CN109375077B - 一种电气设备绝缘参数速测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电气设备绝缘参数速测装置与方法，该装置包括控制电路模块，和所述控制电路模块相连接的主电路模块；能够在与方法结合后，快速测算电气设备的绝缘参数，吸收比的测算耗时可由传统方法的60s缩短至10s内，极化指数的测算耗时可由传统方法的600s缩短至100s内，应用中由于测量耗时短，能够有效降低高压试验人员误碰装置测试端等带电体的概率，提高了试验的安全性，绝缘参数测量时触电事故的发生的概率降低至现有技术的1/6；高压电源的反馈控制技术使得测量电压更加稳定，测量结果更为精准；本发明采用计算法得到绝缘参数，可选取多组采样时刻，分别计算求解，利用求平均值的数值算法，可将试验误差减小至0.15%以内，使测量结果的精确度得到提高。

Description

一种电气设备绝缘参数速测装置与方法

技术领域

本发明涉及电气设备绝缘参数技术领域，具体涉及一种电气设备绝缘参数速测装置与方法。

背景技术

电气设备的绝缘电阻是反映其绝缘状态最简便、最基本的方法，高压试验中通过测量设备绝缘电阻，能有效地发现设备绝缘局部或整体受潮和脏污，以及绝缘击穿和严重过热老化等缺陷。在工程上，由绝缘电阻计算得到的吸收比K(60s绝缘电阻值R_60s与15s绝缘电阻R_15s之比)或极化指数PI(600s绝缘电阻值R_600s与60s绝缘电阻R_60s之比)也是判断设备绝缘是否受潮的重要指标，因K和PI均为同一试品的两个绝缘电阻之比，与电气设备绝缘的尺寸无关，故更有利于判断绝缘状态。绝缘电阻、吸收比和极化指数都是电气设备重要的绝缘参数。

通常采用在被试绝缘两端施加一定直流电压，测量流过被试绝缘泄漏电流的方法，计算绝缘电阻、吸收比或极化指数。变压器、发电机、电容器及充油电流互感器等许多电气设备的绝缘都是多层的，直流电压下电气设备绝缘的等效电路可用图1所示的模型来表示。

图1由三个并联支路构成，R_x代表绝缘材料的绝缘电阻，在直流电压作用下，支路电流i_x是导电粒子形成的泄露电流，反映绝缘材料体积漏电情况，该电流较为稳定，只要施加的直流电压U不变，i_x即为恒定值；串联的电阻R_q和电容C_q代表绝缘材料因不均匀、分层和脏污等因素作用下的等值参数，当直流电压开始作用时，支路电流i_q是由夹层极化和偶极子极化形成的吸收电流，根据电介质性质、不均匀程度和结构的不同，可持续几分钟甚至数小时；C₀代表绝缘材料的几何电容，当直流电压开始作用时，支路电流i₀为电子和离子快速极化形成的充电电流，持续时间为微秒级，衰减速度很快，图2示出在直流电压作用下绝缘材料中电流随时间的变化曲线，由此可见，当直流电压作用时，流过绝缘材料的电流i为上述三部分电流之和，即

i＝i_x+i_q+i₀ (1)

对于变压器等大容量电气，测量绝缘参数时吸收现象明显，吸收电流i_q持续很长时间才趋近于零，测量绝缘参数耗时较长，如何在短时间内得到被试绝缘的绝缘参数，是大容量电气设备绝缘参数测量的迫切需求。本发明提出一种通过采样法快速测算电气设备绝缘参数的装置和方法，可有效缩短绝缘参数测量耗时，提高工作效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电气设备绝缘参数速测装置与方法，能够有效缩短绝缘参数测量的耗时，提高试验安全性，且测量结果更为精准，并提高了测量精度。

