（测试计量技术及仪器专业论文）便携式介损变频监测仪数据采集研究.pdf

中文摘要 介质损耗测量在电力系统绝缘试验中一直是判断电气设备绝缘的有效 手段。传统的电桥法测量不能从根本上避免工频电场的同频干扰，以异频 测量技术为理论根据的新型的智能化变频测量系统是解决同频干扰的有效 办法。 首先，本文在查阅了大量国内外文献资料，深入研究绝缘介质损耗机 理的前提下，研究了传统电桥平衡理论和电桥测量方法，揭示了其局限性， 进而引入了新的介质损耗变频测量技术，并且以西林电桥试验数据分析为 基础提出了交频测量的曲线拟合方法。接着推出曲线拟合优度判定标准， 使得我们分析介质损耗角正切t a n 8 值更准确更客观。然后先介绍了目前已 经出现的以单片机为核心的测量系统。但是其庞大复杂的单片机系统和外 设( 键盘、打印、l c d 液晶显示等) 不仅给现场测量带来不便，而且给测量 系统与上位p c 机通信和数据处理带来了不便。针对这些缺点，提出便携 式介损变频测量系统设计的思想，决定应用p c 机打印口于介质损耗变频 测量系统中，使数据采集系统进一步简化，装置体积也大大减小，用户操 作更方便，系统兼容性更好。同时由于软件的开发可以使用常用的可视化 编译工具如c 和v i s u a lc 等，也使得程序更加易于维护和编制。并且借鉴 传统电子电路设计的抗干扰技术和数字滤波技术进一步了优化数据采集系 统的电路设计和软件设计。 最后，对于便携式介质损耗角正切测试系统的局限性和发展前景提出 了个人的观点。 关键词：介质损耗变频测量并行口模数转换 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to fd i e l e c t r i cl o s si sa l w a y sak i n do fe l s e c t i v ep r e v e n t i v e t e s tt o j u d g e e l e c t r i c p o w e re q u i p m e n t i s o l a t i o ns t a t u s t h et r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n tm e t h o dc a n n o ta v o i db a s i c a l l yt h ei n t e r f e r e n c eo f 也ei n d u s t r i a l f r e q u e n c y ( 5 0 h z ) s a m e - f r e q u e n c yi n t e r f e r e t h en e wt y p ea u t o m a t i cf r e q u e n c y c o n v e r s i o nm e t r i c a lt e c h n o l o g y , w h i c hb a s et h et h e o r yo fd i f f e r e n t f r e q u e n c y m e a s u r e m e n ti st h ef u n d a m e n t a lm e t h o dt or e s o l v et h ei n t e r f e r e n c eo f 也e i n d u s t r i a lf r e q u e n c y ( 5 0 h z ) s a m e - f r e q u e n c yi n t e r f e r e f i r s t l y , t h i sp a p e re x p o t m d st h ep r i n c i p l eo f t h ed i e l e c t r i ci n s u l a t i n gl o s so n t h eb a s i so fs t u d y i n gl o t so ff o r e i g nd a t aa n d r e s e a r c h i n g t h et r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n tt h e o r yo f b r i d g e - b a l a n c e ，t h u sd i s c o v e ri t s l i m i t a t i o nt h o r o u g h l y t h e nt h ep a p e re x p l a i n st h en e w f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm