智能型并聯(lián)諧振交直流耐壓試驗(yàn)裝置的研制

摘 要： 采用并聯(lián)諧振補(bǔ)償原理，研制了智能型交直流耐壓實(shí)驗(yàn)裝置，裝置保證試驗(yàn)電壓的工頻頻率和波形質(zhì)量。 對(duì)被試品的狀態(tài)參數(shù)（電壓、電流、頻率）進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并可根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)電壓波形進(jìn)行智能分析，打印試驗(yàn)結(jié)果及波形，儀器測(cè)量精度為0.5% 。整套設(shè)備從傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備的5～6 t，減輕到現(xiàn)在的50～200 kg，縮短試驗(yàn)時(shí)間。

關(guān)鍵詞： 并聯(lián)諧振技術(shù)； 工頻頻率； ADI高性能電能計(jì)量芯片； ARM系列芯片

中圖分類(lèi)號(hào)： TN06?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）15?0153?04

Development of intelligent parallel resonance AC/DC withstand voltage test device

SUN Dong?e1， GUO Yue?an1， GAO Hua2， ZHANG Ying1， FENG Ya1

（1. Northwest Geological Institute of Nonferrous Metal， Xi’an 710054， China；

2. School of Management Engineering， Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710061， China）

Abstract： An intelligent AC/DC withstand voltage test device was developed on the basis of parallel resonance compensation principle. The device ensures the power frequency and the waveform quality of the test voltage. The real?time sampling of state parameters （voltage， current and frequency） for the specimin under test was performed. The intelligent analysis and test result printing for voltage waveform can be conducted according to the experiment request. The detecting precision of the instrument is 0.5%. The weight of the whole device was lightened from 5～6 t to 50～200 kg. The experiment duration was shortened.

Keywords： parallel resonance technology； power frequency； high?performance electric energy metrology chip of ADI； ARM series of chip

0 引 言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)增長(zhǎng)勢(shì)必要求電力工業(yè)的發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)保持正常快速的生產(chǎn)，這就對(duì)電力檢測(cè)儀器第一時(shí)間高效準(zhǔn)確進(jìn)行檢測(cè)、檢修提出了更高層次的要求。同時(shí)伴隨著全社會(huì)電力需求增長(zhǎng)持續(xù)，電力行業(yè)的裝機(jī)容量也在持續(xù)增長(zhǎng)，但針對(duì)發(fā)電企業(yè)核心設(shè)備發(fā)電機(jī)的檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)近年來(lái)卻沒(méi)有突破性的發(fā)展，目前大部分發(fā)電企業(yè)還是采用傳統(tǒng)的方式在進(jìn)行試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)一種安全、輕便、智能化、操作簡(jiǎn)便的試驗(yàn)儀器成為行業(yè)和市場(chǎng)的需要。

智能型工頻交直流耐壓試驗(yàn)器是一種用于判斷發(fā)電機(jī)繞組設(shè)備、電動(dòng)機(jī)等絕緣強(qiáng)度的智能化儀器。該儀器創(chuàng)新點(diǎn)在于突破了傳統(tǒng)的試驗(yàn)技術(shù)，采用并聯(lián)諧振技術(shù)，使整套設(shè)備從傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備的5～6 t，減輕到現(xiàn)在的50～200 kg。儀器先進(jìn)性在于它將高壓測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)相結(jié)合，具有測(cè)量過(guò)程操作自動(dòng)化水平高、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和智能分析能力強(qiáng)等智能化特點(diǎn)。并可存儲(chǔ)、打印、調(diào)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形。通過(guò)智能控制保證試驗(yàn)電壓的工頻頻率和波形質(zhì)量。采用并聯(lián)諧振技術(shù)避免了目前串聯(lián)諧振技術(shù)的一些缺點(diǎn)：一是試驗(yàn)過(guò)程調(diào)諧不方便，二是試驗(yàn)升壓過(guò)程不夠平穩(wěn)。突破了傳統(tǒng)技術(shù)儀器的價(jià)格高、重量體積大、試驗(yàn)難度高、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

1 儀器裝置

1.1 技術(shù)原理

智能型發(fā)電機(jī)并聯(lián)諧振工頻交直流耐壓試驗(yàn)器采用并聯(lián)諧振補(bǔ)償原理[1]，通過(guò)智能控制保證試驗(yàn)電壓的工頻頻率和波形質(zhì)量。 儀器內(nèi)存貯了國(guó)內(nèi)目前主要發(fā)電機(jī)的型號(hào)及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電壓及補(bǔ)償電流，用戶(hù)可根據(jù)自己的需求添加和刪除，可以根據(jù)被試品額定電壓和電容量，計(jì)算出被試品的試驗(yàn)電壓和補(bǔ)償電流。在試驗(yàn)過(guò)程中，儀器對(duì)被試品的狀態(tài)參數(shù)（電壓、電流、頻率）進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并可根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)電壓波形進(jìn)行智能分析，從而給使用者以準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。儀器原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器原理框圖

