CN219609077U - 一种高压容性设备的介质损耗测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压容性设备的介质损耗测量装置，一方面，将装置内的采样模块和介质损耗测量模块安装于高压法拉第场金属屏蔽结构内，基于此，可在进行高压供电时，使屏蔽结构内的电位与屏蔽结构表面的电位相等，从而避免了高压电场对被测高压容性设备的电压取样和电流取样的干扰，同时，使用高压法拉第场金属屏蔽结构进行取样隔离，相比于传统的互感器，避免了互感器本身材料导致信号失真的问题；另一方面，采用无感电阻来进行信号采样，其中，无感电阻的频率响应特性优异、采样频带宽，线性度高，且伏安特性为线性，如此，可确保采样信号不失真；由此，可对高压容性设备的电流和电压信号进行低失真采样，提高了介质损耗测量的准确性。

Description

一种高压容性设备的介质损耗测量装置

技术领域

本实用新型属于高压容性设备状态检测技术领域，具体涉及一种高压容性设备的介质损耗测量装置。

背景技术

介质损耗测量是判断高压容性设备绝缘受潮、老化等整体劣化状况的一种有效措施，在高压容性设备交接和预防性试验中得到了广泛应用；长期以来，高压容性设备介损测量普遍采用传统的电桥测量仪，其典型代表为QS1型西林电桥，但它具有测试过程复杂、操作工作量大、易受人为因素影响等缺点；因此，随着采用现代介质损耗测量技术的新型自动测量仪的推出和试用，新型自动测量仪已经逐渐取代了传统的电桥测量仪；新型自动测量仪的核心由3部分组成，分别为电源技术、高压端信号取样隔离技术和信号变换处理技术，其中，对高压容性设备高压端电流和电压信号进行低失真的取样隔离是正确测量的重要前提条件，高压端信号取样隔离是联系测量系统和高压容性设备的桥梁，其性能的好坏直接影响到介损测量的精度。

目前，最普遍的取样隔离方法是通过互感器来实现，但由于互感器磁芯软磁材料的固有非线性、磁滞及漏感影响，会导致隔离后的波形产生非线性失真和附加相移，且互感器一般只允许工作在额定频率范围，一旦超出范围，则会造成采样信号失真严重，进而影响介质损耗测量精度；基于此，如何提供一种低失真采样的介质损耗测量装置，已成为一个亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高压容性设备的介质损耗测量装置，用以解决现有技术中所存在的容易导致采样信号严重失真的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

第一方面，提供了一种高压容性设备的介质损耗测量装置，包括：

采样模块，其中，所述采样模块内设置有无感采样电阻，且采样模块串联于被测高压容性设备的供电回路中，用于通过无感采样电阻采集被测高压容性设备的电压信号和电流信号；

介质损耗测量模块，其中，所述采样模块的信号输出端电连接所述介质损耗测量模块，用于将所述电压信号和所述电流信号发送至所述介质损耗测量模块；

所述介质损耗测量模块和所述采样模块均设置于高压法拉第场金属屏蔽结构内，且当所述被测高压容性设备的供电回路接通试验电源时，所述高压法拉第场金属屏蔽结构内部的电位，与所述高压法拉第场金属屏蔽结构表面的电位相等。

基于上述公开的内容，本实用新型所提供的介质损耗测量装置，一方面在装置中设置有高压法拉第场金属屏蔽结构，并将装置内的采样模块和介质损耗测量模块安装于该屏蔽结构内，基于此，可在进行高压供电时，使屏蔽结构内的电位与屏蔽结构表面的电位相等，从而确保内部采样模块和介质损耗测量模块不受高压电场的影响，进而避免了高压电场对被测高压容性设备的电压取样和电流取样的干扰，同时，使用高压法拉第场金属屏蔽结构进行取样隔离，相比于传统的互感器，避免了互感器本身材料导致信号失真的问题；另一方面，采用无感采样电阻来进行电压和电流的采样，其中，无感电阻的频率响应特性优异、采样频带宽，线性度高，可适用于不同频率电压下的高压容性设备的介质损耗测量，且其伏安特性为线性，如此，可确保采样信号不失真；由此通过前述设计，本实用新型可对高压容性设备的高压端电流和电压信号进行低失真采样，提高了高压容性设备的介质损耗测量的准确性。

