（测试计量技术及仪器专业论文）移相电容器绝缘在线监测系统研究.pdf

移相i c l 容器绝缘红线豁测系统研究 摘要 近年来，无功补偿设备在电力系统中得到了广泛的应用。作为最主要的无功 补偿设备，移相电容器在电力系统中数量日益增多，对其绝缘性能进行在线监测 意义重大。介质损耗因数( t a n g ) 是绝缘在线监测的主要参数，但由于电网频率 波动、高次谐波干扰、相间耦合等因素的影响，介质损耗因数测量结果稳定性与 重复性差，严重影响了设备绝缘性能的监测分析。为了提高介质损耗因数测量和 绝缘分析准确性，本文重点研究高精度数字化介损测量算法和新兴数据分析技术 在绝缘在线监测系统中的应用。论文主要内容如下： 本文研究了一种基于b l a c k m a n h a r r i s 窗频谱校正的介损测量算法，通过数值 计算仿真分析其理论误差，仿真结果表明：该算法能克服各种干扰因素的影响， 满足高精度介损测量的需要。 本文完成了移相电容器绝缘在线监测系统总体设计，采用c a n 总线进行数 据传输，设计了数据通信接口与通信协议，完成了数据收发实验；在l a b v i e w 开发环境下，设计了监控主机软件，实现了数据库基本操作和高精度介损测量算 法，采用多尺度小波对介损信号长期变化趋势进行了分析提取实验；研究了支持 向量机回归技术，并将其初步应用于绝缘劣化动力建模。 本文采用开放式、模块化设计方法，使绝缘在线监测系统可以方便地升级改 造，实现对多种电力设备的在线监测。 关键词：绝缘在线监测系统；移相电容器；介质损耗；b l a c k m a n h a r r i s 窗；支持 向量机回归 硕i j 学位论文 a b s t r a c t p o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t sh a v e b e e nw i d e l yu s e di n e l e c t r i c a lp o w e r s y s t e mi nt h ep a s td e c a d e s a st h em o s tw i d e l yu s e dp o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ， i ti si m p o r t a n tt ob u i l da no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mt oc o m p r e h e n dt h ei n s u l a t i n g s t a t eo fp h a s e - s h i f t i n gc a p a c i t o r s d i e l e c t r i cl o s sf a c t o rp l a y sak e yr o l ei np o w e r i n s t r u m e n to n l i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n g ，h o w e v e r ，d u e t ot h ei n f l u e n c eo f f l u c t u a t i o n si np o w e rg r i d sa n dh i g h - f r e q u e n c yh a r m o n i ci n t e r f e r e n c ea n do t h e r f a c t o r s ，t h ec u r r e n ts t a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fd i e l e c t r i cl o s sf a c t o ri s u n s t a b l ea n di n a c c u r a t ew h i c hm a k e st h ea n a l y s i so fe q u i p m e n ti n s u l a t i o ns t a t u s i n c r e d i b l e a i m i n ga ti m p r o v i n gt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fd i e l e c t r i cl o s sa n dt h e a n a l y t i c a ll e v e lo fe q u i p m e n ti n s u l a t i o ns t a t u s ，t h i sa r t i c l ef o c u so nt h eu s eo f h i g h p r e c i s i o nd i e l e c t r i cl o s sm e a s u r e m e n ta l g o r i t h m sa n dd a t am i n i n gt e c h n o l o g yi n o n 。