CN2864696Y - 电容电流测试仪 - Google Patents

Abstract

一种供电测试技术领域的电容电流测试仪，包括：DSP处理器系统、SPWM波的光耦隔离电路、全桥功率电路及高频滤波电路、输出控制及采样电路、电压和电流两路信号程控放大电路、高精度双路A/D采样电路。DSP处理器系统输出的SPWM波控制信号经光耦隔离电路后连接到全桥功率电路的输入端，全桥功率电路的输出端连接到高频滤波电路的输入端，高频滤波电路的输出端连接到输出控制及采样电路的输入端，输出控制及采样电路的输出端经电压和电流两路信号程控放大电路后连接到高精度双路A/D采样电路的输入端，高精度双路A/D采样电路的输出端连接到DSP处理器系统。本实用新型避免了对一次设备的操作，可快速、准确地获得测量结果，避免了工频干扰信号对测量带来的影响。

Description

电容电流测试仪

技术领域

本实用新型涉及一种供电测试技术领域的测试仪，尤其是一种适用于10-35kV配电系统的电容电流测试仪。

背景技术

目前，我国10-35kV配电系统以中性点不接地或经消弧线圈接地的方式为主。中性点不接地方式的显著优点是：系统在经常发生的单相接地故障(约占60％以上)时，可以短时继续运行。但是由于系统对地电容的存在，就有可能引发起间歇性弧光接地、铁磁谐振等中性点位移过电压，甚至发展为事故。设置消弧线圈即为解决此缺点的有效措施。是否设置及如何使用消弧线圈，完全取决于系统的动态对地电容——以系统电容电流来描述、即为处于运行中的系统在没有补偿的情况下，发生单相接地时，流过接地点的无功电流。鉴于电容电流的重要性，就有必要及时通过测量获取电网对地电容电流的大小。这样可以提前采取措施，补偿此电容电流，防患于未然。

传统的电容电流测量分为直接法和间接法，目前被广泛采用的是较为安全的间接法。间接法是通过在配电系统一次侧外加电容器并测量电压的变化量从而间接地测量电容电流的方法。间接法虽然比直接法安全、简便，但仍然存在如下缺点：①测量时仍然与一次侧打交道，人员与设备安全得不到保障。对于有电源中性点的35kV系统所采用的“中性点外加电容法”，虽然正常运行时中性点的电压很低，但如果在测量时系统发生单相接地故障，中性点的电压就会上升为危险的相电压(高达20kV)，外加测量电容也就带上20kV高压，这样有可能会引起测量电容器爆炸，危及试验人员的安全。特别对于无电源中性点的10kV系统，测量只能采用在线路上分相外接电容的方法，这时，测量人员和操作人员的安全更得不到保障。②由于要涉及一次设备，操作繁琐，同时也存在误操作的危险。准备工作耗时长，测量工作效率低。一天只能测2～3个站，工作效率非常低。

发明内容

本实用新型的目的是针对传统电容电流的测量方法安全性差、操作及接线复杂等缺点，提出一种电容电流测试仪，使其无需触及或操作一次设备，仅是通过电压互感器的二次辅助线圈作简单的连线、即可安全、迅速、准确地完成该系统对地电容电流测量的测量仪器，同时解决了工频信号对测量的干扰问题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括：DSP处理器系统、SPWM波的光耦隔离电路、全桥功率电路及高频滤波电路、输出控制及采样电路、电压和电流两路信号程控放大电路、高精度双路A/D采样电路。DSP处理器系统输出的SPWM波控制信号经光耦隔离电路后连接到全桥功率电路的输入端，全桥功率电路的输出端连接到高频滤波电路的输入端，高频滤波电路的输出端连接到输出控制及采样电路的输入端，输出控制及采样电路的输出端经电压和电流两路信号程控放大电路后连接到高精度双路A/D采样电路的输入端，高精度双路A/D采样电路的输出端连接到DSP处理器系统。

所述的DSP处理器系统，包括：高性能的数字信号处理器(DSP)、ROM和RAM(存储器)、液晶屏、串口通讯接口、打印机、按键接口电路。连接关系为：DSP处理器的数据口与ROM和RAM的输入口连接，DSP处理器的I/O口与液晶屏的输入口连接，DSP处理器的通讯口与串口通讯接口连接，DSP处理器的I/O口与打印机的输入口连接，DSP处理器的输出接口与SPWM波的光耦隔离电路的输入端连接，DSP处理器的串行外部接口与高精度双路A/D采样电路的输出端连接。

所述的电压和电流两路信号程控放大电路，包括：运算放大器，程控放大器。其连接关系为：运算放大器的输入端连接输出控制及采样电路，运算放大器的输出端连接到程控放大器的输入端，程控放大器的输出端连接到高精度双路A/D采样电路的输入端。运算放大器放大的信号送入程控放大器进行放大倍数为1、2、4、8、16的程控放大，根据信号大小选择。

