动态品质检测与实施方案设计(之二)电容量值与有功损耗P·tanδ动态检测_电力行业

作者简介：冯杰，我国老一辈测试测量工程师，长期供职于西北电网，主要负责电站调试与测控设备研制，在此期间发表了数十篇引起行业轰动的技术研究型论文，国家颁布的专利证书多个。九十年代后期，独自南下赴深圳创立“亨利电子”，在长期为众多电子企业解决技术难题的积累和思考下，他所提出的“动态品质检测理念”以及解决方案逐渐引起很多权威专家和企业的认可。

编者按：何谓动态品质检测，实际上，是将动态测试理念引入品质检测。把被检测的产品或器件，放在设计的比较符合实际工作状态的电路环境里、使其载荷并有复合物理量参与的条件下，检测已规范的技术指标，工作状况与互动效果。这样，它可以克服小信号单一量值静态法的不足。显然，提高了判断产品优劣的可靠性。虽然电子电力产品复杂和多样，而理念的引入和解决方案，则须简单便捷。因此，探讨常数化变量，以及设计新的测控电路，是实现动态方案的关键。现已设计制作了涵盖着：RLC基础器件类、电子线插器件类、保护开关类、变压电源类、新型敏感器件类，新能源光伏器件与法拉级超大电容类等动态品检仪器设备。实践也证明，动态品质检测在中外企业发挥着重大的作用。
以往，有关电容或电容设备参数的检测，大多采用电桥原理。其构成必然设标准电容与调整桥路平衡，间接取得电容量值等参数。现时，尽管一些专业电桥引入了智能分析功能，而电桥小信号静态局限，仍然难以反映实际工作状态下某些特性。由于受到电网高压设备电容参数检测的启发，笔者试图取工频为测试电源。并且探求以电流值反映电容量值，即I//C工频变量常数。这样，其技术方案在不设标准电容。不须平衡桥路，灵活选取工频测试电源又能尽量使试品在符合实际工作状况下，直读电容量值，以及有功损失等参数。是实现动态品质检测可取方案。
一、I//C工频变量常数简介：
由电工原理可知，在交流电路里：
电容量：C=[Ic/ω*Uc]*106（μF）
其中电容电流：Ic=ω*C*Uc（A）
如果设计，Ic=ω*C*Uc=1mA
希望1mA电流反映电容量值：C=[1mA/ω*Uc]*103=1μF
这时，当角频率ω不变条件下，将设计的电压常量Uc=3.185V代入,等式平衡时，便有着1mA电流反映1μF电容量值的变量常数关系。即I/C=1mA/1μF。如果以10倍关系，改变常量电压Uc，便可得到1mA/10μF、1mA/1μF、1mA/0.1μF、1mA/0.01μF、1mA/1000PF, 1mA/100PF，等变量常数族。
设计工频50HZ/60HZ I//C变量常数表如下：

二、I//C变量，非桥路直读原理简述：

电路中，测试电源取自50HZ或60HZ工业电网。经CBY常数变量器取常量电压UC;开关K对应选择电网频率;电流互感器HL1,HL2二次回路经RO分压取样供AC200mV显示，以mV对应电流mA，以及mV对应电容μF。设电力参数表显示被试电容有功损耗P=W，介质损耗tanδ。
三、I//C变量常数直读应用特点：
◎ 非桥路直读，不须标准电容，不设平衡调节，简化电路，明确客观直读;
◎ 测试频率电源取自工业大电网，稳定实用，满足工程应用误差要求;
◎ 有利于设计高压介质损耗检测新方案，以及高压设备运行绝缘监测方案;
◎ 测试电压UC由0.3185V到31.85KV，既适应低压器件，又适应电网高压;
◎ 变量输出电流宽范，特别适应动态检测仪器的设计;
◎ 与电力参数表配合，简化了电容设备有功损耗以及介质损耗测试方案。
四、设计制作实例：
# 实用的电容多量程与有功损耗，介质损耗直读仪
# 由I//C工频变量常数表中，取变量常数I/C=1mA/1μF，常量电压UC=3.185V;
# 设计常数变量器，一次220V 50HZ,二次UC=3.185V+△u=3.3V,10A;
# 设计电容量程档位，199.9μF，1999μF，19.99mF三档切换;
# 应用LED数码电力表，转换测量有功损耗P=W，介质损耗tanδ=CosΦ;
# 应用LED数码AcmV表与电流互感器配合，测试与50HZ纹波动态电流值。
测控电路图：

