智能交流电桥及电器设备、绝缘材料交流参数测量方法与流程

本发明涉及高电压测量技术领域，特别涉及一种全自动通用智能交流电桥，一种用于测量高压电器设备和绝缘材料在交流电压作用下的电容量、电感量和介质损耗角正切等电气参数的测量装置。

背景技术：

在绝缘材料生产和变压器、发电机、互感器、电抗器、电容器和高压套管等高压电器设备的设计、制造、运行和维护过程中，均需进行高电压试验，测量电器设备制造使用的绝缘材料的电容量、电容率、介质损耗角正切和电器设备的电容量、电感量、介质损耗角正切等交流电气参数。测量方法主要有“平衡电桥法”和“非平衡电桥法”两种。其中平衡电桥法具有很好的测量灵敏度、测量准确度和抗干扰特性，但在测量时需对测量回路进行平衡调节，操作比较复杂，对试验操作人员的技术水平要求高，实现自动测量的技术难度大。非平衡电桥法虽然也采用电桥电路，但测量过程是在不进行平衡调节的情况下完成，试验操作简单，实现自动测量的技术难度较小，但测量灵敏度、准确度较低，易受现场其它条件的干扰。

早期，由于平衡电桥法测量灵敏度、准确度高，抗现场其它条件干扰的能力强，各种实验室和生产现场都采用平衡电桥法进行电容量和介质损耗角正切等交流参数测量。我国在二十世纪70年代前后，开始在电力系统引进了非平衡电桥测量方法，由于这种方法在测量过程中不需要进行平衡调节，所以很早就实现了自动测量。因此，在电力系统很快就推广开来，并在部分设备制造厂中得到应用。但在要求高的实验室仍然采用平衡电桥进行测量。

以往的测量设备中采用平衡电桥法的有西林电桥和电流比较型电桥。电流比较型电桥是由贝克(baker)在1962年提出，命名为格雷纳(glymne)电桥，1969年贝克提出的这种电桥就发展成为自动电桥。1988年前，我国就已经进口国外的这种电流比较型自动平衡电桥，在当时，这种自动电桥的销售价格就高达七、八十万元。由于自动平衡电桥的开发技术难度大，直到今天，国内还一直没有很成功的、即能适合实验室(通常试品电容量值较小)、又能适用于生产现场使用(试品电容量值比较大)的电流比较式高精度全自动智能交流电桥设备。

国外进口的电流比较型自动电桥采用了一种自动平衡算法，通过测量指零绕组开路电压的幅值和相位，并使用牛顿-拉夫逊算法，通过迭代计算，确定电桥平衡调节过程中，每次调节的n2和β的修正值(平衡调节值)。该类电桥平衡时，需同时反复调节的电流比较器两个绕组的匝数(n3＝n2)和电流增益β，每次调节都需要对指零绕组的开路电压幅值和相位角进行检测，计算n2和β的修正值，对n2和β进行反复调节，直至电桥平衡。

发展于20世纪60年代的自动平衡算法技术，是在当时的科学技术水平基础上的产物。限于当时的技术条件，采用自动平衡算法的平衡方法不可避免地存在以下缺陷，或技术偏见：

(1)电桥平衡是依据指零绕组开路电压的幅值和相位确定平衡调节的修正值。平衡过程中的最后阶段，指零绕组ni的开路电压是一个小幅值、小相位角的电压信号，这种信号的相位角的准确测量难度很大，且容易受电压信号中的谐波、频率波动、信号畸变等的干扰，从而影响测量结果。特别是在生产现场，和测量电源频率(50hz)比较接近的低频干扰大，即使采用滤波措施也很难将信号中的低次谐波的影响彻底消除。

