作者:王卫舟;吴集光;张菊鹏;祁硕
介质损耗因数tgδ是反映高电压电气设备绝缘性能的一项重要指标。通过测量tgδ可以反映出绝缘的一系列缺陷,如绝缘受潮、劣化变质或绝缘中有气体发生放电等。因此,在电力设备运行过程中,要定期对反映设备绝缘的介质损耗因数进行测量,若达不到一定标准,将不能继续使用该电力设备。
长期以来,tgδ的测量是通过QS-1电桥实现的。但它的测试程序复杂,操作工作量大,测量时间长,自动化水平低,并易受人为因素的影响,这些都限制了QS-1在电力系统中的应用。
由于绝缘测量的重要性,一些单位开展了数字化测量介质损耗因数的工作。但由于介质损耗测量具有特殊性,如在反接时实际上是在极高的共模电压下测量介质损耗因数,对系统的绝缘、抗干扰性能有较高的要求,这些对介质损耗因数的数字化测量造成了困难。本课题组采用高速A/D、闪速存储体(FlashMemory)和电池供电等技术,解决了测量时对绝缘和抗干扰能力的要求,测量精度也达到了QS-1的标准。由于本系统在信号输入端采用和QS-1相同的接口,因此可以很方便地在实际测量中取代QS-1系统。
1正接和反接条件下的介损测量
介损因数测量有正接和反接两种方法,如图1所示,其中Cx和Rx为试品的等值电容和等值电阻,Cn为无损标准电容,R1和R2为试品和参考电流的取样电阻。对于一些重量比较轻且其外壳没有和地形成不可分割状态的电气设备,可以用正接法对其测量,此时测量电压主要集中在电容两端,测量系统对地处于低电位,对系统的绝缘性能要求不高。对于一些重量很重或其外壳不能和地分开的电气设备,只能采用反接法测量其介质损耗因数,此时测量系统工作在极高的共模电压下(一般为10kV),对系统的绝缘性能要求很高,若此时测量系统仍采用220V交流电源供电,在电源变压器的两端要承受10kV以上的交流电压,使系统的结构复杂化。

2自动数字介损测量系统
鉴于反接法在实际测量中的重要性,并考虑到系统的便携性,本测量系统没有采用一般系统的交流供电的方法,而使用重量很轻且可充电的密封电池(SealedBattery)供电。在实际系统中,采用了6V4Ah/20HR密封铅蓄电池。经试验,在一次充电之后,系统可以连续工作5个小时以上,完全满足实际测量的要求。
另外,为了提高系统的自动化程度并减小测量人员的风险,本系统采用了自动测量的方式。如在反接方式下,测量人员连接好相应连线后,打开测量系统的电源开关并按下测量键,此时只需给试品提供测量电压而不用再对系统进行操作。当电压升高到一定阈值后,测量系统自动进入测量状态。约一分钟后,系统即可测量完毕,并将结果保存到闪速存储体中。这时测量人员可退下测量电压,在无高压存在的情况下将测量结果读出。为方便测量人员读取数据,系统配备了字符式液晶,按下计算键后,即可将结果显示在液晶屏上。为了便于操作,系统还安装了3个发光二极管,根据发光二极管的亮、灭和闪烁,测量人员可以了解系统的运行情况。整个系统的框图如图2所示。

3提高精度的几个措施
为提高测量的可靠性,本系统没有采用一般的过零比较法,而是使用A/D芯片,将模拟信号转换为数字信号,并使用数字信号处理方法对采集后的信号进行滤波,去除了在过零处信号的毛刺现象。为提高测量精度,还在硬件和软件方面采取了以下几项措施:
(1)使用高速A/D芯片,提高A/D转换速度。在本系统中每个通道都配置了Burr-Brown公司的ADS7800芯片,它的转换时间为3μs,在读取本次转换结果的同时启动下一次A/D转换。由于使用80C196读取转换结果并将结果存入到SRAM所用的时间超过3μs(系统工作在12MHz频率),因此没有必要在程序中对转换是否完成进行判断。在本系统中完成两个通道的A/D转换并将结果存入到SRAM的时间为10μs左右。对于50Hz工频信号,一个周期内可以采样2000个点左右,它的测量精度为360/2000=0.18°。
(2)采用两通道同时采样,去除由于启动转换的时间间隔造成的误差。在数据缓存处将转换结果分时读出。A/D部分电路如图3所示。

(3)使用模拟滤波芯片UAF42构成低通滤波电路。由于UAF42内部电容有极好的匹配性,只需调节外部电阻即可使两路信号在经过滤波电路时产生的相移尽可能相等。[/td][/tr][tr][td](4)系统还具有通道自检功能。在每次测量前,系统自动使用标准端产生的信号对两个通道进行检查,测出两个通道在通过同一个信号时产生的相位差。然后两个通道分别通过标准信号和测试信号,测出此时两个通道的相位差,减去自检时的相位差作为该时刻的结果,从而减小通道不匹配对测量结果的影响。[/td][/tr][tr][td](5)在一次测量中采集多个周期的信号,对测量的结果取中值作为介质损耗的δ值。用查表的方法得出tgδ的值。
4测试结果
在系统完成后,对多个样品进行了测试,并和QS-1的测量结果进行了比较。测试结果如表1所示。

由该表可以看出,本系统的测量值与QS-1的测量结果基本相符。
经过对多个样品的测试比较,本系统相对于QS-1具有更好的可操作性,测量时间比QS-1短了很多,而且精度也达到了QS-1的测量标准。另外,本系统采用了和QS-1相同的信号输入接口,在实际测量中可以很方便地对QS-1进行替换。本系统还采用了双层绝缘结构,一方面减少了外界对测量电路的电磁干扰,另一方面也符合了高压测量的要求,确保了测量人员的安全。