本实用新型采用DSP处理器作为中央处理器，发出控制指令进行全局控制，其接口与液晶屏进行通讯，显示程序界面及相关数据，并接收外界按键的指令。当接收到测量的指令时，DSP处理器发出4路SPWM波信号经光耦隔离电路后驱动全桥功率电路；经高频滤波电路得到欲输出的低频信号送入输出控制及采样电路，在输出信号没有过压及处理器允许的情况下输出信号被允许输出(经过串接的大功率限流电阻后)；同时输出信号也是本测量仪的信号输入，其电压和电流信号由高精密互感器隔离和信号采样(在开口三角因有单相短路等异常而电压过高时，仪器会断开输出信号)，采样的信号经信号程控放大电路后送入高精度双路A/D采样电路，A/D转化后的数字信号送给DSP处理器，经数字信号处理(FFT)和相应的计算后得出最终结果并显示在液晶屏上。

由于本实用新型合理解决了数据处理问题，因此大大减小了工频干扰信号对测量带来的影响；避免了传统方法中需接触一次设备给现场试验带来的不安全性，大大减少了测量时间，其结构紧凑、测量准确、操作方便，可以显著减少测试工作量，提高工作效率，为现场测试带来了极大的方便。

与现有技术相比，具有如下突出优点：

1、安全。无需触及或操作一次设备，仅是通过电压互感器的二次辅助线圈作简单的连线、即可安全、迅速、准确地完成该系统对地电容电流的测量。

2、数字抗干扰技术。仪器通过傅立叶算法滤除工频干扰电压对测量的影响，并计算得到输出信号的幅值及相位，从而得到测量结果。此方法大大减小了50Hz工频干扰信号对测量带来的影响。

3、操作简单方便。使用本实用新型，在进行测量时，无需改变被测输电线路本侧的接线方式，仅需将仪器正确与被测线路连接并输入系统电压值和电压互感器变比，启动测量任务后仪器自动输出功率信号进行测量并计算、显示最终结果。计算得到测试结果并在液晶屏上显示，根据需要可打印测试结果。

4、仪器自身的保护共能齐全。仪器内串有大功率的电阻对输出信号限流以保证仪器在极端损坏的情况下不损害电压互感器；仪器的大功率输出部分采用高耐压的器件以保证配电系统异常而开口三角电压过高时(达100V)器件在隔离前可以承受该电压的冲击。

附图说明

图1为本实用新型电路原理框图

图2为DSP处理器系统电路原理框图

图3为电压和电流两路信号程控放大电路原理框图

图4为本实用新型主要电路图

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括：DSP处理器系统1、SPWM波的光耦隔离电路2、全桥功率电路3、高频滤波电路4、输出控制及采样电路5、电压和电流两路信号程控放大电路6、高精度双路A/D采样电路7。其连接关系为：DSP处理器系统1输出的SPWM控制信号经光耦隔离电路2后连接到全桥功率电路3的输入端，全桥功率电路3的输出端连接到高频滤波电路4的输入端，高频滤波电路4的输出端连接到输出控制及采样电路5的输入端，输出控制及采样电路5的输出端经电压和电流两路信号程控放大电路6后连接到高精度双路A/D采样电路7的输入端，高精度双路A/D采样电路7的输出端连接到DSP处理器系统1。

如图2所示，所述的DSP处理器系统1由高性能的数字信号处理器(DSP)、ROM和RAM(存储器)、液晶屏、串口通讯接口、打印机、按键接口电路组成，连接关系为：DSP处理器的数据口与ROM和RAM的输入口连接，DSP处理器的I/O口与液晶屏的输入口连接，DSP处理器的通讯口与串口通讯接口连接，DSP处理器的I/O口与打印机的输入口连接，DSP处理器的输出接口与SPWM波的光耦隔离电路2的输入端连接，DSP处理器的串行外部接口与高精度双路A/D采样电路7的输出端连接。

所述的DSP处理器系统1采用了TI公司生产的高性能数字信号处理器DSP芯片TMS320F2407(程序空间、数据空间、I/O空间都为32k，16通道10位转换率的AD，串行数据口，串行通讯口，2个事件管理器，PWM波输出通道)

如图3所示，所述的电压和电流两路信号程控放大电路6，包括：运算放大器，程控放大器。运算放大器放大的信号送入程控放大器进行放大倍数为1、2、4、8、16的程控放大(根据信号大小选择)。其程控放大器采用AD公司的先进芯片AD526。

所述的高精度双路A/D采样电路7，核心是一个高精度双路模拟/数字采样芯片(AD公司的AD1877：两路输入16位转换精度、标准的SPI接口)。

所述的输出控制及采样电路5、SPWM波的光耦隔离电路2、全桥功率电路3及高频滤波电路4采用了常规的器件和电路。

DSP处理器系统1产生SPWM波主频是低于工频的5Hz、10Hz、20Hz，调制频率是10KHz，经光耦隔离电路2后控制全桥电路3，全桥电路3及滤波电路4实现了要输出的低频信号，该信号经输出允许控制电路后通过大功率限流电阻送到输出子。在测量时，输出端子的信号加入电压互感器的开口三角，测量仪器在提供该信号的同时检测该信号的阻抗(高分辨率、高速的双路A/D同时采样电压和电流值，通过傅立叶算法滤除工频干扰)，由测量值根据方程组求得欲测量的电容电流量。应用本实用新型测量系统对地电容电流的方法可以简称为注入法，即在系统的电压互感器二次辅助线圈注入小电流的变频测量信号，采用高性能A/D采样回路和数字信号处理器，对注入的测量信号进行计算分析，从而得出被测结果。