为实现上述目的，本发明提供一种电气设备绝缘参数速测装置，包括控制电路模块，和所述控制电路模块相连接的主电路模块；

所述主电路模块包括直流电源的正输入端接蓄电池的正极，直流电源的负输入端接蓄电池的负极，功率开关管S₁的漏极接蓄电池的正极，功率开关管S₁的源极接功率开关管S₃的漏极，功率开关管S₃的源极接蓄电池的负极，功率开关管S₂的漏极接功率开关管S₁的漏极，功率开关管S₂的源极接功率开关管S₄的漏极，功率开关管S₄的源极接功率开关管S₃的源极，变压器T原边的a1端子接功率开关管S₁的源极，变压器T原边的b1端子接功率开关管S₂的源极，变压器T副边的a2端子接二极管D₁的阴极，变压器T副边的b2端子接二极管D₂的阴极，二极管D₂的阴极接二极管D₄的阳极，二极管D₁的阳极接二极管D₂的阳极，二极管D₁的阴极接二极管D₃的阳极，二极管D₃的阴极接二极管D₄的阴极，电感L的a3端子接二极管D₃的阴极，电感L的b3端子接电阻R₂的b5端子，电阻R₂的a5端子接电位器R₁的b4端子，电位器R₁的a4端子接二极管D₁的阳极，电位器R₁的滑动触头端引出高压电源采样信号u_S，电阻R₀的b0端子接电位器R₁的a4端子，电阻R₀的a0端子引出测量采样信号u₀，电阻R₀的a0端子、电阻R₂的b5端子分别用于接被试绝缘的两端。

所述控制电路模块包括控制器、键盘、显示屏和PWM驱动电路，键盘、显示屏和PWM驱动电路均与控制器相连，主电路模块得到的高压电源采样信号u_S以及测量采样信号u₀直接输入控制器，PWM驱动电路输出接功率开关管S₁栅极、功率开关管S₂栅极、功率开关管S₃栅极和功率开关管S₄栅极。

所述蓄电池为+12V磷酸铁锂电池，所述直流电源为LM7805芯片构成，功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃和功率开关管S₄均选用电力MOSFET，变压器T采用变比为1:500的高频变压器。

控制器采用STC12C5A60S2单片机及其外围的定时、复位电路实现，键盘采用4×4矩阵键盘，显示屏选用Nokia5110液晶屏，PWM驱动电路采用MOS管驱动芯片IR2110构成。

一种电气设备绝缘参数速测的方法，首先，对被试绝缘施加测量电压U，并在在t₁、t₂和t₃时刻(t₃＞t₂＞t₁＞100ms)，分别对u₀进行采样，计算得到的测量回路电流i依次记为I₁、I₂与I₃，由于i₀衰减时间为微秒级，因此进行三次电流采样时，i₀已衰减为零，可忽略不计，结合一阶RC电路零状态响应的电流表达式，结合式(1)可得测量回路电流i的表达式为

将t₁、t₂和t₃时刻的测量回路电流依次代入式(2)，可得如下方程式

方程式(3)、(4)、(5)均为超越方程，通过三式联立消元，可求解R_x、R_q和C_q，将式(3)、(4)、(5)变形可得

式(6)除以式(7)可得

式(7)除以式(8)可得

将式(9)左右两边均作指数为的乘方运算，可得

联立式(10)与式(11)可得

对式(12)进行变形可得

由于式(13)是以R_x为未知数的方程，为求解方便，等式两边指数相等，即满足t₃-t₂＝t₂-t₁时最有利于求解，也就是说对第一次采样时刻t₁没有特殊要求，只要第三次采样时刻t₃、第二次采样时刻t₂和第二次采样时刻t₂、第一次采样时刻t₁等差即可，此时

(I₂R_x-U)²＝(I₃R_x-U)(I₁R_x-U) (14)

