杜承東，朱永欣，朱 鵬

（1.海軍駐上海滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 200001；2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

基于變頻法的絕緣檢測系統(tǒng)設(shè)計

杜承東1，朱永欣2，朱 鵬2

（1.海軍駐上海滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 200001；2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

設(shè)計了一套基于變頻法的介質(zhì)損耗測量原理樣機，對裝置的高壓變頻信號源、高壓端信號取樣和隔離變換、直流穩(wěn)壓電源、單片機控制采樣測量等主要電路進行了分析和設(shè)計。原理樣機的實驗表明，所設(shè)計的裝置有助于評估電氣設(shè)備的絕緣情況。

介質(zhì)損耗 變頻測量 單片機

0 引言

電氣設(shè)備的絕緣試驗主要有兩種，耐壓試驗和檢查性試驗，統(tǒng)稱預(yù)防性試驗，而設(shè)備絕緣存在的問題常需要對各試驗項目結(jié)果綜合分析得到，絕緣故障大多因內(nèi)在缺陷引起，有些產(chǎn)生于制造過程，另一些產(chǎn)生于設(shè)備在運行過程中受到的環(huán)境影響。進行測量要針對絕緣介質(zhì)的特性參數(shù)，相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)是兩個重要的性能指標(biāo)。高頻絕緣和高壓絕緣往往要求材料具有較小的介質(zhì)損耗因數(shù)，因為介質(zhì)內(nèi)部的功率損耗與頻率和電壓的平方成正比。此外，測定介質(zhì)損耗因數(shù)還可以判斷材料含濕量、老化等其他方面的性能，工程中常用介電頻譜或溫度譜結(jié)合介質(zhì)損耗因數(shù)來研究絕緣材料。

本文設(shè)計了一套介質(zhì)損耗因數(shù)的測量計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過變頻法測量并計算材料介質(zhì)損耗因數(shù)，從而評估材料的絕緣性能。

1 介質(zhì)損耗計算原理

在交流電場作用下，常用介質(zhì)損耗因數(shù)來表示絕緣介質(zhì)的絕緣特性。介質(zhì)損耗因數(shù)是介質(zhì)損耗角的正切，損耗角是施加在電介質(zhì)上的電壓和電流夾角的余角。將兩種頻率的實驗用電源分別加載被測設(shè)備的測量回路中，分別采樣對應(yīng)頻率電壓和電流信號，用數(shù)字濾波器對采樣序列濾波后通過傅立葉變換求出幅值相位，從而計算介質(zhì)損耗因數(shù)。

介質(zhì)損耗因數(shù)定義式為（1）式。由電阻和電容并聯(lián)模型可知介質(zhì)損耗因數(shù)為式（2）。

其中ω為工頻 50 Hz，Rx為等效模型中的電阻，Cx為等效模型中的并聯(lián)電容。由測量與傅立葉變換可以得出通過并聯(lián)模型的電壓U和電流I的幅值，帶入式（3）可以得出Rx和Cx。

由于f是可調(diào)的，25Hz和12.5Hz，經(jīng)過兩次采樣得到兩組電壓和電流值，可列寫方程如式（4）。

不妨設(shè)

2 介質(zhì)損耗測量系統(tǒng)設(shè)計

完整的控制裝置如圖2a所示，它由信號源、電源、信號取樣和單片機控制器等模塊組成。裝置的原理框圖如圖2b。

2.1高壓變頻信號源模塊

裝置采用的處理器是C8051f040單片機，片內(nèi)自帶了兩個12位的D/A轉(zhuǎn)換器，利用片內(nèi)的定時器還可以實現(xiàn)正弦波形頻率的精確調(diào)整。因此本方案采用單片機自帶的D/A轉(zhuǎn)換器進行頻率可調(diào)正弦波形的輸出，見圖3。

2.2高壓端信號取樣和隔離變換模塊

為測量 uA級的微弱電流，選用高精度的運算放大電路ICL7650將電流放大。這一電路有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點，見圖 4。電壓信號則選用簡便易調(diào)的電阻分壓法采集。

2.3直流穩(wěn)壓電源模塊

由于測量功率不大，因此穩(wěn)壓電路直接采用了 L78，L79系列集成穩(wěn)壓芯片，分別提供正負12V和正負5V的直流電壓，見圖5a；其具體電路原理如圖5b所示。將L7805和L7905替換成L7812和L7912，即可提供正負12 V電源。

2.4單片機采樣測量模塊

本裝置以單片機C8051F040為控制、計算中心。片內(nèi)A/D采用雙通道差分方式分別進行電壓和電流的采集，片內(nèi)D/A采用了定時器2溢出時更新的方式，保證了產(chǎn)生波形頻率的準(zhǔn)確性，實物見圖6。

3 系統(tǒng)實驗

本文采用如圖的裝置對船用電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)進行了測量。由于測量裝置要得到頻率可調(diào)且準(zhǔn)確穩(wěn)定的正弦信號，因此必須消除消除中斷延遲不同和指令執(zhí)行時間不同對輸出時序的影響，所以裝置采用定時器2溢出時輸出更新，得到波形如圖7。

采集的對象分別是電流和電壓，采用了雙通道的方式輪流對電流和電壓進行采樣，每個通道工作在差分方式，并將采出來的電壓和電流離散值保存在單片機的XRAM內(nèi)，通過串口通信的方式將的得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機內(nèi)，并用Matlab軟件對所得數(shù)據(jù)進行了幅頻特性分析，得到曲線如圖8。

為模擬電纜老化受潮，電纜端部2分鐘泡水處理，最終得到介質(zhì)損耗因數(shù)為:

實驗結(jié)果表明，電纜泡水時間越長，介質(zhì)損耗越大。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一套絕緣損耗測量裝置的原理樣機，采用變頻法與傅立葉變換相結(jié)合的信號處理方法。設(shè)計并制作了高壓變頻信號源模塊、高壓端信號取樣和隔離變換模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和單片機采樣測量模塊的電路，組裝并進行測試。以泡水的電纜為被測對象、不同的泡水時長為對照進行實驗，提取了輸出信號波形作傅立葉變換，借助介質(zhì)損耗模型進行計算。結(jié)果表明，電纜的絕緣損耗隨浸水時間延長而增加，所設(shè)計的裝置能排除工頻干擾，測量電氣設(shè)備的絕緣狀況。

［1]潘琢金.C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信號 ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊.沈陽：沈陽航空工程學(xué)院，2004.

［2]楊剛，龍海燕.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［3]肖洪兵.80C51嵌入式系統(tǒng)教程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4]Donald A. Electronic circuit analysis and design. 2nd ed. McGraw-Hill Companixes inc.，2001.

［5]李明東. 基于C8051F040單片機的介質(zhì)損耗變頻測量儀的設(shè)計.電力自動化設(shè)備，2006，26（9）.

Design of Insulation Detection System with Frequency Variation Method

Du Chengdong1， Zhu Yongxin2，Zhu Peng2
（1.Naval Representatives Office in Hudong Shipbuilding co.， Shanghai 200001， China； 2. Naval University of Engineering，Wuhan 430033， China）

A set of dielectric loss measuring principle prototype is designed by frequency variation method，and main circuit of high-voltage variable frequency signal source module， signal sampling and isolation module in high-voltage end， DC stable voltage source module， single chip control module are analyzed. The experimental results show that the prototype can be used in insulation assessment.

dielectric loss； frequency conversion measurement； single chip

TM933

A

1003-4862（2016）07-0050-03

2016-03-15

杜承東（1977-），男，工程師。研究方向：艦船裝備制造，機電管理。