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摘要：目前电气设备试验存在测试仪器数量较多、体积较大和无法与计算机连接等诸多问题，开发通用的电气设备试验集成仪器具有重要的实用价值。本文主要探讨了提高电气设备实验仪器集成度的关键技术。
关键词：电气设备；集成度；技术；试验仪器
中图分类号：F407.6文献标识码： A
电气设备试验的研究现状
（一）电气设备试验分类
电气设备试验按照试验的性质和要求可分为绝缘性试验和特性试验两大类。绝缘试验是指测量设备绝缘性能的试验，绝缘试验以外的试验统称特性试验。
绝缘试验一般分为两类：第一类是非破坏性试验，是指在较低电压下，用不损伤设备绝缘的办法来判断绝缘缺陷的试验，如绝缘电阻、吸收比试验、介质损耗因数 tanδ试验、泄漏电流试验、油色谱分析试验等。这类试验对发现缺陷有一定的作用与有效性。但这类试验中的绝缘电阻试验、介质损耗因数tanδ试验、泄漏电流试验由于试验电压较低，发现缺陷的灵敏性还有待于提高。但目前这类试验仍是一种必要的不可放弃的手段。另一类是破坏性试验，如交流耐压试验、直流耐压试验，用较高的试验电压来考验设备的绝缘水平。这类试验的优点是易于发现设备的集中性缺陷，考验设备绝缘水平；缺点在于电压较高，个别情况下有可能给被试验设备造成一定的损伤。
电气设备试验的发展现状
1、绝缘电阻试验项目中，发现变压器吸收比试验不够完善，在《1996 电力设备预防性试验规程》中增列了极化指数的试验项目。
2、改进了在电场干扰下测量设备介损时的抗干扰方法，并且提高了工作的效率。
3、6—35kV 中压橡塑绝缘电力电缆(指聚氯乙烯绝缘、交联聚乙烯绝缘和乙丙橡胶绝缘电缆)，取消了投运后的直流耐压试验项目，代之以测量外护套和内衬层的绝缘电阻。但对于 35kV 及以下绝缘电缆，多年经验表明，直流耐压试验仍是行之有效的预防性试验项目，能发现许多潜在缺陷，故还应继续执行。
4、交流耐压试验中，对大容量的被试品(如SF6组合电器、大型发电机等)采用工频串联谐振的方法日渐增多。
5、传统基本的绝缘试验项目，如绝缘电阻、直流泄漏电流、介损、直流耐压和交流耐压试验等试验方法基本不变，但测量仪器已有很大改进。如出现不同电压等级的数字兆欧表，可自动计时，并能显示吸收比值和极化指数值，兼有自动放电功能；高压直流电压试验设备更趋完善，采用数字式和指针式并用表计，读数方便、准确、易于判别等。
影响提高仪器集成度的关键性问题
大部分试验仪器的测量探头都是针对一种试验的测量需要设计的，而目前需要集成多个试验，因此测量探头的测量范围应尽可能的宽。通过测量探头的测量范圍将宽范围的电压电流信号进行分块处理。
（2）上述需要集成的电气试验既有直流类试验也有交流类试验，因此测量探头要尽可能的满足交直流两种信号的测量。
（3）需要将采集到的测量信号传输到计算机中去，通过计算机软件对测量的参数进行运算，从而得出准确而有效的试验参数值，因此需要设计数据采集电路，将测量的电压电流信号传输到计算机中。
三、宽范围电压和电流传感器的设计
（一）基于分压原理的传感器
1、分压器的原理：
（1）电阻式分压器图 1 所示的电阻分压器主要由高压臂电阻1R 和低压臂电阻2R 组成，二者组成了电阻分压器的传感单元，u1为高压侧输入电压，u2 为低压侧输出电压，该电阻分压器的分压比K 为
K=（1）
图1 电阻分压器
由于 R1 和R2 ，施加在电阻分压器的电压绝大部分电压施加在高压电阻上，低压侧的电阻电压正比于被测电压。通过测量低压侧电阻上的电压u2 来测量被测电压u1 = Ku2。为了防止低压侧出现过电压，在低压侧加入过电压保护装置S，一旦低压臂电阻R2 出现损坏，该装置可以限制低压臂电压升高，达到保护后续电路的目的。
