一种用于高电压电容介质损耗因数标准校正的介质虚拟装置

摘要

本发明公开了一种用于高电压电容介质损耗因数标准校正的介质虚拟装置，包括电流取样电路，移相电路、恒流输出电路和微处理单元控制器；其中，所述装置还包括一个应对不同标准电容器输出电流变化的调幅电路，调幅电路的输入与移相电路的输出连接，调幅电路输出连接恒流输出电路，所述微处理单元控制器控制连接调幅电路。本发明可以实现高电压下的电容介质损耗的模拟，模拟电阻不产生电能的损耗，可以在带电的状况下实现无触点的切换，扩大了介质校正的范围，工作安全、操作简单；除了模拟电阻外，本发明还实现了对电容的变化调整，将一个标准电容扩展为多个标准电容器。

说明书

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，特别涉及一种用于高电压电容介质损耗因数标准校正的介质虚拟装置。

背景技术

当电容施加交流电压后，产生的有功损耗称为介质损耗，理想的电容施加交流电压后，流过电容器的电流与电压是成90度角，当电容器有损耗的时，流过电容器的电流与电压的夹角会小于90度，此时与理想的电容电流Ic之间的夹角δ称之为损耗角，其正切值即为介质损耗因素（tgδ）。

目前的标准损耗器都是采用串联模型的结构，如图1所示，是用一台标准电容器C（接近理想的电容器）与一个电阻器R串联来实现不同的介质损耗因素值。串联模型下的介质损耗因素（tgδ）计算公式：

                        tgδ=ωRC

在工作频率一定，电容C一定的情况下，介质损耗因素的大小与串联的电阻成正比。通过改变R的大小可以改变试品电流与电压之间的夹角，以得到不同的介损值。传统的介损标准器就是采用的此方法实现的。

传统方式的缺陷是：

1、串联电阻上消耗的功率大，串联电阻的上消耗的功率P≈（UωC）²×R      （注：通常电容的容抗远大于R）

在电容量一定的情况下，电阻上消耗的功率与试验电压和串联电阻大小成正比的。也就是试验电压越高，介损档位越大时，串联电阻上消耗的功率越大。

比如当试验电压为200kV，电容量100pF，频率50Hz，tgδ=0.1  时，

R= tgδ/ωC=3.18MΩ

P=（200000×314×100×10-12）2×3.18×106=125W

为了在200kV电压下，用一个100pF标准电容器串联一个电阻器来模拟tgδ=0.1的试品时，需要串联的电阻器电阻值为3.18MΩ，电阻功率必须大于125W，电阻的耐压必须大于20kV，电阻还要求有很高的精度，及很低的温度漂移，才能满足设计要求。事实上这样的电阻器是很难得到的。

2、标准电容器测量端耐压受限

另外从上例中还能发现，电阻器上需要承受20kV的高压，而标准电容器测量端插座（既Ur上端）一般只能允许最高电压为2kV，因此标准电容器测量端的耐压要求也是无法满足的。

3、分布参数影响

如上述的例子，串联电阻阻值达到了3MΩ以上，那么电阻与标准电容器测量端相连的引线对外壳之间分布电容会与串联电阻呈并联关系，还有电阻表面的受潮脏污能都会对电阻的阻抗造成影响。在现实中表现为在不同的环境条件下，介损值会发生变化，不能满足装置最为标准器的要求。

4、不能带电换档。

传统方式切换档位都是采用的机械开关K或插座来实现：如果带电情况下是不允许换档的，会带来不安全因素，一方面切换过程中可能会产生瞬间开路，造成电容器测量端电位太高，产生放电等危险后果。另外通常模拟损耗装置部分离标准电容器距离较近，操作人员是无法靠近的。因此目前传统的标准损耗器使用过程中需要换档，必须将试验电压降至零，并将电容器放电后才可以进行换档。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提出的一种用于高电压电容介质损耗因数标准校正的介质虚拟装置，利用虚拟模拟技术模拟不同电阻值，同时还可以在一个标准电容器下模拟不同容量的电容器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于高电压电容介质损耗因数标准校正的介质虚拟装置，包括电流取样电路，移相电路、恒流输出电路和微处理单元控制器；所述电流取样电路用取样电阻将流经标准电容器的电流转换为电压信号；移相电路与电压信号连接，所述移相电路含有相位选择开关电路，相位选择开关电路由微处理单元控制器控制，相位选择开关电路根据已知电阻值对应标准电容器电流的相位损耗角选择通路将电压信号进行移相，恒流输出电路的输出为介质虚拟装置的模拟电流输出；其中，所述装置还包括一个应对不同标准电容器输出电流变化的调幅电路，调幅电路的输入与移相电路的输出连接，调幅电路输出连接恒流输出电路，所述微处理单元控制器控制连接调幅电路。

