一种高压电容电桥扩频装置及扩频方法与流程

本发明属于高精度仪器仪表仪器领域，尤其涉及一种高压电容电桥扩频装置及方法。

背景技术：

高压电容电桥是测量介质损耗tgδ值的一种特殊的交流电桥。在进行测量时，整个线路被构成一个桥形线路，并采用了比较式的测量方式，也就是将被测量与已知量进行比较，从而确定被测量的大小的一种仪器。之所以称高压电桥为特殊的交流电桥，除了两者在结构上和测量要求上不同以外，在测量时对试验电压及频率的要求也有所不同，一般的交流电桥的测量时的试验电压的频率范围是在40hz至200khz，电压是在200v以内的交流电压，而高压电桥的试验电压则是在工频下，而且电压为1kv以上的交流高电压。所以总的来说，高压电桥是一种特殊的交流电桥。

高压电容电桥的主要在工频高压下测量各类绝缘材料(如各种绝缘油及绝缘材料)和电力容性设备(如变压器，互感器，电容器，电力电缆等)的电容量及介质损耗因数，并通过介质损耗因数来判断绝缘设备的绝缘水平。如图1，示出了工频高压电容电桥原理图，其中，高压电源通过两并联的标准电容器和被测电容器后两路电流in1、in2会流入电流比较仪中，指零仪d会测量出其不平衡电流，根据不平衡电流的幅值和相位调节电流比较仪的匝数，进而使其平衡。

然而，大部分的电力设备在实际运行过程中，都会遇到许多谐波分量，并由某些特定的谐波对其造成损坏，从而影响整个电网的安全。而图1中的方案只在50hz或60hz下工作，其不能直接在400hz下应用，除了损耗在计算时需要引入相应系数外，主要原因为在50hz下其不平衡电流的测量通过一系列滤波手段把低于及高于50hz的信号尽可能滤除，以达到最好的信噪比，如直接使用在50hz～400hz下，高频信号会产生极大衰减，不能满足要求。如采用50hz电桥的直接滤波方法也不能满足现有需求，主要原因为所研制的电桥为50hz～400hz宽频电桥，频率不固定，其指标较高，如使用多套滤波电路其准确度与频率的数量为一对矛盾点，想要针对频率范围内的所有频率都达到最佳的滤波效果是很难的，所以研制了基于自动锁频技术的高压电容电桥。

所以目前在这些电力设备试验中，需要对其在不同频率下进行绝缘性能的测试，来判断绝缘在不同频率下的绝缘水平，从而更好的保证整个电网的运行安全。

技术实现要素：

本发明鉴于上述的情况，提供一种能解决上述问题的高压电容电桥扩频电路和方法。具体而言，本发明提供一种高压电容电桥扩频装置，其特征在于：包括高压电源、标准电容器、被测电容器、电流比较仪和扩频电路。

进一步的，其特征在于：所述扩频电路包括连接信号提取电路、锁相环电路和相敏检波电路。

进一步的，其特征在于：所述信号提取电路为积分器。

进一步的，其特征在于：所述积分器与高电流比较仪中的与标准电容器电连接的线圈相连。

进一步的，其特征在于：所述锁相环电路包括依次连接的鉴相器、滤波器、振荡器，振荡器输出参考信号vref，并且vref还被反馈到鉴相器中，所述锁相环电路还包括放大器和倍频器，信号vout通过放大器和倍频器后输出到振荡器。

进一步的，其特征在于：相敏检波电路包括两路电路，每一路均包括两个乘法器、一个正交信号发生器、和两个低通滤波器lpf。

本发明还提供一种高压电容电桥扩频方法，其特征在于，采用上面一项所述的装置实现。

进一步的，其特征在于：低通滤波器lpf发出的信号分别为u1a、u1b、u2a、u2b，其中u1a、u2a是u1(t)、u2(t)在参考正交坐标系下的同相分量；u1b、u2b是u1(t)、u2(t)在参考正交坐标系下的正交分量。