求解式(14)可得R_x表达式为

将式(6)左右两边均作指数为的乘方运算，可得

联立式(7)与式(16)可得

由式(17)可得

将式(15)代入式(18)即可得到R_q表达式；

由式(6)可得

将式(15)、式(18)代入式(19)，即求得C_q的表达式；

综上所述，在保证t₁、t₂和t₃满足t₃-t₂＝t₂-t₁的前提下，对u₀进行三次采样，计算得到测量回路电流值I₁、I₂和I₃，将其顺次代入式(15)、式(18)和式(19)，即可求得R_x、R_q和C_q的数值；将R_x、R_q和C_q代入式(2)，即可得到i(t)的表达式，根据欧姆定律，可得电气设备的绝缘电阻R随t变化的函数关系为

R(t)＝U/i(t) (20)

将t＝15s、t＝60s和t＝600s代入式(20)，可求出R_15s、R_60s和R_600s，最后求得吸收比K和极化指数PI。

本发明采用的蓄电池用于向装置提供工作电源，直流电源将蓄电池的+12V直流电能转变为+5V低压直流，作为控制电路的电源，功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃和功率开关管S₄构成桥式全控逆变电路，用于将低压直流转变为高频低压交流，变压器T将高频低压交流转变为高频高压交流，二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃和二极管D₄构成不可控全桥整流电路，用于将高频高压交流转变为高压直流，电感L用于储能和滤波，电位器R₁与电阻R₂构成高压电源采样电路，高压电源采样信号u_S作为反馈信号输入控制器，电阻R₀与被试绝缘共同构成测量回路，对电阻R₀的a0端子进行电压采样，将得到采样信号u₀输入控制器，通过欧姆定律计算得到测量回路电流，即i＝u₀/R₀。

另外，控制电路中键盘用于向控制器输入测量电压U，控制器根据该电压输出一定占空比的PWM信号给PWM驱动电路，之后根据采样信号u_S对PWM的占空比进行适时调整,构成反馈控制环节，使测量回路的测量电压在误差允许范围内保持U，控制器对采样信号u₀进行运算处理，计算被试绝缘的绝缘参数，显示屏用于显示测量电压和所测得的绝缘参数信息。

本发明能够快速测算电气设备的绝缘参数，吸收比K的测算耗时可由传统方法的60s缩短至10s内，极化指数PI的测算耗时可由传统方法的600s缩短至100s内，大幅提高工作效率。本发明在应用中由于测量耗时短，能够有效降低高压试验人员误碰装置测试端等带电体的概率，提高了试验的安全性，绝缘参数测量时触电事故的发生的概率降低至现有技术的1/6。高压电源的反馈控制技术使得测量电压更加稳定，测量结果更为精准。本发明通过信号采样，快速计算出被试绝缘的参数，因测量耗时短，所以更加节能，装置续航能力为传统数字兆欧表的5倍以上。本发明采用计算法得到绝缘参数，可选取多组采样时刻，分别计算求解，利用求平均值的数值算法，可将试验误差减小至0.15％以内，使测量结果的精确度得到提高。

附图说明

图1为本发明背景技术中电气设备绝缘的等效电路；

图2为本发明背景技术中直流电压作用下绝缘材料中电流随时间的变化曲线；

图3为本发明主电路原理示意图；

图4为本发明控制原理示意图；

图5为本发明MATLAB仿真模型；

图6为本发明高压电源的输入图；

图7为本发明的MATLAB仿真实验结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图3-7，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种电气设备绝缘参数速测装置，包括控制电路模块，和所述控制电路模块相连接的主电路模块；