方案进一步是：所述恒流输出电路包括一个负反馈电路，所述负反馈电路包括一个反馈运算放大器，反馈运算放大器的输出驱动一个恒流输出变压器，恒流输出变压器输出了介质虚拟装置的输出电流信号，其中，反馈运算放大器的正极输入连接电压调幅电路输出，电流信号同时作为反馈连接反馈运算放大器的负极输入用以保证调幅电路输出变化等于电流信号的变化。

方案进一步是：所述恒流输出电路还包括电容量程选择电路，所述电容量程选择电路包括：在所述恒流输出变压器输出与电流信号之间设置的电压比例输出电路，所述电压比例输出电路由多个相同阻值电阻和量程切换开关组成，多个电阻相互串联后并联至恒流输出变压器输出两端，量程切换开关的多个切入触点分别连接至串联电阻之间的节点，量程切换开关的公用触点作为所述电流信号引出，在电流信号引出与运算放大器的负极之间设置有反馈信号放大比例调节电路，所述反馈信号放大比例调节电路由一个比例运算放大器和放大比例开关电路组成，放大比例开关电路由多个电阻和反馈切换开关连接组成，反馈切换开关控制输出的反馈信号放大比例与量程切换开关控制输出的电压输出比例趋势相反，用以保证电流信号引出的是标准电容器的比例输出，所述量程切换开关和反馈切换开关联动。

方案进一步是：所述调幅电路包括一个比较运算放大器，比较运算放大器输出连接恒流输出电路，所述比较放大器含有一个放大倍数选择电路，所述放大倍数选择电路的放大倍数范围保证所述模拟电流输出符合装置设定的工作电压和电容量调节范围。

方案进一步是：所述放大倍数选择电路是由不同比例电阻组成的多级放大倍数选择电路。

方案进一步是：所述放大倍数选择电路是一个由数/模转换电路实现的无级放大倍数选择电路。

方案进一步是：所述微处理单元控制器有一个微处理器，微处理器连接有键盘、显示器和无线信号输入输出处理器，微处理器数据控制输出连接一个译码电路，译码电路输出控制连接所述相位选择开关电路，所述微处理器的数据线输出连接所述放大倍数选择电路。

本发明具有的有益效果是：消除了背景技术中的四点缺陷，可以实现高电压下的电容介质损耗的模拟，模拟电阻不产生电能的损耗，可以在带电的状况下实现无触点的切换，扩大了介质校正的范围，工作安全、操作简单；除了模拟电阻外，本发明实现了对电容的变化调整，将一个标准电容扩展为多个标准电容器。 

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为传统电容介质损耗质损耗因数标准校正电路；

图2为使用本发明电容介质虚拟装置的介质损耗因数标准校正电路；

图3为本发明电容介质虚拟装置电路结构示意图；

图4为本发明带电容量程扩展功能的电容介质虚拟装置电路结构示意图；

图5为本发明电流取样电路示意图；

图6为本发明移相电路示意图；

图7为本发明电容量程选择电路示意图。

具体实施方式

图1示意的是一种传统的电容介质损耗质损耗因数标准校正中由实际电阻组成的介质电路，从介损的原理我们可以知道，介损测试仪测量的就是被试品的电流信号与容性电流分量之间的夹角。电流的夹角即可改变tgδ值。所以如图2所示，本实施例采用了一种介质虚拟装置代替实际的电阻，用电子移相电路来实现改变tgδ的功能。为了得到模拟不同的模拟电容量，增加了调幅电路，通过改变输出电流的大小来得到不同的电容量。

因此，本实施例一种用于高电压电容介质损耗因数标准校正的介质虚拟装置，如图3所示，所述装置包括电流取样电路1，移相电路2、恒流输出电路3和微处理单元控制器4；所述电流取样电路用取样电阻将流经标准电容器的电流转换为电压信号；移相电路与电压信号连接，所述移相电路含有相位选择开关电路，相位选择开关电路由微处理单元控制器控制，相位选择开关电路根据已知电阻值对应标准电容器电流的相位损耗角选择通路将电压信号进行移相，恒流输出电路的输出为介质虚拟装置的模拟电流输出；其中，所述装置还包括一个应对不同标准电容器输出电流变化的调幅电路5，调幅电路的输入与移相电路的输出连接，调幅电路输出连接恒流输出电路，所述微处理单元控制器控制连接调幅电路。