电路说明与制作
1、测量部分：CBY常数变量器电源取自50HZ 220V，二次绕组Uc=3.185V+△u=3.3V，1mA/1μF常数关系反映电容量值。电流互感器HL1取样测试回路电流，互感器HL2,HL3二次分压构成三档电容测试。HL1、HL2、HL3采用市场方便购买的TA17-1/2000匝，20A/10mA-300Ω-3V，HL1、HL2一次为穿芯一匝，HL3穿芯绕10匝;电流与电容量显示均采用LED，三位半AC200mV表头。有功与介质损耗测试由市场购数显电力表完成。操作按键N选择P为有功功率显示，PF为介质损失显示，COSφ=tanδ。同时电力表还有电流电压显示功能，其乘积就是电容器的无功分量称：Var=Uc●Ic=VA.
2、测控操作电路：By为操作电源变压器，二次8.5V供电流表和电容表数显工作电源;24V经整流供测控信号电源。操作开关K使继电器J接通或断开测量回路，以免接入或取除被试电容CX时产生电火花。KB为过电流保护开关，KA为三刀波段开关，切换电流2A/20A档，并LED发光管档位显示及小数点变换，KC为三档电容开关，三刀三掷波段开关，其功能选择电容档位，LED发光管档位显示以及表头小数点变换。只有200μF档才投入HL3，当2000μF与20mF档均由继电器J2,J3接点将HL3一次绕组10匝短路，以减少电路损耗。
3、安装接线：电流互感器HL1、HL2、HL3，继电器J、J2、J3均安装在万用电路板上，继电器选用JQC-3FF型，接点12A，线圈DC24V。测试电源3.3V至CX主回路导线截面不小于2平方毫米。其它0.3平方毫米多股软线。
4、面板设计：尺寸：120mm*360mm，各部件安排图示
设计制作仪器面板图

①LED数字电流表②KA2A/20A选档开关与档位显示③LED数显电容表④KC电容量程三档选择开关与档位显示⑤LED数字电力表⑥N有功损耗P=W与介质损耗tanδ=COSφ转换操作按钮⑦电源开关⑧K,测试开关⑨CX接线柱⑩KB过电流保护开关。
5、调整试验：
＊检查接线正确，无虚焊错焊。接通电源开关，观察电流表，电容表，电力表均显零值。各档位对应LED灯显示正确。
＊电容档位对应电流值核对，电容档位选200μF，电流档位选2A档，选标称电压≥25V,100μ电容接入CX，按下测试开并K，电容表显示100μF±5%,电流表显示0.100A±5%。正确后，再用1000μF，4700μF核对另外两档，以确认I//C变量常数工作在1mA/1μF即1A/1000μF。
＊电力表P=W，COSφ=tanδ核对：
市场购得的数显电力表内含电压U=V，电流I=A，有功P=W以及PF=COSφ=tanδ等四个功能显示，接入被试电容CX后，按键N切换读取电压UC，回路电流Ic可核对变量常数关系。读取P=W为CX所反映的有功损耗，读取PF为电容与损耗电流之夹角，即COSφ=tanδ。
＊测量电解质电容器标称电压应在25V或以上。有功损耗大多反映在ESR内阻上。这里特别指出，被试电解电容器件，是在工频纹波电流条件下检测其电容量与有功损耗的。比较有利于发现品质缺陷。
由于常量电压UC=3.185V+△u=3.3V,对于无极性电容器件有功损耗灵敏度较低，而电容量准确无误。也可在常数表中另取UC设计。
＊输出端不允许人为短路。否则，过大电流造成损坏。测试过程中注意观察电流表，如试品CX击穿，电流表超过20A，应及时操作测试开关K，断开测试回路，排除故障再试。