高压工频绝缘试验电流测量方案的研究

袁 喆 姜泽苗

（国网山东省电力公司超高压公司）

0 引言

在电力设备操作过程中， 高压电气设备的绝缘能力受到电气、 热力、 机械和其他类型的冲击[1-2］。这些对绝缘的影响导致其发生严重的不可逆转的变化， 从而导致过早老化。因此， 根据国家标准、 《电气装置安排规则》、 《电气设备操作用户规则》、 工厂标准和指南的要求， 必须定期评估绝缘的质量， 以保持绝缘处于正常状态。

评估高压电气设备绝缘质量的主要类型之一是用工业频率的交流正弦电压进行测试， 然后对其进一步操作的可能性作出最终决定。作为工频交流高电压的来源， 采用谐振测试装置， 在高电位升压测试变压器的一次回路中产生谐振。在增加工业频率正弦交流电压的测试过程中， 根据国家标准， 需要完成测量通过被测对象的电流值。

1 方案分析

高压工频绝缘试验电流是评估电器设备绝缘性能的一项重要指标， 测量和分析该电流能够有效地判断设备绝缘状况是否正常。以下是高压工频绝缘试验电流测量分析的详细介绍：

（1） 测量方法

高压工频绝缘试验电流的测量通常采用电流互感器与电流表相结合的方法， 在高压绕组上加装电流互感器， 将互感器的二次电流转变为标准电流或标准电压进行测量。常用的测量方法有隔离式和非隔离式两种方式。

（2） 电流形态

在高压工频绝缘试验中， 电流形态的变化代表着设备绝缘状态的不同。当设备绝缘状态良好时，电流形态为波形对称， 波峰与波谷一致， 且衰减速度缓慢； 当设备绝缘状态不好时， 电流形态将变得不对称， 波形振幅变小， 衰减速度加快。

（3） 分析方法

高压工频绝缘试验电流的分析可以从以下几个方面进行：

1） 分析各阶段电流变化： 通过对电流变化趋势的分析， 可以判断电气设备的绝缘状态是否正常。

2） 分析峰值大小： 高压工频绝缘试验的过程中， 电流峰值越小， 说明绝缘程度越好， 反之， 说明绝缘损坏严重。

3） 分析电流衰减速度： 电流衰减速度越慢， 说明绝缘程度越好， 反之， 说明绝缘损伤越严重，

4） 分析电流对称性： 电流对称性较好， 说明绝缘状况良好， 反之绝缘有损坏。

5） 分析电流数据： 对电流数据进行统计和分析， 可以得到试验结果， 为被试器件的电气性能评估和研发提供参考。

以上分析可得， 通过对高压工频绝缘试验电流的测量和分析， 可以有效地评估设备的绝缘性能， 提前发现潜在的绝缘故障， 避免电气事故的发生。

2 理论分析

目前， 在工频正弦交流电压下进行绝缘测试设备包括， 精密电阻器、 开环和闭环霍尔效应电流传感器、 基于电流互感器的传感器、 静磁和磁阻传感器以及线圈[3-5］。

本文测量了作为泵、 鼓风机、 涡轮压缩机和其他高速机构的电力驱动的， 连续运行的同步电动机定子绕组的绝缘容量。额定电压6000Ⅴ和10000Ⅴ。作为这项研究的最大容量电压， 试验选择了一个额定电压为10000Ⅴ的同步电动机。

关于开放星型同步电动机的绕组， 研究会根据图2 所示其中一个相位的电路量测量其绝缘容量。用专业测试器件测量所有相电容的结果如图3 所示。

图2 “V2”相对于绕组U2 和W2 接地情况的测量电路

图3 测试设备显示

上图显示Ⅴ2 相的最大电容相对于接地线圈U2和 W2 的情况是65.1μF， 这对应于本文研究对象的最大电容。

为了研究在谐振测试装置中， 当工业电压为16000Ⅴ的交流正弦电压对大容量物体进行绝缘测试时， 为反应1mA~330mA 的交流电测量电路的工作情况， 使用了一个精密型电阻器。来自电阻器的信号电压降被馈送到隔离放大器， 从放大器输出的信号被馈送到模拟数字转换器， 在测试绝缘时， 测量流经测试对象的交流电的框图如图4 所示。其中， 1-网络， 220v， 50Hz； 2-稳压器从0 到220v； 3-谐振电路；4-升压测试变压器； 5-精密电阻； 6-测试对象； 7-隔离放大器； 8-模拟数字转换器。

图4 电流测量电路

3 程序分析

图5 所示为用精密电阻器测试工频交变正弦电压绝缘时， 测量交流电流过测试对象电路的实验台。其中， 1 表示精密电阻器； 2 表示隔离放大器。

图5 实验台电路

为了实现用工频交流正弦电压测试绝缘时， 测量交流电通过测试对象的电路， 选用了301 型隔离放大器。这种隔离放大器为输出， 输入电路的电磁损耗创建了一个屏障， 并提供高达7000Ⅴ的电隔离。隔离放大器的功能如下， 来自精密电阻器的信号被输入到差动放大器， 输入信号在差动放大器输出时被放大4 倍， 然后被传输到调制器阶段， 在该阶段模拟信号样本被转换成信息流并被传输到模拟数字转换器。