1.2 主要技術(shù)與性能指標(biāo)

主要技術(shù)與性能指標(biāo)見(jiàn)表1。各項(xiàng)指標(biāo)符合中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GB50150?2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》 、《DL/T596?1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》 、《DL/T848.2?2004高壓試驗(yàn)裝置通用技術(shù)條件?工頻高壓試驗(yàn)裝置》。

表1 主要技術(shù)與性能指標(biāo)

[參數(shù)＼范圍＼測(cè)量范圍＼精度＼備注＼工作電源 /V＼AC 220±10%@50 Hz＼＼＼＼環(huán)境溫度 /℃＼-10～40＼＼＼＼相對(duì)濕度＼<90%＼＼＼無(wú)凝

露狀況＼額定電壓 /kV＼50＼0～80＼0.5%＼＼額定電流 /A＼45＼0～70＼0.5%＼＼額定容量 /kV·A＼10＼0～125＼0.5%＼＼諧振電壓波形 /Hz＼正弦波＼0～60＼0.5%＼＼定時(shí)范圍 /s＼0～999＼＼＼＼存儲(chǔ)容量 /GB＼0～8＼＼＼＼]

1.3 主要研究?jī)?nèi)容

1.3.1 并聯(lián)諧振技術(shù)

儀器采用并聯(lián)諧振補(bǔ)償原理[2]，使主設(shè)備只需要提供一個(gè)mA級(jí)的勵(lì)磁電流，耐壓試驗(yàn)所需的電流有電流補(bǔ)償裝置提供，又因使用的并聯(lián)諧振，使得電流補(bǔ)償裝置可以采用新型的高科技絕緣材料以及最新的絕緣加工工藝，大大減小了電流補(bǔ)償裝置的重量和體積。

由[L]和[C]并聯(lián)即構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，如圖2所示。其中[R]為電感線(xiàn)圈的電阻， [U]為輸出電壓，[IS]為電流源的電流，[C]為被試品，[L]為電流補(bǔ)償裝置。

圖2 并聯(lián)諧振電路

（1）并聯(lián)諧振的產(chǎn)生及品質(zhì)因數(shù)

電路的輸入阻抗為：

[Z=R+jωL1jωCR+jωL-1ωC]

在電子工程實(shí)際中總是有[Q?1]（即[R]十分小），[ω0]很高，且[ω]是在[ω0]附近變化，故有[ωL?R，]上式可寫(xiě)為：

[Z=jωL1jωCR+jωL-1ωC=LCR+jX=ρ2R+jX] （1）

式中：[X=ωL-1ωC]為并聯(lián)回路的總電抗；[ρ=LC]為并聯(lián)回路的特征阻抗。

由式（1）可見(jiàn)，當(dāng)：

[X=ωL-1ωC=0] （2）

有：[Z=Z0=ρ2R=ρQ。]

式中[Q=ρR=LCR]為并聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)。

由式（2）可見(jiàn)，[Z0]為一純電阻，亦即[U]與[IS]相同，電路達(dá)到了諧振，而式（2）即為電路達(dá)到諧振的條件。[Z0]稱(chēng)為諧振阻抗。

由式（2）可求得諧振角頻率和頻率為：

[ω0=1LC f0=12πLC]

（2）諧振時(shí)電路的特性

輸入阻抗[Z]達(dá)到最大值，且為純電阻，即[Z=Z0。][IS]與[U]近似同相。輸出電壓[U]達(dá)到最大值[U0，]即：

[U0=ISZ0=ISQρ]

故可得：

[QIS=U0ρ=U0ω0L=U01ω0C]

電感與電容支路中的電流[IC0]與[IL0]均比[IS]大[Q]倍，即：

[IL0=U0R2+（ω0L）2≈U0ω0L=QISIC0=U01ω0C=QIS， IL0=IC0=QIS]

當(dāng)[Q?1]時(shí)，[IL0=IC0?QIS。]并聯(lián)諧振又稱(chēng)為電流諧振。

諧振時(shí)電路的向量圖如圖3所示。可見(jiàn)此時(shí)[IL0]與[IC0，]近似大小相等，相位相反，而[IS]與[U]同相。

（3）頻率特性

阻抗的模頻特性如下：

[Z=LCR+jωL-1ωC=Z01+jQωω0-ω0ω]

[Z=Z01+Q2ωω0-ω0ω2=Z01+Q2ff0-f0f2]

阻抗的模頻特性曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 并聯(lián)諧振電路諧振時(shí)的向量圖

圖4 并聯(lián)諧振電路的阻抗模頻特性

輸出電壓頻率特性如下：

[U=ISZ=ISZ01+Q2ωω0-ω0ω2=U01+Q2ωω0-ω0ω2=U01+Q2ff0-f0f2]