e a s u r e m e n t f o r j u d g i n g t h ed i e l e c t r i cl o s s f u r t h e r m o r et h ec u r v ef i t t i n ga n a l y t i c a lm e t h o di sr a i s e d ，a n d f i n da h i 曲d i s t i n g u i s h a b l ea n dh i g h l ys e n s i t i v ec n r v ef i t t i n go p t i m i z a t i o ni n d e x a l l t h e s em a k ew e a n a l y z i n g t h et a n g ；m o r e a c c u r a t e l ya n d m o r e o b j e c t i v e s e c o n d l y , t h en e wm e a s u r e m e n tw h i c hi s c e n t r a l l yb a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri s r e c o m m e n d e d ，b u tt h es y s t e mo fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n di t s p e r i p h e r a l e q u i p m e n t s ( k e y b o a r d , m i c r o - p r i n t e r , l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , e t c ) a r es oc o m p l i c a t e d a n dl a r g e ，n o to n l yb r i n gi n c o n v e n i e n c et oo u t s i d em e a s u r e m e n tb u ta l s ot ot h e s y s t e mo f d a t ap r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i n gw i t hh o s tc o m p u t e r a i m i n ga ta l l s h o r t a g e ，w ea d o p tt h el p t li nt h en e wf r e q u e n c yc o n v e r s i o nm e a s u r e m e n ta n d p u tf o r w a r dan e wp o r t a b l ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nm e a s u r e m e n t c o m p a r e dw i t h t h em e a s u r e m e n to f s y s t e m ，t h en e w m e a s u r e m e n ti sf a r t h e rt os i m p l i f y , t h ev o l u m e l e t su p c o n s u m e d l y , o p e r a t i o ni sm o r ec o n v e n i e n ta n dc o m p a t i b i l i t yi sb e t t e r a t t h es a m et i m e ，b e c a u s et h es o f t w a r e d e s i g n i n gc a nu s et h eu n i v e r s a lt o o lt o t r a n s l a t ea n de d i ts u c ha sc ，v ce t c ，t h em a i n t e n a n c ea n dw r i t i n gi s e a s i e r i n - 1 1 a d d i t i o n ，w eo p t i m i z et h ed e s i g no fe l e c t r o c i r c u i ta c c o r d i n gt o t h et r a d i t i o n a l t e c h n o l o g