所述主电路模块包括直流电源1的正输入端接蓄电池的正极，直流电源的负输入端接蓄电池的负极，功率开关管S₁的漏极接蓄电池的正极，功率开关管S₁的源极接功率开关管S₃的漏极，功率开关管S₃的源极接蓄电池的负极，功率开关管S₂的漏极接功率开关管S₁的漏极，功率开关管S₂的源极接功率开关管S₄的漏极，功率开关管S₄的源极接功率开关管S₃的源极，变压器T原边的a1端子接功率开关管S₁的源极，变压器T原边的b1端子接功率开关管S₂的源极，变压器T副边的a2端子接二极管D₁的阴极，变压器T副边的b2端子接二极管D₂的阴极，二极管D₂的阴极接二极管D₄的阳极，二极管D₁的阳极接二极管D₂的阳极，二极管D₁的阴极接二极管D₃的阳极，二极管D₃的阴极接二极管D₄的阴极，电感L的a3端子接二极管D₃的阴极，电感L的b3端子接电阻R₂的b5端子，电阻R₂的a5端子接电位器R₁的b4端子，电位器R₁的a4端子接二极管D₁的阳极，电位器R₁的滑动触头端引出高压电源采样信号u_S，电阻R₀的b0端子接电位器R₁的a4端子，电阻R₀的a0端子引出测量采样信号u₀，电阻R₀的a0端子、电阻R₂的b5端子分别用于接被试绝缘的两端。

所述控制电路模块包括控制器、键盘、显示屏和PWM驱动电路，键盘、显示屏和PWM驱动电路均与控制器相连，主电路模块得到的高压电源采样信号u_S以及测量采样信号u₀直接输入控制器，PWM驱动电路输出接功率开关管S₁栅极、功率开关管S₂栅极、功率开关管S₃栅极和功率开关管S₄栅极。

所述蓄电池为+12V磷酸铁锂电池，所述直流电源为LM7805芯片构成，功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃和功率开关管S₄均选用电力MOSFET，变压器T采用变比为1:500的高频变压器。

控制器采用STC12C5A60S2单片机及其外围的定时、复位电路实现，键盘采用4×4矩阵键盘，显示屏选用Nokia5110液晶屏，PWM驱动电路采用MOS管驱动芯片IR2110构成。

一种电气设备绝缘参数速测的方法，首先，对被试绝缘施加测量电压U，并在在t₁、t₂和t₃时刻(t₃＞t₂＞t₁＞100ms)，分别对u₀进行采样，计算得到的测量回路电流i依次记为I₁、I₂与I₃，由于i₀衰减时间为微秒级，因此进行三次电流采样时，i₀已衰减为零，可忽略不计，结合一阶RC电路零状态响应的电流表达式，结合式(1)可得测量回路电流i的表达式为

将t₁、t₂和t₃时刻的测量回路电流依次代入式(2)，可得如下方程式

方程式(3)、(4)、(5)均为超越方程，通过三式联立消元，可求解R_x、R_q和C_q，将式(3)、(4)、(5)变形可得

式(6)除以式(7)可得

式(7)除以式(8)可得

将式(9)左右两边均作指数为的乘方运算，可得

联立式(10)与式(11)可得

对式(12)进行变形可得

由于式(13)是以R_x为未知数的方程，为求解方便，等式两边指数相等，即满足t₃-t₂＝t₂-t₁时最有利于求解，也就是说对第一次采样时刻t₁没有特殊要求，只要第三次采样时刻t₃、第二次采样时刻t₂和第二次采样时刻t₂、第一次采样时刻t₁等差即可，此时

(I₂R_x-U)²＝(I₃R_x-U)(I₁R_x-U) (14)

求解式(14)可得R_x表达式为

将式(6)左右两边均作指数为的乘方运算，可得

联立式(7)与式(16)可得

由式(17)可得

将式(15)代入式(18)即可得到R_q表达式；

由式(6)可得

将式(15)、式(18)代入式(19)，即求得C_q的表达式；

综上所述，在保证t₁、t₂和t₃满足t₃-t₂＝t₂-t₁的前提下，对u₀进行三次采样，计算得到测量回路电流值I₁、I₂和I₃，将其顺次代入式(15)、式(18)和式(19)，即可求得R_x、R_q和C_q的数值；将R_x、R_q和C_q代入式(2)，即可得到i(t)的表达式，根据欧姆定律，可得电气设备的绝缘电阻R随t变化的函数关系为

R(t)＝U/i(t) (20)

