摘? 要: 介紹了以80C196為核心的介質損耗因數自動測量系統，使用了Flash Memory和高速A/D等技術，克服了一般測量系統在反接測量時的絕緣和干擾等問題，達到了較高的測量精度。
關鍵詞: 介質損耗因數tgδ? 閃速存儲體? 高速A/D? 密封電池
介質損耗因數tgδ是反映高電壓電氣設備絕緣性能的一項重要指標。通過測量tgδ可以反映出絕緣的一系列缺陷，如絕緣受潮、劣化變質或絕緣中有氣體發生放電等。因此，在電力設備運行過程中，要定期對反映設備絕緣的介質損耗因數進行測量，若達不到一定標準，將不能繼續使用該電力設備。
長期以來，tgδ的測量是通過QS-1電橋實現的。但它的測試程序復雜，操作工作量大，測量時間長，自動化水平低，并易受人為因素的影響，這些都限制了QS-1在電力系統中的應用。
由于絕緣測量的重要性，一些單位開展了數字化測量介質損耗因數的工作。但由于介質損耗測量具有特殊性，如在反接時實際上是在極高的共模電壓下測量介質損耗因數，對系統的絕緣、抗干擾性能有較高的要求，這些對介質損耗因數的數字化測量造成了困難。本課題組采用高速A/D、閃速存儲體(Flash Memory)和電池供電等技術，解決了測量時對絕緣和抗干擾能力的要求，測量精度也達到了QS-1的標準。由于本系統在信號輸入端采用和QS-1相同的接口，因此可以很方便地在實際測量中取代QS-1系統。
1 正接和反接條件下的介損測量
介損因數測量有正接和反接兩種方法，如圖1所示，其中Cx和Rx為試品的等值電容和等值電阻，Cn為無損標準電容，R1和R2為試品和參考電流的取樣電阻。對于一些重量比較輕且其外殼沒有和地形成不可分割狀態的電氣設備，可以用正接法對其測量，此時測量電壓主要集中在電容兩端，測量系統對地處于低電位，對系統的絕緣性能要求不高。對于一些重量很重或其外殼不能和地分開的電氣設備，只能采用反接法測量其介質損耗因數，此時測量系統工作在極高的共模電壓下(一般為10kV)，對系統的絕緣性能要求很高，若此時測量系統仍采用220V交流電源供電，在電源變壓器的兩端要承受10kV以上的交流電壓，使系統的結構復雜化。
2 自動數字介損測量系統
鑒于反接法在實際測量中的重要性，并考慮到系統的便攜性，本測量系統沒有采用一般系統的交流供電的方法，而使用重量很輕且可充電的密封電池(Sealed Battery)供電。在實際系統中，采用了6V4Ah/20HR密封鉛蓄電池。經試驗，在一次充電之后，系統可以連續工作5個小時以上，完全滿足實際測量的要求。
另外，為了提高系統的自動化程度并減小測量人員的風險，本系統采用了自動測量的方式。如在反接方式下，測量人員連接好相應連線后，打開測量系統的電源開關并按下測量鍵，此時只需給試品提供測量電壓而不用再對系統進行操作。當電壓升高到一定閾值后，測量系統自動進入測量狀態。約一分鐘后，系統即可測量完畢，并將結果保存到閃速存儲體中。這時測量人員可退下測量電壓，在無高壓存在的情況下將測量結果讀出。為方便測量人員讀取數據，系統配備了字符式液晶，按下計算鍵后，即可將結果顯示在液晶屏上。為了便于操作，系統還安裝了3個發光二極管，根據發光二極管的亮、滅和閃爍，測量人員可以了解系統的運行情況。整個系統的框圖如圖2所示。
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3 提高精度的幾個措施
為提高測量的可靠性，本系統沒有采用一般的過零比較法，而是使用A/D芯片，將模擬信號轉換為數字信號，并使用數字信號處理方法對采集后的信號進行濾波，去除了在過零處信號的毛刺現象。為提高測量精度，還在硬件和軟件方面采取了以下幾項措施:
(1) 使用高速A/D芯片，提高A/D轉換速度。在本系統中每個通道都配置了Burr-Brown公司的ADS7800芯片，它的轉換時間為3μs，在讀取本次轉換結果的同時啟動下一次A/D轉換。由于使用80C196讀取轉換結果并將結果存入到SRAM所用的時間超過3μs(系統工作在12MHz頻率)，因此沒有必要在程序中對轉換是否完成進行判斷。在本系統中完成兩個通道的A/D轉換并將結果存入到SRAM的時間為10μs左右。對于50Hz工頻信號，一個周期內可以采樣2000個點左右，它的測量精度為360/2000=0.18°。
(2) 采用兩通道同時采樣，去除由于啟動轉換的時間間隔造成的誤差。在數據緩存處將轉換結果分時讀出。A/D部分電路如圖3所示。
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(3)使用模擬濾波芯片UAF42構成低通濾波電路。由于UAF42內部電容有極好的匹配性，只需調節外部電阻即可使兩路信號在經過濾波電路時產生的相移盡可能相等。
(4)系統還具有通道自檢功能。在每次測量前，系統自動使用標準端產生的信號對兩個通道進行檢查，測出兩個通道在通過同一個信號時產生的相位差。然后兩個通道分別通過標準信號和測試信號，測出此時兩個通道的相位差，減去自檢時的相位差作為該時刻的結果，從而減小通道不匹配對測量結果的影響。
(5)在一次測量中采集多個周期的信號，對測量的結果取中值作為介質損耗的δ值。用查表的方法得出tgδ的值。
4 測試結果
在系統完成后，對多個樣品進行了測試，并和QS-1的測量結果進行了比較。測試結果如表1所示。
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????由該表可以看出，本系統的測量值與QS-1的測量結果基本相符。
經過對多個樣品的測試比較，本系統相對于QS-1具有更好的可操作性，測量時間比QS-1短了很多，而且精度也達到了QS-1的測量標準。另外，本系統采用了和QS-1相同的信號輸入接口，在實際測量中可以很方便地對QS-1進行替換。本系統還采用了雙層絕緣結構，一方面減少了外界對測量電路的電磁干擾，另一方面也符合了高壓測量的要求，確保了測量人員的安全。
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參考文獻
1 馬為民，吳維韓.數字介質損耗測量中的反接測量技術.電工技術雜志，1997.3
2 Burr-Brown CD-ROM Catalog.Burr-Brown Corporation.1997
3 清華大學高電壓實驗指導.清華大學電機工程與應用電子技術系高壓實驗室.1997.7