y o f a n t i i n t e r f e r e n c e a tt h ee n do f t h i s p a p e r , s o m em e a s u r e d r e s u l to nt h es p o ta r eg i v e na n dip u t f o r w a r ds o m eo p i n i o n so ft h em e a s u r e m e n to fd i e l e c t r i cm a t e r i a l sl o s s ，a sf a ra s i n lc o n c e m e d k e y w o r d ：d i e l e c t r i cl o s s ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm e a s u r e m e n t ， p a r a l l e lp o r t ，a n a l o g - d i g i t a l i i i 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请筮兰学位的论文是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者躲y 砖棒 日期_ 加年6 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编。 本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密d ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 ，哆水 黎主爱 日期：训3 年f 月- 6 日 日期：u m l 年j 一月6 日 武汉大学硕士学位论文 便携式介损变频监剐仪数据采集研究 第1 章引言 1 1电气设备绝缘预防性试验概述 为了保证电气设备乃至整个电力系统的安全、可靠运行，必须恰当地选 择各种电气设备的绝缘( 包括绝缘材料和绝缘结构) ，使之具有一定的电气强 度，并且使绝缘在运行过程中保持良好的状态。保证电力设备的安全运行的 常用手段是定期对电力设备的绝缘进行试验，以提前发现设备绝缘缺陷及时 处理事故发生的隐患。 电气设备绝缘试验分两类：耐压试验和检查性试验，统称为预防性试验， 通过对各试验项目结果的综合分析才能及时发现设备绝缘存在的问题。绝缘 故障大多因内在缺陷而引起。有些绝缘缺陷是在设备制造过程中产生的，还 有一些绝缘缺陷则是在设备运行过程中在外界影响因素的作用下逐渐发展和 形成的。就其存在的形态而言，电气设备的绝缘缺陷可分为两大类垆儿6 j ： 集中性缺陷：例如绝缘子瓷体内的裂缝、发电机定予绝缘因挤压磨损 而出现的局部破损、电线绝缘层内存在的气隙。 分散性缺陷：例如电机、变压器等设备的内绝缘受潮、老化、变质等 等。当绝缘电气设备内部出现缺陷后，就会在它们的电气特性上反映出来， 我们就可以通过测量这些特性的变化来发现隐藏着的缺陷，然后采取措旌消 除隐患。这就是进行绝缘预防性试验的主要目的。由于缺陷种类繁多、影响 各异，所以绝缘预防性试验的项目也就多种多样，每个项目所反映的绝缘状 态和缺陷性质亦互不相同，故同一设备往往要接受多项试验，才能比较准确 的判断其绝缘状况。 电气设备绝缘预防性试验已成为保证现代电力系统安全可靠运行的重要 措施之一。这种试验除了在新设备投入运行时在交接、安装、调试等环节中 进行外，更多的是对运行中的各种电气设备的绝缘定期进行检查和监督，以 便及早发现绝缘缺陷，及时更换或修复，防患于未然。 进行测量要针对绝缘介质的特性参数，相对介电常数和介质损耗角正切 武汉大学硕士学位论文 便携式介损变频监测仪数据采集研究 就是绝缘材料的两个重要性能指标。在不同场合使用的绝缘材料对这两个特 性有不同的要求。在某些场合，要求绝缘材料具有小的相对介电常数，例如 作为电网络设备组件问绝缘的材料；而在另一些场合，则要求绝缘材料具有 大的相对介电常数，例如用作电容器介质绝缘材料。对绝缘材料的损耗角正 切的要求也视具体情况有所不同。一般来说，对高频绝缘与高压绝缘，往往 要求绝缘材料具有小的损耗角正切，因为介质内部的发热量，也即功率损耗 与频率成正比，与电压的平方成正比。因此，为了控制绝缘材料的质量和选 择合适的绝缘材料，必须对其相对介电常数和介质损耗角正切进行测量。此 外，测定介质损耗因数可以判断绝缘其他方面的性能，例如绝缘强度、含湿 量、老化等。由于绝缘材料的结构变化在它的介电谱图上也可以得到相应的 反应，因此，常用绝缘材料介电性能的频率谱或温度谱结合介质损耗角正切 来作为绝缘材料结构研究的手段。 