l i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m ，b y t h i s w a y , t h ec o r r e l a t i o nf a c t o r so f e q u i p m e n ti n s u l a t i o nc a nb es t u d y e di nd e p t h t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ra r e o r g n i z e da sf o l l o w s ： an e ws p e c t r u mc o r r e c t i o na l g o r i t h m ，b a s e do nb l a c k m a n h a r r i sw i n d o w ，f o r d i e l e c t r i cl o s sm e a s u r e m e n ti s i n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i s a l g o r i t h mc a nd e c r e a s et h ei n f l u e n c eo fs o m ef a c t o r ss u c ha sh a r m o n i ci n t e r f e r e n c e ， w h i c hw i l lm e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ti nd i e l e c t r i cl o s s s i g n a l 、 t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g no fa no n l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m f o rp h a s e - s h i f t i n gc a p a c i t o r s t h ee n t i r em o n i t o r i n gt e r m i n a lm o d u l e sa r ec o n n e c t e d b yaf i e l d b u sn e t w o r kb a s e do nc a nb u sa n dd e t a i lm a t e r i a lo nt h eh a r d w a r oa n d s o f t w a r ed e s i g n ，a sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e s i g na r eg i v e n s y s t e m s o f t w a r ea r ed e v e l o p e do nl a b v i e w , t h eb a s i cd a t a b a s eo p e r a t i o n ss u c ha s q u e r y , s t o r e ，t a b l ec r e a t e ，c a nb ec o n d u c t e di nt h i ss o f t w a r ea n dt h eh i g h p r e c i s i o nd i e l e c t r i c l o s sm e a s u r e m e n t a l g o r i t h m a r ep r o g r a m m e do n “g ”l a n g u a g et o o a st ot h e l o n g 。