CN112505426A - 一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置及其测量方法，属于超低频介损电缆老化性能评价***领域；一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置包括：工控机、装置数字电路模块、逆变模块、低通滤波及高压取样模块；本发明通过对电缆在运行过程中，因受到自然环境的温度、湿度、油化腐蚀以及人力破坏等影响，为了避免事故，目前对电缆性能进行预防性试验，国内目前评估方法比较落后；但国际上越来越多推行超低频介损测试来进行评估；因为，该方法具有指标敏感、试验电源容量需求低、设备轻便等特点，通过介损绝对测量值、介损变化率、介损暂态稳定性等指标，可灵敏反映电缆受潮、水树老化等问题。
Description
技术领域
本发明公开了一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置及其测量方法，属于超低频介损电缆老化性能评价***领域。
背景技术
电缆在运行过程会受到在电场、温度、水分等因素的共同影响而发生老化,如水树枝老化、电树枝老化、热电老化等。特别在南方沿海地区，气候多雨潮湿，致使电缆沟或隧道空气湿度大，严重时，甚至进水浸泡电缆，造成电缆的绝缘受潮老化，形成水树枝，长时间的运行，水树的不断生长则可能诱发电树的形成，最终导致电缆绝缘的击穿电缆老化可能会引发事故,给电网的安全运行带来隐患。
为了消除安全隐患，必须建立一套可以有效评估电缆健康状况的检修策略，以降低电缆故障。
超低频介损评价电缆性能是最近新起的技术手段。近几年来，超低频介损测量技术在国外的广泛应用证明了其在电缆绝缘水树检测方面的优越性。为此，IEEE 400.2-2013提出超低频介损三大判据(介损随时间稳定性(VLF-TD Stability)、介损变化率(DTD)、介损平均值(TD))。以此为基础，先行研制此类设备并推广较有影响的商家是德国赛巴和奥地利保尔。
国内对超低频介损测试设备还只是停留在理论研究和借助国外设备进行应用评价阶段，还没有可供应用的实际产品。
国外厂家包括奥地利保尔、德国赛巴SebaKMT、奥地利B2HV三家，截至2019年，在国内应用台数分别达到143台、18台、30台。主要集中在国网***。
超低频介损技术是最有效的电缆老化性能评价最好手段，项目研究成功必定能推进电缆老化性能评估工作，减少此类故障发生，提高电力运行安全性。
目前电缆老化性能评估工作未能推广的原因还是缺少直接、可靠、便捷的手段，本项目研究成果的应用有其必然性。
超低频介损电缆老化性能评价***在电力***广泛应用，试验电压基本工作于工频频段，一些抗干扰型介质损耗测试仪采用变频技术，但频率变化范围依然在工频附近，一般40~70HZ.当工作电压为低压400V是，被测电容能到uF级别，对于工作于低压级别的设备能满足试验要求。但工作于10KV中压，被测电容容量就只能到几十nF级别。当对uF级容量电容的设备进行试验时，要求的输出功率将要超出试验设备的限制。对于常用交联聚乙烯10KV电缆，10km电容容量一般在uF级别，工频介质损耗测试仪无法胜任。
发明内容
发明目的：提供一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置及其测量方法，以解决上述问题。
技术方案：一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，包括：
工控机；是人机交互主要部分，试验参数、信息的设置，试验模式的设置，试验分析的结果，数据的保存，都由工控机来完成；
装置数字电路模块，用于信号产生、输出量测量、逻辑控制工作；
逆变模块，用于进行直流电压转化为交流电压；
低通滤波及高压取样模块，用于允许低于截止频率的信号通过, 而高于截止频率的信号不能通过；且用于进行高压信号的采集；
其中，装置数字电路模块包括：CPU、AD转换器、DA转换器。
优选的，所述逆变模块包括SPWM高压逆变器；所述SPWM高压逆变器包括：功放器U1、接口J1、接口J2、接口J3、电阻R9、电阻R7、电阻R8、电容C7、MOS管Q1、LED二极管D1、电阻R3、电容C1、电阻R1、电容C2、电容C3、电阻R2、电容C4、电阻R6、二极管D2、电容C5、电容C6、电阻R5、电阻R4、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、二极管D4、电容C13、电容C14、电容C10、电阻R20、二极管D3、电阻R14、电阻R18、电阻R17、电阻R15、电阻R16、电容C18、电容C9、电阻R21、LED二极管D5、场效应管Q2、场效应管Q3、电容C15、电容C16、电阻R19、电阻R22、电容C17、电容C12、电阻R23、电容C11、变压器TR1、差模滤波电感L1、差模滤波电感L2、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37；
所述功放器U1的1号引脚同时与所述电容C1的一端和所述MOS管Q1的漏极连接且电容C1的一端输入+5V电压，所述功放器U1的2号引脚同时与所述电容C1的另一端、所述电容C2的一端和所述电阻R1的一端连接且接地，所述功放器U1的4号引脚同时与所述电容C2的另一端和所述电容C3的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端同时与所述电容C3的另一端和所述电容C4的一端连接，所述功放器U1的3号引脚同时与所述电容C4的另一端、所述电阻R7的一端和所述电阻R9的一端连接，所述功放器U1的5号引脚同时与所述电容C5的一端、所述电阻R6的一端和所述MOS管Q1的栅极连接，所述电阻R6的另一端与所述二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极接SD端，所述MOS管Q1的源极与所述LED二极管D1的正极连接，所述LED二极管D