的G端和E端有一个电位差，该电位差等于极化电势采样/再现接口13的电压。

该定子水内冷发电机绝缘特性测试仪的工作步骤如下：

1.继电器开关57断开，继电器开关58的B1端接B2，继电器开关52的C1端接C2。使内冷水极化电势的测量与再现单元51的接口13分别连接汇水环管和机座。

2.定子水内冷发电机绝缘特性测试仪本体55向内冷水极化电势的测量与再现单元51发出极化电势采样控制指令信号。

3.内冷水极化电势的测量与再现单元51对其端口的模拟量即极化电势进行A/D转换和极性测量，并进行数据和状态存储。

4.定子水内冷发电机绝缘特性测试仪本体55向内冷水极化电势的测量与再现单元51发出极化电势再现控制指令信号。同时继电器开关58的B1端接B3；继电器开关52的C1端接C3，即B1端接G端电流线；C1端接泄露电流检测端，为绝缘电阻的测量作好准备。

5.内冷水极化电势的测量与再现单元51在其接口13再现极化电势。

6.继电器开关57闭合，定子水内冷发电机绝缘特性测试仪本体55的HVOUT端产生高压，开始测量。由于内冷水极化电势已再现，故此时图3虚线框即本实施例的G端和E端有一个电位差，该电位差与外部固有的内冷水极化电势相抵消。使流经R_H的电流为0，从而消除了 内冷水极化电势对测量的影响。

参考文献 

1刘志万等.高压兆欧表，P75.北京：中国水利水电出版社，2002 

2刘英肖等.大型水内冷发电机定子绕组直流耐压试验探讨.华北电力技术.1994(9) 

Claims (2)

1.一种定子水内冷发电机绝缘特性测试仪，在仪器外部，L端接定子绕组，屏蔽端G端接汇水环管，E端接机座，在仪器内部，L端接高电压发生器的输出，E端接泄露电流测试电路，同时E端接屏蔽电路的基准电压输入端，屏蔽端G端接屏蔽电路的电流驱动端，同时G端接屏蔽电路的采样电压输入端，其特征是：屏蔽端G端设置为双线，即电压采样线和电流线，两者在G端测试线最末处即汇水管处短连，G端的电压采样线在串联内冷水极化电势的测量与再现单元接口后接屏蔽电路的采样电压输入端。

2.根据权利要求1所述的定子水内冷发电机绝缘特性测试仪，其特征是：串联在G端电压采样线中的内冷水极化电势的测量与再现单元使用与测试仪本体相独立的隔离电源供电；用LM311运算放大器做成的振荡器输出频率为120KHz的方波，该频率信号一方面作为A/D转换器ICL7135芯片的时钟信号，另一方面作为微控制器AT89C2051芯片的T0记数输入，A/D转换器ICL7135芯片的BUSY输出脚、POL极性输出脚分别接AT89C2051芯片的外部中断输入脚/INT0、I/O引脚P3.1，ICL7135芯片的外接阻容器件的参数选用ICL7135芯片手册的推荐值，LM385-1.2V基准稳压管的稳定电压为1.2V，该电压经电位器分压后作为A/D转换器ICL7135芯片的基准输入；1KΩ电阻和22μF电容构成AT89C2051芯片的上电复位电路，微控制器AT89C2051芯片工作的振荡频率选为12MHz，在外接的12MHz晶体振荡器两端分别对地接30pF的瓷片电容；AT89C2051芯片的引脚P1.0、引脚P1.1、引脚P1.2分别控制三个CD4053模拟开关，以实现采样/再现功能切换或输出电压正负方向选择；外部的输入控制信号经光电隔离管TLP521芯片隔离后接P3.0脚，以命令该系统是进行极化电势的采样还是进行极化电势的再现；D/A转换器TLC5618芯片的数据输入端、时钟输入端、片选信号分别接AT89C2051的I/O引脚P1.7、P1.6、P1.5，其电压基准为LM385-1.2V基准稳压管的稳压值1.2V，D/A转换后OUTA引脚输出相应的模拟量，该模拟量经电位器分压后作为内冷水极化电势再现输出。 

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