一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置製造方法
2023-07-28 04:23:36 2
一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置，包括電流取樣電路，移相電路、恆流輸出電路和微處理單元控制器；其中，所述裝置還包括一個應對不同標準電容器輸出電流變化的調幅電路，調幅電路的輸入與移相電路的輸出連接，調幅電路輸出連接恆流輸出電路，所述微處理單元控制器控制連接調幅電路。本發明可以實現高電壓下的電容介質損耗的模擬，模擬電阻不產生電能的損耗，可以在帶電的狀況下實現無觸點的切換，擴大了介質校正的範圍，工作安全、操作簡單；除了模擬電阻外，本發明還實現了對電容的變化調整，將一個標準電容擴展為多個標準電容器。
【專利說明】—種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝
【技術領域】
[0001]本發明屬於儀器儀表領域，特別涉及一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置。
【背景技術】
[0002]當電容施加交流電壓後，產生的有功損耗稱為介質損耗，理想的電容施加交流電壓後，流過電容器的電流與電壓是成90度角，當電容器有損耗的時，流過電容器的電流與電壓的夾角會小於90度，此時與理想的電容電流Ic之間的夾角δ稱之為損耗角，其正切值即為介質損耗因素(tgS )。
[0003]目前的標準損耗器都是採用串聯模型的結構，如圖1所示，是用一臺標準電容器C(接近理想的電容器)與一個電阻器R串聯來實現不同的介質損耗因素值。串聯模型下的介質損耗因素(tgS)計算公式:
tg δ = ω RC
在工作頻率一定，電容C 一定的情況下，介質損耗因素的大小與串聯的電阻成正比。通過改變R的大小可以改變試品電流與電壓之間的夾角，以得到不同的介損值。傳統的介損標準器就是採用的此方法實現的。
[0004]傳統方式的缺陷是:
1、串聯電阻上消耗的功率大，串聯電阻的上消耗的功率P?(UcoC)2XR (注:通常電容的容抗遠大於R)
在電容量一定的情況下，電阻上消耗的功率與試驗電壓和串聯電阻大小成正比的。也就是試驗電壓越高，介損檔位越大時，串聯電阻上消耗的功率越大。
[0005]比如當試驗電壓為200kV，電容量10pF,頻率50Hz，tg δ =0.1時，
R= tg δ / ω C=3.18ΜΩ
P= (200000X314X100X10-12) 2X3.18X106=125ff
為了在200kV電壓下，用一個10pF標準電容器串聯一個電阻器來模擬tg δ =0.1的試品時，需要串聯的電阻器電阻值為3.18ΜΩ，電阻功率必須大於125W，電阻的耐壓必須大於20kV，電阻還要求有很高的精度，及很低的溫度漂移，才能滿足設計要求。事實上這樣的電阻器是很難得到的。
[0006]2、標準電容器測量端耐壓受限
另外從上例中還能發現，電阻器上需要承受20kV的高壓，而標準電容器測量端插座(既Ur上端)一般只能允許最高電壓為2kV，因此標準電容器測量端的耐壓要求也是無法滿足的。
[0007]3、分布參數影響
如上述的例子，串聯電阻阻值達到了 3ΜΩ以上，那麼電阻與標準電容器測量端相連的引線對外殼之間分布電容會與串聯電阻呈並聯關係，還有電阻表面的受潮髒汙能都會對電阻的阻抗造成影響。在現實中表現為在不同的環境條件下，介損值會發生變化，不能滿足裝置最為標準器的要求。
[0008]4、不能帶電換檔。
[0009]傳統方式切換檔位都是採用的機械開關K或插座來實現:如果帶電情況下是不允許換檔的，會帶來不安全因素，一方面切換過程中可能會產生瞬間開路，造成電容器測量端電位太高，產生放電等危險後果。另外通常模擬損耗裝置部分離標準電容器距離較近，操作人員是無法靠近的。因此目前傳統的標準損耗器使用過程中需要換檔，必須將試驗電壓降至零，並將電容器放電後才可以進行換檔。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是針對上述問題提出的一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置，利用虛擬模擬技術模擬不同電阻值，同時還可以在一個標準電容器下模擬不同容量的電容器。
