數(shù)字化測量介質(zhì)損耗角的方法

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　1 引言

　　高壓電氣設(shè)備中，對絕緣介質(zhì)損耗的測試具有很重要的意義。在高壓預(yù)防性試驗中，介質(zhì)損耗因素的測量屬于高準(zhǔn)確度測量，通常是在被測試品兩端加以工頻50Hz的高電壓（10kV），使被測試品流過一個極其微小的電流，利用電壓與電流之間夾角的余角δ的正切值來反映被測試品的介質(zhì)損耗大小。這種高電壓、微電流、小角度的精密測量要求測量系統(tǒng)應(yīng)具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場條件下還需要具有較強的抗干擾能力。

　　過去介質(zhì)損耗角的測量采用模擬測量方法，主要有諧振法、瓦特表法和電橋法，諧振法只適用于低壓高頻狀態(tài)下的測量。瓦特表法是由介質(zhì)損失的功率和經(jīng)過的電流計算求得，瓦特表法由于測量準(zhǔn)確度低，現(xiàn)已基本淘汰。電橋法是采用交流電橋差值比較原理，準(zhǔn)確度相對較高，其典型代表是西林電橋，見圖1所示。由電橋平衡條件可得出被試品的電容值Cx及tanδ： CX=（R4/R3）CN tanδ=ωC4R4

　　目前數(shù)字化自動電橋其實只是采用數(shù)字化技術(shù)來調(diào)節(jié)電橋的平衡，而實際的測量原理仍然是用標(biāo)準(zhǔn)電容和電阻與被試品進(jìn)行比較的模擬方法。其缺點是：

　?。?）測量程序復(fù)雜，操作工作量大，自動化水平低，易受人為因素的影響。

　　（2）隨著輸變電工程電壓等級的提高，強電場干擾嚴(yán)重，使變電站高壓電器設(shè)備的tanδ測量誤差過大。

　?。?）當(dāng)試驗電源有較大諧波干擾時，即使基波電壓已獲平衡，檢流計仍不能為零，不能排除與基波相近的諧波干擾。

　　2 幾種介損的數(shù)字化測量方法

　　數(shù)字化測量方法的原理是利用傳感器從試品上取得所需的信號U和I，經(jīng)前置預(yù)處理電路數(shù)字化后送至數(shù)據(jù)處理計算機(jī)或單片機(jī)，算出電流電壓之間的相位差△ψ，最后得到tanδ的測量值，見圖2.

　　2.1過零電壓比較法

　　過零電壓比較法是測量兩個頻率相同，幅值相等，相角差小的正弦電壓波之間的相角差的方法。滿足上述條

　　這種方法的特點是電路簡單，對啟動采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路要求不高，且以過零點附近兩個正弦波的平均電壓差來評價兩正弦波的相位差，所以抗干擾擾能力強。但要求滿足的測量條件十分苛刻，如要求兩個被測的正弦波諧波分量和諧波相位相等，增大了測量難度[1].

　　2.2過零時差比較法

　　這是一種將相位測量變?yōu)闀r間測量的方法其原理見圖3.系統(tǒng)先通過采樣電路捕捉電流和電壓信號的過零點（圖3（b）， （c）），然后通過一系列的邏輯轉(zhuǎn)換電路形成寬度為△t的方波信號（圖3（d））。由于方波的寬度反映了電流電壓信號的相位差，所以通過測量△t即可求出試品的介損值。

　　該方法具有測量分辨率高、線性好、易數(shù)學(xué)化的優(yōu)點。但誤差因素有時對測量結(jié)果影響很大，從而限制了應(yīng)用。其中最重要的誤差原因是由于零線漂移和波形畸變而導(dǎo)致信號過零點偏移。

　　2.3諧波分析法

　　諧波分析法就是用離散付立葉變換（DFT）對試品的電壓和電流信號進(jìn)行諧波分析，得出基波，再求出介質(zhì)損耗角。

　　高次諧波主要以3次和5次諧波為主，試品上的電壓和電流可表示為：

　　諧波分析法把對波形的處理放在后期的軟件程序中進(jìn)行，簡化了硬件線路和結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。由于電網(wǎng)頻率不穩(wěn)，加之同步采樣環(huán)節(jié)的誤差，造成對采樣信號做DFT時產(chǎn)生較大的誤差，所以在對信號DFT計算時應(yīng)采取相應(yīng)的措施盡量消除頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)帶來的誤差[2].

　　2.4自由矢量法

　　本方法的原理來自于電壓/電流法測量元件阻抗的原理，根據(jù)被測試品的端電壓相量和流過試品的電流相量之比，可以得到被測試品的阻抗相量，根據(jù)ZX的實部和虛部，進(jìn)一步求得介質(zhì)損耗角正切tanδ。設(shè)to時刻方向上的矢量為參考矢量時，見圖4，電壓和電流用矢量表示為：

　　自由矢量法實現(xiàn)的電路簡單、體積小、重量輕、價格便宜，但存在電源頻率不穩(wěn)，波形不準(zhǔn)，外界電磁場干擾等誤差因素，限制了該方法的準(zhǔn)確度和應(yīng)用。

　　2.5異頻電源法

　　異頻電源法的原理為在介質(zhì)測量過程中，試驗電源頻率偏離干擾電源頻率，通過頻率識別和濾波技術(shù)排除干擾電源的影響。使用DFT或FFT可將異頻頻率波和干擾頻率波分辨開來。理論上只要滿足同步采樣條件，DFT或FFT就不會有泄漏效應(yīng)，可準(zhǔn)確地將異頻電源頻率所對應(yīng)的頻譜抽取出來，也就可得到該頻率波的初相位。

　　實際上，介質(zhì)隨頻率的變化而變化，這就出現(xiàn)不同頻率下的測量結(jié)果的等同性問題。異頻電源頻率不能偏離工頻太遠(yuǎn)，否則測量結(jié)果與工頻下的介損值失去等同性，也不能偏離太近，這樣會增大頻率分辨的難度，同樣會造成較大的誤差[4].正弦電壓和電流在時域的表達(dá)式可寫為：

　　該方法要求A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)N不小于10，采樣率不低于1KHz[5].由于在方法的設(shè)計上把流過試品的電壓和電流理想化為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，沒有考慮信號中有諧波等干擾成分，容易造成測量的誤差。

　　以上介損的數(shù)字化測量方法之間并不是孤立的。例如在正弦波參數(shù)法和自由矢量法中，可先用諧波法濾除高次諧波，得到電壓和電流的基波再計算各個參數(shù)。而異頻電源的采用是為了克服工頻干擾，它幾乎可以應(yīng)用到其他所有的數(shù)字化測量方法中。因每種測量方法的特點，過零時差比較法和過零點電壓比較法多用于現(xiàn)場及在線監(jiān)測的測量儀器，而自由矢量法和正弦波參數(shù)法多用于便攜式帶電檢測儀器。

　　3 結(jié)語

　　介損的數(shù)字化測量技術(shù)在不斷地發(fā)展和完善。數(shù)字化測量的優(yōu)點在于它的智能化和多功能趨勢，特別是將后級處理與高壓設(shè)備絕緣的診斷專家系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)自動檢測和診斷報警。介損的數(shù)字化測量是有著光明的發(fā)展前景，如何提高抗干擾能力和測量準(zhǔn)確性仍是當(dāng)前研究的課題?！?/p>