测量信号从电压互感器开口三角两端子注入，流过电压互感器二次侧的电流为i0，根据绕组之间的匝比，在电压互感器的一次侧分别得到零序电流ia、ib、ic。零序电流在电网三相平衡的情况下，只通过对地电容形成回路，故不同的电网对地电容对应到注入信号电流i0的差别。

当一恒定电流i从电压互感器开口三角两端子注入时，电流分别在电压互感器绕组电阻R、漏抗XL和电网对地电容C，从注入端子口测量出电压和电流，可以计算出整个回路阻抗。

选用三个远偏离基频的测量频率(5Hz、10Hz、20Hz)分别注入开口三角二次侧，经测量得到三个对应频率的阻抗Z1、Z2、Z3。其包含的未知量有三个R、XL和C，根据基本电路网络知识，建立三元方程组，可以解出三个未知量R、XL和C。

$\frac{u_1}{i_1}=\sqrt{R^2+{(X_L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_1*c})}^2}$

$\frac{u_2}{i_2}=\sqrt{R^2+{(X_L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_2*c})}^2}$

$\frac{u_3}{i_3}=\sqrt{R^2+{(X_L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_3*c})}^2}$

$C=f(\frac{u1}{i1},\frac{u2}{i2},\frac{u3}{i3},)$

u为注入端口电压  i为注入端口电流

根据上面的三元方程组，可解出电容C的代数方程。

使用测试仪时，在接好测量线、安全地线和电源输入线(AC220V)并打开电源开关后，通过液晶屏上显示的菜单由按键选择确认测量操作，仪器自动施加测量信号至被测负载，采样的信号经过相应处理及计算后，将测量结果通过CPU显示在液晶屏上，必要时可由测试人员选择打印。

根据测量人员的选择，本仪器可完成单次测量或连续测量，也可以进行规定时间间隔的反复测量。

本实施的电容电流测试仪，测量时，仅需将被测电压互感器的开口三角与本实用新型的测量线正确连接，运行后，仪器即可根据测量指令自动输出功率进行测量计算，并将测量结果显示在液晶屏上，非常方便。

总之，本实用新型通过采用数字抗干扰技术来实现测量功能，根据测试人员选择，可进行10-35kV配电系统的电容电流参数的测量，仪器可自动进行测量并显示测量结果。

Claims (5)

1、一种电容电流测试仪，其特征在于，包括：DSP处理器系统(1)、SPWM波的光耦隔离电路(2)、全桥功率电路(3)、高频滤波电路(4)、输出控制及采样电路(5)、电压和电流两路信号程控放大电路(6)、高精度双路A/D采样电路(7)，DSP处理器系统(1)输出的SPWM控制信号经光耦隔离电路(2)后连接到全桥功率电路(3)的输入端，全桥功率电路(3)的输出端连接到高频滤波电路(4)的输入端，高频滤波电路(4)的输出端连接到输出控制及采样电路(5)的输入端，输出控制及采样电路(5)的输出端经电压和电流两路信号程控放大电路(6)后连接到高精度双路A/D采样电路(7)的输入端，高精度双路A/D采样电路(7)的输出端连接到DSP处理器系统(1)。

2、根据权利要求1所述的电容电流测试仪，其特征是，所述的DSP处理器系统(1)由高性能的数字信号处理器DSP、ROM和RAM存储器、液晶屏、串口通讯接口、打印机、按键接口电路组成，DSP处理器的数据口与ROM和RAM的输入口连接，DSP处理器的I/O口与液晶屏的输入口连接，DSP处理器的通讯口与串口通讯接口连接，DSP处理器的I/O口与打印机的输入口连接，DSP处理器的输出接口与SPWM波的光耦隔离电路(2)的输入端连接，DSP处理器的串行外部接口与高精度双路A/D采样电路(7)的输出端连接。

3、根据权利要求1或者2所述的电容电流测试仪，其特征是，所述的DSP处理器系统(1)采用了TI公司生产的高性能数字信号处理器DSP芯片TMS320F2407，程序空间、数据空间、I/O空间都为32k，16通道10位转换率的AD，串行数据口，串行通讯口，2个事件管理器，PWM波输出通道。

4、根据权利要求1所述的电容电流测试仪，其特征是，所述的电压和电流两路信号程控放大电路(6)，包括：运算放大器，程控放大器，程控放大器采用AD公司的先进芯片AD526，运算放大器的输入端连接输出端子信号输出端，运算放大器的输出端连接到程控放大器的输入端，程控放大器的输出端连接到高精度双路A/D采样电路(7)的输入端。

5、根据权利要求1所述的电容电流测试仪，其特征是，所述的高精度双路A/D采样电路(7)，核心是一个高精度双路模拟/数字采样芯片，采用AD公司的AD1877：两路输入16位转换精度、标准的SPI接口。

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