纯电容式分压器纯电容分压器的等值电路如图2 所示，分压公式为
（2）
其中分压比。
图2 纯电容分压器
在实际设计过程中，电容分压器在低压臂并联一个高精密电阻，同时接地。接入精密电阻的目的在于屏蔽与大地之间的耦合电容对分压器测量的影响，其等效电路如图 3 所示。
图3实际电容分压电路
根据图3所示的电路图，可以得出二次侧输出电压和一次侧电压的关系式为
（3）
为了尽量减少R0 对分压比的影响，其取值应足够小。当满足s（C1+C2）＜1/R0时，式（3）可变为
u2=R0sC1u1（4））
将式（4）进行拉普拉斯反变换得
（5）
式（5）表明，如果电阻值和电容值选取的参数合适，则二次侧输出的电压信号只与取得的电阻值和高压臂的电容值有关，和低电压电容无关。为了获得u1 需要在后续的电路中加入积分环节电路，同时要对二次侧的电压信号进行相位补偿才能按分压比还原被测电压信号。
阻容式分压器。阻容分压器在高低压臂中既有电阻也有电容，属于阻容混合的分压器。在实际使用中，为了达到测量电压等级，高压臂和低压臂可以由多个器件串联或每个串联单元再并联组成，无论串联还是并联，其分压器原理图都可以用高压臂阻抗和低压臂阻抗表示，如图 4 所示。其分压比为
（6）
图4 阻容式分压器原理
（二）三种分压器的比较
分压器首先要满足测量精度的要求，同时分压器还要满足电气试验过程中工频耐压、雷电冲击等试验的要求，且便于携带等。电容分压器采用容性分压，外界温度对电容的影响较大，由式（5）中可知温度的变化会影响电容值的变化，造成输出电压信号不准确；杂散电容对相位的影响很小，相位一般不会发生偏移，相位误差可以忽略。但是电容分压器只能用于交流电压的测量，不能对直流电压信号进行测量。阻容分压器可以对交直流电压信号进行测量，一般用于 40kV 以上的电压测量，目前现有的阻容分压仪器测量精度有限，部分厂家生产的阻容分压器交流精度为1.0%，直流情况下测量精度可以达到 0.5%，而特殊试验要求测量精度需要达到 0.5%以上。本文选用电阻分压器作为测量 10kV 电压的测量设备，主要原因是电阻分压器的体积小巧，结构简单，自身消耗的功率很少，也可以满足交直流两用的测量。但杂散电容会对分压后的电压信号造成相位误差，由于测量的电压最大为 10kV，所以相位引起的误差较小，可以通过后续电路对其进行补偿。
四、数据采集器的设计
（一）数据采集器的总体设计方案
数据采集器的主要功能是对电磁式互感器的二次侧输出的100V/5A 信号和传感器输出的10以内的电压信号进行采集，并可以通过光纤传输系统传输到计算机中去。数据采集器的整体设计方案包括信号调理电路的设计和主控电路的设计。包括两种数据采集通道、FPGA（EP2C8T144C8）处理器、双11RAM 和DSP（TMS320F2812）处理器的设计。数据采集器结构框图如图5所示。
图5 数据采集器结构框图
电气试验中的电压电流信号通过传统电磁式互感器或传感器转变成数据处理器可以接受的电压电流信号，然后通过数据采集通道对其进行调理，FPGA 处理器控制 A/D 转换器，将模数信号转换成数字信号，数字信号存储在双端口 RAM 中等待处理；此时，FPGA 处理器向 DSP 处理器发送数据处理指令，DSP 处理器开始对双口 RAM 中的数据进行读取并处理，然后将处理完的数据通过光纤传输到计算机中去。其中双口 RAM 起到了数据缓冲的作用，从而达到数据采集和数据处理同时完成的目的，提高了数据采集器的工作效率。
信号调理电路的设计