根据许多现场绝缘试验工作的经验，测定介质损失角正切t a i l6 能及时有 效的发现下面几种缺陷： ( 1 ) 受潮 ( 2 ) 穿透性导电通道 ( 3 ) 绝缘内含气泡的游离、绝缘分层、脱壳 ( 4 ) 老化、劣化，绕组上附积油泥 ( 5 ) 绝缘油脏污劣化 测t a i l6 法对较大面积的分布性的绝缘缺陷是较灵敏和有效的。而个别局 部的非贯穿性的绝缘缺陷不是很有效。同时，在大的绝缘体中存在局部缺陷 时，测总体的t a i l6 是不易反映出这些缺陷的，全部被测绝缘体可看作是各部 分绝缘体的并联，因此应尽可能的对绝缘体进行分体测试。若测得的t a l l6 与 历史记录有显著变化也表示可能有绝缘缺陷的存在。 1 2 测量绝缘介质损耗角正切的依据 在交流电场作用下，常引入介质损耗角的正切值来表示绝缘介质的绝缘 特性。介质损耗角就是施加在电介质上的电压和电流夹角的余角。 就实际电气设备而言，无论从所用绝缘材料或绝缘结构来看，绝缘都是 武汉大学硕士学位论文 便携式介损变频监测仪数据采集研究 不均匀的，例如含有填充剂的塑料混入空气、水分、纤维等杂质的液体电介 质以及油浸纸绝缘等都是不均匀的。因此，损耗机理是复杂的，各部分的损 耗也是不同的。以下讨论一种简单情况，如图1 2 1 所示，在交变电场作用下， 用电阻和电容的并联a 或串联b 来表示电介质的等值回路，这两种等值回路 在表示电介质能量损耗方面基本上是等效的5 1 。 a 并联 _ 刁 ，l j u 玉 州i _ 一 + 图1 2 1 交流电场下介损损耗原理图及向量图 介质损耗的定义式： 。介质损耗有功功率 蚀6 2 瓦丽丽磊瓣 b 串联 根据并联等值回路( a ) 、串联等值回路( b ) 和二者的矢量图司以分别得介质 损耗角正切t a n6 公式如下： t a n s = i f r = 甓= 丽1 u o j c ( 1 2 1 ) i rp 砬p r p 。 t a n ! ；：缝：丢= d o c s r ( 1 2 2 ) u ? l | ( 。cq ?。 既然两种等值回路在表示电介质能量损耗方面基本上是等效的，那么串、 并联等效回路的p 应该相等，所以可得： 上豳 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 p = u 2 c c o t a n 8 ( 1 2 3 ) 显然介质损耗正切t a l l 占本身和频率有关，所以换算的数值只对一个特定 的频率有效。对某一具体电气设备而言，u 、o 、c 不变，p 和t a n5 成正比， 故t a n6 能表征电气设备绝缘在能量损耗方面的性能。 然而实际上电介质是既有串联又有并联的损耗电阻，如图1 2 2 所示： 图1 2 2 复杂等效回路 随着外施电压的频率的不i 司这两个电阻只有一个是起主要作用的( 假设 r 代表介质中的损耗，b 代表引线和通路的欧姆电阻、连接点的接触电阻以 及介质内部用串联回路能更准确代表它本质的那部分损耗) 。在低频情况下， 。 r s ，只要测量并联回路c ，和r ，损失主要产生在介质中。在高频 下，当c 。达到r s 的数量级时，即测得的损耗主要决定于r s 。可见对于 任何一个特定的频率，这两个等效回路都是准确的，但是就某一个频率范围 来说，只考虑其中的一个回路就不对了。 要比较用不同的仪器得到的介质损耗角正切t a n6 和电容的测量结果，必 须先决定哪个等值回路是有效的，以及在什么频率下测得的。图1 2 1 的c ，与 c s 以及r 。与，可以按下式来互相换算。 q 5蒜耘2而c可s1 t a n 1 ( r c o c ( 1 2 4 ) +2 占+ 。) 、 。 c s2 c ，。+ t a i l 2 j ，= c p 1 + i i ；i 户j ，。：；、 r = 划+ 去 十由 化：固 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 ( 1 2 7 ) 在一个给定误差范围内，测得的电容值是否对两种等值回路都有效，可 以由已知的介质损耗正切t a l l 占来决定。例如估算。与g 具有的相对误差为 1 0 4 时，若t a i l 巧3 1 0 一，那么这两个数值必定有区别。由于电气设备结构 复杂所以t a i l6 反映的绝缘损耗性能常有综合性效果。表1 2 1 反映了某些液 体、固体电介质工频下2 0 ( 2 时的值。 