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数字化丈量介质损耗角的方法

新闻出处：

谢家琪发布时间：

2007年03月12日

摘要：

总结了介损模拟丈量方法存在的缺乏.对以后几种典范的介质损耗数字化丈量方法进行了介绍,讨论了每种方法的优缺点和实际应用中呈现的一些问题,并对介损数字化丈量的发展前景进行了展望.

关键词：

介质损耗数字化丈量1引言

　高压电气设备中,对绝缘介质损耗的测试具有很重要的意义.在高压预防性试验中,介质损耗因素的丈量属于高准确度丈量,通常是在被测试品两端加以工频50Hz的高电压（10kV）,使被测试品流过一个极其微小的电流,利用电压与电流之间夹角的余角δ的正切值来反映被测试品的介质损耗年夜小.这种高电压、微电流、小角度的精密丈量要求丈量系统应具有很高的灵敏度和准确性,在现场条件下还需要具有较强的抗干扰能力.

　　过去介质损耗角的丈量采纳模拟丈量方法,主要有谐振法、瓦特表法和电桥法,谐振法只适用于高压高频状态下的丈量.瓦特表法是由介质损失的功率和经过的电流计算求得,瓦特表法由于丈量准确度低,现已基本淘汰.电桥法是采纳交流电桥差值比力原理,准确度相对较高,其典范代表是西林电桥,见图1所示.由电桥平衡条件可得出被试品的电容值Cx及tanδ:

CX=（R4/R3）CNtanδ=ωC4R4

　　目前数字化自动电桥其实只是采纳数字化技术来调节电桥的平衡,而实际的丈量原理仍然是用标准电容和电阻与被试品进行比力的模拟方法.其缺点是:

（1）丈量法式复杂,把持工作量年夜,自动化水平低,易受人为因素的影响.

（2）随着输变电工程电压品级的提高,强电场干扰严重,使变电站高压电器设备的tanδ丈量误差过年夜.

　　（3）当试验电源有较年夜谐波干扰时,即使基波电压已获平衡,检流计仍不能为零,不能排除与基波相近的谐波干扰.

2几种介损的数字化丈量方法

　　数字化丈量方法的原理是利用传感器从试品上取得所需的信号U和I,经前置预处置电路数字化后送至数据处置计算机或单片机,算出电流电压之间的相位差△ψ,最后获得tanδ的丈量值,见图2.

　　过零电压比力法是丈量两个频率相同,幅值相等,相角差小的正弦电压波之间的相角差的方法.满足上述条 

　　这种方法的特点是电路简单,对启动采样电路、A/D转换电路要求不高,且以过零点附近两个正弦波的平均电压差来评价两正弦波的相位差,所以抗干扰扰能力强.但要求满足的丈量条件十分苛刻,如要求两个被测的正弦波谐波分量和谐波相位相等,增年夜了丈量难度[1].

　　这是一种将相位丈量酿成时间丈量的方法其原理见图3.系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号的过零点（图3（b）,（c））,然后通过一系列的逻辑转换电路形成宽度为△t的方波信号（图3（d））.由于方波的宽度反映了电流电压信号的相位差,所以通过丈量△t即可求出试品的介损值.

该方法具有丈量分辨率高、线性好、易数学化的优点.但误差因素有时对丈量结果影响很年夜,从而限制了应用.其中最重要的误差原因是由于零线漂移和波形畸变而招致信号过零点偏移.

　　谐波分析法就是用离散付立叶变换（DFT）对试品的电压和电流信号进行谐波分析,得出基波,再求出介质损耗角.

　　高次谐波主要以3次和5次谐波为主,试品上的电压和电流可暗示为:

　　谐波分析法把对波形的处置放在后期的软件法式中进行,简化了硬件线路和结构,提高了系统可靠性.由于电网频率不稳,加之同步采样环节的误差,造成对采样信号做DFT时发生较年夜的误差,所以在对信号DFT计算时应采用相应的办法尽量消除频谱泄漏和栅栏效应带来的误差[2].

　　本方法的原理来自于电压/电流法丈量元件阻抗的原理,根据被测试品的端电压相量和流过试品的电流相量之比,可以获得被测试品的阻抗相量,根据ZX的实部和虚部,进一步求得介质损耗角正切tanδ.设to时刻方向上的矢量为参考矢量时,见图4,电压和电流用矢量暗示为:

　　自由矢量法实现的电路简单、体积小、重量轻、价格廉价,但存在电源频率不稳,波形禁绝,外界电磁场干扰等误差因素,限制了该方法的准确度和应用.

　　异频电源法的原理为在介质丈量过程中,试验电源频率偏离干扰电源频率,通过频率识别和滤波技术排除干扰电源的影响.使用DFT或FFT可将异频频率波和干扰频率波分辨开来.理论上只要满足同步采样条件,DFT或FFT就不会有泄漏效应,可准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来,也就可获得该频率波的初相位.

　　实际上,介质随频率的变动而变动,这就呈现分歧频率下的丈量结果的同等性问题.异频电源频率不能偏离工频太远,否则丈量结果与工频下的介损值失去同等性,也不能偏离太近,这样会增年夜频率分辨的难度,同样会造成较年夜的误差[4].正弦电压和电流在时域的表达式可写为:

　　该方法要求A/D转换的位数N不小于10,采样率不低于1KHz[5].由于在方法的设计上把流过试品的电压和电流理想化为标准的正弦波,没有考虑信号中有谐波等干扰成份,容易造成丈量的误差.