在一个可能的设计中，所述采样模块包括：电流采样电路和电压采样电路，其中，所述电流采样电路包括电流无感采样电阻，所述电压采样电路包括电压无感采样电阻，且所述电流采样电路串联于所述被测高压容性设备的供电回路中，所述电压采样电路并联于所述被测高压容性设备的供电回路中。

在一个可能的设计中，所述电压采样电路还包括：分压电阻；

所述电流无感采样电阻的一端电连接所述试验电源，所述电流无感采样电阻的另一端电连接所述被测高压容性设备和所述电压无感采样电阻的一端，所述电压无感采样电阻的另一端通过所述分压电阻接地，且所述电流无感采样电阻与所述电压无感采样电阻的共连端电连接所述介质损耗测量模块。

在一个可能的设计中，所述介质损耗测量模块包括：信号处理单元、AD采集单元以及主控单元；

所述采样模块的信号输出端电连接所述信号处理单元的输入端，且所述信号处理单元的输出端通过所述AD采集单元电连接所述主控单元。

在一个可能的设计中，所述信号处理单元采用LMC6484型运算放大芯片及其外围电路，所述AD采集单元采用ADS8681型模数转换芯片，且所述主控单元采用STM32F407ZGT6型处理芯片及其外围电路。

在一个可能的设计中，所述介质损耗测量装置还包括：通讯模块，其中，所述介质损耗测量模块通过所述通讯模块通信连接有上位机。

在一个可能的设计中，所述通讯模块采用无线通讯模块。

在一个可能的设计中，所述介质损耗测量装置还包括：显示模块，其中，所述介质损耗测量模块电连接所述显示模块。

在一个可能的设计中，所述介质损耗测量装置还包括：电源模块，且所述电源模块包括第一供电电路和第二供电电路；

所述第一供电电路的输入端电连接供电电源，所述第一供电电路的输出端输出5V直流电压，为所述第二供电电路供电，且所述第二供电电路的输出端输出3.3V直流电压，为所述介质损耗测量模块供电。

在一个可能的设计中，所述第二供电电路采用AMS1117-3.3型正向低压降稳压芯片。

有益效果：

(1)本实用新型一方面在装置中设置有高压法拉第场金属屏蔽结构，并将装置内的采样模块和介质损耗测量模块安装于该屏蔽结构内，基于此，可在进行高压供电时，使屏蔽结构内的电位与屏蔽结构表面的电位相等，从而确保内部采样模块和介质损耗测量模块不受高压电场的影响，进而避免了高压电场对被测高压容性设备的电压取样和电流取样的干扰，同时，使用高压法拉第场金属屏蔽结构进行取样隔离，相比于传统的互感器，避免了互感器本身材料导致信号失真的问题；另一方面，采用无感采样电阻来进行电压和电流的采样，其中，无感电阻的频率响应特性优异、采样频带宽，线性度高，可适用于不同频率电压下的高压容性设备的介质损耗测量，且其伏安特性为线性，如此，可确保采样信号不失真；由此通过前述设计，本实用新型可对高压容性设备的高压端电流和电压信号进行低失真采样，提高了高压容性设备的介质损耗测量的准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的高压容性设备的介质损耗测量装置的架构框图；

图2为本实用新型实施例提供的采样模块的电路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的信号处理单元的电路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的AD采集单元的电路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的主控单元的电路示意图；

图6为本实用新型实施例提供的flash存储电路的电路示意图；

图7为本实用新型实施例提供的晶振电路的示意图；

图8为本实用新型实施例提供的JTAG调试电路的示意图；

图9为本实用新型实施例提供的内存模块的电路图；

图10为本实用新型实施例提供的无线通讯模块的电路图；

图11为本实用新型实施例提供的有线通讯模块的电路图；

图12为本实用新型实施例提供的显示模块的电路图；

图13为本实用新型实施例提供的第一供电电路的电路图；

图14为本实用新型实施例提供的第二供电电路的电路图；

图15为本实用新型实施例提供的供电电源的连接电路图；

图16为本实用新型实施例提供的按键电路的示意图；

图17为本实用新型实施例提供的电压信号和电流信号过零点采样时刻示意图；

图18为本实用新型实施例提供的电压和电流信号的相位差示意图；

图19为本实用新型实施例提供的相位差与介质损耗角关系示意图；

图20为图5中的A处放大示意图；

图21为图5中的B处放大示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本实用新型作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本实用新型的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种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：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例：

