介質(zhì)損耗角檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

1、介質(zhì)損耗角檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計1.1 介質(zhì)損耗及介質(zhì)損耗角對于電容型絕緣設(shè)備，通過對其介電特性的監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)尚處于早期發(fā)展階段的缺陷。反映介電特性的參數(shù)有介質(zhì)損耗角正切，電容值和電流值I，是設(shè)備絕緣的局部缺陷中，由介質(zhì)損耗引起的有功電流分量Ir 和設(shè)備總電容電流Ic之比3，它對發(fā)現(xiàn)絕緣的整體劣化（例如，絕緣均勻受潮）較為靈敏，而對局部缺陷（即體積只占介質(zhì)中較小部分缺陷和集中缺陷）則不易用測方法實現(xiàn)。1.1介質(zhì)損耗的概念電介質(zhì)在電場作用下（加電壓后），要發(fā)生極化過程和電導(dǎo)過程4。有損極化過程中有能量損耗；在電導(dǎo)過程中，電導(dǎo)性泄露電流流過絕緣電阻當(dāng)然也有能量損耗。損耗程度一般用單位時間內(nèi)損耗的能

2、量，即損耗功率表示。電介質(zhì)出現(xiàn)功率損耗的過程稱為介質(zhì)損耗。顯然，介質(zhì)損耗過程隨極化過程和電導(dǎo)過程同時進(jìn)行，換句話說，由于極化、電導(dǎo)過程的存在才有損耗過程。電介質(zhì)損耗掉的能量也就是電能全部轉(zhuǎn)變成了熱能，使電介質(zhì)溫度升高。若介質(zhì)損耗過大，則電介質(zhì)溫度將升的過高，這將加速電介質(zhì)的熱分解與老化，最終導(dǎo)致絕緣性能的完全失去。1.2 介質(zhì)損耗的基本形式（1）電導(dǎo)損耗是由泄露電流流過電介質(zhì)而引起的損耗。（2）極化損耗是由有損極化引起的損耗。（3）游離損耗是氣體間隙的電暈放電以及液固體電介質(zhì)內(nèi)部氣泡中的局部放電所引起的附加損耗。由于電介質(zhì)的極化，電導(dǎo)過程很微弱，所以氣體電介質(zhì)的介質(zhì)損耗是極小的，但是液體固體電

3、介質(zhì)在運(yùn)行過程中的介質(zhì)損耗就不能忽略。在直流電壓作用下，液體固體電介質(zhì)的電導(dǎo)損耗占主導(dǎo)，其余可忽略；在交流電壓作用下，極化損耗就不能忽略。1.3 介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角是在交變電場下，電介質(zhì)內(nèi)流過的電流向量和電壓向量之間的夾角（即功率向量角ø）的余角，簡稱介損角5。如果取得試品的電流向量和電壓向量，則可以得到向量圖：圖1.1 介質(zhì)損耗角等效電路及電路圖介質(zhì)損耗角（介損角）是一項反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo)。介損角的變化可反映受潮、劣化變質(zhì)或絕緣中氣體放電等絕緣缺陷，因此測量介損角是研究絕緣老化特征及在線監(jiān)測絕緣狀況的一項重要內(nèi)容。而在實際測量中，由于介損角很小，所以需要測量系統(tǒng)有

4、較高的測量精度，這樣才能正確及時地反映介損角的變化。人們一直在研究介損角測量方法，每種方法都有其自身的特點。隨著電子工業(yè)及計算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字化測量手段涌現(xiàn)出來，并且其運(yùn)用的各種算法也有很多。數(shù)字化測量方法求取介損角即對電壓、電流信號進(jìn)行數(shù)字化采樣后在通過一定的算法求出介損角。目前工業(yè)上常用的算法是基波相位分離法。1.4 介質(zhì)損耗檢測的意義及其注意問題（1）在絕緣設(shè)計時，必須注意絕緣材料的值。若值過大則會引起嚴(yán)重發(fā)熱，使絕緣加速老化，甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。而在直流電壓下，較小而可用于制造直流或脈沖電容器。（2）值反映了絕緣的狀況，可通過測量=f()的關(guān)系曲線來判斷從良狀態(tài)向劣化狀態(tài)轉(zhuǎn)

5、化的進(jìn)程，故的測量是電氣設(shè)備絕緣試驗中的一個基本項目。（3）通過研究溫度對值的影響，力求在工作溫度下的值為最小值而避開最大值。（4）極化損耗隨頻率升高而增大，尤其電容器采用極性電介質(zhì)時，其極化損耗隨頻率升高增加很快，當(dāng)電源中出現(xiàn)高次（如3次、5次）諧波時，就很容易造成電容器絕緣材料因過熱而擊穿。（5）用于沖擊測量的連接電纜，其絕緣的必須很小，否則所測沖擊電壓通過電纜后將發(fā)生嚴(yán)重的波形畸變，影響到測量的準(zhǔn)確性。2 介質(zhì)損耗角檢測的方法2.1電橋法電橋法歷史悠久，具有較高的靈敏度。典型代表是西林電橋7。用交流電橋平衡時，比較橋臂阻抗即可得到被測參數(shù)。 電橋法的優(yōu)點是較準(zhǔn)確，可靠。但是要求比較嚴(yán)格，