1的负极与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地，所述功放器U1的6号引脚同时与所述电容C5的另一端、所述电容C6的一端和所述电阻R5的一端连接且输入地线电压，所述功放器U1的7号引脚与所述电阻R4的一端连接，所述电容C6的另一端接地，所述功放器U1的8号引脚同时与所述电阻R5的另一端和所述电阻R4的另一端连接，所述接口J1的2号引脚与所述电阻R9的另一端连接，所述接口J1的3号引脚接地，所述电容C7的一端同时与所述电阻R9的另一端和所述电阻R8的一端连接，所述电容C7的另一端接地，所述功放器U1的9号引脚同时与所电阻R16的一端和所述电阻R15的一端连接，所述电阻R16的另一端与所述接口J2的1号引脚连接，所述功放器U1的10号引脚同时与所述LED二极管D5的负极、所述场效应管Q3的漏极、所述电容C11的一端、所述电容C12的一端、所述电容C16的另一端和所述电容C17的一端连接，所述电容C11的另一端接地，所述电容C12的另一端接地，所述LED二极管D5的正极与所述电阻R21的一端连接，所述功放器U1的11号引脚与所述电阻R14的一端连接，所述功放器U1的12号引脚同时与所述电阻R15的另一端、所述电容C8的一端和所述电阻R17的一端连接且接入电源电压，所述电阻R17的另一端同时与所述电阻R18的一端和所述电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端与接口J2的1号引脚连接，所述电容C8的另一端与接口J2的1号引脚反接，所述电阻R18的另一端与所述二极管D3的正极连接，所述电阻R14的另一端同时与所述电阻R21的另一端和所述场效应管Q3的栅极连接，所述功放器U1的13号引脚同时与所述电容C10的一端、所述电阻R13的一端、所述场效应管Q3的源极、所述场效应管Q2的漏极、所述电阻R19的一端、所述电阻R22的一端、所述电阻R8的另一端和所述变压器TR1的2号引脚连接，所述变压器TR1的1号引脚与所述电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端接地，所述功放器U1的14号引脚与所述电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端与所述场效应管Q2的栅极连接，所述功放器U1的15号引脚同时与所述电阻R10的一端、所述电阻R11的一端、所述二极管D3的负极、所述电容C10的另一端连接，所述功放器U1的16号引脚同时与所述电阻R12的一端和所述电阻R13的另一端连接，所述电阻R12的另一端同时与所述电阻R11的另一端和所述二极管D4的正极连接，所述二极管D4的负极同时与所述电阻R10的另一端和所述电容C13的一端连接且与所述接口J2的3号引脚连接，所述电容C14的一端同时与所述电容C13的一端和所述场效应管Q2的源极连接且与所述接口J2的3号引脚连接，所述电容C13的另一端接地，所述电容C14的另一端接地，所述电容C15的一端同时与所述场效应管Q2的源极和所述电容C16的u一端连接，所述电容C15的另一端与所述电阻R19的另一端连接，所述电阻R22的另一端与所述电容C17的另一端连接，所述变压器TR1的3号引脚接公共端，所述变压器TR1的4号引脚与所述差模滤波电感L1的一端连接，所述差模滤波电感L1的另一端同时与所述电容C18的一端、所述电阻R24的一端和所述差模滤波电感L2的一端连接，所述差模滤波电感L2的另一端同时与所述电容C28的一端和所述电阻R34的一端连接且与接口J3的1号引脚连接，所述接口J2的2号引脚接地，所述接口J3的2号引脚接公共端，所述电容C18的另一端同时与所述电容C19的一端、所述电阻R25的一端和所述电阻R24的另一端连接，所述电容C19的另一端同时与所述电容C20的一端、所述电阻R26的一端和所述电阻R25的另一端连接，所述电容C20的另一端同时与所述电容C21的一端、所述电阻R27的一端和所述电阻R26的另一端连接，所述电容C21的另一端同时与所述电容C22的一端、所述电阻R28的一端和所述电阻R27的另一端连接，所述电容C22的另一端同时与所述电容C23的一端、所述电阻R29的一端和所述电阻R28的另一端连接，所述电容C23的另一端同时与所述电容C24的一端、所述电阻R30的一端和所述电阻R29的另一端连接，所述电容C24的另一端同时与所述电容C25的一端、所述电阻R31的一端和所述电阻R30的另一端连接，所述电容C25的另一端同时与所述电容C26的一端、所述电阻R32的一端和所述电阻R31的另一端连接，所述电容C26的另一端同时与所述电容C25的一端、所述电阻R33的一端和所述电阻R32的另一端连接，所述电容C27的另一端接公共端，所述电阻R33的另一端接公共端；所述电容C28的另一端同时与所述电容C29的一端、所述电阻R35的一端和所述电阻R34的另一端连接，所述电容C29的另一端同时与所述电容C30的一端、所述电阻R36的一端和所述电阻R35的另一端连接，所述电容C30的另一端同时与所述电容C31的一端、所述电阻R37的一端和所述电阻R36的另一端连接，所述电容C31的另一端同时与所述电容C32的一端、所述电阻R38的一端和所述电阻R37的另一端连接，所述电容C32的另一端同时与所述电容C33的一端、所述电阻R39的一端和所述电阻R38的另一端连接，所述电容C33的另一端同时与所述电容C34的一端、所述电阻R40的一端和所述电阻R30的另一端连接，所述电容C34的另一端同时与所述电容C35的一端、所述电阻R41的一端和所述电阻R40的另一端连接，所述电容C35的另一端同时与所述电容C36的一端、所述电阻R42的一端和所述电阻R41的另一端连接，所述电容C36的另一端同时与所述电容C35的一端、所述电阻R43的一端和所述电阻R42的另一端连接，所述电容C37的另一端接公共端，所述电阻R43的另一端接公共端。
优选的，所述功放器U1的型号为IRS2092。
优选的，本发明还包括：半桥式逆变器和可控高压整流器；