表1 2 1 工频下2 0 c 时部分电介质的介质损耗正切值i ”1 电介质介损角正切( )电介质介损角正切( 呦 变压器油 o 0 5 o 5 聚四氟乙烯 o 0 2 蓖麻油1 3聚苯乙烯o 0 1 0 0 3 油浸电缆纸 o ，5 0 8软聚氯乙稀5 1 5 沥青云母带o 2 l环氧树脂o 2 1 聚乙烯0 0 1 o 0 2酚醛树脂1 1 0 交联聚乙烯0 0 2 o 0 5电瓷2 5 对非破坏性试验方法的探索表明，介质损耗角正切t a n 6 ，尤其是它随电 压的变化曲线乃是进一步监视高压绝缘的手段和判据。例如，套管和电流互 感器的t a n6 若超过了表1 2 2 规定的最大容许值，就意味着：电介质严重发 热，设备有发生爆炸的危险；或者设备绝缘存在严重缺陷。 介质损耗角正切t a n 6 也能反映绝缘的整体性缺陷( 例如全面老化) 和小电 容试品中的严重局部性缺陷，由介质损耗角正切t a n 8 随电压而变化的曲线， 可判断绝缘是否受潮、油或浸渍剂脏污，绝缘中有气隙发生放电等。要注意 尽管介质损耗角正切t a n 8 是反映介质功率损耗p 大小的特性参数，与绝缘的 体积大小无关，但是如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则t a n6 有 时反应就不灵敏。当一个绝缘设备存在局部弱点( 如小气泡和小裂缝) 时，假 如这个“不均质”的电容和总的试品电容相比所占的比例较小时，在介质损 耗角正切t a n 6 的测量中可能不能被检查出。所以测量介质损耗角正切t a n 8 不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆( 它们的电容量都很大) 绝 缘中的局限性缺陷，这时应尽可能将这些设备分解成几个部分，然后分别测 5 + 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 量它们的t a n 占。下表列出2 0 时几个电压等级下套管和电容在不同阶段的 t a j l 占( ) 。 表1 2 2 套管、电流互感器在2 0 时的介质损耗角正切t a n 艿( ) 最大容许值【”i 电气 额定电压k v 设备 型式2 0 3 s6 3 2 2 03 3 0 5 0 0 大修后运行中大修后运行中大修后运行中 充油式3 04 02 03 0 套油纸电容 1 01 5o 81 0 胶纸式3 o 4 02 o3 o 充胶式2 o3 o2 o3 0 管 胶纸充胶 或充油式 2 54 01 52 51 01 5 充油式3 06 o2 03 0 电流充胶式2 04 02 03 o 互感胶纸电容 器式 2 56 02 05 0 油纸电容 式 1 o1 5o 81 0 在具体判断某一电气设备的绝缘状况时，应注意对各项试验结果进行综 合判断，并注意和历次资料以及该设各的其它量相来比较。为了便于历次试 验结果相互比较，最好在相近温度和验条件下进行试验，以免因温度换算带 来误差。 1 3 本课题的意义 高压电气设备的介质损耗一般都很小，对测量精度要求高，在现场测量时 又容易受到各种干扰，因此要准确稳定地在现场测量高压电气设备的介质损 耗有较大难度。同时介损的测量属于高电压、微电流的精密铡量，测量系统需 具有很高的灵敏度和准确度，抗干扰能力要强，但是现场存在各种电磁干扰。 影响介损的内因也很多，凡影响电介质电导及松弛极化的因素都会影响电介 质损耗，当影响因素变化时，按照电介质结构和特性的不同，损耗变化规律 也不同，会跟着作相应变化。湿度、温度、频率、电场强度都足以影响介质 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 损耗角正切t a n 6 。即使电力绝缘设备在制造生产时或实验室的t a n 8 测量已 经有足够高的精度，但电气设备在交接或者定期预防性试验时必须在现场对 其绝缘部分进行介质损耗角的测量。由于t a n 8 的测量精度要求很高，例如根 据上表：2 0 时，3 5 - - 2 2 0 k v 级设备正常绝缘的介质损耗角正切t a n 8 一般在 1 左右，3 3 0 5 0 0 k v 级设备的介质损耗角正切t a n 6s l ，故需要用灵敏度 和准确度很高的仪器来进行测量。 为了即时有效地掌握高压电气设备的绝缘状况，国内外均要求进行现场 介质损耗角正切t a n 6 测量，有效克服现场电磁干扰( 主要是工频强电场干扰) 就成为现场t a n 8 测量的主要难点。 目前，我国广泛使用q s l 型西林电桥测量介质损耗角正切t a n 8 ，其抗 干扰能力差。除电桥固有误差影响测量准确度外，电磁磁场干扰、空间杂物 干扰及电桥接地不良等都会使测量结果失真，干扰大时电桥可能不能平衡， 以致出现一t a n 占测量。而且，电桥法测量，也比较麻烦，没有一定测量经 验的工作人员，很难得到正确结果。因此，研制一种抗干扰，智能性的介损 测量仪，就十分必要。 