介質(zhì)損耗角檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、介質(zhì)損耗角檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)1.1 介質(zhì)損耗及介質(zhì)損耗角對(duì)于電容型絕緣設(shè)備，通過(guò)對(duì)其介電特性的監(jiān)測(cè)，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(duì)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(duì)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(cè)方法實(shí)現(xiàn)。1.1介質(zhì)損耗的概念電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下（加電壓后），要發(fā)生極化過(guò)程和電導(dǎo)過(guò)程4。有損極化過(guò)程中有能量損耗；在電導(dǎo)過(guò)程中，電導(dǎo)性泄露電流流過(guò)絕緣電阻當(dāng)然也有能量損耗。損耗程度一般用單位時(shí)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(guò)程稱為介質(zhì)損耗。顯然，介質(zhì)損耗過(guò)程隨極化過(guò)程和電導(dǎo)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，換句話說(shuō)，由于極化、電導(dǎo)過(guò)程的存在才有損耗過(guò)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(guò)大，則電介質(zhì)溫度將升的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)下，電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)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(jiǎn)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(xiàng)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(cè)量介損角是研究絕緣老化特征及在線監(jiān)測(cè)絕緣狀況的一項(xiàng)重要內(nèi)容。而在實(shí)際測(cè)量中，由于介損角很小，所以需要測(cè)量系統(tǒng)有

4、較高的測(cè)量精度，這樣才能正確及時(shí)地反映介損角的變化。人們一直在研究介損角測(cè)量方法，每種方法都有其自身的特點(diǎn)。隨著電子工業(yè)及計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字化測(cè)量手段涌現(xiàn)出來(lái)，并且其運(yùn)用的各種算法也有很多。數(shù)字化測(cè)量方法求取介損角即對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣后在通過(guò)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(cè)的意義及其注意問(wèn)題（1）在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意絕緣材料的值。若值過(guò)大則會(huì)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(guò)測(cè)量=f()的關(guān)系曲線來(lái)判斷從良狀態(tài)向劣化狀態(tài)轉(zhuǎn)

5、化的進(jìn)程，故的測(cè)量是電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)中的一個(gè)基本項(xiàng)目。（3）通過(guò)研究溫度對(duì)值的影響，力求在工作溫度下的值為最小值而避開(kāi)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(shí)，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(shí)，就很容易造成電容器絕緣材料因過(guò)熱而擊穿。（5）用于沖擊測(cè)量的連接電纜，其絕緣的必須很小，否則所測(cè)沖擊電壓通過(guò)電纜后將發(fā)生嚴(yán)重的波形畸變，影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。2 介質(zhì)損耗角檢測(cè)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(shí)，比較橋臂阻抗即可得到被測(cè)參數(shù)。 電橋法的優(yōu)點(diǎn)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(cè)前要對(duì)低壓橋臂（R3、C4、R4）進(jìn)行調(diào)整，使G指向零點(diǎn)，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(cè)試品的端電壓向量和流過(guò)被測(cè)試品電流向量之比，可得到被測(cè)試品的阻抗向量，根據(jù)Zx的實(shí)部和虛部，進(jìn)一步計(jì)算求得介質(zhì)損耗。2.3 自由軸法 自由軸法測(cè)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(cè)量介損角原理圖由于US的相對(duì)位置以及它們的模不變，所以是固定的。用軟件方便實(shí)現(xiàn)對(duì)向量在X軸、Y軸數(shù)據(jù)上的采集，硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單，使復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，便于實(shí)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(chǎng)的干擾、元件的誤差都會(huì)造成測(cè)量不準(zhǔn)。所以要增加許多措施來(lái)減少這些誤差。2.4 相位差法利用采樣電路測(cè)出電流和電壓的過(guò)零點(diǎn)，通過(guò)邏輯轉(zhuǎn)換形成一定寬度的時(shí)間信號(hào)，并且脈沖寬度反映相位差，最后通過(guò)測(cè)量方波的寬度來(lái)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(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是不更改設(shè)備的運(yùn)行情況，直接測(cè)出,但是利用相位差法測(cè)量的過(guò)程中，誤差來(lái)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(hào)中諧波的影響、兩路信號(hào)在處理過(guò)程中存在時(shí)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(duì)電子器件的要求較高。2.5 過(guò)零點(diǎn)電壓比較法過(guò)零點(diǎn)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(gè)正弦波的相位差要??；兩個(gè)正弦波的幅值要相等；兩個(gè)正弦波的頻率要相等；兩個(gè)正弦波的諧波分量要相等；測(cè)量時(shí)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(shí)現(xiàn)起來(lái)硬件電路簡(jiǎn)單，采樣點(diǎn)數(shù)越多的，測(cè)量精度越高，同時(shí)克服了一般測(cè)量中高次諧波干擾帶來(lái)的影響。但是這種方法要求電壓、電流這兩路信號(hào)采集的同時(shí)性，并且必須保證在一個(gè)共頻周期內(nèi)均勻采集到整數(shù)個(gè)點(diǎn)（即電壓、電流信號(hào)周期必須是采樣間隔的整數(shù)倍），如果達(dá)不到，則會(huì)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(shí)間間隔對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)對(duì)信號(hào)周期波動(dòng)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(cè)異頻檢測(cè)是由國(guó)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(cè)量過(guò)程中，試驗(yàn)電源頻率偏離干擾電源頻率（主要是共頻電源的干擾），通過(guò)頻率識(shí)別或?yàn)V波技術(shù)，排除干擾頻率的影響。3介質(zhì)損耗角檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于以上測(cè)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(cè)系統(tǒng)11-14。此系統(tǒng)總共分為五個(gè)環(huán)節(jié)：信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸與通信、測(cè)試數(shù)據(jù)分析與判斷、測(cè)試結(jié)果顯示與數(shù)據(jù)管理。見(jiàn)圖3.1所示。信號(hào)采集信號(hào)處理信號(hào)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(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3.2 信號(hào)采集信號(hào)采集是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，信號(hào)的采集與檢出大多用傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.3 信號(hào)處理原始信號(hào)通過(guò)某種方式提取后，一方面不可避免地含有噪聲、干擾等，這會(huì)影響測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。信號(hào)處理指從傳感器得來(lái)的信號(hào)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(shí)別、估值等加工處理，以便削弱信號(hào)中多余、無(wú)用分量并增強(qiáng)信號(hào)中有用分量，或?qū)⑿盘?hào)變換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(hào)狐貍主要

11、是對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)消噪。從傳感器得來(lái)的信號(hào)往往很微弱，并常?；煊性肼?。如果這些噪聲處于有用信號(hào)之外，則可以用模擬濾波器予以消除。如果噪聲是與信號(hào)頻譜交疊的弱信號(hào)，可以考慮用取樣積分等方法來(lái)提取有用信息。信號(hào)處理的根本目的是提高信噪比。3.4 信號(hào)傳輸與通信信號(hào)傳輸與通信主要完成測(cè)試系統(tǒng)裝置間或測(cè)試裝置與其他環(huán)節(jié)間的信息傳輸。在這里主要是測(cè)試裝置與計(jì)算機(jī)之間的傳輸、網(wǎng)絡(luò)傳輸。在本測(cè)試系統(tǒng)中，虛擬儀器中硬件采用PCI卡式虛擬儀器，用來(lái)獲取處理后的信號(hào)。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(shí)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(shí)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)中，運(yùn)用美國(guó)NI公司研制開(kāi)發(fā)的虛擬儀