其中所述半桥式逆变器包括：储能电容C100、储能电容C101、储能电容C102、储能电容C103、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、MOS管Q13、正半周变压器和负半周变压器；
所述MOS管Q10的栅极、MOS管Q11的栅极、MOS管Q12的栅极和MOS管Q13的栅极与SPWM高压逆变器的输出端连接，所述正半周变压器的输入端同时与所述MOS管Q10的漏极和MOS管Q11的源极、储能电容C100的负极和储能电容C101的正极连接，所述负半周变压器的输入端同时与所述MOS管Q12的漏极和MOS管Q13的源极、储能电容C102的负极和储能电容C103的正极连接，所述正半周变压器的输出一端与可控高压整流器的输入端连接，所述负半周变压器的输出一端与可控高压整流器的输入端连接，所述正半周变压器的输出另一端和负半周变压器的输出另一端接公共端；所述储能电容C100的正极接入工作电压，所述储能电容C101的负极接地，所述储能电容C102的正极接入工作电压，所述储能电容C103的负极接地，所述MOS管Q10的源极接入工作电压，所述MOS管Q11的漏极接地，所述MOS管Q12的源极接入工作电压，所述MOS管Q13的漏极接地。
优选的，所述低通滤波及高压取样模块由低通滤波电路和高压取样电路组成，且包括：电容C104、电容C104、电阻R100、电阻R101；所述电容C104的一端与所述电容C105的一端连接且与AD转换器和SPWM高压逆变器连接，所述电阻R100的一端和所述电阻R101的一端连接且与AD转换器和SPWM高压逆变器连接，所述电容C104的另一端同时与可控高压整流器的输出端和所述电阻R100的另一端连接，所述电阻R101的另一端接公共端，所述电容C105的另一端接公共端。
优选的，工控机内置若干试验模块，由用户向工控机选定试验内容，发给CPU(TI公司DSP),CPU根据不同试验模块选定不同时序的数据送至DA，结合逻辑电路，构成函数发生器；函数发生器产生SPWM所需的调制信号与载波信号，经SPWM及电平迁移电路后输出MOSFET的驱动信号。
优选的，储能电容C100、储能电容C101、储能电容C102、储能电容C103、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、MOS管Q13、正半周变压器和负半周变压器组成半桥式逆变器，高频升压变压器能将体积缩小，高效率输出所需幅值；输出的信号经过可控高压整流器、低通滤波，得到所需试验电压。
一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置的测量方法，为了达到以介质损耗参数来评价电缆老化水平的目的，需要的试验电压，根据《ANSI/IEEE 400.2-2004使用超低频(VLF)的屏蔽电力电缆***的现场试验指南》，测量方法具体步骤如下：
步骤1、由于工控机内置若干试验模块，从而用户向工控机选定试验内容，发给CPU(TI公司DSP)；
步骤2、CPU根据不同试验模块选定不同时序的数据送至DA，结合逻辑电路，构成函数发生器；
步骤3、函数发生器产生SPWM高压逆变器所需的调制信号与载波信号，经SPWM高压逆变器及电平迁移电路后输出MOSFET的驱动信号；
步骤4、两只MOSFET、储能电容、高频变压器组成半桥式逆变器，高频升压变压器能将体积缩小，高效率输出所需幅值；
步骤5、输出的信号经过可控高压整流器、低通滤波，得到所需试验电压；
步骤6、可控高压整流器件由DSP控制，正半周、负半周轮流导通，半桥工作时间也作相应控制；
步骤7、低通滤波滤除载波信号，还原出调制信号，既是所需的试验电压；
步骤8、高压取样信号从低通滤波电路中获取，分送至调制电路前段，构成反馈信号，以提高负载能力；
步骤9、另一路送至AD，测量出输出信号的电压部分；
步骤10、电流由套在输出回路的穿心互感器获取，DSP将电压、电流信号进行快速傅里叶变换，得到基波的赋值与相位，从而计算出损耗角，进而计算出正切值（介质损耗）；
步骤11、进行线路测试评估；
步骤12、如果用工频电压来测试，需要的电流为：
其中，I为电流，U为电压。
优选的，按10KV中压线路测试评估，则需要的试验电压的幅值为0.5--1.2Un，需要的电压有效值为12KV；
当试验电缆等效电容为5uF时，如果用工频电压来测试，需要的电流为：
如果用超低频试验电源，本发明频率定为0.1HZ，那么所需测试电流：
需要提供的功率:
从而得出：226KW的试验设备其体积、重量会给试验带来很大的麻烦，而452W的设备则可以做到便携式；因此为10km电缆做老化水平试验成为可能。
优选的，采用直接测量法，介质损耗通过测量介质损耗角计算得出；对于直接测量法原理的超低频介质损耗测试仪，自带的标准电容器与被试品并联，通过直接测量流经标准电容器支路和被试品的电流，经过傅里叶换算以及计算机处理中心分析***处理，得出测试电流之间的相位关系（此即为介质损耗角δ），计算出被试品的电容量及介损值。
优选的，工控机将每次测试结果保存到数据库，根据历史数据得到电缆介质损耗参数的变化趋势，介损随时间稳定性(VLF-TD Stability)、介损变化率(DTD)、介损平均值(TD))；并依此为依据给出电缆老化程度。
有益效果：本发明采用开关功放驱动高频变压器升压方式实现超低频正弦波中压试验电压；通过对电缆在运行过程中，因受到自然环境的温度、湿度、油化腐蚀以及人力破坏等影响，会造成绝缘损伤，当损伤到一定程度，会造成事故；为了避免事故，目前对电缆性能进行预防性试验，国内目前仍在用绝缘电阻、绝缘耐压、电阻比等方式进行评估；但国际上越来越多推行超低频介损测试来进行评估；因为，该方法具有指标敏感、试验电源容量需求低、设备轻便等特点，通过介损绝对测量值、介损变化率、介损暂态稳定性等指标，可灵敏反映电缆受潮、水树老化等问题；目前，国内使用的超低频介损电缆老化性能评价***基本来自德国、奥地利，国内尚没有类似产品；为了能填补此项空白，我们进行了这项发明；目前此类产品在国网招标价为100万，虽是试用，尚未完全铺开；但此类产品的应用，会给电力企业给社会带来很大的效益，未来推广已是势在必行；此项发明的成功，也将给国家给企业带来非常大的效益。