由于传统的电磁式互感器二次侧输出额定电压为 100V，额定电流为 5A；传感器的二次侧输出信号多为电压信号，电压范围为 0~5V，所以传统的互感器二次侧信号和传感器二次侧信号不能采用同一种采集通道。因此，需要设计两种数据采集通道。第一种是针对传统的电磁式互感器二次侧信号的采集通道；第二种是针对传感器二次侧输出信号的采集通道。两种采集通道分别有 6 路信号同时采集，即三相电压通道和三相电流通道。数据采集模块共有 12 路数据采集通道。
主控芯片模块设计
FPGA 是英文 Field－Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件門电路数有限的缺点。FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块 IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分，如图 6 所示。
图6FPGA主控芯片原理图
系统运行流程
图 7系统运行流程图
系统运行的流程图如图7 所示，当采集模块上电之后，系统开始初始化处理，配置 FPGA 电路，开始采集数据。系统可以对第一种采集通道的 6 路信号进行同时采集，也可以对第二种采集通道的 6 路信号进行同时采集，每次采集的数据通过AD 转换器转换，并按顺序输出到 RAM 中，数据被直接保存，而数据的提取和运算都是由 FPGA 和 DSP 处理器完成的。当数据存储到一定程度之后，FPGA 发出信号通知 DSP 处理器，DSP 处理器开始对 RAM 中的数据进行读取，这既可以不间断的对信号进行采集，同时也不影响 DSP 对数据的读取和处理。
五、结束语
确保电气设备的正常运行是保障电力系统安全、稳定运行的可靠保证。而发展电气设备试验仪器能行之有效的对电气设备是否故障作出有效判断。随着科学技术的发展，未来监测电气设备的仪器将朝着智能化，全面化和网络化的方向迅速发展。
参考文献：
[1] 廖银娟.高压电气试验设备现状分析及技术改进[J].技术与市场 ,2011,18(10) :49-49
[2] 张振川,盛四清.如何提高电力系统运行稳定性[J].科技资讯 , 2011,(19):158-158
关键词：电气设备；集成度；技术；试验仪器
中图分类号：F407.6文献标识码： A
电气设备试验的研究现状
（一）电气设备试验分类
电气设备试验按照试验的性质和要求可分为绝缘性试验和特性试验两大类。绝缘试验是指测量设备绝缘性能的试验，绝缘试验以外的试验统称特性试验。
绝缘试验一般分为两类：第一类是非破坏性试验，是指在较低电压下，用不损伤设备绝缘的办法来判断绝缘缺陷的试验，如绝缘电阻、吸收比试验、介质损耗因数 tanδ试验、泄漏电流试验、油色谱分析试验等。这类试验对发现缺陷有一定的作用与有效性。但这类试验中的绝缘电阻试验、介质损耗因数tanδ试验、泄漏电流试验由于试验电压较低，发现缺陷的灵敏性还有待于提高。但目前这类试验仍是一种必要的不可放弃的手段。另一类是破坏性试验，如交流耐压试验、直流耐压试验，用较高的试验电压来考验设备的绝缘水平。这类试验的优点是易于发现设备的集中性缺陷，考验设备绝缘水平；缺点在于电压较高，个别情况下有可能给被试验设备造成一定的损伤。
电气设备试验的发展现状
1、绝缘电阻试验项目中，发现变压器吸收比试验不够完善，在《1996 电力设备预防性试验规程》中增列了极化指数的试验项目。
2、改进了在电场干扰下测量设备介损时的抗干扰方法，并且提高了工作的效率。
3、6—35kV 中压橡塑绝缘电力电缆(指聚氯乙烯绝缘、交联聚乙烯绝缘和乙丙橡胶绝缘电缆)，取消了投运后的直流耐压试验项目，代之以测量外护套和内衬层的绝缘电阻。但对于 35kV 及以下绝缘电缆，多年经验表明，直流耐压试验仍是行之有效的预防性试验项目，能发现许多潜在缺陷，故还应继续执行。
4、交流耐压试验中，对大容量的被试品(如SF6组合电器、大型发电机等)采用工频串联谐振的方法日渐增多。