[U0=ISZ0]為諧振時(shí)的輸出電壓。電壓頻率特性如圖5所示，與阻抗的模頻特性相似。

圖5 輸出電壓頻率特性

[Q]值與頻率特性的關(guān)系與串聯(lián)諧振電路的結(jié)論全同。

（4）選擇性

由于諧振時(shí)輸出電壓[U]的值為最大值[U0，]并聯(lián)諧振也具有選擇性，電路的[Q]值越高，選擇性就越好。

1.3.2 交直流電壓、電流、頻率數(shù)據(jù)采集技術(shù)

采用ADI公司新型高智能數(shù)據(jù)處理芯片來(lái)完成交直流電壓、電流、頻率的數(shù)據(jù)處理。該芯片是高性能電能計(jì)量芯片[3?4]，器件內(nèi)置七個(gè)Σ?Δ型ADC和一個(gè)高精度電能計(jì)量?jī)?nèi)核、能夠測(cè)量線(xiàn)路電壓和電流，并計(jì)算有功、無(wú)功功率以及瞬時(shí)電壓和電流有效值。芯片內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作。輸入動(dòng)態(tài)工作范圍（1 000∶1）內(nèi)，非線(xiàn)性測(cè)量誤差小于0.1%。提供瞬時(shí)電流和電壓讀數(shù)，電流、電壓有效值，有效值精度高于0.5%。提供功率因數(shù)、線(xiàn)頻率參數(shù)。提供靈活的I2C、SPI（串行端口接口）或HSDC（高速數(shù)據(jù)捕捉）接口，可實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)原始波形，方便與外部MPU通信。如圖6所示。

圖6 芯片功能結(jié)構(gòu)

1.3.3 波形存儲(chǔ)分析

該技術(shù)由Samsung ARM[5]系列的微處理器、8G存儲(chǔ)量的SD[6]存儲(chǔ)卡、液晶顯示器AG?320240A4STQW?TR9H?S（N）（R）[7]、鼠標(biāo)EC11?1B?18T（編碼器）共同完成。實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。對(duì)被試品的狀態(tài)（交流電壓、電流、頻率）進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)電壓的波形，并可根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)電壓波形進(jìn)行智能分析，可以截取波形的任意一段，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、打印。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過(guò)USB接口導(dǎo)出 [8]。

1.4 儀器電路控制

在控制系統(tǒng)上，根據(jù)儀器功能設(shè)計(jì)有試驗(yàn)電源控制回路、高壓采樣控制回路、電流采樣控制回路、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示分析、數(shù)據(jù)打印等主要模塊，各功能模塊在微處理器的控制下，完成相應(yīng)的操作。

2 儀器測(cè)試

依據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[9]、《DL/T596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》[10]、《DL/T848.2?2004高壓試驗(yàn)裝置通用技術(shù)條件?工頻高壓試驗(yàn)裝置》[11]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了全面測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)一：以被試品為北京發(fā)電機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)300 MW機(jī)組為例進(jìn)行試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件（一）

[試品測(cè)試

要求參數(shù)＼每相電容

0.18 μF＼額定電壓

[Un=]24 kV＼試驗(yàn)電流

2.034 A＼試驗(yàn)電壓

36 kV＼勵(lì)磁變壓器

參數(shù)＼額定容量

10 kV·A＼輸出電壓

220 V＼頻率

50 Hz＼＼交直流試驗(yàn)

裝置參數(shù)＼額定容量

10 kV·A＼輸出電壓

50 kV＼頻率

50 Hz＼＼電流補(bǔ)償

裝置參數(shù)＼額定電壓

40 kV＼額定電流

2 A＼電感量

56 H＼頻率

50 Hz＼]

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)二：被試品為高壓電機(jī)型號(hào)YKS5500?4功率 5 500 kW。

實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表3 實(shí)驗(yàn)條件（二）

[試品測(cè)試

要求參數(shù)＼每相電容

0.1 μF＼額定電壓

6 kV＼試驗(yàn)電流

282 mA＼試驗(yàn)電壓

9 kV＼交直流試驗(yàn)

裝置參數(shù)＼額定容量

2 kV·A＼輸出電壓

AC 10 kV＼輸出電壓

DC 15 kV＼交流頻率

50 Hz＼電流補(bǔ)償

裝置參數(shù)＼額定電壓

1.5 kV＼額定電流

150～300 A＼電感量

100～200 H＼頻率

50 Hz＼]

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

[泄漏電流

/μA＼試驗(yàn)電壓（DC） /kV＼5＼10＼15＼U＼0.30＼0.60＼1.00＼V＼0.30＼0.65＼1.10＼W＼0.30＼0.60＼1.00＼交流耐壓

1 min＼試驗(yàn)參數(shù)＼試驗(yàn)電壓

/kV＼補(bǔ)償電流

/mA＼是否通過(guò)＼U＼9＼272.5＼通過(guò)＼V＼272.5＼W＼272.5＼耐后絕緣： 20 000 MΩ＼]

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明：測(cè)試精度達(dá)到了裝置設(shè)計(jì)要求，裝置操作簡(jiǎn)單方便，檢測(cè)時(shí)間比傳統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)方法減少3～4倍。

參考文獻(xiàn)

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