　　以上介损的数字化丈量方法之间其实不是孤立的.例如在正弦波参数法和自由矢量法中,可先用谐波法滤除高次谐波,获得电压和电流的基波再计算各个参数.而异频电源的采纳是为了克服工频干扰,它几乎可以应用到其他所有的数字化丈量方法中.因每种丈量方法的特点,过零时差比力法和过零点电压比力法多用于现场及在线监测的丈量仪器,而自由矢量法和正弦波参数法多用于便携式带电检测仪器.

3结语

　　介损的数字化丈量技术在不竭地发展和完善.数字化丈量的优点在于它的智能化和多功能趋势,特别是将后级处置与高压设备绝缘的诊断专家系统联系起来,实现自动检测和诊断报警.介损的数字化丈量是有着光明的发展前景,如何提高抗干扰能力和丈量准确性仍是以后研究的课题.◎

、介质损耗

什么是介质损耗：

绝缘资料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗.也叫介质损失,简称介损.

2、介质损耗角δ

在交变电场作用下,电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角（δ）.简称介损角.

3、介质损耗正切值tgδ

又称介质损耗因数,是指介质损耗角正切值,简称介损角正切.介质损耗因数的界说如下:

如果取得试品的电流相量

和电压相量

则可以获得如下相量图：

总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成,因此：

这正是损失角δ=（90°

-Φ）的正切值.因此现在的数字化仪器从实质上讲,是通过丈量δ或者Φ获得介损因数.

丈量介损对判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法.绝缘能力的下降直接反映为介损增年夜.进一步就可以分析绝缘下降的原因,如：

绝缘受潮、绝缘油受污染、老化蜕变等等.

丈量介损的同时,也能获得试品的电容量.如果多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路,电容量就有明显的变动,因此电容量也是一个重要参数.

4、功率因数cosΦ

功率因数是功率因数角Φ的余弦值,意义为被测试品的总视在功率S中有功功率P所占的比重.功率因数的界说如下:

有的介损测试仪习惯显示功率因数（PF:

cosΦ）,而不是介质损耗因数（DF:

tgδ）.一般cosΦ<

tgδ,在损耗很小时这两个数值非常接近.

5、高压电容电桥

高压电容电桥的标准通道输入标准电容器的电流、试品通道输入试品电流.通过比对电流相位差丈量tgδ,通过出比电流幅值丈量试品电容量.因此用电桥丈量介损还需要携带标准电容器、升压PT和调压器.接线也十分烦琐.

国内罕见高压电容电桥有：

型号

生产厂家

性 

能

2801

Haefely

西林电桥,手动调节,介损相对误差0.5%,试验室使用.其改进型为2809A.

QS30

上海沪光厂

电流比力仪电桥,手动调节,介损相对误差0.5%±

0.00005,试验室使用.

QS1

上海电表厂

西林电桥,手动调节,介损相对误差10%±

0.003,现场丈量用.支持正反接线,移相或到相抗干扰.

AI-6000分体型

泛华电子

自动调节,红外线遥控,介损相对误差0.2%±

0.00005,现场或试验室用.支持正反接线,移相或倒相抗干扰.配合变频电源可变频抗干扰.

6、高压介质损耗丈量仪

简称介损仪,是指采纳电桥原理,应用数字丈量技术,对介质损耗角正切值和电容量进行自动丈量的一种新型仪器.一般包括高压电桥、高压试验电源和高压标准电容器三部份.

AI-6000利用变频抗干扰原理,采纳傅立叶变动数字波形分析技术,对标准电流和试品电流进行计算,抑制干扰能力强,丈量结果准确稳定.

国内罕见高压介质损耗丈量仪有：

2816

高压输出12kV/200mA,介损误差1％±

0.0001（抗干扰方式、指标不祥,估计是移相）,正反接线方式,C/L/R丈量,总重量104kg.

M4000

DOBLE

高压输出10kV/300mA,介损误差1％±

0.0004（变频抗干扰,20倍）,正反接线方式,C/L/R丈量,笔记本＋WINDOWS,45～70Hz,重量66kg.

AI-6000

10kV/200mA,介损误差1％±

0.0004,变频法45～65Hz,抗干扰2：

1,正、反（含高、高压侧屏蔽）接线方式,CVT自激法,C/L/R丈量,模拟西林电桥和电流比力仪电桥,试验室介损精度到达精密电桥标准,29kg.

7、外施

使用外部高压试验电源和标准电容器进行试验,对介损仪的示值按一定的比例关系进行计算获得丈量结果的方法.

8、内施

使用介损仪内附高压电源和标准器进行试验,直接获得丈量结果的方法.

9、正接线

用于丈量不接地试品的方法,丈量时介损仪丈量回路处于地电位.

10、反接线

用于丈量接地试品的方法,丈量时介损仪丈量回路处于高电位,他与外壳之间接受全部试验电压.

11、经常使用介损仪的分类

现经常使用介损仪有西林型和M型两种,QS1和AI-6000为西林型.

12、经常使用抗干扰方法

在介质损耗丈量中罕见抗干扰方法有三种：

倒相法、移相法和变频法.AI-6000采纳变频法抗干扰,同时支持倒相法丈量.

13、准确度的暗示方法

tgδ：

±

（1%D+0.0004）

Cx：

±

（1%C+1pF）

+前暗示为相对误差,+后暗示为绝对误差.相对误差小