附图说明
图1是本发明的原理方框图。
图2是本发明的SPWM高压逆变器。
图3是本发明的背景技术方案图。
图4是本发明的直接测量法测试仪原理框图。
图5是本发明的实际使用示意图。
具体实施方式
如图1所示，在该实施例中，一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置及其测量方法，包括：工控机、装置数字电路模块、逆变模块、低通滤波及高压取样模块、半桥式逆变器和可控高压整流器。
在进一步的实施例中，逆变模块包括SPWM高压逆变器；所述SPWM高压逆变器包括：功放器U1、接口J1、接口J2、接口J3、电阻R9、电阻R7、电阻R8、电容C7、MOS管Q1、LED二极管D1、电阻R3、电容C1、电阻R1、电容C2、电容C3、电阻R2、电容C4、电阻R6、二极管D2、电容C5、电容C6、电阻R5、电阻R4、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、二极管D4、电容C13、电容C14、电容C10、电阻R20、二极管D3、电阻R14、电阻R18、电阻R17、电阻R15、电阻R16、电容C18、电容C9、电阻R21、LED二极管D5、场效应管Q2、场效应管Q3、电容C15、电容C16、电阻R19、电阻R22、电容C17、电容C12、电阻R23、电容C11、变压器TR1、差模滤波电感L1、差模滤波电感L2、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37。
在更进一步的实施例中，所述功放器U1的1号引脚同时与所述电容C1的一端和所述MOS管Q1的漏极连接且电容C1的一端输入+5V电压，所述功放器U1的2号引脚同时与所述电容C1的另一端、所述电容C2的一端和所述电阻R1的一端连接且接地，所述功放器U1的4号引脚同时与所述电容C2的另一端和所述电容C3的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端同时与所述电容C3的另一端和所述电容C4的一端连接，所述功放器U1的3号引脚同时与所述电容C4的另一端、所述电阻R7的一端和所述电阻R9的一端连接，所述功放器U1的5号引脚同时与所述电容C5的一端、所述电阻R6的一端和所述MOS管Q1的栅极连接，所述电阻R6的另一端与所述二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极接SD端，所述MOS管Q1的源极与所述LED二极管D1的正极连接，所述LED二极管D1的负极与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地，所述功放器U1的6号引脚同时与所述电容C5的另一端、所述电容C6的一端和所述电阻R5的一端连接且输入地线电压，所述功放器U1的7号引脚与所述电阻R4的一端连接，所述电容C6的另一端接地，所述功放器U1的8号引脚同时与所述电阻R5的另一端和所述电阻R4的另一端连接，所述接口J1的2号引脚与所述电阻R9的另一端连接，所述接口J1的3号引脚接地，所述电容C7的一端同时与所述电阻R9的另一端和所述电阻R8的一端连接，所述电容C7的另一端接地，所述功放器U1的9号引脚同时与所电阻R16的一端和所述电阻R15的一端连接，所述电阻R16的另一端与所述接口J2的1号引脚连接，所述功放器U1的10号引脚同时与所述LED二极管D5的负极、所述场效应管Q3的漏极、所述电容C11的一端、所述电容C12的一端、所述电容C16的另一端和所述电容C17的一端连接，所述电容C11的另一端接地，所述电容C12的另一端接地，所述LED二极管D5的正极与所述电阻R21的一端连接，所述功放器U1的11号引脚与所述电阻R14的一端连接，所述功放器U1的12号引脚同时与所述电阻R15的另一端、所述电容C8的一端和所述电阻R17的一端连接且接入电源电压，所述电阻R17的另一端同时与所述电阻R18的一端和所述电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端与接口J2的1号引脚连接，所述电容C8的另一端与接口J2的1号引脚反接，所述电阻R18的另一端与所述二极管D3的正极连接，所述电阻R14的另一端同时与所述电阻R21的另一端和所述场效应管Q3的栅极连接，所述功放器U1的13号引脚同时与所述电容C10的一端、所述电阻R13的一端、所述场效应管Q3的源极、所述场效应管Q2的漏极、所述电阻R19的一端、所述电阻R22的一端、所述电阻R8的另一端和所述变压器TR1的2号引脚连接，所述变压器TR1的1号引脚与所述电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端接地，所述功放器U1的14号引脚与所述电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端与所述场效应管Q2的栅极连接，所述功放器U1的15号引脚同时与所述电阻R10的一端、所述电阻R11的一端、所述二极管D3的负极、所述电容C10的另一端连接，所述功放器U1的16号引脚同时与所述电阻R12的一端和所述电阻R13的另一端连接，所述电阻R12的另一端同时与所述电阻R11的另一端和所述二极管D4的正极连接，所述二极管D4的负极同时与所述电阻R10的另一端和所述电容C13的一端连接且与所述接口J2的3号引脚连接，所述电容C14的一端同时与所述电容C13的一端和所述场效应管Q2的源极连接且与所述接口J2的3号引脚连接，所述电容C13的另一端接地，所述电容C14的另一端接地，所述电容C15的一端同时与所述场效应管Q2的源极和所述电容C16的u一端连接，所述电容C15的另一端与所述电阻R19的另一端连接，所述电阻R22的另一端与所述电容C