将t＝15s、t＝60s和t＝600s代入式(20)，可求出R_15s、R_60s和R_600s，最后求得吸收比K和极化指数PI。

为验证该方法理论上的正确性，作为本发明的进一步具体实施例，在MATLAB软件的Simulink功能模块中搭建仿真模型。如图5所示，三相交流电源均为2886VAC、50Hz，经整流模块整流，再经电容C滤波，如图6所示，输出5000VDC直流作为高压电源，三个支路中，R_x＝180GΩ，R_q＝10GΩ，C_q＝1.2nF，C_q初始电压为零，C₀＝1.2×10^-3nF，形成吸收电流i_q的支路时间常数为τ＝R_q·C_q＝12s，理论上需经过无限长的时间后i_q才能衰减为零值，但工程上一般认为经过3τ:5τ吸收过程即结束，该模型中仿真结束时间设置为120s，仿真实验结果如图7所示。

从图7可以看出，高压直流电源保持5000VDC，在直流电压作用下，流过绝缘材料的电流i呈现指数衰减，60s时衰减过程基本结束。在MATLAB生成的实验数据阵列中，随机抽取10组时间数据，每组3个时间点并保证t₁、t₂和t₃满足t₃-t₂＝t₂-t₁，分别记录30个时间点对应的采样电流数据，根据式(15)、式(18)和式(19)分别计算每组时间数据对应的R_x、R_q和C_q数值，如表1所示。

表1仿真实验计算结果

由表1可得，R_x平均值为179.7670GΩ，仿真模型中R_x＝180GΩ，实验误差为0.13％；R_q平均值为10.0004GΩ，仿真模型中R_q＝10GΩ，实验误差为0.004％；C_q平均值为1.1998nF，仿真模型中C_q＝1.2nF，实验误差为0.02％，由此可见，根据采样电流计算出的绝缘参数误差极其微小，说明该方法是正确的。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电气设备绝缘参数速测装置，其特征在于：包括控制电路模块，和所述控制电路模块相连接的主电路模块；

所述主电路模块包括直流电源的正输入端接蓄电池的正极，直流电源的负输入端接蓄电池的负极，功率开关管S₁的漏极接蓄电池的正极，功率开关管S₁的源极接功率开关管S₃的漏极，功率开关管S₃的源极接蓄电池的负极，功率开关管S₂的漏极接功率开关管S₁的漏极，功率开关管S₂的源极接功率开关管S₄的漏极，功率开关管S₄的源极接功率开关管S₃的源极，变压器T原边的a1端子接功率开关管S₁的源极，变压器T原边的b1端子接功率开关管S₂的源极，变压器T副边的a2端子接二极管D₁的阴极，变压器T副边的b2端子接二极管D₂的阴极，二极管D₂的阴极接二极管D₄的阳极，二极管D₁的阳极接二极管D₂的阳极，二极管D₁的阴极接二极管D₃的阳极，二极管D₃的阴极接二极管D₄的阴极，电感L的a3端子接二极管D₃的阴极，电感L的b3端子接电阻R₂的b5端子，电阻R₂的a5端子接电位器R₁的b4端子，电位器R₁的a4端子接二极管D₁的阳极，电位器R₁的滑动触头端引出高压电源采样信号u_S，电阻R₀的b0端子接电位器R₁的a4端子，电阻R₀的a0端子引出测量采样信号u₀，电阻R₀的a0端子、电阻R₂的b5端子分别用于接被试绝缘的两端；所述控制电路模块包括控制器、键盘、显示屏和PWM驱动电路，键盘、显示屏和PWM驱动电路均与控制器相连，主电路模块得到的高压电源采样信号u_S以及测量采样信号u₀直接输入控制器，PWM驱动电路输出接功率开关管S₁栅极、功率开关管S₂栅极、功率开关管S₃栅极和功率开关管S₄栅极；