附图说明

图1是现有工频高压电容电桥原理图。

图2是电压信号提取电路。

图3是锁相环提取参考信电路。

图4是正交比例算法原理图

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。

本发明的高压电容电桥扩频电路是图1基础上增加了扩频电路，参见图1-4所示，具体包括高压电源、并联的标准电容器和被测电容器、比较仪和扩频电路，其中所述高压电源输出的电压信号uout通过两电容器后的两路电流in1、in2会流入电流比较仪中，电流比较仪中的指零仪d会测量出其不平衡电流，根据不平衡电流的幅值和相位调节电流比较仪的匝数，进而使其平衡。其中关键的一步为测量出指零仪中的电流与in1电流幅值与相位的关系，进而通过较为复杂的迭代算法调节去调节电流比较仪的匝数比例，使得指零仪中的不平衡电流越来越小，直至平衡。本专利主要解决的就是在宽频情况下测量出指零仪中电流与in1电流幅值与相位的关系，为电流比较仪的调节算法提供信息。

其中，扩频电路与比较仪线圈的与标准电容连接的一路连接，其包括依次连接信号提取电路、锁相环电路和相敏检波电路。

其中信号提取电路为一积分器，通过接虚地的方式利用积分器把激励信号取出。积分器将信号vout输出给锁相环电路，锁相环电路板包括依次连接的鉴相器、滤波器、振荡器，振荡器输出参考信号vref，并且vref还被反馈到鉴相器中。其中，所述锁相环电路还包括放大器和倍频器，信号vout通过放大器和倍频器后输出到振荡器。通过锁相换电路，参考信号的频率和相位与vout相同。

锁相环电路输出的参考信号vref与指零仪电压信号输入到相敏检波电路。所述相敏检波电路包括两路电路，每一路均包括两个乘法器、一个正交信号发生器generator、和两个低通滤波器lpf，设参考信号及被测电压信号为u1(t)和u2(t)，每一信号均通入两个乘法器，正交信号发生器发出信号到两个乘法器，两个乘法器输出信号到低通波器lpf滤波，低通滤波器lpf发出的信号分别为u1a、u1b、u2a、u2b，其中u1a、u2a是u1(t)、u2(t)在参考正交坐标系下的同相分量，ω；

u1b、u2b是u1(t)、u2(t)在参考正交坐标系下的正交分量，ω；

所述相敏检波电路的信号处理过程为，参考信号及被测电压信号u1(t)和u2(t)，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：

u1(t)＝asin(ωt+θ)＝u1a+ju1b

式中：a、b为u1(t)、u2(t)的幅度，v；

ω为u1(t)、u2(t)的角频率；

θ、是u1(t)、u2(t)的初始相位；

u1a、u2a是u1(t)、u2(t)在参考正交坐标系下的同相分量，ω；

u1b、u2b是u1(t)、u2(t)在参考正交坐标系下的正交分量，ω；

将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式为：

ua(t)＝sin(ωt)

正交基函数为单位幅度，角频率必须与u1的角频率相同，将正交基函数分别与被测信号相乘：

同理可得使用低通滤波器，将上两式带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：

同理，可以得到另一个被测电压信号的同相分量u2a和正交分量u2b。

然后令：

易求的：

求出电压的虚部及实部就可以得出其指零仪电压信号与vref之间的幅值与相位关系，进而得出指零仪电流与in2之间的幅值与相位关系。

下面对系统的工作过程进行说明，以输入为400hz为例，其具体的工作过程是这样的：

1)如图2所示，由于信号为400hz，即in2信号为400hz，在电压输出端，即vout端可以输出400hz电压信号，且此部分信号与in2信号相位相差90°。

2)如图3所示，在第1)步中输出的400hz的电压信号经过锁相环及信号调理后变成一个幅值稳定为1v，频率与vout频率一致即400hz的电压信号vref。

3)得到vref后与指零仪电压信号一同进入相敏检波电路，测量出其电压幅值与相位比例。

4)而后计算出in2电流与指零仪之间的幅值与相位关系，并输入给电流比较仪自动平衡电路。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。