(2)根据电桥原理，其他绕组匝数一定时，一旦试品绕组n1的匝数确定，电桥测量试品的电容值的范围就受到限制，要扩大测量范围，就必须调节绕组n1的匝数。

(3)平衡过程中，需要同时对电流增益β和比较器绕组匝数n2(n3)两种参数进行调节；如果考虑到试品测量范围的扩大，还需对n1进行调节，调节参数增加，受影响的因素增加。特别是比较器绕组n1、n2和分别串联在被测试品和标准电容器支路中，其阻抗必然影响两个支路中的电流。因此，绕组匝数的变化必然影响其所在支路中的阻抗，影响支路中的平衡电流，从而影响测量结果。

(4)采用自动平衡算法的平衡电桥的理论推导过程中，测量参数的计算是有条件的，即建立在忽略了其中一个平衡电流的调节增益α的情况下取得的。国内有关资料对自动平衡算法的平衡电桥进行了研究，资料在该平衡方法的有关公式推导时提到，“在推导过程中，因乘法器的α值远小于1，所以被略去，如此支路可以看作被断开，这样的省略对误差的影响需要进一步分析和考虑。”而实际测量时，被试品(现场电气设备)的电容量值比较大时，α为容性平衡电流的放大倍率，其值必定不会太小，这样电桥测量的试品的电容量范围就会受到限制，所以，忽略α必然对测量误差带来影响。

201610840571.5公开了一种电桥，电桥平衡时，需要同时对试品电流的容性分量和阻性分量进行平衡，该方案中未涉及到90度移相步骤。采样ct得到的是纯容性电流，这种电流只能对试品的容性电流进行平衡补偿，而不能对试品中的阻性电流进行平衡补偿。所以没有90的移相，就不能得到和阻性电流同相位的平衡补偿电流，无法通过比较器阻性绕组对试品的阻性电流进行平衡，也不能使电桥达到最终平衡。

上述方案两个平衡补偿电流与比较器绕组之间无反相开关，因此电桥不能进行负介损测量，也不能对感性试品的交流参数进行测量。

上述方案中未提到电桥平衡调节方法，如果仍然采用以往人工调平衡的方法，即盲目地反复“试探”，根据每次试探过程中，平衡变化确定调节操作，如信号变小了，继续原来的方向调节，平衡信号变大了，则往相反方向调节，调节的幅值根据平衡信号的变化幅值确定，但无法定量，只能反复试探。这种方法调节的时间可能会特别长。甚至会丢掉平衡点而陷入“死循环”，无法得到测量结果。

上述方案中未涉及的变压器电压调节方法，如仍采用电磁式方法调压，电桥的重量会比较重。以往的测量设备中采用平衡电桥法的有西林电桥和电流比较型电桥两大类，这两类电桥只能测量试品的介质损耗角正切和电容量、电容率值。，传统的西林电桥法测量设备主要有qs1电桥、qs3电桥，电流比较型电桥法的有qs19型电桥等，它们都是采用手动调节电桥平衡进行测量。采用不平衡测量法进行测量的有ai-6000介质损耗测量仪、ph-2801介质损耗测量仪等，这类仪器虽为自动测量装置，但由于其测量是在电桥回路不平衡状态下进行，所以一般不将这类仪器称为电桥，只能称作“介质损耗测量仪”。非平衡法测量原理也是在忽略了部分参数的影响的条件下建立起来的，故测量灵敏度和精度都受到限制。同时又由于测量原理本身的局限，使这类设备用于现场试验时，容易受附近带电母线及其它带电设备的干扰，影响测量结果。生产现场应用表明，这类仪器的测量数据往往分散性较大，这对现场设备运行过程中的绝缘性能的分析带来困难。因此，一种不受干扰，能精确测量高压电器气设备、绝缘油等绝缘材料在交流电压作用下的绝缘性能参数的测量装置亟待开发。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种智能交流电桥及电器设备、绝缘材料交流参数测量方法，提高测量灵敏度和测量精度，提高抗干扰能力。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种智能交流电桥，包括高压变压器；所述高压变压器输出绕组一端与被测试品、标准电容器一端连接；所述被测试品另一端与电流比较器第一绕组一端连接；所述标准电容器的输出经电流互感器初级绕组后接电流比较器第二绕组一端；所述第一绕组、第二绕组另一端相互连接；所述高压变压器输出绕组另一端接所述第一绕组、第二绕组的连接点；所述电流互感器次级绕组输出后分为两路，其中一路接容性平衡补偿电流调节单元，另一路经90度移相单元后和阻性平衡补偿电流调节单元连接；所述阻性平衡补偿电流调节单元、容性平衡补偿电流调节单元分别经反相开关与电流比较器的第三绕组、第四绕组连接。