电位器R₁与电阻R₂构成高压电源采样电路，高压电源采样信号u_S作为反馈信号输入控制器，电阻R₀与被试绝缘共同构成测量回路，对电阻R₀的a0端子进行电压采样，将得到采样信号u₀输入控制器；键盘用于向控制器输入测量电压U，控制器根据该电压输出一定占空比的PWM信号给PWM驱动电路，之后根据采样信号u_S对PWM的占空比进行适时调整，构成反馈控制环节，使测量回路的测量电压在误差允许范围内保持U，控制器对采样信号u₀进行运算处理，计算被试绝缘的绝缘参数，显示屏用于显示测量电压和所测得的绝缘参数信息；

利用所述装置进行电气设备绝缘参数速测的方法，包括以下步骤：

对被试绝缘施加测量电压U，流过被试绝缘的电流i为

i＝i_x+i_q+i₀ (1)，

式中，i_x是泄露电流，i_q是吸收电流，i₀为充电电流，

并在t₁、t₂和t₃时刻，t₃＞t₂＞t₁＞100ms，分别对u₀进行采样，计算得到的测量回路电流i依次记为I₁、I₂与I₃，由于i₀衰减时间为微秒级，因此进行三次电流采样时，i₀已衰减为零，可忽略不计，结合一阶RC电路零状态响应的电流表达式和式(1)，可得测量回路电流i的表达式为

式中，R_x表示绝缘材料的绝缘电阻，电阻R_q和电容C_q表示吸收电流等值电路；

将t₁、t₂和t₃时刻的测量回路电流依次代入式(2)，可得如下方程式

方程式(3)、(4)、(5)均为超越方程，通过三式联立消元，可求解R_x、R_q和C_q，将式(3)、(4)、(5)变形可得

式(6)除以式(7)可得

式(7)除以式(8)可得

将式(9)左右两边均作指数为的乘方运算，可得

联立式(10)与式(11)可得

对式(12)进行变形可得

由于式(13)是以R_x为未知数的方程，为求解方便，等式两边指数相等，即满足t₃-t₂＝t₂-t₁时最有利于求解，也就是说对第一次采样时刻t₁没有特殊要求，只要第三次采样时刻t₃、第二次采样时刻t₂和第二次采样时刻t₂、第一次采样时刻t₁等差即可，此时

(I₂R_x-U)²＝(I₃R_x-U)(I₁R_x-U) (14)

求解式(14)可得R_x表达式为

将式(6)左右两边均作指数为的乘方运算，可得

联立式(7)与式(16)可得

由式(17)可得

将式(15)代入式(18)即可得到R_q表达式；

由式(6)可得

将式(15)、式(18)代入式(19)，即求得C_q的表达式；

综上所述，在保证t₁、t₂和t₃满足t₃-t₂＝t₂-t₁的前提下，对u₀进行三次采样，计算得到测量回路电流值I₁、I₂和I₃，将其顺次代入式(15)、式(18)和式(19)，即可求得R_x、R_q和C_q的数值；将R_x、R_q和C_q代入式(2)，即可得到i(t)的表达式，根据欧姆定律，可得电气设备的绝缘电阻R随t变化的函数关系为

R(t)＝U/i(t) (20)

将t＝15s、t＝60s和t＝600s代入式(20)，可求出R_15s、R_60s和R_600s，最后求得吸收比K和极化指数PI。

2.如权利要求1所述的电气设备绝缘参数速测装置，其特征在于：所述蓄电池为+12V磷酸铁锂电池，所述直流电源为LM7805芯片构成，功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃和功率开关管S₄均选用电力MOSFET，变压器T采用变比为1：500的高频变压器。

3.如权利要求2所述的电气设备绝缘参数速测装置，其特征在于：控制器采用STC12C5A60S2单片机及其外围的定时、复位电路实现，键盘采用4×4矩阵键盘，显示屏选用Nokia5110液晶屏，PWM驱动电路采用MOS管驱动芯片IR2110构成。