阅读说明：本技术 一种高压环境下的电容容值测量方法 (Capacitance value measuring method under high-voltage environment ) 是由 何鹏 白利兵 周权 张旭 张�杰 程玉华 于 2021-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高压环境下的电容容值测量方法,属于电容测量技术领域,先获取待测电容所处高压环境的参数,构建由高压直流偏置单元、高频变压单元和与待测电容并联的放电单元串联成回路的电压电流测量电路；以可调电容器为待测电容接入电压电流测量电路,获取参考工作曲线；接入待测电容后断开放电单元,启动高压直流稳压电源至高电压输出,启动高频变压单元测量原边的电压和电流,关闭高压直流稳压电源和高频变压单元,接通放电单元；根据待测电容对应电压和电流在参考工作曲线中查找可选电容值,作为待测电容在高压环境下的电容值。本发明保证了获取参考工作曲线和测量待测电容时电路的工作状态一致,实现高压环境下高精度的电容容值测量。(The invention provides a capacitance value measuring method under a high-voltage environment, which belongs to the technical field of capacitance measurement, and comprises the steps of firstly obtaining parameters of the high-voltage environment where a capacitor to be measured is located, and constructing a voltage and current measuring circuit of a loop formed by connecting a high-voltage direct-current bias unit, a high-frequency voltage transformation unit and a discharge unit connected with the capacitor to be measured in parallel in series; accessing a voltage and current measuring circuit by taking an adjustable capacitor as a capacitor to be measured to obtain a reference working curve; switching off a discharge unit after a capacitor to be tested is connected, starting a high-voltage direct-current voltage-stabilized power supply to high-voltage output, starting a high-frequency voltage transformation unit to measure the voltage and current of a primary side, switching off the high-voltage direct-current voltage-stabilized power supply and the high-frequency voltage transformation unit, and switching on the discharge unit; and searching for an optional capacitance value in the reference working curve according to the voltage and the current corresponding to the capacitor to be detected, wherein the optional capacitance value is used as the capacitance value of the capacitor to be detected in the high-voltage environment. The invention ensures that the working state of the circuit is consistent when the reference working curve is obtained and the capacitance to be measured is measured, and realizes the high-precision capacitance value measurement of the capacitor under the high-voltage environment.)

一种高压环境下的电容容值测量方法

技术领域

本发明属于电容测量技术领域，具体涉及一种高压环境下的电容容值测量方法。

背景技术

高压电容在点火、X射线、大型变电站等设备中有着广泛的应用。在1.5~20 kV的高压环境中，电容的容值会发生变化。由于缺乏有效的高压环境下的电容容值测量方法，当前的电路设计往往将电容容值作为常数，导致电路参数偏差大，校准困难。传统的电容容值测量仪器主要是在低压环境下进行测量，例如LCR测试仪、电容电桥测试仪等。LCR测试仪虽然能够保证较高的测量精度，但是设备体积大，操作复杂，测量能提供的最大电压是2 V，不能满足高压环境的数千伏测试需求。电容电桥测试仪应用快捷简便，性能稳定，测量精度高，但是测量能提供的最大电压是26 V，同样无法满足实际测试需求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高压环境下的电容容值测量方法，通过构建电容的电压电流测量电路，绘制得到参考工作曲线，从而实现高压环境下的电容容值测量。

本发明的具体技术方案如下：

一种高压环境下的电容容值测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取待测电容C_X所处高压环境的参数，包括直流偏置电压、电压幅值和电压频率；

S2：构建由高压直流偏置单元、高频变压单元和放电单元串联成回路的电压电流测量电路，并将待测电容C_X与放电单元并联，以测量与待测电容C_X对应的高频变压单元原边的电压和电流；

所述高压直流偏置单元包括串联成回路的高压直流稳压电源、电阻R和电容C，并以电容C两端为与电压电流测量电路的连接点，用于为待测电容C_X提供偏置电压；其中，高压直流稳压电源根据S1获取的直流偏置电压提供电压；