17的另一端连接，所述变压器TR1的3号引脚接公共端，所述变压器TR1的4号引脚与所述差模滤波电感L1的一端连接，所述差模滤波电感L1的另一端同时与所述电容C18的一端、所述电阻R24的一端和所述差模滤波电感L2的一端连接，所述差模滤波电感L2的另一端同时与所述电容C28的一端和所述电阻R34的一端连接且与接口J3的1号引脚连接，所述接口J2的2号引脚接地，所述接口J3的2号引脚接公共端，所述电容C18的另一端同时与所述电容C19的一端、所述电阻R25的一端和所述电阻R24的另一端连接，所述电容C19的另一端同时与所述电容C20的一端、所述电阻R26的一端和所述电阻R25的另一端连接，所述电容C20的另一端同时与所述电容C21的一端、所述电阻R27的一端和所述电阻R26的另一端连接，所述电容C21的另一端同时与所述电容C22的一端、所述电阻R28的一端和所述电阻R27的另一端连接，所述电容C22的另一端同时与所述电容C23的一端、所述电阻R29的一端和所述电阻R28的另一端连接，所述电容C23的另一端同时与所述电容C24的一端、所述电阻R30的一端和所述电阻R29的另一端连接，所述电容C24的另一端同时与所述电容C25的一端、所述电阻R31的一端和所述电阻R30的另一端连接，所述电容C25的另一端同时与所述电容C26的一端、所述电阻R32的一端和所述电阻R31的另一端连接，所述电容C26的另一端同时与所述电容C25的一端、所述电阻R33的一端和所述电阻R32的另一端连接，所述电容C27的另一端接公共端，所述电阻R33的另一端接公共端；所述电容C28的另一端同时与所述电容C29的一端、所述电阻R35的一端和所述电阻R34的另一端连接，所述电容C29的另一端同时与所述电容C30的一端、所述电阻R36的一端和所述电阻R35的另一端连接，所述电容C30的另一端同时与所述电容C31的一端、所述电阻R37的一端和所述电阻R36的另一端连接，所述电容C31的另一端同时与所述电容C32的一端、所述电阻R38的一端和所述电阻R37的另一端连接，所述电容C32的另一端同时与所述电容C33的一端、所述电阻R39的一端和所述电阻R38的另一端连接，所述电容C33的另一端同时与所述电容C34的一端、所述电阻R40的一端和所述电阻R30的另一端连接，所述电容C34的另一端同时与所述电容C35的一端、所述电阻R41的一端和所述电阻R40的另一端连接，所述电容C35的另一端同时与所述电容C36的一端、所述电阻R42的一端和所述电阻R41的另一端连接，所述电容C36的另一端同时与所述电容C35的一端、所述电阻R43的一端和所述电阻R42的另一端连接，所述电容C37的另一端接公共端，所述电阻R43的另一端接公共端；功放器U1的型号为IRS2092。
在进一步的实施例中，半桥式逆变器包括：储能电容C100、储能电容C101、储能电容C102、储能电容C103、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、MOS管Q13、正半周变压器和负半周变压器。
在更进一步的实施例中，所述MOS管Q10的栅极、MOS管Q11的栅极、MOS管Q12的栅极和MOS管Q13的栅极与SPWM高压逆变器的输出端连接，所述正半周变压器的输入端同时与所述MOS管Q10的漏极和MOS管Q11的源极、储能电容C100的负极和储能电容C101的正极连接，所述负半周变压器的输入端同时与所述MOS管Q12的漏极和MOS管Q13的源极、储能电容C102的负极和储能电容C103的正极连接，所述正半周变压器的输出一端与可控高压整流器的输入端连接，所述负半周变压器的输出一端与可控高压整流器的输入端连接，所述正半周变压器的输出另一端和负半周变压器的输出另一端接公共端；所述储能电容C100的正极接入工作电压，所述储能电容C101的负极接地，所述储能电容C102的正极接入工作电压，所述储能电容C103的负极接地，所述MOS管Q10的源极接入工作电压，所述MOS管Q11的漏极接地，所述MOS管Q12的源极接入工作电压，所述MOS管Q13的漏极接地。
在进一步的实施例中，低通滤波及高压取样模块由低通滤波电路和高压取样电路组成，且包括：电容C104、电容C104、电阻R100、电阻R101。
在更进一步的实施例中，所述电容C104的一端与所述电容C105的一端连接且与AD转换器和SPWM高压逆变器连接，所述电阻R100的一端和所述电阻R101的一端连接且与AD转换器和SPWM高压逆变器连接，所述电容C104的另一端同时与可控高压整流器的输出端和所述电阻R100的另一端连接，所述电阻R101的另一端接公共端，所述电容C105的另一端接公共端。
在进一步的实施例中，工控机内置若干试验模块，由用户向工控机选定试验内容，发给CPU(TI公司DSP),CPU根据不同试验模块选定不同时序的数据送至DA，结合逻辑电路，构成函数发生器；函数发生器产生SPWM所需的调制信号与载波信号，经SPWM及电平迁移电路后输出MOSFET的驱动信号。
在进一步的实施例中，储能电容C100、储能电容C101、储能电容C102、储能电容C103、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、MOS管Q13、正半周变压器和负半周变压器组成半桥式逆变器，高频升压变压器能将体积缩小，高效率输出所需幅值；输出的信号经过可控高压整流器、低通滤波，得到所需试验电压。
一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置的测量方法，为了达到以介质损耗参数来评价电缆老化水平的目的，需要的试验电压，根据《ANSI/IEEE 400.2-2004使用超低频(VLF)的屏蔽电力电缆***的现场试验指南》，测量方法具体步骤如下：
步骤1、由于工控机内置若干试验模块，从而用户向工控机选定试验内容，发给CPU(TI公司DSP)；
步骤2、CPU根据不同试验模块选定不同时序的数据送至DA，结合逻辑电路，构成函数发生器；