t e r mt r e n de x t r a c t i o no fd i e l e c t r i cl o s s ，m u l t i - s c a l ew a v e l e ta n a l y s i si su s e d ；a n d as u p p o r tv e c t o rm a c h i n er e g r e s s i o n ( s v r ) t e c h n i q u ei si n t r o d u c e dt oe s t a b l i s ht h e m o d e lo fp o w e r e q u i p m e n ti n s u l a t i o ns t a t u sc h a n g e a sa no p e n ，m o d u l a rd e s i g nm e t h o di si n t r o d u c e di nt h ei n s u l a t i o no n 1 i n e m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n ，i tc a nb eu p g r a d e dt om o n i t o ro t h e re l e c t r i c a l p o w e r e q u i p m e n t se a s i l y 移相i 乜容器绝缘n ：线骼测系统研究 k e yw o r d s ：o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ；p h a s e s h i f t i n gc a p a c i t o r s ；d i e l e c t r i cl o s s ； b l a c k m a n h a r r i sw i n d o w ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n er e g r e s s i o n l v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交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。对本文的研究做出重要贡献 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。 作者签名：目叉除 j同期：力务矿月。多日 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、使用学位论文的规定，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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密4 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 同怂 彳易乃 日期：卅年 日期：碎 石日乃b 歹月j 7 日 硕i j 学位论文 第1 章绪论 随着经济的快速发展，现代社会对电能的需求越来越大、依赖性越来越强， 对输变电设备的可靠性提出了更高的要求；输变电设备发生事故，不仅会造成设 备损坏，而且会造成经济、民生等多方面的损失。目前，我国输变电设备的维护 工作主要是参照电力设备预防性试验规程要求定期进行定期检修【l 2 】( 预防性 试验) ；由于检修周期的限制，这种维护方式已经难以满足经济社会发展的需要； 采用绝缘在线监测技术，构建绝缘在线监测系统，及时掌握设备的绝缘状况变化， 实现由定期检修向状态维修的转变是我国电力系统设备维修发展的必然趋势。 1 1本文研究的背景和意义 据统计，“八五”期间，我国主要电网中由于电气设备故障而直接引发的电网 事故约占事故总量的2 6 3 【3 1 ，“九五”期间我国主要电网中由于电气设备故障而 直接引发的电网事故约占事故总量的2 3 1 纠4 】；这些事故中设备绝缘事故的占据 了很大的比例，根据某地对1 1 0 k v 及以上的电力变压器的9 3 次事故原因的分析 发现，由于匝问绝缘、引线及对地绝缘、套管绝缘所引起的各种事故分别占事故 总数的4 3 、2 3 、1 5 ；而因铁芯、分接开关等造成的非绝缘事故仅占2 0 以 下【5 1 。 电气设备绝缘监测就是通过对电气绝缘特性量的测量，以评估设备运行状念， 发现早期故障。监测的过程就是特征量的采集过程。反映电气设备介电特性的常 用参数主要有介质损耗因数、等效电容、漏电电流。其中，介质损耗因数是最主 要的监测参数，通过监测电力设备的介质损耗因数，可以发现设备绝缘系统的整 体性缺陷和较大的集中性局部缺陷。 作为一种重要的电容型设备，移相电容器主要用于提高系统和用户的功率因 数、改善用电质量、减少用户电费开支、减少线路损耗、增大供电容量和提高电 力网的传输能力；移相电容器具有单位容量费用低、有功功率损耗小( 约为额定 容量的0 3 0 5 ) 、运行维护简便、改变容方便、移动性强等优点，在电力部门 得到了广泛的应用。据统计，截止l9 9 9 年底，全国电网总装机容量为2 9 8 7 7 g w ， 共安装容性补偿装置1 5 6 5 9 g v a r ，容性补偿率( 容性补偿装置总无功容量装机总 容量) 为5 2 4 ，其中9 8 0 3 为移相电容器【6 1 。 