基于错频法的介质损耗测试研究

郭 华,申忠如

（西安交通大学城市学院，陕西西安,710018）

基于错频法的介质损耗测试研究

郭 华,申忠如

（西安交通大学城市学院，陕西西安,710018）

采用错频法可将同频干扰的问题转变为对异频干扰的滤除；在本测试系统中，选用微处理器外置DAC的方法产生准确的激励电源，并进行程序再校验，避免了输入信号相位漂移产生的误差；利用同步分离法将待测的试品（电阻电容串联等效）的实部和虚部分离，经A/D转换器送入微处理器计算介质损耗因数。测试结果表明，该系统工作稳定，介质损耗因数的绝对误差小于0.01%。

介质损耗因数；错频法；同步分离法；滤波

0　引言

绝缘损坏是电力设备故障的主要因素，高压电容型设备在电力系统中占有很大的比例，而介质损耗因数是反映其绝缘状况的重要参数。通过测量介质损耗角的正切值tanδ可以发现电气设备绝缘整体受潮、劣化变质以及局部放电等缺陷，对电力系统的安全运行具有重要意义。

在介质损耗的现场测量中，干扰主要来自外界工频电网产生的强电场。这是因为介质损耗测量装置内部产生的高压测量电源是由输入工频供电电源直接升压得到的，其频率与产生强电场干扰的电网是源于同一供电系统即两者具有相同的频率，因此会造成“工频同频干扰”。解决同频干扰的较好的方法是改变测量频率，即测量时使用不同于工频的电源作为激励电源，使50Hz的同频干扰信号成为异频干扰信号，可以用频域鉴相的方法将其滤除，有效提高测量结果的准确性。基于上述理论，本文在错频测试的基础上，结合同步分离法设计了一种以微处理器TM4C123GH6PM为核心的介质损耗测试系统。

1　错频法测试介质损耗原理

错频法测试介质损耗是将激励源的频率偏离工频50Hz上下取值，本文选用45Hz和55Hz的功率信号作为激励电源，分别进行两组重复测量；然后求平均值可得工频下的介质损耗值。错频法测试介质损耗的电路如图1所示。

图1中，输入偏离工频频率的正弦波激励信号作用于有介质损耗的绝缘体，本文将其等效为电容和电阻的串联阻抗。试验时，分别获取两条并联支路的电流信号，经过调理电路，滤除干扰信号送入数据处理单元，计算介质损耗角tanδ的值。

2　同步分离法计算介质损耗因数

2.1有介质损耗的绝缘体等效模型

用电路的概念来描述，可以把有介质损耗的绝缘体看成是电容和电阻的并联或者串联的等效阻抗，本文将电容和电阻的串联。介质损耗因数tanδ定义为电介质在施加电压时所消耗的有功功率与无功功率的比值，即

图1　错频法介质损耗测试原理框图

其中，φ角为串联等效模型的相位角；R和X分别为等效模型的实部和虚部。

2.2同步分离法测试原理

图2为同步分离法测量阻抗的原理图。采用相敏检波技术把实部和虚部分离出来，然后取平均值，以便得到的实部（对应R）和虚部（对应X）按电压的平均值输出，将分离后的两信号分别送入微处理器中处理得到测量值。

滤去2ωt项，有2）

式（2）和（3）即为被测阻抗Z的实部和虚部。联立式（1）（2）

3　系统方案设计

图2　同步分离法测量原理图

图4　低通滤波电路

图3　系统方框图

本系统原理方框图如图3所示，由激励电源、同步分离电路、A/D转换器、微处理器、D/A转换器和LED显示组成。激励电源产生准确的余弦信号作用于试品，并移相90°共同输入同步分离电路；得到试品的实部和虚部后经A/D转换输入微处理器中进行计算，可得试品的介质损耗因数tanδ。

3.1激励电源

本系统中的激励电源由TM4C123GH6PM微处理器外置DAC7625产生，即产生N个固定周期为TN的脉冲信号组成的正弦波。具体过程为：根据正弦波激励源的频率fs求出其周期Ts，然后依据频率高低及单片机的速度确定N；则有固定周期TN= Ts/N。为了方便编程，N一般取32、64、128、26、512等数值。

