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吴忠强

1  概述
高压电容电桥用于测量绝缘材料和电力设备的电容参数和介质损耗，关系着电气设备的安全使用与运行。特别是在对电力设备的制造检修、交接验收、预防性试验中都需要使用。对高压电力设备的绝缘介质损耗进行测量是《电力设备预防性试验规程》中的常规试验项目之一，它能及时发现、诊断高压电力设备的绝缘故障，是保证电力设备安全运行的有效手段之一。因此，如何有效排除测试现场强大的电场干扰，准确地测出电力设备的绝缘介质损耗角tg是当前介损测量技术研究的重点。在我国，随着国家电力建设的不断投入，城乡电网改造的不断深入，500kV甚至更高等级的发电厂、变电站也将越来越多，而随着输变电电压等级的提高，强电场干扰也日益严重，原来采用的电源倒相和自动计算的方法已不能满足现场测试的需求，误差较大。
GWS-3A型介质损耗测试仪是一种新型的计量仪器，列入了2001年国家级火炬计划项目(计划编号：01D23172004442)，该仪器设计原理先进、结构新颖，采用一体化结构，由光纤传递高压信号，内部采用微机进行操控与数据处理，测量精度高，具有很高的分辨率，抗外电场干扰性能好，操作简单，使用方便。广泛应用于工矿、企业、电力、能源及科研单位。
2  方法比较及先进性
绝缘材料在电场作用下的介质损耗大致可分为三个方面：① 泄漏电流引起的损耗；② 介质极化引起的损耗；③ 局部放电引起的损耗。
传统的测量介损方法有电桥法。其典型代表为西林电桥，它采用交流电桥差值比较原理，利用电桥平衡条件来测算出被试品的电容值C_x及tg值。其优点为准确度相对较高，但在试验电源有较大的谐波干扰或外界强电场干扰时，电桥常常无法平衡，读数误差较大，因而多在实验室等干扰较小的场所使用。为此，曾提出不少解决方法，如屏蔽法、电源倒相法、三倍频试验电源法、分级加压法、替代法、反干扰源法、移相法、干扰电源法等，这些方法现场使用各有其缺陷，不尽适用。如在现场测试的实际应用中，QS1电桥一般采用电源倒相法。当现场干扰信号较大时，再配上电源移相器，但其测试程序复杂，自动化水平低，操作工作量大，人为因素影响较大。
现在也有采用异频法(或叫变频法)的。它利用现场的干扰主要为50Hz基波及其三次谐波的特点，采用变频技术，把50Hz试验电源变频成其它频率(如40Hz、45Hz、55Hz以及60Hz等)的电源，将干扰信号(50Hz)和被测试品信号(已变频成其它频率)用频率区分开；线路中应用带通滤波器、陷波器，滤掉50Hz及其高次谐波的干扰信号；测试得到非工频条件下的电容值Cx及tg值；分别测试不同频率(如45Hz和55Hz)下的值，再根据一定的加权计算，换算成50Hz条件下的电容值C_x及tg值。此方法的优点是可以有效排除干扰，缺点是由于电子技术的限制，为了有效滤除干扰信号，其变频后的频率一般离50Hz有一定距离，其50Hz条件下的电容值C_x及tg值是通过换算模拟出来的，与真实工频条件下的测试值存在一定误差，尤其对少数被试品，由于其结构的特殊性，tg值随频率不成线性变化或变化比较剧烈，用变频法测量出的数据误差就明显偏大。
经过综合比较，我们决定采用干扰自动跟踪移相法。如图1所示，其原理是在不改变试验电源的频率，即仍采用50Hz的试验电源的情况下，先测量出干扰信号的大小和相位，再利用电子移相电路，产生一个大小与干扰信号相等而相位刚好相反(相差180度)的电子抵消信号，移相信号和试品信号(叠加有干扰信号)相加的结果，就基本抵消掉干扰信号，从而把很大的干扰信号转换成了很小的干扰信号，再利用电源倒相法，最终得到50Hz条件下的电容值C_x及tg值。实践证明，电子移相法加电源倒相法两重抗干扰方法，能完全抑制强电场的干扰，满足强电场下的使用要求，提高了仪器测量的可靠性和准确性。 

