數(shù)字化測(cè)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(duì)絕緣介質(zhì)損耗的測(cè)試具有很重要的意義。在高壓預(yù)防性試驗(yàn)中，介質(zhì)損耗因素的測(cè)量屬于高準(zhǔn)確度測(cè)量，通常是在被測(cè)試品兩端加以工頻50Hz的高電壓（10kV），使被測(cè)試品流過(guò)一個(gè)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(lái)反映被測(cè)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(cè)量要求測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場(chǎng)條件下還需要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　過(guò)去介質(zhì)損耗角的測(cè)量采用模擬測(cè)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(cè)量。瓦特表法是由介質(zhì)損失的功率和經(jīng)過(guò)的電流計(jì)算求得，瓦特表法由于測(cè)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(duì)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(dòng)電橋其實(shí)只是采用數(shù)字化技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電橋的平衡，而實(shí)際的測(cè)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(diǎn)是：

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

　?。?）隨著輸變電工程電壓等級(jí)的提高，強(qiáng)電場(chǎng)干擾嚴(yán)重，使變電站高壓電器設(shè)備的tanδ測(cè)量誤差過(guò)大。

　?。?）當(dāng)試驗(yàn)電源有較大諧波干擾時(shí)，即使基波電壓已獲平衡，檢流計(jì)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(cè)量方法

　　數(shù)字化測(cè)量方法的原理是利用傳感器從試品上取得所需的信號(hào)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(jì)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(cè)量值，見圖2.

　　2.1過(guò)零電壓比較法

　　過(guò)零電壓比較法是測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，對(duì)啟動(dòng)采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路要求不高，且以過(guò)零點(diǎn)附近兩個(gè)正弦波的平均電壓差來(lái)評(píng)價(jià)兩正弦波的相位差，所以抗干擾擾能力強(qiáng)。但要求滿足的測(cè)量條件十分苛刻，如要求兩個(gè)被測(cè)的正弦波諧波分量和諧波相位相等，增大了測(cè)量難度[1].

　　2.2過(guò)零時(shí)差比較法

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

　　該方法具有測(cè)量分辨率高、線性好、易數(shù)學(xué)化的優(yōu)點(diǎn)。但誤差因素有時(shí)對(duì)測(cè)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(hào)過(guò)零點(diǎn)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(duì)試品的電壓和電流信號(hào)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(duì)波形的處理放在后期的軟件程序中進(jìn)行，簡(jiǎn)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(duì)采樣信號(hào)做DFT時(shí)產(chǎn)生較大的誤差，所以在對(duì)信號(hào)DFT計(jì)算時(shí)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(lái)的誤差[2].

　　2.4自由矢量法

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

　　自由矢量法實(shí)現(xiàn)的電路簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜，但存在電源頻率不穩(wěn)，波形不準(zhǔn)，外界電磁場(chǎng)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(cè)量過(guò)程中，試驗(yàn)電源頻率偏離干擾電源頻率，通過(guò)頻率識(shí)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(lái)。理論上只要滿足同步采樣條件，DFT或FFT就不會(huì)有泄漏效應(yīng)，可準(zhǔn)確地將異頻電源頻率所對(duì)應(yīng)的頻譜抽取出來(lái)，也就可得到該頻率波的初相位。

　　實(shí)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(cè)量結(jié)果的等同性問(wèn)題。異頻電源頻率不能偏離工頻太遠(yuǎn)，否則測(cè)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(huì)增大頻率分辨的難度，同樣會(huì)造成較大的誤差[4].正弦電壓和電流在時(shí)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(jì)上把流過(guò)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(hào)中有諧波等干擾成分，容易造成測(cè)量的誤差。

　　以上介損的數(shù)字化測(cè)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(jì)算各個(gè)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(cè)量方法中。因每種測(cè)量方法的特點(diǎn)，過(guò)零時(shí)差比較法和過(guò)零點(diǎn)電壓比較法多用于現(xiàn)場(chǎng)及在線監(jiān)測(cè)的測(cè)量?jī)x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(cè)儀器。

　　3 結(jié)語(yǔ)

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