[0011]為了實現上述目的，本發明的技術方案是:一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置，包括電流取樣電路，移相電路、恆流輸出電路和微處理單元控制器；所述電流取樣電路用取樣電阻將流經標準電容器的電流轉換為電壓信號；移相電路與電壓信號連接，所述移相電路含有相位選擇開關電路，相位選擇開關電路由微處理單元控制器控制，相位選擇開關電路根據已知電阻值對應標準電容器電流的相位損耗角選擇通路將電壓信號進行移相，恆流輸出電路的輸出為介質虛擬裝置的模擬電流輸出；其中，所述裝置還包括一個應對不同標準電容器輸出電流變化的調幅電路，調幅電路的輸入與移相電路的輸出連接，調幅電路輸出連接恆流輸出電路，所述微處理單元控制器控制連接調幅電路。
[0012]方案進一步是:所述恆流輸出電路包括一個負反饋電路，所述負反饋電路包括一個反饋運算放大器，反饋運算放大器的輸出驅動一個恆流輸出變壓器，恆流輸出變壓器輸出了介質虛擬裝置的輸出電流信號，其中，反饋運算放大器的正極輸入連接電壓調幅電路輸出，電流信號同時作為反饋連接反饋運算放大器的負極輸入用以保證調幅電路輸出變化等於電流信號的變化。
[0013]方案進一步是:所述恆流輸出電路還包括電容量程選擇電路，所述電容量程選擇電路包括:在所述恆流輸出變壓器輸出與電流信號之間設置的電壓比例輸出電路，所述電壓比例輸出電路由多個相同阻值電阻和量程切換開關組成，多個電阻相互串聯後並聯至恆流輸出變壓器輸出兩端，量程切換開關的多個切入觸點分別連接至串聯電阻之間的節點，量程切換開關的公用觸點作為所述電流信號引出，在電流信號引出與運算放大器的負極之間設置有反饋信號放大比例調節電路，所述反饋信號放大比例調節電路由一個比例運算放大器和放大比例開關電路組成，放大比例開關電路由多個電阻和反饋切換開關連接組成，反饋切換開關控制輸出的反饋信號放大比例與量程切換開關控制輸出的電壓輸出比例趨勢相反，用以保證電流信號引出的是標準電容器的比例輸出，所述量程切換開關和反饋切換開關聯動。
[0014]方案進一步是:所述調幅電路包括一個比較運算放大器，比較運算放大器輸出連接恆流輸出電路，所述比較放大器含有一個放大倍數選擇電路，所述放大倍數選擇電路的放大倍數範圍保證所述模擬電流輸出符合裝置設定的工作電壓和電容量調節範圍。
[0015]方案進一步是:所述放大倍數選擇電路是由不同比例電阻組成的多級放大倍數選擇電路。
[0016]方案進一步是:所述放大倍數選擇電路是一個由數/模轉換電路實現的無級放大倍數選擇電路。
[0017]方案進一步是:所述微處理單元控制器有一個微處理器，微處理器連接有鍵盤、顯示器和無線信號輸入輸出處理器，微處理器數據控制輸出連接一個解碼電路，解碼電路輸出控制連接所述相位選擇開關電路，所述微處理器的數據線輸出連接所述放大倍數選擇電路。
[0018]本發明具有的有益效果是:消除了【背景技術】中的四點缺陷，可以實現高電壓下的電容介質損耗的模擬，模擬電阻不產生電能的損耗，可以在帶電的狀況下實現無觸點的切換，擴大了介質校正的範圍，工作安全、操作簡單；除了模擬電阻外，本發明實現了對電容的變化調整，將一個標準電容擴展為多個標準電容器。
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明作一詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為傳統電容介質損耗質損耗因數標準校正電路；
圖2為使用本發明電容介質虛擬裝置的介質損耗因數標準校正電路；
圖3為本發明電容介質虛擬裝置電路結構示意圖；
圖4為本發明帶電容量程擴展功能的電容介質虛擬裝置電路結構示意圖；
圖5為本發明電流取樣電路示意圖；
圖6為本發明移相電路不意圖；
圖7為本發明電容量程選擇電路示意圖。
【具體實施方式】
[0021]圖1示意的是一種傳統的電容介質損耗質損耗因數標準校正中由實際電阻組成的介質電路，從介損的原理我們可以知道，介損測試儀測量的就是被試品的電流信號與容性電流分量之間的夾角。電流的夾角即可改變tgS值。所以如圖2所示，本實施例採用了一種介質虛擬裝置代替實際的電阻，用電子移相電路來實現改變tgS的功能。為了得到模擬不同的模擬電容量，增加了調幅電路，通過改變輸出電流的大小來得到不同的電容量。