可见，在电力系统中移相电容器数量众多，对其绝缘状态进行在线监控意义 重大。目前在线运行的移相电容器故障频发，每年都有大量损坏，其损坏原因没 有准确验证，其绝缘劣化的主导因素及各种因素的作用方式也认识不清【_ 卜9 1 。从 移拥l u 容器绝缘n i 线舱测系统研究 设备生命周期分析，由于电气设备的绝缘材料大多为有机材料，在运行中，材料 受到电、热、机械、环境等各种因素的作用，其绝缘性能将不可避免地发生劣化， 最终导致绝缘功能的丧失。为防止事故的发生，一方面应当不断提高电力设备制 造水平：另一方面，应该对运行中电力设备的绝缘状况进行有效监测，以尽早发 现绝缘缺陷，并及时维修更换。 目前，绝缘检测的主要手段是常规的预防性试验，即参照电力设备预防性 试验规程对各种常用电力设备进行常规性、周期性检查维修。预防性试验在发 现设备潜在缺陷，防止事故发生方面起了一定的作用；然而近年来随着线路电压 的升高、设备容量的增大，预防性试验己经难以满足实际需要，主要问题如下： ( 1 ) 预防性试验需停电进行，停电会对经济、生活造成一定影响，不少重要 的电力设备，却不能轻易停止运行：而且进行停电实验，并不能反映设备在运行 条件下的真实绝缘状况。 ( 2 ) 预防性试验以固定周期进行，对于设备在试验周期内发展起来的故障缺 陷，难以做到及时发现并检修，而过于频密的定期检修又会造成人力物力的浪费， 容易造成设备损伤，甚至留下故障隐患，缩短设备寿命。 ( 3 ) 预防性试验通常是人工手动操作，工作量大效率低，试验结果容易受人 为因素影响，真实性差。 由此可见，采用绝缘在线监测系统，实现由定期检修向状态维修的转变，已 经成为电力系统设备维护发展的必然趋势。通过实时监测运行电压下绝缘状态的 各参量的变化，及时、准确地掌握设备的绝缘状况及变化趋势，并根据监测结果 安排设备检修；这样不仅能够及时发现早期缺陷防止事故发生，也可以提高工作 效率，延长设备寿命。随着传感器技术、计算机网络技术、数字信号处理技术等 相关领域的进步，绝缘在线监测技术通过采用灵敏度更高的传感器采集设备运行 中的绝缘劣化信息，不仅可以把某些测试项目在线化，还可以引进一些新的反映 设备运行状态的特征量，实现对设备运行状态的综合诊断。所以，以虚拟仪器为 平台，结合数据挖掘和数字信号处理、计算机网络技术的研究成果，开发新型绝 缘在线监测系统，具有广阔的市场f ； 景和巨大的综合效益。 1 2电容型设备绝缘在线监测技术研究现状 绝缘在线监测技术的基本原理可概括如下【m 1 1 】：绝缘劣化发展虽然具有统计 分散性，劣化速度有快有慢，但大多数绝缘缺陷具有各种前期征兆和一定的发展 周期，前期征兆往往表现为设备的电气、物理、化学等特性量有少量渐进的变化； 所以，及时取得各种信息进行综合分析，根据其数值的大小及变化趋势，可以及 时发现潜伏的故障，对设备的可靠性作出判断，必要时可采取规定操作。 硕+ l ：学位论文 通过对电容型设备的介电特性研究表明，对于电容型电气设备，监测其交流 泄漏电流，可以灵敏反映电容型设备的整体受潮程度，监测介质损耗角正切值t a n c s 可以较灵敏反映早期局部缺陷；监测等值电容量c 可做为补充监测参考，综合监 测t a n o ，i 和c 可以全面地了解电容型设备的绝缘状况。 近年来，国内外学术界在电容型设备绝缘在线监测领域的研究，主要集中在 介损在线监测信号提取【1 2 16 1 、介损数字化测量方法【1 7 28 1 、介损分析诊断【2 9 3 3 】和 测量有效性【3 4 0 7 】四个方面。当前众多电容型设备在线监测系统，在介损测量方面 大多采用数字化测量方法，差别在于数字化测量信号的获取和信号处理方法的选 择。由于介质损耗角就是流过设备的电流与运行电压向量之间夹角的余角，所以， 通过在运行现场测量设备电流信号和电压信号，求取其相位差，即可求得设备介 质损耗因数，这是当前电容型设备绝缘在线监测系统中广泛采用的介质损耗因数 求取方法【3 8 , 3 9 】。 目前，国外产业界对电容型设备绝缘在线监测领域的研究，主要集中介损监 测方法的改进、多参数的获取与判断等方面。澳大利亚红相公司完成的用于电流 互感器及变压器套管介质损耗角在线监测装置，利用脉冲计数法进行测试可以实 时显示数字化测量结果，介损角测量分辨率达到力分之一弧度 4 0 , 4 1 】；南非研究人 员采用比较测量方法，以介损角很小的高压电容器上电压作为“标准电压，将 被试品电流转换成电压与此“标准电压信号进行相位比较，从而得出电气设备 介损，其研究成果也已实际应用于套管和电流互感器介损耗相对值的测量【4 2 4 引。 