现场干扰最主要的是工频干扰，采用变频测量技术，即测量时用不同于 5 0 h z 的电源作为试验电源，通过数据信号处理，避开工频干扰，就可以有效 地提高测量结果的准确性。 虽然目前国内外出现了以单片机为核心的数字化介损测量研究，但是这 些装置中单片机系统数据处理要增加外设，此外下位单片机系统向p c 机传 送数据常常采用串行异步通信方式。采用这种串行异步通信方式受到传输速 率的限制，通常最高波特率设定在9 6 0 0 b p s 左右，采用串行同步方式可提高 传输速率可是需要在p c 机上扩展设备。为了既不在p c 机上增加设备，又满 足传输要求，便携系统利用了p c 机的并口作为通信接口。并口通信具有传 输速率快( 5 0 - - 1 0 0 b p s ) 、扩展电路简单、兼容性好( 一般p c 机上带有两个并 行口) 的优点。p c 机的编程环境中可以采用广泛使用的v b 、v c 和d e l p h i 等 编译器，方便直观，但是它们自身的接口不能直接访问p c 并行口寄存器， 不过可以利用d l l ( 动态链接库) 完成这样的功能。 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 第2 章绝缘介质损耗测量 这一章详细的谈一下电介质绝缘损耗的测量原理。 2 1电介质的损耗 2 1 1 直流、交流电场下的损耗 在电场作用下没有损耗的电介质称为理想电介质但实际绝缘体多少都 有损耗使电介质中的部分电能转变为热能，它是导致电介质发生热击穿的根 源。直流电压下的电介质损耗一般很小，交流电压下损耗较大，且损耗机理 复杂，凡影响电介质极化、电导大小的因素均影响损耗的大小。 2 1 2 介质损耗分类3 2 】 电介质损耗，按其物理特性可分为下列三种基本形式： 2 1 2 1 电导损耗 电介质在交流、直流电场下都会有泄漏电流产生电导损耗，电介质的 泄漏电导与频率无关。气体的电导损耗很小，绝缘良好时，液体、固体电 介质在工作电压下的电导损耗也较小。由于液体、固体的泄漏电导随温度 上升按指数规律增大，故电导损耗随温度的升高会急剧增加。如果损耗发 热使设备局部热平衡不能维持，则损耗的增加将产生恶性循环，最终导致 绝缘的热击穿。 2 1 2 2 极化损耗 在交变电场作用下，由于存在周期性的极化过程，偶极子反复转动并沿 电场方向排列时要克服质点间的相互作用力( 即分子间的摩擦力) 而作功，由 此造成的能量损耗较大( 相对漏电引起的损耗而言) 。建立极快的极化过程( 电 子式、离子式) 不产生能量损耗，对应这个过程的电流是纯电容电流；只有缓 慢极化过程才引起能量损耗，例如偶极子的极化损耗、不均匀电介质的夹层 r + 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 极化损耗等。所以，极化损耗只在交流电压下才表现出来，而且随着电源频 率的增加或温度的增加，质点运动更频繁，极化损失更大。不均匀介质夹层 极化所引起的电荷重新分配过程( 吸收过程) ，在交流电压下反复进行，也消 耗能量。工程上使用这种电介质时，应避免最大极化损耗的出现。 2 1 2 3 游离损耗 气体间隙中的电晕损耗和液体、圆体电介质中局部放电引起的功率损耗； 统称游离损耗。所谓电晕一般指裸导体( 或覆盖固体电介质的导体) 周围气体 中的局部放电现象，例如高压架空导线周围的空气放电、高压套管顶部或法 兰盘附近的空气放电、发电机线棒出槽口绝缘表面的空气放电等等都属电晕 放电。电晕放电产生带电粒子，出现光、声、化学等效应，其引起的损耗称 电晕损耗。气体闯隙不存在极化损耗，电导损耗也很小，因而当没有电晕时 气体间隙的损耗可忽略不计，故空气、n 2 、”s 等气体常用作标准电容器 的电介质。 局部放电指以液体、固体电介质作为绝缘的间隙中，绝缘材料内部局部 形成桥路的一种放电现象，它可能与导体接触或不接触。例如固体绝缘材料 中的空隙、液体绝缘材料中的气泡、具有不同介电特性的绝缘材料层间等等 都可能发生放电，且最初放电桥路一般不与导体接触。此外，电极表面的尖 端附近可能发生向液体、固体绝缘材料内部发展的放电，这些放电引起的功 率损耗称局部放电损耗。 2 。2 传统测量介损正切值的方法研究 绝缘介质可以用r c 网络模型来进行等效分析，对介损正切值t a n6 的测 量转化成对等效r c 网络参数的测量。传统的交流电桥法测量是用差值比较 法比较两个交流电压或交流电流的回路。由电源、指零计、调节比例器和标 准阻抗构成的交流电桥与被测试品一起形成一个r c 网络。传统的交流电桥 尽管在理论上成功的解决了介损正切角检测的问题，可是在现场应用时，遇 到的一系列干扰问题导致测量效果较差。 