其中：

如图5所示，所述电流取样电路的输入电流信号取自标准电容器C测量端对地的电流，用一个阻值较小的电阻（几欧姆）作为取样元件，本身消耗的功率极小，可以忽略不计。电阻两端的电压也极小，由于标准电容器性能近似为理想电容器，其电流与电压夹角基本上为90度。此电流信号就作为本装置的基本参考信号。

如图6所示，所述移相电路即电子调相电路就是将输出电流信号Ii根据不同的tgδ设定值对应的相角进行移相，得到新的参考电流信号Ii’，后续输出电流的相位以此信号为基准。不同的相角对应不同的tgδ值。由于移相电路只是对信号做了处理，不产生实际损耗，档位切换也是由电子开关来完成，无机械触点，无安全隐患，还能遥控操作。

所述调幅电路是调节输出电流Io的大小，使得Io=k×Ii K为调幅系数，这样可以模拟不同的试品电容量，最终试品的电容量Cx=k×Cn  Cn为标准电容器的值。

所述恒流输出电路输出的是电流信号，对于不同的被检介损测试装置其输入阻抗不定，所以本装置采用的是恒流源输出

实施例中：所述恒流输出电路包括一个负反馈电路（误差比较放大电路），所述负反馈电路包括一个反馈运算放大器301，反馈运算放大器的输出通过一个功率放大器302驱动一个恒流输出变压器303，恒流输出变压器输出了介质虚拟装置的输出电流信号，其中，反馈运算放大器的正极输入连接电压调幅电路输出，电流信号同时作为反馈连接反馈运算放大器的负极输入用以保证调幅电路输出变化等于电流信号的变化；保证输出电流与参考的信号的幅值相位都一致。

实施例中：如图4和图7所示，所述恒流输出电路还包括电容量程选择电路，所述电容量程选择电路包括：在所述恒流输出变压器输出与电流信号之间设置有电压比例输出电路304，所述电压比例输出电路由多个相同阻值电阻和量程切换开关组成，多个电阻相互串联后并联至恒流输出变压器输出两端，量程切换开关的多个切入触点分别连接至串联电阻之间的节点，量程切换开关的公用触点作为所述电流信号引出，在电流信号引出与运算放大器的负极之间设置有反馈信号放大比例调节电路305，所述反馈信号放大比例调节电路有一个比例运算放大器和放大比例开关电路组成，放大比例开关电路由多个电阻和反馈切换开关连接组成，反馈切换开关控制输出的反馈信号放大比例与量程切换开关控制输出的电压输出比例趋势相反，例如量程向下调，则反馈向上放大，用以保证电流信号引出的是标准电容器电流的比例输出，所述量程切换开关和反馈切换开关联动。

实施例中：所述调幅电路包括一个比较运算放大器，比较运算放大器输出连接恒流输出电路，所述比较放大器含有一个放大倍数选择电路，所述放大倍数选择电路的放大倍数范围保证所述模拟电流输出符合装置设定的工作电压和电容量调节范围。

实施例中：所述放大倍数选择电路是由不同比例电阻组成的多级放大倍数选择电路。

实施例中：所述放大倍数选择电路是一个由数/模（D/A）转换电路实现的无级放大倍数选择电路。

实施例中：所述微处理单元控制器有一个微处理器，微处理器连接有键盘、显示器和无线信号输入输出处理器，微处理器数据控制输出连接一个译码电路，译码电路输出控制连接所述相位选择开关电路，所述微处理器的数据线输出连接所述放大倍数选择电路。

实施例中，电容量程选择方法是：根据公式I=UωC可知，在加在电容上的电压不变的前提下，电流与电容量成正比，首先在标准电容加上额定电压，将量程转换至最大，使用另一个相同的标准电容加相同电压作为参考，调节调幅电路使输出的电流与参考标准电容电容的电流相同，这是就可以根据比例关系向下调节电容量程开关设置不同的电容了。

本装置的技术指标包括：

电流输入范围：0～10mA；

电流输出范围：0～10A；

输出电流最大负载能力：10W；

额定工作频率：50Hz；

模拟介质损耗调节范围：0～0.5；

模拟介质损耗分32档： 

0～0.0009-10档，0.001～0.009-9档，0.01～0.09-9档，0.1，0.2，0.3，0.5-4档；

模拟介质损耗误差：±（0.5%读数+0.0001）；

模拟电容量调节范围：100pF～100nF；

模拟电容量精度：±（0.2%读数+0.5pF）。