6、工藝煩瑣，并且監(jiān)測前要對低壓橋臂（R3、C4、R4）進(jìn)行調(diào)整，使G指向零點，所以增加了操作的復(fù)雜性。2.2 伏安法 基本原理是根據(jù)被測試品的端電壓向量和流過被測試品電流向量之比，可得到被測試品的阻抗向量，根據(jù)Zx的實部和虛部，進(jìn)一步計算求得介質(zhì)損耗。2.3 自由軸法 自由軸法測量介損角的原理圖如圖2.1所示。U4 US U2 Ux U3 U1圖2.1 自由軸法測量介損角原理圖由于US的相對位置以及它們的模不變，所以是固定的。用軟件方便實現(xiàn)對向量在X軸、Y軸數(shù)據(jù)上的采集，硬件構(gòu)成簡單，使復(fù)雜的測量系統(tǒng)簡單化，便于實現(xiàn)。使用這種方法明顯優(yōu)于電橋法。但由于影響電力設(shè)備介質(zhì)損耗角的變化的因素有很多，例

7、如：溫度、頻率、電壓等，并且波形不準(zhǔn)、外界電磁場的干擾、元件的誤差都會造成測量不準(zhǔn)。所以要增加許多措施來減少這些誤差。2.4 相位差法利用采樣電路測出電流和電壓的過零點，通過邏輯轉(zhuǎn)換形成一定寬度的時間信號，并且脈沖寬度反映相位差，最后通過測量方波的寬度來求出試品的介損值。相位差法的原理圖如圖2.3所示。U(t)I(t)tt t t圖2.3 相位差法原理圖 相位差法在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，其優(yōu)點是不更改設(shè)備的運(yùn)行情況，直接測出,但是利用相位差法測量的過程中，誤差來源多，如頻率的變化有可能造成很大誤差，電壓互感器引起的固有相差、信號中諧波的影響、兩路信號在處理過程中存在時延差、整形波形引起的誤差，并且

8、還有溫度等其他外界因素都可能引起誤差，因此這種方法對電子器件的要求較高。2.5 過零點電壓比較法過零點電壓比較法的抗干擾能力加強(qiáng)，但是它所要求的條件十分苛刻。兩個正弦波的相位差要?。粌蓚€正弦波的幅值要相等；兩個正弦波的頻率要相等；兩個正弦波的諧波分量要相等；測量時要將電壓向量移相。2.6 基波相位分離法基波相位分離法實現(xiàn)起來硬件電路簡單，采樣點數(shù)越多的，測量精度越高，同時克服了一般測量中高次諧波干擾帶來的影響。但是這種方法要求電壓、電流這兩路信號采集的同時性，并且必須保證在一個共頻周期內(nèi)均勻采集到整數(shù)個點（即電壓、電流信號周期必須是采樣間隔的整數(shù)倍），如果達(dá)不到，則會引起較大誤差。因此在此法的

9、基礎(chǔ)上引進(jìn)一種新的算法即采用等時間間隔對電壓、電流信號進(jìn)行采樣，同時對信號周期波動產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，也就是非同步采樣算法。2.7 介質(zhì)損耗角的異頻檢測異頻檢測是由國外引進(jìn)的一種新的抗干擾方法。其原理是在介質(zhì)損耗測量過程中，試驗電源頻率偏離干擾電源頻率（主要是共頻電源的干擾），通過頻率識別或濾波技術(shù)，排除干擾頻率的影響。3介質(zhì)損耗角檢測系統(tǒng)的設(shè)計3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于以上測量原理，本文采用虛擬一起的結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成介質(zhì)損耗角檢測系統(tǒng)11-14。此系統(tǒng)總共分為五個環(huán)節(jié)：信號采集、信號處理、信號傳輸與通信、測試數(shù)據(jù)分析與判斷、測試結(jié)果顯示與數(shù)據(jù)管理。見圖3.1所示。信號采集信號處理信號傳輸數(shù)據(jù)處

10、理數(shù)據(jù)顯示圖3.1 介質(zhì)損耗角檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3.2 信號采集信號采集是整個測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，信號的采集與檢出大多用傳感器來實現(xiàn)。3.3 信號處理原始信號通過某種方式提取后，一方面不可避免地含有噪聲、干擾等，這會影響測試系統(tǒng)對被測信號的分析判斷結(jié)果；另一方面需要轉(zhuǎn)換成其他信息才能用于分析判斷，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析判斷之前要對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理。信號處理指從傳感器得來的信號進(jìn)行變換、放大、濾波、調(diào)制/解調(diào)、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換、識別、估值等加工處理，以便削弱信號中多余、無用分量并增強(qiáng)信號中有用分量，或?qū)⑿盘栕儞Q成某種更希望的形式，提取需要的特征值，從而全面、準(zhǔn)確地獲取有用信息。在本系統(tǒng)中，信號狐貍主要

11、是對信號進(jìn)行信號消噪。從傳感器得來的信號往往很微弱，并常?；煊性肼暋Ｈ绻@些噪聲處于有用信號之外，則可以用模擬濾波器予以消除。如果噪聲是與信號頻譜交疊的弱信號，可以考慮用取樣積分等方法來提取有用信息。信號處理的根本目的是提高信噪比。3.4 信號傳輸與通信信號傳輸與通信主要完成測試系統(tǒng)裝置間或測試裝置與其他環(huán)節(jié)間的信息傳輸。在這里主要是測試裝置與計算機(jī)之間的傳輸、網(wǎng)絡(luò)傳輸。在本測試系統(tǒng)中，虛擬儀器中硬件采用PCI卡式虛擬儀器，用來獲取處理后的信號。PCI（peripheral component interconnect）外部設(shè)備互連總線，是一種即插即用的總線標(biāo)準(zhǔn)，采用地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用方式，最高總線時鐘可達(dá)66 MHz，最高峰值傳輸速度可達(dá)528 MHz。PC上的PCI總線以33 MHz的時鐘頻率操作，采用32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)132MB/S，PCI總線是一種自動配置的總線，即居于完整的即插即用（plug & play）功能。3.5 數(shù)據(jù)分析與判斷和數(shù)據(jù)顯示在此檢測系統(tǒng)中，運(yùn)用美國NI公司研制開發(fā)的虛擬儀