多年来高压试验中进行介质损耗角正切测量常用的设备各种西林电桥和 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 2 5 0 0 k v 介质损耗角试验器( 简称m 型试验器) 。电桥法主要用于低频测量，在 我国预防性试验中应用较普遍的测介损的仪器主要是q s l 型西林电桥。用 q s l 型交流高压西林电桥测t a n6 和c x 时，可以用平衡方程或相量图进行分 析，后者揭示了调平衡的物理过程。q s l 型电桥可以正接线或反接线，反接 线时桥体处于高电位；试品电容大于o 0 0 3l af 时，要用分流器；串级式电压 互感器通常用短路法、末端屏蔽法和自激法来测量不同部位绝缘的t a n6 值。 2 2 1 高压工频西林电桥的基本原j 匣1 2 4 l 西林电桥是一种电阻电容比例臂电桥。根据测量电压与测量频率，西林 电桥又分为高压工频和低压高频西林电桥。根据试样是否接地和试样电容的 大小，高压工频西林电桥又有正接西林电桥、反接西林电桥、对角线接地西 林电桥以及大电容西林电桥等结构不同的电桥类型。高压西林电桥都采用直 接法测量，低压高频电桥为了提高测量准确度时常采用替代法测量。西林电 桥是绝缘测试中常用的设备。图2 2 1 即是q s l 型西林电桥的基本接线的两 种方法，左边是正接法，右边是反接法。 图2 2 1q s i 型西林电桥的基本接线 图中z t = r * + j a , c t 表示试品，c n 为标准电容( t a n 6 0 ) ，g 为检流计， r 3 和c 4 、r 4 为电桥的低压臂，当被试品两端均不接地时，用图2 2 3 所示的 正接法。 设流过检流计的电流为i g 电桥平衡时总有电流i g = o ，得到下式： 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 j ，。= 。= ， 【，m2 ”2 i ” ( 2 2 1 ) ju 。= u 。 【u 嬲2 u c2 u ， ( 2 2 2 ) 电桥平衡时，a 、b 两点电位相等，由反接法有下式成立： i x z a = i n z 4 ，i x z x = i n z n q 2 五z 4 = z 3 z ( 2 2 4 ) ，z n 2 两1 z 4 2 再1 ，z x2 再1 代入上式，令上式的实部、虚部分别相等，可得： l国2 卫c x r 4 c 4 = 1 【c n 胄x r 4 = r 3 ( r x c x + r 4 c 4 ) ( 2 2 5 ) 推出t a n 6 = 1 c x r t = o c x r x ( 2 2 6 ) 当频率为5 0 h z 时，取r 4 为1 0 0 0 0 尢= 3 1 8 3 1 欧姆，由( 2 2 6 ) 式有 c 。= t a n s 1 0 6( 2 2 7 ) 因此可以直接由c 4 的示数读出t a n6 。 2 2 2 西林电桥的固有误差 高压西林电桥的误差可以分为由测量原理产生的固有误差和由使用状况 产生的附加误差。固有误差主要有：由于指零仪灵敏度限制产生的测量误差； 由于电桥标准器件参数和可调器件参数和可调器件参数漂移以及电源频率波 动产生的读数误差。附加误差产生的主要原因是：环境温度，相对湿度，试 验电压与指零仪问的电磁耦合，试验电压使试品自热升温而；引起的参数变 武汉大学硕士学位论文 便携式介损变频监测仪数据采集研究 化，桥体本身分布参数便电轿频率特性明改焚，头际诫祥阴分邵爹毅阳附刀口 影响，电磁干扰等。 以下着重讨论固有误差的影响。 ( 1 ) 指零仪灵敏度限制导致的测量误差 平衡点时z 。z 4 = z 。z 3 可得试样阻抗相对误差的近视表达式( 设试样阻 抗z 。用串联等效电路表示) ： 等m 若uz l z ( z 蝎x z 3 + 乙卜等+ 等+ 等 偿z 固 l x s n ， n3 等“等( z 每+ 引一等+ 等+ 等 z z x d ，、 z ，z n ) z 4z n z 3 77 一a z x 。a u c o ( 2 + 生+ ! + 塑! 鱼1 一垒互+ 竺生+ 坚( 2 2 1 0 ) z j 。l r 3j c o r 3 c s1 + - ，枷4 c 4jz 4z z 3 、。 因为电桥直接测量的是电容和损耗角正切t a n 占两个参数，如果将相对测 量误差进行分解。试样t a n 万 1 ，则有： z z 硼s + 志2 去胁弘j ) = x s o a n 8 - ，) ( 2 2 1 1 ) z ：a 、x ，s + 黑一堕+ j a t a n $ 一一a o ) ( 2 2 1 2 ) 。x s 讹6 一jc s 、。 实际坳惶误差等无、法单独分开成三项，但l 刮表达出了这三项误差中 的前两项误差的最大值范围，即： i 刮j 吲斗酬。 