所述电流比较器的第五绕组与平衡指示单元连接。

所述平衡指示单元、容性平衡补偿电流调节单元、阻性平衡补偿电流调节单元均与测量控制单元连接。

所述90°移相单元与所述测量控制单元连接。

所述阻性平衡补偿电流调节单元、容性平衡补偿电流调节单元分别通过反向开关与对应的第三绕组、第四绕组连接。

高压变压器输入绕组和斩波交流调压单元连接。

相应地，本发明还提供了一种利用上述智能交流电桥测量高压电器设备和绝缘材料试品交流参数的方法，包括以下步骤：

1)高压变压器对被测试品和标准电容器施加高压试验电压，试品电流输入电流比较器，流经标准电容器的电流经电流互感器后输入电流比较器，电流互感器对标准电容器的电流进行采样，取得损耗为零的纯容性电流作为参考电流；

2)将所述参考电流分为两路，其中一路输入到容性平衡补偿电流调节单元，容性平衡补偿电流调节单元对其中一路平衡补偿电流的幅值进行调节；另一路输入到阻性平衡补偿电流调节单元，阻性平衡补偿电流调节单元对另一路平衡补偿电流的幅值进行调节，从而完成电桥的平衡；

3)当电流比较器各绕组的电流相互抵消时，电桥处于平衡状态，根据电流比较器绕组匝数、标准电容器的标称电容量值、电桥处于平衡状态时平衡补偿电流调节值，再根据电桥平衡复数方程，计算各被测试品的交流特性参数的测量值，即试品等值电容cx、试品等值电导gx、试品等值电阻rx、试品等值电感lx、试品介质损耗角正切tgδx：

其中，u0为试验电压；n1、n2、n3、n4分别为电流比较器绕组匝数；cn为标准电容器电容量；cx为被测试品电容量；rx为被测试品等值电阻；lx为被测试品电感；dc为容性平衡补偿电流调节值；dr为阻性平衡补偿电流调节值；ω为角频率。将以上参数及调节值代人相应的等式中，即可得到试品各参数的测量结果。以上计算都在电桥测量过程中自动完成，并可以多种方式输出。

步骤2)中，电桥平衡调节方法包括：首先在电桥性能确定的整个测量调节范围(也是电桥的测量范围)进行“全范围搜索”，即将整个测量范围分为几个区间，在区间的端点上进行平衡调节，确定平衡信号最小的区间；完成粗平衡调节；第二步采用“均匀分段法”，在每一分段的端点上进行平衡调节，进一步缩小平衡调节区间，完成细平衡调节；对第二步确定的平衡区间的每一个点进行平衡调节，确定最终平衡点，完成平衡的微调。

步骤3)中，利用平衡指示单元的输出信号判断电桥平衡状态，具体过程包括：根据平衡指示单元测量的平衡信号幅值，对平衡补偿电流的调节状态进行判断，在以上过程中的每一步的各调节点上，平衡指示信号最小的点为最接近电桥平衡的点。整个平衡过程是在容性平衡补偿电流和阻性平衡补偿电流之间反复、交替调节，逐渐趋向于最终平衡点，也就是电桥平衡最好的点。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)可用于变压器、互感器、电抗器、电容器等高压电器设备的介质损耗、电容量、电感量等交流参数的自动测量；