步骤3、函数发生器产生SPWM高压逆变器所需的调制信号与载波信号，经SPWM高压逆变器及电平迁移电路后输出MOSFET的驱动信号；
步骤4、两只MOSFET、储能电容、高频变压器组成半桥式逆变器，高频升压变压器能将体积缩小，高效率输出所需幅值；
步骤5、输出的信号经过可控高压整流器、低通滤波，得到所需试验电压；
步骤6、可控高压整流器件由DSP控制，正半周、负半周轮流导通，半桥工作时间也作相应控制；
步骤7、低通滤波滤除载波信号，还原出调制信号，既是所需的试验电压；
步骤8、高压取样信号从低通滤波电路中获取，分送至调制电路前段，构成反馈信号，以提高负载能力；
步骤9、另一路送至AD，测量出输出信号的电压部分；
步骤10、电流由套在输出回路的穿心互感器获取，DSP将电压、电流信号进行快速傅里叶变换，得到基波的赋值与相位，从而计算出损耗角，进而计算出正切值（介质损耗）；
步骤11、进行线路测试评估；
步骤12、如果用工频电压来测试，需要的电流为：
其中，I为电流，U为电压。
在进一步的实施例中，按10KV中压线路测试评估，则需要的试验电压的幅值为0.5--1.2Un，需要的电压有效值为12KV；
当试验电缆等效电容为5uF时，如果用工频电压来测试，需要的电流为：
如果用超低频试验电源，本发明频率定为0.1HZ，那么所需测试电流：
需要提供的功率:
从而得出：226KW的试验设备其体积、重量会给试验带来很大的麻烦，而452W的设备则可以做到便携式；因此为10km电缆做老化水平试验成为可能。
在进一步的实施例中，采用直接测量法，介质损耗通过测量介质损耗角计算得出；对于直接测量法原理的超低频介质损耗测试仪，自带的标准电容器与被试品并联，通过直接测量流经标准电容器支路和被试品的电流，经过傅里叶换算以及计算机处理中心分析***处理，得出测试电流之间的相位关系（此即为介质损耗角δ），计算出被试品的电容量及介损值。
在进一步的实施例中，工控机将每次测试结果保存到数据库，根据历史数据得到电缆介质损耗参数的变化趋势，介损随时间稳定性(VLF-TD Stability)、介损变化率(DTD)、介损平均值(TD))；并依此为依据给出电缆老化程度。
工作原理：工控机内置若干试验模块，由用户向工控机选定试验内容，发给CPU(TI公司DSP),CPU根据不同试验模块选定不同时序的数据送至DA，结合逻辑电路，构成函数发生器；函数发生器产生SPWM所需的调制信号与载波信号，经SPWM及电平迁移电路后输出MOSFET的驱动信号；两只MOSFET、储能电容、高频变压器组成半桥式逆变器，高频升压变压器能将体积缩小，高效率输出所需幅值。输出的信号经过可控高压整流器、低通滤波，得到所需试验电压；可控高压整流器件由DSP控制，正半周、负半周轮流导通，半桥工作时间也作相应控制；低通滤波滤除载波信号，还原出调制信号，既是所需的试验电压；高压取样信号从低通滤波电路中获取，分送至调制电路前段，构成反馈信号，以提高负载能力；另一路送至AD，测量出输出信号的电压部分。电流由套在输出回路的穿心互感器获取，DSP将电压、电流信号进行快速傅里叶变换，得到基波的赋值与相位，从而计算出损耗角，进而计算出正切值（介质损耗）；
工控机将每次测试结果保存到数据库，根据历史数据得到电缆介质损耗参数的变化趋势，介损随时间稳定性(VLF-TD Stability)、介损变化率(DTD)、介损平均值(TD))。并依此为依据给出电缆老化程度。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，其特征在于，包括：
工控机；是人机交互主要部分，试验参数、信息的设置，试验模式的设置，试验分析的结果，数据的保存，都由工控机来完成；
装置数字电路模块，用于信号产生、输出量测量、逻辑控制工作；
逆变模块，用于进行直流电压转化为交流电压；
低通滤波及高压取样模块，用于允许低于截止频率的信号通过, 而高于截止频率的信号不能通过；且用于进行高压信号的采集；
其中，装置数字电路模块包括：CPU、AD转换器、DA转换器。
2.根据权利要求1所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，其特征在于，所述逆变模块包括SPWM高压逆变器；所述SPWM高压逆变器包括：功放器U1、接口J1、接口J2、接口J3、电阻R9、电阻R7、电阻R8、电容C7、MOS管Q1、LED二极管D1、电阻R3、电容C1、电阻R1、电容C2、电容C3、电阻R2、电容C4、电阻R6、二极管D2、电容C5、电容C6、电阻R5、电阻R4、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、二极管D4、电容C13、电容C14、电容C10、电阻R20、二极管D3、电阻R14、电阻R18、电阻R17、电阻R15、电阻R16、电容C18、电容C9、电阻R21、LED二极管D5、场效应管Q2、场效应管Q3、电容C15、电容C16、电阻R19、电阻R22、电容C17、电容C12、电阻R23、电容C11、变压器TR1、差模滤波电感L1、差模滤波电感L2、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37；