[0022]因此，本實施例一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置，如圖3所示，所述裝置包括電流取樣電路I，移相電路2、恆流輸出電路3和微處理單元控制器4 ;所述電流取樣電路用取樣電阻將流經標準電容器的電流轉換為電壓信號；移相電路與電壓信號連接，所述移相電路含有相位選擇開關電路，相位選擇開關電路由微處理單元控制器控制，相位選擇開關電路根據已知電阻值對應標準電容器電流的相位損耗角選擇通路將電壓信號進行移相，恆流輸出電路的輸出為介質虛擬裝置的模擬電流輸出；其中，所述裝置還包括一個應對不同標準電容器輸出電流變化的調幅電路5，調幅電路的輸入與移相電路的輸出連接，調幅電路輸出連接恆流輸出電路，所述微處理單元控制器控制連接調幅電路。
[0023]其中: 如圖5所示，所述電流取樣電路的輸入電流信號取自標準電容器C測量端對地的電流，用一個阻值較小的電阻(幾歐姆)作為取樣元件，本身消耗的功率極小，可以忽略不計。電阻兩端的電壓也極小，由於標準電容器性能近似為理想電容器，其電流與電壓夾角基本上為90度。此電流信號就作為本裝置的基本參考信號。
[0024]如圖6所示，所述移相電路即電子調相電路就是將輸出電流信號Ii根據不同的tg5設定值對應的相角進行移相，得到新的參考電流信號Ii』，後續輸出電流的相位以此信號為基準。不同的相角對應不同的tgS值。由於移相電路只是對信號做了處理，不產生實際損耗，檔位切換也是由電子開關來完成，無機械觸點，無安全隱患，還能遙控操作。
[0025]所述調幅電路是調節輸出電流1的大小，使得1=kX Ii K為調幅係數，這樣可以模擬不同的試品電容量，最終試品的電容量Cx=kXCn Cn為標準電容器的值。
[0026]所述恆流輸出電路輸出的是電流信號，對於不同的被檢介損測試裝置其輸入阻抗不定，所以本裝置採用的是恆流源輸出
實施例中:所述恆流輸出電路包括一個負反饋電路(誤差比較放大電路)，所述負反饋電路包括一個反饋運算放大器301，反饋運算放大器的輸出通過一個功率放大器302驅動一個恆流輸出變壓器303，恆流輸出變壓器輸出了介質虛擬裝置的輸出電流信號，其中，反饋運算放大器的正極輸入連接電壓調幅電路輸出，電流信號同時作為反饋連接反饋運算放大器的負極輸入用以保證調幅電路輸出變化等於電流信號的變化；保證輸出電流與參考的信號的幅值相位都一致。
[0027]實施例中:如圖4和圖7所示，所述恆流輸出電路還包括電容量程選擇電路，所述電容量程選擇電路包括:在所述恆流輸出變壓器輸出與電流信號之間設置有電壓比例輸出電路304，所述電壓比例輸出電路由多個相同阻值電阻和量程切換開關組成，多個電阻相互串聯後並聯至恆流輸出變壓器輸出兩端，量程切換開關的多個切入觸點分別連接至串聯電阻之間的節點，量程切換開關的公用觸點作為所述電流信號引出，在電流信號引出與運算放大器的負極之間設置有反饋信號放大比例調節電路305，所述反饋信號放大比例調節電路有一個比例運算放大器和放大比例開關電路組成，放大比例開關電路由多個電阻和反饋切換開關連接組成，反饋切換開關控制輸出的反饋信號放大比例與量程切換開關控制輸出的電壓輸出比例趨勢相反，例如量程向下調，則反饋向上放大，用以保證電流信號引出的是標準電容器電流的比例輸出，所述量程切換開關和反饋切換開關聯動。
[0028]實施例中:所述調幅電路包括一個比較運算放大器，比較運算放大器輸出連接恆流輸出電路，所述比較放大器含有一個放大倍數選擇電路，所述放大倍數選擇電路的放大倍數範圍保證所述模擬電流輸出符合裝置設定的工作電壓和電容量調節範圍。
[0029]實施例中:所述放大倍數選擇電路是由不同比例電阻組成的多級放大倍數選擇電路。
[0030]實施例中:所述放大倍數選擇電路是一個由數/模(D/A)轉換電路實現的無級放大倍數選擇電路。
[0031]實施例中:所述微處理單元控制器有一個微處理器，微處理器連接有鍵盤、顯示器和無線信號輸入輸出處理器，微處理器數據控制輸出連接一個解碼電路，解碼電路輸出控制連接所述相位選擇開關電路，所述微處理器的數據線輸出連接所述放大倍數選擇電路。