参见图1～16，图20和图21所示，本实施例所提供的高压容性设备的介质损耗测量装置，可以但不限于包括：采样模块、介质损耗测量模块以及高压法拉第场金属屏蔽结构，其中，所述采样模块内设置有无感采样电阻，且采样模块串联于被测高压容性设备的供电回路中，用于通过无感采样电阻采集被测高压容性设备的电压信号和电流信号；更进一步的，采样模块的信号输出端电连接所述介质损耗测量模块，用于将电压信号和所述电流信号发送至所述介质损耗测量模块，以便介质损耗测量模块依据采样模块采集的电压信号和电流信号，得出被测高压容性设备的介质损耗测量结果；在本实施例中，介质损耗测量模块可先对电压信号和电流信号进行滤波和模数转换，而后，再基于经过前述信号处理后的电压和电流信号，来得出被测高压容性设备的介质损耗测量结果。

在具体应用时，由于无感采样电阻的频率响应特性优异，频带宽，因此，其不受到频带宽度的限制，能够适用于不同频率电压下的高压容性设备的介质损耗测量，同时，无感采样电阻的伏安特性为线性，可确保采样的信号不失真；由此，利用无感采样电阻来对被测高压容性设备的高压端进行电压和电流采样，可实现低失真的信号采样，从而提高介质损耗测量的精度。

另外，在本实施例中，还从物理结构上对测量装置进行了改进，以进一步的降低采样信号的失真；具体的，则是在介质损耗测量装置中设置有一高压法拉第场金属屏蔽结构，并将介质损耗测量模块和采样模块均设置于该高压法拉第场金属屏蔽结构内；其中，高压法拉第场金属屏蔽结构实质是一个法拉第屏蔽罩，该屏蔽罩是由金属或良导体形成的笼体，且该屏蔽罩的外壳接地，是一个等位体，其可有效屏蔽笼体内外的电场和电磁波干扰；如此，当所述被测高压容性设备的供电回路接通试验电源时(即进行电压和电流采样时)，高压法拉第场金属屏蔽结构会形成一个等位体，使其内部的电位，与高压法拉第场金属屏蔽结构表面的电位相等，从而达到电磁屏蔽的作用。

由此通过前述设计，高压法拉第场金属屏蔽结构可以确保内部电路及模块不受高压电场影响，能够正常工作，从而避免高压电场对电压和电流采样信号的干扰，同时，相比于传统的互感器隔离结构，本实施例避免了互感器本身材料对信号采样的影响；另一方面，在采样时，使用无感电阻进行采样，其采样频带宽，线性度高，伏安特性为线性，可确保采样信号不失真，如此，可进一步的提高介质损耗测量的精度。

参见图2～图16所示，下述提供前述介质损耗测量装置中各个模块的具体电路结构。

首先，参见图2所示，下述提供采样模块的其中一种电路结构：

在本实施例中，举例所述采样模块可以但不限于包括：电流采样电路和电压采样电路，其中，所述电流采样电路包括电流无感采样电阻R100，所述电压采样电路包括电压无感采样电阻R200和分压电阻R300，且所述电流采样电路串联于所述被测高压容性设备的供电回路中，所述电压采样电路并联于所述被测高压容性设备的供电回路中。

更进一步的，所述电流无感采样电阻R100的一端电连接所述试验电源，所述电流无感采样电阻R100的另一端电连接所述被测高压容性设备(图2中的等效电缆则是指被测高压容性设备)和所述电压无感采样电阻R200的一端，所述电压无感采样电阻R200的另一端通过所述分压电阻R300接地，且所述电流无感采样电阻R100与所述电压无感采样电阻R200的共连端电连接所述介质损耗测量模块。