图1  工作原理框图

3  具体实现
(1)  信号取样：前置采用低噪声、低零漂、高增益的放大器，运放电流取样，保证输入阻抗≤2Ω，有效降低测试线分布电容对取样信号的相位干扰。
(2)  该仪器工作原理采用一个稳定的标准源，标准信号源采用以SF6作气源的标准电容，其耐压为10kV，容量50pf，介损值tg≤0.0001，是一种高稳定度的标准源。在施加所需的高压(2~10kV)后，采集得到被试品信号Ix和标准信号源的的信号In，由于标准信号源的容量为50pf，介损值tg为一固定值，根据两者间的幅值比，则可算出被试品电容量C_x=50pf×Ix/In。对介损值tg，采用过零法及相位差法。过零检测比较法，主要原理是通过比较Ix和In的过零时刻t1和t2，求得两者之间的相位差α＝2π（t1－t2）/T（T为工频周期)，其中Δt＝t1－t2的值用高频脉冲计数取得。相位差法的数字化测量易于实现，线性好，精度高。根据相位差α，则可算出被试品的介损角=α-β，(其中β为一角度常量)，再通过计算机数据处理从而得到介损角tg。针对过零法易受谐波影响的特点，线路中使用了多重滤波，重点加强了对三次谐波以及高次谐波的滤除，以保证对过零点测量的精度要求。
(3)  对小信号干扰，采用目前通用的电源倒相法。先测算出在正相电源下的电容值C_x1及tg1值，再将电源倒相180°，测出倒相电源下的电容值C_x2及tg2值，则Cx=(C_x1+Cx2)/2；tg=(C_x1*tg1+Cx2*tg2) /(C_x1+C_x2)。在无干扰的情况下，C_x1=C_x2；tg1=tg2。干扰越大，则C_x1与C_x2以及tg1与tg2间的差值也越大，因此，可以根据此差值判断外界干扰的大小。当干扰大到一定程度，电源倒相法误差较大，已不适用，此时应采用更先进的方法。对此，我们采取的措施是：关闭信号采集端口，只让干扰信号通过，同时启动电子移相器，采用干扰自动跟踪移相法抵消干扰信号，再采用电源倒相法，以便彻底消除干扰，得到准确的测量值。
(4)  对于高压信号的处理，采用一个精密的放大器对电流信号进行采样，放大后信号经滤波由单片机(89C2051)经ADC转换成载频为300kHz的调频数字格式，再由数字光纤传递，将高压信号从浮地高压(对地最高为10kV)通道(VB-VS)通过光纤转成地线参考电源端的低压信号，再进入单片机进行处理。光纤的使用既增强了高压采集信号的抗噪声能力，又实现了高低压隔离，保证了安全。
(5)  本仪器针对测量的是容性试品，具有冲击电流大的特点，精心设计了仪器的抗冲击保护功能。仪器内部设有完善的过压过流保护，缓慢升压，仪器在运行中全部由单片机控制自动投入和切断高压，保证了操作人员的人身安全。
(6)  本仪器全部采用微键触摸操作，光标指示选择方式进行测量，全中文菜单显示界面，测量过程中直接显示试验电压，自动显示并打印测量结果，既易于操作又提高了产品的可靠性，使用中只需操作、调整，代表了智能仪器的发展方向。
(7)  本仪器以单片机构成控制系统，能自动判断干扰的强弱，整个测试过程全自动操作并自动抗干扰，无需人工干预，每次测量都连续采集50组数据，数字模拟滤波相结合，微机控制进行数据处理，测试时间短(30秒左右)。
(8)  采用一体化设计，集高压电源和测量装置于一体，不需任何辅助设备，体积小、重量轻、便于携带，完全符合现场使用要求。
4  技术特点
测试工作方法：正接线法、反接线法、外施高压法；
内部高压电源容量：1500VA；
内部高压输出：10kV、5kV、3kV、2kV；
介损测量范围：0%～50%；
介损测量精度：
正接线法：当△tg≤15%时，
            △tg=±(读数×1%+0.0005)；
          当15%≤△tg≤50%时，
            △tg=±(读数×3%)；
反接线法：当△tg≤15%时，
            △tg=±(读数×1%+0.0010)；
          当15%≤△tg≤50%时，
            △tg=±(读数×5%)；
电容测试范围：△C_x≤60000pf；
电容测量精度：当△tg≤15%时，
            △C_x=±(读数×2%+2pf)；
              当15%≤△tg≤50%时，
            △C_x=±(读数×5%+5pf)。
该仪器采用光导纤维作为传递讯号媒介，一体化设计，不需任何辅助设备，完全实现测试自动化，读数准确，可进行正接、反接、带电、外施高压测量，抗干扰能力强，能测量各种电压等级的耦合电容器、电流互感器、电压互感器、主变套管、主变铁芯、避雷器、开关等，是目前理想的介损测量装置。

参考文献：
[1]  李朝青. 单片机原理及接口技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,1999.
[2]  何立民, 马忠梅,等. 单片机的C语言应用程序设计应用技术设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,1997.
[3]  马明建, 周长城. 数据采集与处理技术[M]. 西安: 西安交通大学出版社,1998.