[0032]實施例中，電容量程選擇方法是:根據公式I=U coC可知，在加在電容上的電壓不變的前提下，電流與電容量成正比，首先在標準電容加上額定電壓，將量程轉換至最大，使用另一個相同的標準電容加相同電壓作為參考，調節調幅電路使輸出的電流與參考標準電容電容的電流相同，這是就可以根據比例關係向下調節電容量程開關設置不同的電容了。
[0033]本裝置的技術指標包括:
電流輸入範圍:0?1mA ；
電流輸出範圍:0?1A ;
輸出電流最大負載能力:10W ；
額定工作頻率:50Hz ；
模擬介質損耗調節範圍:0?0.5 ;
模擬介質損耗分32檔:
O ?0.0009-10 檔，0.001 ?0.009-9 檔，0.01 ?0.09-9 檔，0.1,0.2,0.3,0.5-4 檔；
模擬介質損耗誤差:± (0.5%讀數+0.0001)；
模擬電容量調節範圍=10pF?10nF ；
模擬電容量精度:± (0.2%讀數+0.5pF)。
【權利要求】
1.一種用於高電壓電容介質損耗因數標準校正的介質虛擬裝置，包括電流取樣電路，移相電路、恆流輸出電路和微處理單元控制器；所述電流取樣電路用取樣電阻將流經標準電容器的電流轉換為電壓信號；移相電路與電壓信號連接，所述移相電路含有相位選擇開關電路，相位選擇開關電路由微處理單元控制器控制，相位選擇開關電路根據已知電阻值對應標準電容器電流的相位損耗角選擇通路將電壓信號進行移相，恆流輸出電路的輸出為介質虛擬裝置的模擬電流輸出；其特徵在於，所述裝置還包括一個應對不同標準電容器輸出電流變化的調幅電路，調幅電路的輸入與移相電路的輸出連接，調幅電路輸出連接恆流輸出電路，所述微處理單元控制器控制連接調幅電路。
2.根據權利要求1所述的介質虛擬裝置，其特徵在於，所述恆流輸出電路包括一個負反饋電路，所述負反饋電路包括一個反饋運算放大器，反饋運算放大器的輸出驅動一個恆流輸出變壓器，恆流輸出變壓器輸出了介質虛擬裝置的輸出電流信號，其中，反饋運算放大器的正極輸入連接電壓調幅電路輸出，電流信號同時作為反饋連接反饋運算放大器的負極輸入用以保證調幅電路輸出變化等於電流信號的變化。
3.根據權利要求2所述的介質虛擬裝置，其特徵在於，所述恆流輸出電路還包括電容量程選擇電路，所述電容量程選擇電路包括:在所述恆流輸出變壓器輸出與電流信號之間設置的電壓比例輸出電路，所述電壓比例輸出電路由多個相同阻值電阻和量程切換開關組成，多個電阻相互串聯後並聯至恆流輸出變壓器輸出兩端，量程切換開關的多個切入觸點分別連接至串聯電阻之間的節點，量程切換開關的公用觸點作為所述電流信號引出，在電流信號引出與反饋運算放大器的負極之間設置有反饋信號放大比例調節電路，所述反饋信號放大比例調節電路由一個比例運算放大器和放大比例開關電路組成，放大比例開關電路由多個電阻和反饋切換開關連接組成，反饋切換開關控制輸出的反饋信號放大比例與量程切換開關控制輸出的電壓輸出比例趨勢相反，用以保證電流信號引出的是標準電容器的比例輸出，所述量程切換開關和反饋切換開關聯動。
4.根據權利要求1所述的介質虛擬裝置，其特徵在於，所述調幅電路包括一個比較運算放大器，比較運算放大器輸出連接恆流輸出電路，所述比較放大器含有一個放大倍數選擇電路，所述放大倍數選擇電路的放大倍數範圍保證所述模擬電流輸出符合裝置設定的工作電壓和電容量調節範圍。
5.根據權利要求4所述的介質虛擬裝置，其特徵在於，所述放大倍數選擇電路是由不同比例電阻組成的多級放大倍數選擇電路。
6.根據權利要求4所述的介質虛擬裝置，其特徵在於，所述放大倍數選擇電路是一個由數/模轉換電路實現的無級放大倍數選擇電路。
7.根據權利要求4所述的介質虛擬裝置，其特徵在於，所述微處理單元控制器有一個微處理器，微處理器連接有鍵盤、顯示器和無線信號輸入輸出處理器，微處理器數據控制輸出連接一個解碼電路，解碼電路輸出控制連接所述相位選擇開關電路，所述微處理器的數據線輸出連接所述放大倍數選擇電路。
【文檔編號】G01R35/00GK104345293SQ201410673662
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】張軍, 朱琦, 葉劍濤, 盧冰, 李偉, 付濟良, 李炯 申請人:國家電網公司, 國網安徽省電力公司電力科學研究院, 中國電力科學研究院, 上海思創電器設備有限公司