如此通过前述阐述，电流无感采样电阻R100的两端分别串联于试验电源与被测高压容性设备之间，通过测量电流无感采样电阻R100上的电压，则可间接测量回路电流；而电压无感采样电阻R200与分压电阻R300组成了电压采样电路(实质为高压分压电路)，其并联在被测高压容性设备的供电回路与地之间，因此，电压无感采样电阻R200上的电压即为采样电压；而后，将采样得到的电压和电流信号传输至介质损耗测量模块，即可完成被测高压容性设备的介质损耗测量。

其次，本实施例公开介质损耗测量模块的一种具体结构：

在具体应用时，举例所述介质损耗测量模块可以但不限于包括：信号处理单元、AD采集单元以及主控单元，其中，所述采样模块的信号输出端电连接所述信号处理单元的输入端，所述信号处理模块用于将电压和电流信号进行滤波，并将滤波后的电压和电流信号传输至AD采集单元，即所述信号处理单元的输出端通过所述AD采集单元电连接所述主控单元，以便利用AD采集单元进行模数转换，并最终传输至主控单元。

可选的，举例所述信号处理单元采用LMC6484型运算放大芯片及其外围电路，所述AD采集单元采用ADS8681型模数转换芯片，且所述主控单元采用STM32F407ZGT6型处理芯片及其外围电路；其中，LMC6484型运算放大芯片的具体电路图、ADS8681型模数转换芯片的具体电路图以及STM32F407ZGT6型处理芯片的具体电路图，可依次参见图3、图4、图5、图20和图21所示。

更进一步的，举例STM32F407ZGT6型处理芯片的外围电路可以但不限于包括：flash存储电路、晶振电路以及JTAG调试电路等，其中，前述flash存储电路、晶振电路以及JTAG调试电路的具体电路图可依次参见图6、图7和图8所示。

在具体实施时，举例介质损耗测量模块还可以但不限于包括内存模块，以便进行数据的存储，其中，内存模块的具体电路图可参见图9所示。

在一个实施方式中，举例所述介质损耗测量模块还可以包括：通讯模块、显示模块以及电源模块，其中，介质损耗测量模块(即主控单元)通过所述通讯模块通信连接有上位机，所述介质损耗测量模块电连接所述显示模块，如此，可将介质损耗测量结果上传至上位机进行显示，也可通过显示模块在本机直接显示。

同时，举例通讯模块可以采用无线通讯模块和/或有线通讯模块，如wifi通讯模块、蓝牙通讯模块、LORA通讯模块等，其中，可采用ESP8266型wifi通讯芯片实现装置与上位机的无线连接，也可通过CH340G串口芯片，来实现装置与上位机的有线连接；在本实施例中，ESP8266型wifi通讯芯片和CH340G串口芯片的电路图可依次参见图10和图11所示。

更进一步的，举例显示模块可以但不限于采用LED显示屏，其电路图可参见图12所示。

最后，举例电源模块可以但不限于包括第一供电电路和第二供电电路，其中，所述第一供电电路的输入端电连接供电电源(如采用3.3～5V的电池)，所述第一供电电路的输出端输出5V直流电压，为所述第二供电电路供电，且所述第二供电电路的输出端输出3.3V直流电压，为显示模块供电，以及为所述介质损耗测量模块中的信号处理单元、AD采集单元以及主控单元供电，以保证前述模块的正常工作。

在本实施例中，举例第一供电电路为稳压电路，其电路图可参见图13所示，而第二供电电路则为降压电路，其可采用AMS1117-3.3型正向低压降稳压芯片，如图14所示，且举例供电电源还通过开关按键START电连接有MC14013B型触发器，以实现电池供电控制，其电路图可参见图15所示。

另外，举例介质损耗测量装置还设置有按键模块，其中，按键模块电连接主控单元，以便用于进行整个装置的功能选择以及按键控制，其中，按键模块的具体电路图可参见图16所示。