(2)可用于绝缘油等液体或固体绝缘材料工频电压作用下的介质损耗、电容值、电容率等交流参数的自动测量；

(3)由于本发明采用了不同于以往自动平衡电桥的平衡调节方式，即利用数字式电流增益调节方法调节平衡补偿电流，抗干扰能力强，调节特性好，分辨率高，使得电桥具有抗干扰能力强，测量灵敏度和测量精度更高的特性；

(4)本发明在阻性平衡补偿电流调节单元和电流比较器的第三绕组之间接有反相开关，从而能通过电流反相，可对“负介质损耗角正切值”进行测量；

(5)本发明在容性平衡补偿电流调节单元和电流比较器的第四绕组之间接有反相开关，因而可对感性试品进行电感量和试品损耗测量；

(6)本发明采用了“斩波交流调压”方式调整高压试验电源的电压，因此，电压调节方便，装置重量大为减轻。

(7)本发明即可用于实验室中的高精度测量，也可用于生产现场大电容量的电器设备的试验测量。

附图说明

图1为本发明结构框图。

具体实施方式

本发明提供的全自动智能交流电桥所如图1所示，包括高压变压器、电流比较器、标准电容器、标准电容器电流采样ct(电流互感器)、容性平衡补偿电流调节单元、容性电流反相调节开关、阻性平衡补偿电流调节单元、阻性电流反相调节开关、平衡指示单元和测量控制、数据处理及输出单元等。其中高压变压器的输出和被测试品、标准电容器相连。被测试品低压端直接和比较器中的试品绕组n1相连，标准电容器经采样ct后和比较器中的标准电容绕组n2相连。试品绕组和标准电容绕组的另一端相互连接并接地。流经标准电容器的电流经ct采样后分两路，其中一路输入容性平衡补偿电流调节单元，经数字化增益调节电路对电流的幅值进行调节后经反向开关输入容性平衡补偿电流绕组n4。另一路经移相电路进行90度移相后输入阻性平衡补偿电流调节单元，经数字化增益调节电路对电流的幅值进行调节后经反向开关输入阻性平衡补偿电流绕组n3。

自动平衡智能交流电桥测量时，高压变压器对测量回路中的被测试品和标准电容器施加高压试验电源，试品电流直接从试品绕组输入电流比较器，流经标准电容器中的电流经采样ct后从标准电容器绕组输入电流比较器，采样ct对标准电容器的电流进行采样，取得损耗为零的纯容性电流作为参考电流。参考电流分两路，其中一路输入到容性平衡补偿电流调节单元，容性平衡电流调节单元中的数字化增益调节电路对补偿电流的幅值进行调节。另一路输入到阻性平衡补偿电流调节单元，阻性平衡补偿电流调节单元中的数字化增益调节电路对补偿电流的幅值进行调节。两个单元中的数字增益调节电路可对电流的幅值进行放大和衰减调节，具有非常好的线性特性。平衡指示绕组的电流和比较器铁芯中的磁通有关。在比较器其它各绕组中的电流相互抵消，电桥达到平衡，比较器铁芯中的磁通趋向于零，平衡绕组中的电流即趋向于最小状态。通过电桥平衡状态时，比较器各绕组匝数、标准电容器的电容量值、平衡补偿电流调节值，即可根据电桥平衡方程，计算试品各交流特性参数的测量值。图1中的测量控制、测量数据处理及输出单元主要是根据平衡指示单元的平衡信号幅值，对平衡补偿电流的调节状态进行分析，并根据分析结果确定不同电流调节值，对平衡补偿电流进行交替、反复调节，最终使电桥达到平衡。，测量控制、测量数据处理及输出单元主要用于整个电桥测量过程中的测量控制、数据分析、测量结果输出，最终完成电桥的全部测量。

该实施例中的参考电流采样ct采用dvdi-001m精密交流电压-电流通用互感器；高压变压器采用hbhw10-1高压变压器；标准电容器采用yl-50型标准电容器；平衡补偿电流调节单元用it-01型多路输出电流幅值相位调节单元；输出单元采用嵌入式tpc1162hi型电脑显示器；平衡指示单元采用多级信号放大器组成的信号放大电路；而电流比较器则采用sib10-a型多绕组电流比较器。

