基于变频法的绝缘检测系统设计

杜承东，朱永欣，朱 鹏

（1.海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200001；2.海军工程大学电气工程学院，武汉430033）

基于变频法的绝缘检测系统设计

杜承东1，朱永欣2，朱 鹏2

（1.海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200001；2.海军工程大学电气工程学院，武汉430033）

设计了一套基于变频法的介质损耗测量原理样机，对装置的高压变频信号源、高压端信号取样和隔离变换、直流稳压电源、单片机控制采样测量等主要电路进行了分析和设计。原理样机的实验表明，所设计的装置有助于评估电气设备的绝缘情况。

介质损耗 变频测量 单片机

0 引言

电气设备的绝缘试验主要有两种，耐压试验和检查性试验，统称预防性试验，而设备绝缘存在的问题常需要对各试验项目结果综合分析得到，绝缘故障大多因内在缺陷引起，有些产生于制造过程，另一些产生于设备在运行过程中受到的环境影响。进行测量要针对绝缘介质的特性参数，相对介电常数和介质损耗因数是两个重要的性能指标。高频绝缘和高压绝缘往往要求材料具有较小的介质损耗因数，因为介质内部的功率损耗与频率和电压的平方成正比。此外，测定介质损耗因数还可以判断材料含湿量、老化等其他方面的性能，工程中常用介电频谱或温度谱结合介质损耗因数来研究绝缘材料。

本文设计了一套介质损耗因数的测量计算系统，该系统可以通过变频法测量并计算材料介质损耗因数，从而评估材料的绝缘性能。

1 介质损耗计算原理

在交流电场作用下，常用介质损耗因数来表示绝缘介质的绝缘特性。介质损耗因数是介质损耗角的正切，损耗角是施加在电介质上的电压和电流夹角的余角。将两种频率的实验用电源分别加载被测设备的测量回路中，分别采样对应频率电压和电流信号，用数字滤波器对采样序列滤波后通过傅立叶变换求出幅值相位，从而计算介质损耗因数。

介质损耗因数定义式为（1）式。由电阻和电容并联模型可知介质损耗因数为式（2）。

其中ω为工频 50 Hz，Rx为等效模型中的电阻，Cx为等效模型中的并联电容。由测量与傅立叶变换可以得出通过并联模型的电压U和电流I的幅值，带入式（3）可以得出Rx和Cx。

由于f是可调的，25Hz和12.5Hz，经过两次采样得到两组电压和电流值，可列写方程如式（4）。

不妨设

2 介质损耗测量系统设计

完整的控制装置如图2a所示，它由信号源、电源、信号取样和单片机控制器等模块组成。装置的原理框图如图2b。

2.1高压变频信号源模块

装置采用的处理器是C8051f040单片机，片内自带了两个12位的D/A转换器，利用片内的定时器还可以实现正弦波形频率的精确调整。因此本方案采用单片机自带的D/A转换器进行频率可调正弦波形的输出，见图3。

2.2高压端信号取样和隔离变换模块

为测量 uA级的微弱电流，选用高精度的运算放大电路ICL7650将电流放大。这一电路有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点，见图 4。电压信号则选用简便易调的电阻分压法采集。

2.3直流稳压电源模块

由于测量功率不大，因此稳压电路直接采用了 L78，L79系列集成稳压芯片，分别提供正负12V和正负5V的直流电压，见图5a；其具体电路原理如图5b所示。将L7805和L7905替换成L7812和L7912，即可提供正负12 V电源。

2.4单片机采样测量模块

本装置以单片机C8051F040为控制、计算中心。片内A/D采用双通道差分方式分别进行电压和电流的采集，片内D/A采用了定时器2溢出时更新的方式，保证了产生波形频率的准确性，实物见图6。

3 系统实验

本文采用如图的装置对船用电缆的介质损耗因数进行了测量。由于测量装置要得到频率可调且准确稳定的正弦信号，因此必须消除消除中断延迟不同和指令执行时间不同对输出时序的影响，所以装置采用定时器2溢出时输出更新，得到波形如图7。

采集的对象分别是电流和电压，采用了双通道的方式轮流对电流和电压进行采样，每个通道工作在差分方式，并将采出来的电压和电流离散值保存在单片机的XRAM内，通过串口通信的方式将的得到的数据发送到计算机内，并用Matlab软件对所得数据进行了幅频特性分析，得到曲线如图8。

为模拟电缆老化受潮，电缆端部2分钟泡水处理，最终得到介质损耗因数为:

实验结果表明，电缆泡水时间越长，介质损耗越大。

4 结论

本文设计了一套绝缘损耗测量装置的原理样机，采用变频法与傅立叶变换相结合的信号处理方法。设计并制作了高压变频信号源模块、高压端信号取样和隔离变换模块、直流稳压电源模块和单片机采样测量模块的电路，组装并进行测试。以泡水的电缆为被测对象、不同的泡水时长为对照进行实验，提取了输出信号波形作傅立叶变换，借助介质损耗模型进行计算。结果表明，电缆的绝缘损耗随浸水时间延长而增加，所设计的装置能排除工频干扰，测量电气设备的绝缘状况。

［1]潘琢金.C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信号 ISP FLASH微控制器数据手册.沈阳：沈阳航空工程学院，2004.

［2]杨刚，龙海燕.嵌入式系统设计与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［3]肖洪兵.80C51嵌入式系统教程.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

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

［5]李明东. 基于C8051F040单片机的介质损耗变频测量仪的设计.电力自动化设备，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

杜承东（1977-），男，工程师。研究方向：舰船装备制造，机电管理。