在一个可能的设计中，本实施例第二方面提供实施例第一方面的高压容性设备的介质损耗测量装置的工作方法，如下述所示：

第一步：获取经AD采集模单元模数转换后的电压信号序列和电流信号序列，其中，电压信号序列和电流信号序列如下所示：

X＝{X(0),X(1),X(2),X(3),…X(n-1)}

Y＝{Y(0),Y(1),Y(2),Y(3),…Y(n-1)}

其中，X表示电压信号序列，Y表示电流信号序列，n为采样总数。

第二步：在电压信号与电流信号趋势相同(同增、同减)的时候，设电流信号X(i)>0，X(i+1)<0，将(i，X(i))与(i+1，X(i+1))两点之间线性化(i＝0,1,...,n-1)，进而可以求出电流信号过零点的时刻t_x，同理，使用相同方法也可以求出电压信号的过零点采样时刻t_y；在本实施例中，X(i)和X(i+1)可为视作为零点，如图17所示。

第三步：计算电压信号与电流信号的相位差：f是信号频率；在本实施例中，相位差的示意图可参见图18所示。

第四步：在交变电场作用下，被测高压容性设备介质的损耗角δ等于流过被测高压容性设备的电流和电压之间相位差的余角，即/>其中，被测高压容性设备介质的损耗角δ与相位差的关系，可参见图19所示；如此，得到被测高压容性设备介质的损耗角δ后，即可完成被测高压容性设备介质的介质损耗的测量。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，包括：

采样模块，其中，所述采样模块内设置有无感采样电阻，且采样模块串联于被测高压容性设备的供电回路中，用于通过无感采样电阻采集被测高压容性设备的电压信号和电流信号；

介质损耗测量模块，其中，所述采样模块的信号输出端电连接所述介质损耗测量模块，用于将所述电压信号和所述电流信号发送至所述介质损耗测量模块；

所述介质损耗测量模块和所述采样模块均设置于高压法拉第场金属屏蔽结构内，且当所述被测高压容性设备的供电回路接通试验电源时，所述高压法拉第场金属屏蔽结构内部的电位，与所述高压法拉第场金属屏蔽结构表面的电位相等。

2.根据权利要求1所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述采样模块包括：电流采样电路和电压采样电路，其中，所述电流采样电路包括电流无感采样电阻，所述电压采样电路包括电压无感采样电阻，且所述电流采样电路串联于所述被测高压容性设备的供电回路中，所述电压采样电路并联于所述被测高压容性设备的供电回路中。

3.根据权利要求2所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述电压采样电路还包括：分压电阻；

所述电流无感采样电阻的一端电连接所述试验电源，所述电流无感采样电阻的另一端电连接所述被测高压容性设备和所述电压无感采样电阻的一端，所述电压无感采样电阻的另一端通过所述分压电阻接地，且所述电流无感采样电阻与所述电压无感采样电阻的共连端电连接所述介质损耗测量模块。

4.根据权利要求1所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述介质损耗测量模块包括：信号处理单元、AD采集单元以及主控单元；

所述采样模块的信号输出端电连接所述信号处理单元的输入端，且所述信号处理单元的输出端通过所述AD采集单元电连接所述主控单元。

5.根据权利要求4所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述信号处理单元采用LMC6484型运算放大芯片及其外围电路，所述AD采集单元采用ADS8681型模数转换芯片，且所述主控单元采用STM32F407ZGT6型处理芯片及其外围电路。

6.根据权利要求1所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述介质损耗测量装置还包括：通讯模块，其中，所述介质损耗测量模块通过所述通讯模块通信连接有上位机。

7.根据权利要求6所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述通讯模块采用无线通讯模块和/或有线通讯模块。

8.根据权利要求1所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述介质损耗测量装置还包括：显示模块，其中，所述介质损耗测量模块电连接所述显示模块。

9.根据权利要求1所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述介质损耗测量装置还包括：电源模块，且所述电源模块包括第一供电电路和第二供电电路；

所述第一供电电路的输入端电连接供电电源，所述第一供电电路的输出端输出5V直流电压，为所述第二供电电路供电，且所述第二供电电路的输出端输出3.3V直流电压，为所述介质损耗测量模块供电。

10.根据权利要求9所述的一种高压容性设备的介质损耗测量装置，其特征在于，所述第二供电电路采用AMS1117-3.3型正向低压降稳压芯片。