测量时，斩波交流调压单元将高压变压器的输出电压幅值调节到试验要求值。变压器将试验电压施加在试品和标准电容器的高压端，试品和标准电容器中的电流分别经比较器试品绕组和标准电容器绕组流回变压器低压端。通过对比较器容性平衡补偿电流和阻性平衡补偿电流的反复调节，使电桥达到平衡，然后通过电桥的平衡方程，可求得试品的测量参数值。

电桥中的平衡绕组的匝数相对固定值，测量时，只需要调节两个平衡绕组中平衡补偿电流的幅值来寻找电桥平衡点。其中一个绕组中的电流和标准电容器中的电流相位相同，对试品绕组中的容性电流进行平衡补偿。另一个绕组中的电流和标准电容器中的电流相位相差90度，对试品绕组中的阻性电流进行平衡补偿。因此，整个平衡过程中，只需要对两个平衡补偿电流的幅值一种参数进行调节。

电桥平衡调节采用“三步法”，首先在电桥性能确定的整个测量调节范围(也是电桥的试品测量范围)进行“全范围搜索”，将平衡信号幅值最小点附近区域确定为第二步电桥平衡调节区间，完成粗平衡调节；第二步采用“分段法”，将平衡调节点中信号最小点附近区域确定为最接近电桥平衡的调节区间，进一步缩小平衡调节区间，完成细平衡调节；第三步采用“逐点”调节法，对第二步平衡区间内的每一个点的平衡状态进行平衡调节，确定其中平衡信号最小点，即电桥的最终平衡点，完成平衡的微调。

这种平衡调节方法搜索区域大，有利于扩展电桥对试品的测量范围，电桥平衡收敛速度快，提高了电桥的测量速率，到平衡点附近时，再进行逐点调节，分辨率高，有利于提高电桥的测量灵敏度和测量精度。整个调节过程只需根据平衡信号的幅值变化，寻找最佳平衡区间，逐渐趋向平衡点，不需要对平衡信号的相位角进行测量，因此不受电压频率和电压中的谐波、波形畸变等因素的干扰，测量结果重复性好、测量数据值稳定、测量精度高。

实际测量中，试品电容量的测量精度可达读数×0.1％±0.2pf，反映电容量测量灵敏度的分辨率可达0.02pf以上；介质损耗角正切测量精度可达读数读数×0.2％±2×10^-5，反映介质损耗角正切测量灵敏度的分辨率达1×10^-5以上。

平衡补偿电流调节采用全数字化增益调节电路，电流调节范围大，调节线性度非常高。调节电路即可对平衡补偿电流幅值进行放大调节，也可对平衡补偿电流幅值进行衰减调节，所以平衡调节非常方便，增益的调节范围可达4×10⁶。

电桥中的容性平衡补偿电流调节回路中增加了反向开关，因此，在测量时通过反向开关，对容性平衡补偿电流进行反向操作，可在感性试品测量时，对试品的感性电流进行补偿。容性平衡补偿电流反向操作是电桥根据平衡情况的需要自动完成，因此，电桥可对感性试品的电感量和损耗进行自动平衡测量。

电桥中的阻性平衡补偿电流调节回路中增加了反向开关，在测量时通过反向开关，对阻性平衡补偿电流进行反向操作。当试验过程中存在某些特殊情况时，如被测试品的介质损耗角正切比标准电容器的介质损耗角正切还要小时，测量值可能为负值，即出现所谓“负介损”，这时需要对阻性平衡补偿电流进行反向，电桥才能平衡。阻性平衡补偿电流反向操作是电桥根据平衡情况自动完成，因此，电桥可在这种特殊情况下自动进行“负介损”测量。

上述智能交流电桥，经实际测量实践证明效果良好，使用方便、安全可靠、具有很好的抗干扰特性，该装置的测量灵敏度和测量精度完全达到设计要求。