5、传统基本的绝缘试验项目，如绝缘电阻、直流泄漏电流、介损、直流耐压和交流耐压试验等试验方法基本不变，但测量仪器已有很大改进。如出现不同电压等级的数字兆欧表，可自动计时，并能显示吸收比值和极化指数值，兼有自动放电功能；高压直流电压试验设备更趋完善，采用数字式和指针式并用表计，读数方便、准确、易于判别等。
影响提高仪器集成度的关键性问题
大部分试验仪器的测量探头都是针对一种试验的测量需要设计的，而目前需要集成多个试验，因此测量探头的测量范围应尽可能的宽。通过测量探头的测量范圍将宽范围的电压电流信号进行分块处理。
（2）上述需要集成的电气试验既有直流类试验也有交流类试验，因此测量探头要尽可能的满足交直流两种信号的测量。
（3）需要将采集到的测量信号传输到计算机中去，通过计算机软件对测量的参数进行运算，从而得出准确而有效的试验参数值，因此需要设计数据采集电路，将测量的电压电流信号传输到计算机中。
三、宽范围电压和电流传感器的设计
（一）基于分压原理的传感器
1、分压器的原理：
（1）电阻式分压器图 1 所示的电阻分压器主要由高压臂电阻1R 和低压臂电阻2R 组成，二者组成了电阻分压器的传感单元，u1为高压侧输入电压，u2 为低压侧输出电压，该电阻分压器的分压比K 为
K=（1）
图1 电阻分压器
由于 R1 和R2 ，施加在电阻分压器的电压绝大部分电压施加在高压电阻上，低压侧的电阻电压正比于被测电压。通过测量低压侧电阻上的电压u2 来测量被测电压u1 = Ku2。为了防止低压侧出现过电压，在低压侧加入过电压保护装置S，一旦低压臂电阻R2 出现损坏，该装置可以限制低压臂电压升高，达到保护后续电路的目的。
纯电容式分压器纯电容分压器的等值电路如图2 所示，分压公式为
（2）
其中分压比。
图2 纯电容分压器
在实际设计过程中，电容分压器在低压臂并联一个高精密电阻，同时接地。接入精密电阻的目的在于屏蔽与大地之间的耦合电容对分压器测量的影响，其等效电路如图 3 所示。
图3实际电容分压电路
根据图3所示的电路图，可以得出二次侧输出电压和一次侧电压的关系式为
（3）
为了尽量减少R0 对分压比的影响，其取值应足够小。当满足s（C1+C2）＜1/R0时，式（3）可变为
u2=R0sC1u1（4））
将式（4）进行拉普拉斯反变换得
（5）
式（5）表明，如果电阻值和电容值选取的参数合适，则二次侧输出的电压信号只与取得的电阻值和高压臂的电容值有关，和低电压电容无关。为了获得u1 需要在后续的电路中加入积分环节电路，同时要对二次侧的电压信号进行相位补偿才能按分压比还原被测电压信号。
阻容式分压器。阻容分压器在高低压臂中既有电阻也有电容，属于阻容混合的分压器。在实际使用中，为了达到测量电压等级，高压臂和低压臂可以由多个器件串联或每个串联单元再并联组成，无论串联还是并联，其分压器原理图都可以用高压臂阻抗和低压臂阻抗表示，如图 4 所示。其分压比为
（6）
图4 阻容式分压器原理
（二）三种分压器的比较
分压器首先要满足测量精度的要求，同时分压器还要满足电气试验过程中工频耐压、雷电冲击等试验的要求，且便于携带等。电容分压器采用容性分压，外界温度对电容的影响较大，由式（5）中可知温度的变化会影响电容值的变化，造成输出电压信号不准确；杂散电容对相位的影响很小，相位一般不会发生偏移，相位误差可以忽略。但是电容分压器只能用于交流电压的测量，不能对直流电压信号进行测量。阻容分压器可以对交直流电压信号进行测量，一般用于 40kV 以上的电压测量，目前现有的阻容分压仪器测量精度有限，部分厂家生产的阻容分压器交流精度为1.0%，直流情况下测量精度可以达到 0.5%，而特殊试验要求测量精度需要达到 0.5%以上。本文选用电阻分压器作为测量 10kV 电压的测量设备，主要原因是电阻分压器的体积小巧，结构简单，自身消耗的功率很少，也可以满足交直流两用的测量。但杂散电容会对分压后的电压信号造成相位误差，由于测量的电压最大为 10kV，所以相位引起的误差较小，可以通过后续电路对其进行补偿。