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1CMT是一款电池保护电路,用于带有集成功率MOSFET的1节锂离子二次电池。此外,它集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。电池保护系统只能由LC05111CMT和少量外部部件制成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 准备样品的短TAT 减少过电流检测的分散 高度准确的检测 应用 终端产品 锂离子电池保护 智能手机 平板电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:22 •
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信息描述德州仪器 (TI) bq40z60 器件是一款可编程的电池管理单元,其集成有电池充电控制输出、电量监测和相关保护功能,能够完全自主地操作 2 至 4 节串联锂离子和锂聚合物电池组。此架构在电量监测处理器与电池充电器控制器之间实现内部通信,从而在系统负载瞬变和适配器电流限制期间根据外部负载条件和电源路径来源管理来优化充电量。可通过 NFET、电感和感测电阻等外部元件针对具体功率传输情况来调节充电电流效率。 该器件提供了电池阵列和系统安全功能,包括电池放电过流、充电短路和放电短路保护,以及针对 N 沟道 FET 的 FET 保护、内部 AFE 看门狗和电池断开连接检测。器件可通过固件提供更多保护 功能, 包括过压、欠压、过热等。特性全集成 2 节至 4 节串联锂离子或锂聚合物电池管理单元Pack+ 上的输入电压范围:2.5V 至 25V电池充电器效率 > 92%电池充电器工作范围:4V 至 25V针对外部 N 沟道场效应晶体管 (NFET) 的电池充电器 1MHz 同步降压控制器软启动,限制浪涌电流外部开关限流保护可编程充电支持 JEITA/增强型充电模式 电量监测用于库伦计数器的 16 位高分辨率积分器16 位模数转换器 (ADC),通过 16 通道多路复用器...
发表于 04-18 19:10 •
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信息描述 德州仪器 (TI) bq34z110 是一款独立于电池串联配置之外工作的电量计解决方案,此解决方案支持铅酸化学电池。 通过一个外部电压转换电路,可支持 4V 至 64V 的电池,可对此电路进行自动控制以减少系统功耗。bq34z110 器件提供几个接口选项,其中包括一个 I2C 从接口、一个 HDQ 从接口、一个或者四个直接 LED 接口、和一个警报输出引脚。 此外,bq34z110 提供对于外部端口扩展器(支持多于四个 LED)的支持。特性 支持铅酸化学电池 使用获得专利的 Impedance Track 技术,用于电压范围为 4V 至 64V 的电池老化补偿 自放电补偿支持的电池容量超过 65Ahr 支持高于 32A 的充放电电流 外部负温度系数 (NTC) 热敏电阻支持 支持两线制 I2C 和与主机系统进行通信的 HDQ 单线制通信接口 安全哈希算法 (SHA)-1,哈希消息认证码 (HMAC) 认证 一个或者四个直接显示控制 五个 LED 和通过端口扩展器的更多显示 精简的功率模式(典型电池组运行范围条件)正常运行:平均值 < 140µA 睡眠模式:平均值 < 64µA 完全睡眠模式:平均值 < 19µA 封装:14 引脚薄型小外形尺寸封装 (TSSOP)电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:10 •
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信息描述 bq40z50 器件采用已获专利的 Impedance Track 技术,是一款基于电池组的单芯片全集成解决方案,针对 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组提供电量监测、保护及认证等一些列丰富的功能。bq40z50 器件利用其集成的高性能模拟外设,测量锂离子或锂聚合物电池的可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数,保留准确的数据记录,并通过 SMBus v1.1 兼容接口将这些信息报告给系统主机控制器。 bq40z50 器件为主机系统提供最大的功率和电流,从而支持 Turbo 升压模式。 该器件还支持电池跳变点,从而在预设的充电阈值状态向主机系统发送 BTP 中断信号。 bq40z50 针对过压、欠压、过流、短路电流、过载和过热情况,以及其他电池组和电池相关故障提供基于软件的 1 级和 2 级安全保护。具有针对认证码密钥的安全内存的 SHA-1 认证能够识别真正的电池组。这个紧凑的 32 导线 QFN 封装在尽可能地提供电池电量测量应用的功能性和安全性的同时,最大限度地降低解决方案成本和智能电池的尺寸。特性全集成 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组管理器及保护 下一代已获专利的 Impedance Track 技术可准确测量锂离子和锂聚合物电池...