根据图6 所示的算法流程和图7 所示的示意图，研究测试工频交变正弦电压绝缘时， 测量交流电流过被测对象的电路。图7 中各序号如下， 1. 电网络，220Ⅴ， 50Hz； 2. 稳压器型； 由脉冲电容器与电介质和扼流圈组成； 3. 谐振电路； 4. 升压测试变压器； 5.示范mA 表； 6. 精度电阻器； 7. 示波器型； 8. 测试对象 （电容负载从15μF到65μF）； 9. 隔离放大器； 10.ADC （模数转换器）；

图6 算法流程

图7 工频正弦交流电压测试绝缘时， 测量流过测试对象的交流电流的电路

其中， 能量诊断仪提供了升压高电位测试变压器， 如图7 中的数字5 所示。图7 中数字7 所示的电阻器的电阻误差不超过±0.5%。根据图6 所示的算法流程， 将研究用工频交流正弦电压测试绝缘时， 测量流过测试对象的交流电的电路。

研究顺序如下：

1. 精密电阻器的初步计算与选择； 物体的容量是25μF（电容负载） 。计算精密电阻器的电压降

其中I是流过被测物体的电流， mA；Ω是精密电阻器的电阻， 欧姆。

2. 检查取样点， 检查电路的运行情况

使用图7 中的参考mA 表6， 将通过测试对象的电流设置为42mA， 测试电压平稳上升~大约6000Ⅴ。

图8 显示了当测试一个容量为25μF的物体时，精密电阻器上电压的示波图。从图7 中电路的示波器得到数据如表1 所示。

表1 实验结果

图8 R1-37 型精密电阻器电压示波图

图9 显示了隔离放大器输出电压的示波图。从图7 中电路的示波器， 得到了表1 中的数据。

图9 隔离放大器输出电压的示波图

实验中， 单片机的模数转换器的输入电压电平设置为基准电压+2.5Ⅴ。该ADC 的单片机具有12 位分辨率， 可以生产的量化水平如下：

1 位 （噪声） 的ADC 将是：

式中 ，u1是参考电压， N 是量子化水平。

本文通过现有程序来计算一个正弦交流电在20ms 内的均方根值。在20ms 内， 我们进行了100 次测量， 在200μs 内进行了一次测量。然而， 如果将这个标定后的有效值正弦电流电路用于测量其它信号， 例如直流电流测量、 矩形信号等， 那么这个电路将会有很大的计算误差。因此， 该程序引入了平均滤波器， 在通道中得到一个稳定的值， 并发生二进制除法来卸载内核。

图10 显示了实验样品在校准模式下量化电平与参考安培电流的实验依赖关系。根据这种依赖关系， 在最大电流为320mA 时， 模数转换器将这个值转换成1490 量子化水平， 进而可以计算出正弦交流电的有效值。

图10 量化电平的数量与参考电流表的电流的相关性

根据这项研究的结果， 本试验制作了一个工业用样本， 用以测量在工频交流正弦电压下绝缘测试时， 流过被测对象的交流电， 如图11 所示。实验工业样品由1 号电路板和2 号电路板组成。1 号线路板为隔离放大器、 滤波器、 高精度参考电压源和扼流圈组成。1 号板用于从精密电阻器中去除信号， 放大并传输到2 号板， 2 号板由一个转换器、 滤波器和高精度参考电压源组成。

图11 测试电路板

开发的电路板允许测量1~320mA 范围内的均方根电流值， 当测试工业电压为25Ⅴ~16000Ⅴ的交流正弦电压时， 流过被测对象。这种样品的引入将使得有可能在其基础上创建一些数字测量mA 表， 可以实现测量测试15μF~200μF 范围内1mA~1000mA 的物体的绝缘。

5 结束语

1） 本文概述了现有的传感器测量流过测试对象的电流时， 现有传感器， 电隔离和高组件的可靠性。

2） 该电路用于测试工频正弦交变电压绝缘时， 测量流过测试对象的电流， 可实时获得有效值， 从而快速监测高压电路中的电流， 进行连续监测。

3） 研制了一种算法， 用于测试绝缘和工频交变正弦电压时， 测量流过测试对象的交流量， 从而加快了测量设备的开发速度。开发的电路板实现了25Ⅴ~16000Ⅴ的工频交流正弦电压测试绝缘时， 测量流过被测对象1mA~320mA 范围内的均方根电流值。这个样本的引入将使我们有可能在高压测试设施中根据其测量交流电流创建一系列数字测量mA 表， 用于测试15μF~200μF 范 围 内1mA~1000mA 的 物 体 的 绝 缘性能。