四、数据采集器的设计
（一）数据采集器的总体设计方案
数据采集器的主要功能是对电磁式互感器的二次侧输出的100V/5A 信号和传感器输出的10以内的电压信号进行采集，并可以通过光纤传输系统传输到计算机中去。数据采集器的整体设计方案包括信号调理电路的设计和主控电路的设计。包括两种数据采集通道、FPGA（EP2C8T144C8）处理器、双11RAM 和DSP（TMS320F2812）处理器的设计。数据采集器结构框图如图5所示。
图5 数据采集器结构框图
电气试验中的电压电流信号通过传统电磁式互感器或传感器转变成数据处理器可以接受的电压电流信号，然后通过数据采集通道对其进行调理，FPGA 处理器控制 A/D 转换器，将模数信号转换成数字信号，数字信号存储在双端口 RAM 中等待处理；此时，FPGA 处理器向 DSP 处理器发送数据处理指令，DSP 处理器开始对双口 RAM 中的数据进行读取并处理，然后将处理完的数据通过光纤传输到计算机中去。其中双口 RAM 起到了数据缓冲的作用，从而达到数据采集和数据处理同时完成的目的，提高了数据采集器的工作效率。
信号调理电路的设计
由于传统的电磁式互感器二次侧输出额定电压为 100V，额定电流为 5A；传感器的二次侧输出信号多为电压信号，电压范围为 0~5V，所以传统的互感器二次侧信号和传感器二次侧信号不能采用同一种采集通道。因此，需要设计两种数据采集通道。第一种是针对传统的电磁式互感器二次侧信号的采集通道；第二种是针对传感器二次侧输出信号的采集通道。两种采集通道分别有 6 路信号同时采集，即三相电压通道和三相电流通道。数据采集模块共有 12 路数据采集通道。
主控芯片模块设计
FPGA 是英文 Field－Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件門电路数有限的缺点。FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块 IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分，如图 6 所示。
图6FPGA主控芯片原理图
系统运行流程
图 7系统运行流程图
系统运行的流程图如图7 所示，当采集模块上电之后，系统开始初始化处理，配置 FPGA 电路，开始采集数据。系统可以对第一种采集通道的 6 路信号进行同时采集，也可以对第二种采集通道的 6 路信号进行同时采集，每次采集的数据通过AD 转换器转换，并按顺序输出到 RAM 中，数据被直接保存，而数据的提取和运算都是由 FPGA 和 DSP 处理器完成的。当数据存储到一定程度之后，FPGA 发出信号通知 DSP 处理器，DSP 处理器开始对 RAM 中的数据进行读取，这既可以不间断的对信号进行采集，同时也不影响 DSP 对数据的读取和处理。
五、结束语
确保电气设备的正常运行是保障电力系统安全、稳定运行的可靠保证。而发展电气设备试验仪器能行之有效的对电气设备是否故障作出有效判断。随着科学技术的发展，未来监测电气设备的仪器将朝着智能化，全面化和网络化的方向迅速发展。
参考文献：
[1] 廖银娟.高压电气试验设备现状分析及技术改进[J].技术与市场 ,2011,18(10) :49-49
[2] 张振川,盛四清.如何提高电力系统运行稳定性[J].科技资讯 , 2011,(19):158-158