发表于 04-18 19:10 •
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信息描述bq27545-G1 锂离子电池电量计是一款微控制器外设,此外设能够提供针对单节锂离子电池组的电量计量。此器件只需开发较少的系统微控制器固件即可实现精确的电池电量计量。bq27545-G1 安装于电池组内或者带有一个嵌入式电池(不可拆卸)的系统主板上。 bq27545-G1 使用已经获得专利的 Impedance Track™ 算法来进行电量计量,并提供诸如剩余电量 (mAh)、充电状态 (%)、续航时间(最小值)、电池电压 (mV) 和温度 (°C) 等信息。该器件还提供针对内部短路或电池端子断开事件的检测功能。bq27545-G1 还 具有 针对安全电池组认证(使用 SHA-1/HMAC 认证算法)的集成支持功能。 该器件还采用 15 焊球 Nano-Free™ DSBGA 封装 (2.61 mm × 1.96 mm),非常适合空间受限的 应用。特性适用于 1 节 (1sXp) 锂离子电池的电池电量计 应用 支持高达 14500mAh 的容量 微控制器外设提供:用于电池温度报告的内部或者外部温度传感器安全哈希算法 (SHA)-1 / 哈希消息认证码 (HMAC) 认证使用寿命的数据记录64 字节非易失性暂用闪存 基于已获专利的 Impedance Track™技术的电池电量计量用于电池续航能力精确预测的电池放电模拟曲线针对电池老化、电...
发表于 04-18 19:10 •
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信息描述The bqJUNIOR series are highly accurate stand-alone single-cell Li-Ion and Li-Pol battery capacity monitoring and reporting devices targeted at space-limited, portable applications. The IC monitors a voltage drop across a small current sense resistor connected in series with the battery to determine charge and discharge activity of the battery. Compensations for battery age, temperature, self-discharge, and discharge rate are applied to the capacity measurments to provide available time-to-emptyinformation across a wide range of operating conditions. Battery capacity is automatically recalibrated, or learned, in the course of a discharge cycle from full to empty. Internal registers include current, capacity, time-to-empty, state-of-charge, cell temperature and voltage, status, and more.The bqJUNIOR can operate directly from single-cell Li-Ion and Li-Pol batteries and communicates to the system over a HDQ one-wire or I2C serial interface.特...
发表于 04-18 19:10 •
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信息 Texas仪器bq27541-G1锂离子电池电量计是一种微控制器外围设备,可为单节锂离子电池组提供电量计量。该器件几乎不需要系统微控制器固件开发来实现精确的电池电量计量bq27541-G1位于电池组内或系统主板上,带有嵌入式电池(不可拆卸)。 bq27541-G1使用获得专利的Impedance Track™算法进行电量计量,并提供剩余电池容量(mAh),充电状态(%)等信息,运行时间为空(最小),电池电压(mV)和温度(°C)。它还提供内部短路或制表断开事件的检测。 bq27541-G1还使用SHA-1 / HMAC认证算法集成了对安全电池组认证的支持 优势特点 用于1系列(1sXp)锂离子电池应用的电池电量计32Ahr容量 微控制器外设提供: 精确的电池电量计支持高达32Ahr 用于电池温度报告的内部或外部温度传感器 SHA-1 / HMAC认证 终身数据记录 > 64字节的非易失性划痕垫FLASH 基于专利阻抗跟踪技术的电池电量计量 模型电池放电曲线,用于准确的时间到空预测 自动调整电池老化,电池自放电,&n温度/速率低效 低值检测电阻(5mΩ至20mΩ) 高级电量计功能 内部短暂检测 标签断开检测 ...
发表于 04-18 19:10 •
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信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...
发表于 04-18 19:10 •
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