所述功放器U1的1号引脚同时与所述电容C1的一端和所述MOS管Q1的漏极连接且电容C1的一端输入+5V电压，所述功放器U1的2号引脚同时与所述电容C1的另一端、所述电容C2的一端和所述电阻R1的一端连接且接地，所述功放器U1的4号引脚同时与所述电容C2的另一端和所述电容C3的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端同时与所述电容C3的另一端和所述电容C4的一端连接，所述功放器U1的3号引脚同时与所述电容C4的另一端、所述电阻R7的一端和所述电阻R9的一端连接，所述功放器U1的5号引脚同时与所述电容C5的一端、所述电阻R6的一端和所述MOS管Q1的栅极连接，所述电阻R6的另一端与所述二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极接SD端，所述MOS管Q1的源极与所述LED二极管D1的正极连接，所述LED二极管D1的负极与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地，所述功放器U1的6号引脚同时与所述电容C5的另一端、所述电容C6的一端和所述电阻R5的一端连接且输入地线电压，所述功放器U1的7号引脚与所述电阻R4的一端连接，所述电容C6的另一端接地，所述功放器U1的8号引脚同时与所述电阻R5的另一端和所述电阻R4的另一端连接，所述接口J1的2号引脚与所述电阻R9的另一端连接，所述接口J1的3号引脚接地，所述电容C7的一端同时与所述电阻R9的另一端和所述电阻R8的一端连接，所述电容C7的另一端接地，所述功放器U1的9号引脚同时与所电阻R16的一端和所述电阻R15的一端连接，所述电阻R16的另一端与所述接口J2的1号引脚连接，所述功放器U1的10号引脚同时与所述LED二极管D5的负极、所述场效应管Q3的漏极、所述电容C11的一端、所述电容C12的一端、所述电容C16的另一端和所述电容C17的一端连接，所述电容C11的另一端接地，所述电容C12的另一端接地，所述LED二极管D5的正极与所述电阻R21的一端连接，所述功放器U1的11号引脚与所述电阻R14的一端连接，所述功放器U1的12号引脚同时与所述电阻R15的另一端、所述电容C8的一端和所述电阻R17的一端连接且接入电源电压，所述电阻R17的另一端同时与所述电阻R18的一端和所述电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端与接口J2的1号引脚连接，所述电容C8的另一端与接口J2的1号引脚反接，所述电阻R18的另一端与所述二极管D3的正极连接，所述电阻R14的另一端同时与所述电阻R21的另一端和所述场效应管Q3的栅极连接，所述功放器U1的13号引脚同时与所述电容C10的一端、所述电阻R13的一端、所述场效应管Q3的源极、所述场效应管Q2的漏极、所述电阻R19的一端、所述电阻R22的一端、所述电阻R8的另一端和所述变压器TR1的2号引脚连接，所述变压器TR1的1号引脚与所述电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端接地，所述功放器U1的14号引脚与所述电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端与所述场效应管Q2的栅极连接，所述功放器U1的15号引脚同时与所述电阻R10的一端、所述电阻R11的一端、所述二极管D3的负极、所述电容C10的另一端连接，所述功放器U1的16号引脚同时与所述电阻R12的一端和所述电阻R13的另一端连接，所述电阻R12的另一端同时与所述电阻R11的另一端和所述二极管D4的正极连接，所述二极管D4的负极同时与所述电阻R10的另一端和所述电容C13的一端连接且与所述接口J2的3号引脚连接，所述电容C14的一端同时与所述电容C13的一端和所述场效应管Q2的源极连接且与所述接口J2的3号引脚连接，所述电容C13的另一端接地，所述电容C14的另一端接地，所述电容C15的一端同时与所述场效应管Q2的源极和所述电容C16的u一端连接，所述电容C15的另一端与所述电阻R19的另一端连接，所述电阻R22的另一端与所述电容C17的另一端连接，所述变压器TR1的3号引脚接公共端，所述变压器TR1的4号引脚与所述差模滤波电感L1的一端连接，所述差模滤波电感L1的另一端同时与所述电容C18的一端、所述电阻R24的一端和所述差模滤波电感L2的一端连接，所述差模滤波电感L2的另一端同时与所述电容C28的一端和所述电阻R34的一端连接且与接口J3的1号引脚连接，所述接口J2的2号引脚接地，所述接口J3的2号引脚接公共端，所述电容C18的另一端同时与所述电容C19的一端、所述电阻R25的一端和所述电阻R24的另一端连接，所述电容C19的另一端同时与所述电容C20的一端、所述电阻R26的一端和所述电阻R25的另一端连接，所述电容C20的另一端同时与所述电容C21的一端、所述电阻R27的一端和所述电阻R26的另一端连接，所述电容C21的另一端同时与所述电容C22的一端、所述电阻R28的一端和所述电阻R27的另一端连接，所述电容C22的另一端同时与所述电容C23的一端、所述电阻R29的一端和所述电阻R28的另一端连接，所述电容C23的另一端同时与所述电容C24的一端、所述电阻R30的一端和所述电阻R29的另一端连接，所述电容C24的另一端同时与所述电容C25的一端、所述电阻R31的一端和所述电阻R30的另一端连接，所述电容C25的另一端同时与所述电容C26的一端、所述电阻R32的一端和所述电阻R31的另一端连接，所述电容C26的另一端同时与所述电容C25的一端、所述电阻R33的一端和所述电阻R32的另一端连接，所述电容C27的另一端接公共端，所述电阻R33的另一端接公共端；所述电容C28的另一端同时与所述电容C29的一端、所述电阻R35的一端和所述电阻R34的另一端连接，所述电容C29的另一端同时与所述电容C30的一端、所述电阻R36的一端和所述电阻R35的另一端连接，所述电容C30的另一端同时与所述电容C31的一端、所述电阻R37的一端和所述电阻R36的另一端连接，所述电容C31的另一端同时与所述电容C32的一端、所述电阻R38的一端和所述电阻R37的另一端连接，所述电容C32的另一端同时与所述电容C33的一端、所述电阻R39的一端和所述电阻R38的另一端连接，所述电容C33的另一端同时与所述电容C34的一端、所述电阻R40的一端和所述电阻R30的另一端连接，所述电容C34的另一端同时与所述电容C35的一端、所述电阻R41的一端和所述电阻R40的另一端连接，所述电容C35的另一端同时与所述电容C36的一端、所述电阻R42的一端和所述电阻R41的另一端连接，所述电容C36的另一端同时与所述电容C35的一端、所述电阻R43的一端和所述电阻R42的另一端连接，所述电容C37的另一端接公共端，所述电阻R43的另一端接公共端。