所述高频变压单元根据S1获取的电压幅值和电压频率为待测电容C_X施加交变电压，并测量原边的电压和电流；

所述放电单元用于对待测电容C_X进行间歇放电；

S3：将可调电容器C_T作为待测电容C_X接入电压电流测量电路，获取参考工作曲线，具体过程如下：

S3.1：以待测电容C_X的电容值的上限和下限分别作为可调电容器C_T的电容值的上限和下限，设置N个可选电容值C_i，i=1,2,…,N，其中N≥3；

S3.2：令序号i=1；

S3.3：将可调电容器C_T的电容值设置为可选电容值C_i；

S3.4：断开放电单元，启动高压直流稳压电源并调至预设的低电压输出，至可调电容器C_T两端电压不再变化为止；然后启动高频变压单元，待电压电流测量电路稳定后测量原边的电压V_i和电流I_i；

S3.5：关闭高压直流稳压电源和高频变压单元，接通放电单元，对可调电容器C_T进行放电；

S3.6：判断是否i<N，若是，进入步骤S3.7；否则进入步骤S3.8；

S3.7：令i=i+1，返回步骤S3.3；

S3.8：在三维坐标系中根据可调电容器C_T的N个可选电容值C_i所对应的电压V_i和电流I_i绘制得到参考工作曲线；

S4：将待测电容C_X接入电压电流测量电路，断开放电单元，启动高压直流稳压电源并调至高电压输出，至待测电容C_X两端电压不再变化为止；之后启动高频变压单元，待电压电流测量电路稳定后测量原边的电压V’和电流I’；然后关闭高压直流稳压电源和高频变压单元，接通放电单元，对待测电容C_X进行放电；

S5：根据待测电容C_X对应的电压V’和电流I’在步骤S3所得参考工作曲线中查找对应的可选电容值，作为待测电容C_X在高压环境下的电容值。

进一步地，所述高频变压单元包括电压表以及串联成回路的高频电源、高频变压器T和电流表，其中，电压表和电流表分别用于测量原边的电压和电流，高频变压器T两端作为与电压电流测量电路的连接点。

进一步地，高压直流偏置单元中的电阻R和电容C构成低通滤波器，其截止频率f_C不超过高频变压单元中高频电源的输出频率f的十分之一，以防止高频电源输出对高压直流稳压电源产生影响。

进一步地，所述电容C的电容值不低于待测电容C_X的电容值的1000倍，以防止电容C的容抗对测量结果产生影响，提高测量精度。

进一步地，S3.4中预设的低电压的取值根据可调电容器C_T的电容值的上限和下限确定，以保证启动高压直流稳压电源后可调电容器C_T的可选电容值C_i不变。

进一步地，所述放电单元包括串联的开关K和放电电阻R_L。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出了一种高压环境下的电容容值测量方法，采用高压直流稳压电源为待测电容C_X提供工作电压，保证待测电容C_X的工作状态与实际的高压环境一致；采用高频变压器T为待测电容C_X注入交变电压扰动，实现了高压隔离，为高精度低压测量仪器的使用创造了条件；

2、在测量待测电容C_X和可调电容器C_T的电压电流时，由于启动高压直流稳压电源后回路中充放电电流为零，因此高频变压器T（其工作状态主要受电流和频率影响）在获取参考工作曲线和测量待测电容C_X时的工作状态一致，保证了高精度测量基准的传递；

3、优选地，本发明要求电容C的电容值远远大于待测电容C_X的电容值，可有效避免电容C因高压环境导致的电容值影响，使得高压环境下电容C的工作状态与获取参考工作曲线时的低压环境下近似一致，而高频变压器T的工作状态不受电压影响，进而保证高压环境下待测电容C_X在测试电路中的工作状态，与低压环境下可调电容器C_T 在测试电路中的工作状态一致，从而提高电容容值测量结果的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例1提出的高压环境下的电容容值测量方法的流程图；

图2为本发明实施例1提出的电压电流测量电路的结构图；

图3为本发明实施例1提出的电压电流测量电路的具体结构图；

图4为本发明实施例1中获取参考工作曲线的流程图；

图5为本发明实施例1获得的参考工作曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对发明做进一步的说明。