c z 2 聊 目前我国的电网频率漂移最大在o 5 h z ，即l 纠 o 0 1 l ( - 9i 武汉大学硕士学位论文便携式介顿变频监剃仪数据采集研究 ( 2 ) 实际值读数误藏 由予砖试磊电容秘余震损耗角爱甥豹溅量是羧据毫羲平饔菇耩薅毫气器 件的表尺假和电源标称频率，通过以上计算得到，因此这个实际值与标称值 之间的偏熬就产生了读数误差。根据间接测量的谈整分析，并结合计算所得 的e 秘t a n s 溺量戆读数靼对误差表器为： c s c r 4 a 如 c sc 蜀r 3 佗2 1 4 ) a t a n 5 。堕+ 坐+ 塑 t a n 3 c 4r 4 国 旺2 1 讣 除了嗣有误差影响测量准确度；桥臂对地杂散电流的影响引起的各种附 鸯l 误差毽怒影豌测量准确发热重要嚣豢，嚣显缳难控霉l 。墨菠怒主羲甓瘸豹 杂散电容也会给测量带来误差，为减小此误差，裔些精密的电桥采用双屏蔽 方式。两艨屏蔽中，内屏蔽通过电位平衡回路接嫩，以使内屏i 簸与主桥臂等 电位，两外屏蔽则直接接地。 瑟激，在没有任谤予挠戆情嚣下，螽椿毫褥溺试翡结采理论上是准确懿。 但是没有任何干扰的理想情况，在现场是不存在的。对干扰，西林电桥可以 采取一定的措施来减小平扰，但方法a 常麻烦，照疆想消除干扰，也是不可 箍熬。总戆来说，嚣抟惫辑耱抗于绕戆力笼较弱，蠛殇试验也诞赞了这一患。 另外，西林电桥运用起来，也比较麻烦，不是有经验的工作入鬣，是很难测 出准确结聚的。 2 。2 3 醚壁试验器蟪基本嚣理 2 5 0 0 v 介质损耗角试验器是一种不平衡交流电拼，也称为m 型试验器。 它由标准支路( g ，r o ) 、被试支路( 被试设备的如、c x ) 及煎测用的无感电 阻恁萃羹檄缓羯断支跷、电源( 变毽糕帮谲压器) 辩溯量霞路( 放大器释表头) 等5 个部分组成。其测髓原理如图2 2 2 所示： 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 图2 2 22 5 0 0 v 介质损耗角试验器原理接线图 这种试验器的基本原理源自传统的瓦特表测量法，利用介质损耗角正切 值t a n 6 很小恬 2 0 。为了便于波形分析，且电源频率输出也大于 2 0 ，敬n 必2 豹整数次幂3 2 。 3 。3 介质损耗参数计算 3 3 1 根据f i i t 从离散信号中求出基波的幅值和相棱 设对正豫信号：x 。( f ) 。a s i n ( 2 砥f 妒) 进行獭祥截取聪，褥到的有限 长序列为： 武汉太学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 琊) = 芦晦 = 爿e 多缸e 砖一吾k x n - d s i n 【( 州肌n k n ) n s i n ( z n 7 一麻) 一 爿e 么卜1 - e 篙 ( 1 皆扣) n = 0 ，1 ，2 ，( n 1 ) ；n 为正弦波一个周期内抽样点数，n 为截取长度。 当对全部周期截取时，有n - - m n 时： x ( _ | ) ：j 寺_ 蜘甜时 ( 3 3 2 ) 【o ； 当m 时 所以对整个周期截取时，可以利用f f t 变换，把有用信号从离散信号中提取 出来，提取出的是原信号的幅值和相位( 傅里叶变换是以分离实部、虚部的形 式输出的) 。 3 , 3 2 计算试品介损参数 根据相敏检波原理，参见2 3 和同步采样向量图( 图2 3 4 ) ，列出电压信 号、电流信号在正弦参照系下的复频域参数【3 2 】余弦参照系统： i v o ) = a ，c o s q 。t + 仍) 牙，伍) = 万1 爿肛) = ”码+ 岛_ ， 爿，= 2 i 贾，叫= 2 厢 妒t = a r c t a n ( b l a i 、 ir = a i e ”= 2 a l 七2 b l j 武汉大学硕士学位论文便携式介损变频监测仪数据采集研究 u v ( r ) = 爿，c o s o t + 竹) 置g ) = 万1 西似) = 鲁”码+ 6 ，j 匆= z 阿叫= ：而 妒r = a r c t a n ( b pa r ) d r = a r e j “= 2 a r + 2 b y j ( 3 3 3 ) 以上是电压和电流利用复频域变换分离出的幅值和相位关系式，方程左 边是电流和电压取样结果。参见a d 同步采样向量图和上述余弦参照系统关 系式，就可以计算出试品的t a n 8 和c x 值。 3 4 变频测量的曲线拟合分析 根据国内电力系统工作频率，测量国内电力高压设备的介质损耗角正切 参数要与工频5 0 h z 对应，为了避免现场测量的工频同频干扰，采用5 0 h z