3.根据权利要求2所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，其特征在于，所述功放器U1的型号为IRS2092。
4.根据权利要求1所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，其特征在于，还包括：半桥式逆变器和可控高压整流器；
其中所述半桥式逆变器包括：储能电容C100、储能电容C101、储能电容C102、储能电容C103、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、MOS管Q13、正半周变压器和负半周变压器；
所述MOS管Q10的栅极、MOS管Q11的栅极、MOS管Q12的栅极和MOS管Q13的栅极与SPWM高压逆变器的输出端连接，所述正半周变压器的输入端同时与所述MOS管Q10的漏极和MOS管Q11的源极、储能电容C100的负极和储能电容C101的正极连接，所述负半周变压器的输入端同时与所述MOS管Q12的漏极和MOS管Q13的源极、储能电容C102的负极和储能电容C103的正极连接，所述正半周变压器的输出一端与可控高压整流器的输入端连接，所述负半周变压器的输出一端与可控高压整流器的输入端连接，所述正半周变压器的输出另一端和负半周变压器的输出另一端接公共端；所述储能电容C100的正极接入工作电压，所述储能电容C101的负极接地，所述储能电容C102的正极接入工作电压，所述储能电容C103的负极接地，所述MOS管Q10的源极接入工作电压，所述MOS管Q11的漏极接地，所述MOS管Q12的源极接入工作电压，所述MOS管Q13的漏极接地。
5.根据权利要求1所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，其特征在于，所述低通滤波及高压取样模块由低通滤波电路和高压取样电路组成，且包括：电容C104、电容C104、电阻R100、电阻R101；所述电容C104的一端与所述电容C105的一端连接且与AD转换器和SPWM高压逆变器连接，所述电阻R100的一端和所述电阻R101的一端连接且与AD转换器和SPWM高压逆变器连接，所述电容C104的另一端同时与可控高压整流器的输出端和所述电阻R100的另一端连接，所述电阻R101的另一端接公共端，所述电容C105的另一端接公共端。
6.根据权利要求4所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，其特征在于，工控机内置若干试验模块，由用户向工控机选定试验内容，发给CPU(TI公司DSP),CPU根据不同试验模块选定不同时序的数据送至DA，结合逻辑电路，构成函数发生器；函数发生器产生SPWM所需的调制信号与载波信号，经SPWM及电平迁移电路后输出MOSFET的驱动信号。
7.根据权利要求5所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置，其特征在于，储能电容C100、储能电容C101、储能电容C102、储能电容C103、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、MOS管Q13、正半周变压器和负半周变压器组成半桥式逆变器，高频升压变压器能将体积缩小，高效率输出所需幅值；输出的信号经过可控高压整流器、低通滤波，得到所需试验电压。
8. 一种权利要求2至7任一项所述工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置的测量方法，其特征在于；为了达到以介质损耗参数来评价电缆老化水平的目的，需要的试验电压，根据《ANSI/IEEE 400.2-2004 使用超低频(VLF)的屏蔽电力电缆***的现场试验指南》，测量方法具体步骤如下：
步骤1、由于工控机内置若干试验模块，从而用户向工控机选定试验内容，发给CPU；
步骤2、CPU根据不同试验模块选定不同时序的数据送至DA，结合逻辑电路，构成函数发生器；
步骤3、函数发生器产生SPWM高压逆变器所需的调制信号与载波信号，经SPWM高压逆变器及电平迁移电路后输出MOSFET的驱动信号；
步骤4、两只MOSFET、储能电容、高频变压器组成半桥式逆变器，高频升压变压器能将体积缩小，高效率输出所需幅值；
步骤5、输出的信号经过可控高压整流器、低通滤波，得到所需试验电压；
步骤6、可控高压整流器件由DSP控制，正半周、负半周轮流导通，半桥工作时间也作相应控制；
步骤7、低通滤波滤除载波信号，还原出调制信号，既是所需的试验电压；
步骤8、高压取样信号从低通滤波电路中获取，分送至调制电路前段，构成反馈信号，以提高负载能力；
步骤9、另一路送至AD，测量出输出信号的电压部分；
步骤10、电流由套在输出回路的穿心互感器获取，DSP将电压、电流信号进行快速傅里叶变换，得到基波的赋值与相位，从而计算出损耗角，进而计算出正切值；
步骤11、进行线路测试评估；
步骤12、如果用工频电压来测试，需要的电流为：
其中，I为电流，U为电压。
9.根据权利要求8所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置的测量方法，其特征在于，采用直接测量法，介质损耗通过测量介质损耗角计算得出；对于直接测量法原理的超低频介质损耗测试仪，自带的标准电容器与被试品并联，通过直接测量流经标准电容器支路和被试品的电流，经过傅里叶换算以及计算机处理中心分析***处理，得出测试电流之间的相位关系，计算出被试品的电容量及介损值。
10.根据权利要求8所述的一种工作于超低频段试验电压的电缆介质损耗测量装置的测量方法，其特征在于，工控机将每次测试结果保存到数据库，根据历史数据得到电缆介质损耗参数的变化趋势，介损随时间稳定性、介损变化率、介损平均值；并依此为依据给出电缆老化程度。
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