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

本实施例提出了一种高压环境下的电容容值测量方法，流程如图1所示，包括以下步骤：

S1：利用电压表和示波器获取待测电容C_X所处高压环境的参数，包括直流偏置电压、电压幅值和电压频率；

S2：构建如图2所示的由高压直流偏置单元、高频变压单元和放电单元串联成回路的电压电流测量电路，并将待测电容C_X与放电单元并联，以测量与待测电容C_X对应的高频变压单元原边的电压和电流；其中，如图3所示，

所述高压直流偏置单元包括串联成回路的高压直流稳压电源、电阻R和电容C，并以电容C两端为与电压电流测量电路的连接点，用于为待测电容C_x提供偏置电压；其中，高压直流稳压电源根据S1获取的直流偏置电压提供电压；

所述高频变压单元包括电压表以及串联成回路的高频电源、高频变压器T和电流表，电压表与高频变压器T并联，并以高频变压器T两端为与电压电流测量电路的连接点；高频变压单元根据S1获取的电压幅值和电压频率为待测电容C_X施加交变电压，并分别通过电压表和电流表测量原边的电压和电流；

所述放电单元包括串联的开关K和放电电阻R_L，并分别以开关K和放电电阻R_L的另一端为与电压电流测量电路的连接点，用于对待测电容C_X进行间歇放电；

其中，所述高压直流偏置单元提供至少一千伏的电压；高压直流偏置单元中的电阻R和电容C构成低通滤波器，截止频率f_C=1/（2πRC）不超过高频变压单元中高频电源的输出频率f的十分之一，以防止高频电源输出对高压直流稳压电源产生影响；电容C的电容值不低于待测电容C_X的电容值的1000倍，以防止电容C的容抗对测量结果产生影响，提高测量精度；在满足测量精度的前提下，电流表和电压表的相对位置灵活配置；高频变压器T的工作状态主要受电流和频率影响，采用高频变压器T为待测电容C_x注入交变电压扰动，实现了高压隔离，以防止高压回路对高频电源、电流表和电压表等测量电路的影响，为高精度低压测量仪器的使用创造了条件；

S3：将可调电容器C_T作为待测电容C_X接入电压电流测量电路，获取参考工作曲线，如图4所示，具体过程如下：

S3.1：以待测电容C_X的电容值的上限和下限分别作为可调电容器C_T的电容值的上限和下限，设置N个可选电容值C_i，i=1,2,…,N，其中N≥3；

S3.2：令序号i=1；

S3.3：将可调电容器C_T的电容值设置为可选电容值C_i；

S3.4：断开放电单元，启动高压直流稳压电源并调至预设的低电压输出，至可调电容器C_T两端电压不再变化为止；然后启动高频变压单元，待电压电流测量电路稳定后测量原边的电压V_i和电流I_i；其中，预设的低电压的取值根据可调电容器C_T的电容值的上限和下限确定，以保证启动高压直流稳压电源后可调电容器C_T的可选电容值C_i不变；

S3.5：关闭高压直流稳压电源和高频变压单元，接通放电单元，对可调电容器C_T进行放电；

S3.6：判断是否i<N，若是，进入步骤S3.7；否则进入步骤S3.8；

S3.7：令i=i+1，返回步骤S3.3；

S3.8：在三维坐标系中根据可调电容器C_T的N个可选电容值C_i所对应的电压V_i和电流I_i绘制得到参考工作曲线，如图5所示；

S4：获取待测电容C_X对应的电压电流：将待测电容C_X接入电压电流测量电路，断开放电单元，启动高压直流稳压电源并调至高电压输出，至待测电容C_X两端电压不再变化为止；之后启动高频变压单元，待电压电流测量电路稳定后测量原边的电压V’和电流I’；然后关闭高压直流稳压电源和高频变压单元，接通放电单元，对待测电容C_X进行放电；其中，所述高电压为根据S1获取的直流偏置电压；

S5：根据待测电容C_X对应的电压V’和电流I’在步骤S3所得参考工作曲线中查找对应的可选电容值，作为待测电容C_X在高压环境下的电容值。

进一步地，S3和S4中高频变压单元的高频变压器的参数配置相同，使得两个过程中高频变压器的工作状态一致，保证了高精度测量基准的传递。

进一步地，在实际应用中，电压电流测量电路中的电路导线、元器件等存在等效阻抗，必要地可以增加小电阻以满足电压电流测量电路的阻抗要求。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。