固定周期TN用微处理器的定时器实现，由若干计数脉冲组成，与机器周期相关。由于每条指令执行都需要相应数量的机器周期，所以实际编制的延时程序总的执行时间与要求的延时时间就会有微量误差，运行时间越长累积误差越大。为了避免这个累积误差造成输出电压信号频率偏离要求值，影响介质损耗因数的准确性，必须对频率进行校验。

3.2同步分离电路

同步分离电路中的乘法器选用AD633，低通滤波器选用低噪声双运放OPA2111。低通滤波电路直接关系到试品虚部和实部的提取。由OPA2111双运放搭建的低通滤波器截止频率可低至10Hz，如图4所示。

3.3A/D转换器和微处理器

A/D的转换过程是把模拟输入范围划为2n段，由于ADC无法区分同一范围内的不同值，所以输出码字的误差可达±1/2LSB。这种不确定性就是量化误差，它是任何数字化过程中固有的限制，明显的改善方法就是增大n值。A/D转换器的位数越高量化误差引起的相位计算绝对误差越小，12位A/D即可达到绝对误差在1×10-4以内，但是在信号达到A/D满度值的情况下，若信号的幅值降低，即相当于A/D的位数降低，因此为保证在信号幅值在一定范围内，系统仍能达到测试仪要求的精度，故应选择14位A/D转换器。由于A/D还有差分和积分非线性误差，故应该选择差分和积分非线性误差小的A/D。本文选用14位A/D芯片AD7865。

微处理器选用TI公司的TM4C123GH6PM，对A/D转换器采集的试品实部和虚部进行计算，并利用外置DAC生成准确的激励电源。主程序流程图如图5所示。

图5　主程序流程图

4　测试结果分析

本系统进行模拟测试，测试电压5V。试品为10000pF电容和660电阻串联，测试重复十次结果如表1所示。试品介质损耗因数tanδ的理论计算值为2.07×10-3。

表1　10000pF电容试品的介质损耗因数试验结果

5　结论

本文利用错频法原理和同步分离法推导出介质损耗因数的计算公式，设计了介质损耗因数测试系统。实验结果表明，该系统工作稳定，介质损耗因数的绝对误差小于0.01%。

[1]曹宇亚，申忠如，任稳柱.介质损耗带电检测数字化处理方法研究[J].高压电器，2003，(3):17-19

[2]文康珍，黎文安，程念陵.介质损耗变频测量装置的研制[J].测控技术，2002，(10):17-19

[3]申忠如，郭福田，丁晖.现代测试技术与系统设计(第2版)[M].西安: 西安交通大学出版社，2009.

[4]刘根据，杨延宁，张艳阳，侯勤宏.一种用单片机产生准确频率正弦波的新方法[J].自动化仪表，2009，30 (2):63-64

[5]周兴华.介质损耗变频测量系统的研制[D].武汉: 武汉大学，2003.

[6]塞尔吉欧弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安: 西安交通大学出版社，2004.

Research about Dielectric Loss Detector Based on Frequencyconversion Method

Guo Hua,Shen Zhongru
（Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an,710018）

Adoptingfrequency-conversion method, the same frequency interference problemturned into filter for different frequency interference.In this measurement system, accurate test power-source gained by microprocessor external DAC and routine check, to avoid error of the input signal phase drift.According to the synchro separation method, the test item utilizing capacitance and resistance to simulate as dielectric loss measurement sample divided into real and imaginary part.A/D converter sent data to microprocessor to calculate dielectric loss factor. Test results show that the system working stability,the absolute error of dielectric factor less than 0.01%.

dielectric loss factor;frequency-conversion method;synch separation method;filter

TM934.32

郭华（1977-），女，山西忻州人，副教授，硕士，从事控制算法和测量技术研究；

申忠如（1946-），男，陕西米脂人，教授，从事测量与控制技术，智能仪器研究。