加拿大安大略水电局研制了用于发电机的局部放电分析仪【4 5 1 ，魁北克水电局研究 所研制了一套多参数的监测系统【46 1 ，澳大利亚昆士兰电气协会高压测试研究所开 发研制了变电所设备在线监测装置，在2 7 5 k v 变电站试用并在13 2 k v 变电站正 式使用；目前，美国a v o 公司、澳大利亚红相公司、德国的l d i c 公司均已在国 内某些变电站安装了其电容型设备在线监测系统产品【47 1 。 我国电容型设备绝缘在线监测技术应用起步于上世纪七十年代对某些绝缘参 数( 主要是泄漏电流) 进行不断电直接接触式带电测量。随着技术的发展，出现 各种利用传感器将被测量转换成数字信号的专用带电测试仪器，通过非电量测量 来反映设备状况的测试仪器也逐渐出现；虽然与国际先进水平相比，我国绝缘在 线监测技术及装置差距明显，但发展较快，近年来由多个不同类型的监测装置投 入运行：安徽、吉林、河北、内蒙、广东、湖南等地电力部门都研制了电容型设 备的监测装置，主要监测介损、电容值、三相不平衡电流和电压，清华大学、东 北电力试验研究院等单位研制了电容型设备监测系统和局部放电监测系统，西安 交通大学等单位结合油中气体分析研制了绝缘诊断专家系统；生产厂商如广州科 立公司、武汉高德公司、马鞍山力源公司，较有影响力的绝缘在线监测产品有： 武汉高德电气有限公司的g d 8 型、广州科立通用电气公司的c i e 2 0 0 型、湖北省 移相f 乜容器绝缘确：线豁测系统研究 电力实验研究所的k w z i i i 型、武汉高压研究所的i m 2 型、马鞍山万源电力新 技术有限公司的j s c 型。 综观国内、外电容型设备绝缘在线绝缘监测技术的发展，大体上经历了起始 于带电测试阶段、专用带电测试仪阶段、绝缘在线监测系统阶段。随着技术的进 步，绝缘在线监测系统的己从最初的分散式转变为集中式，而且随着无线通信技 术和i n t e n e t 技术的广泛应用，整个系统正在向多层次应用体系发展。现代绝缘在 线监测技术虽然在弥补了定期停电预试的许多不足，但其自身发展还有一些问题 急需解决。进行在线监测的目的是为了及时、准确地掌握设备运行中的绝缘状况， 因此必须对设备绝缘特性参数进行综合分析诊断，发现设备绝缘状况的变化；然 而目前在线监测分析诊断方法，仍处于单一静态标准比较和统计量分析的层次， 在线监测技术优势没有得到充分发挥。所以，结合在线监测技术优势，以虚拟仪 器为平台，有效整合新兴数据挖掘工具、数字信号处理技术和计算机网络技术， 开发具有综合监测和诊断功能的绝缘监测系统，必将成为绝缘在线监测系统主要 发展方向。 1 3当前绝缘在线监测系统存在的主要问题 虽然国内己有部分绝缘在线监测系统投入运行，但根据调查，其运行效果并 不理想，没有取得预期的经济效益和社会效益，造成这种局面的原因是是多层次 的，除了管理维护、质量监督、设计标准方面的问题外，技术方面主要存在以下 问题【4 8 】： ( 1 ) 由于电容型设备绝缘在线监测系统通常工作在电磁环境恶劣的运行现 场，在采样信号中存在着大量的高频干扰和脉冲干扰，造成绝缘信号在线提取困 难。 ( 2 ) 介质损耗因数的测量结果稳定性、重复性差，对其发展机理缺乏深入研 究，影响设备绝缘性能分析的准确性。 ( 3 ) 由于设备绝缘诊断理论与寿命预测领域缺乏有效的方法，目前的电容型 设备绝缘在线监测系统只有故障判断与保护、报警等功能，智能化水平亟待提高。 要解决当前绝缘在线监测系统存在的主要技术问题，首先，应当在基础理论 方面加强对绝缘老化机理的研究，积累在线运行数据；同时，可结合信号处理技 术与数据挖掘技术的新进展，采用适当方法，深入分析各种影响因素对试品介损 和电容值的影响规律；其次，可以进一步优化传感器元件性能，提高测量的稳定 性和可靠性，寻找更好的介损测量方法，进一步提高分析的准确性和诊断的可靠 性。 硕l ：学位论文 1 4本文主要研究内容 鉴于当前在线监测应用水平不一，数据的有效性差且积累不足，难以搜集完 备的诊断样本，因此无法提供全面的故障诊断数据；此外，虽然可通过实验或仿 真模拟某单一因素影响绝缘特性的情形，但由于监测现场存在的各种影响因素非 线性叠加的作用，对设备绝缘性能分析较为困难；为了提高介损测量和绝缘分析 准确性，本文重点研究高精度数字化介损测量算法和新兴数据分析技术在绝缘在 线监测系统中的应用：首先，研究了一种基于b l a c k m a n h a r r i s 窗频谱校正的介损 测量算法，通过数值计算仿真分析其理论误差，仿真结果表明该算法能克服各种 干扰因素的影响，满足高精度介损测量的需要；其次，完成了基于移相电容器绝 缘在线监测系统的总体设计，针对在线监测干扰严重，信息冗余的特点，提出了 结合多尺度小波分析与支持向量机回归理论【4 9 , 5 0 】，建立设备绝缘劣化动力模型的 方法。 全文共分五章，各章内容如下： 第1 章阐述研究的背景和意义，分析绝缘在线监测技术研究现状和存在主 要问题并提出相应策略，指出论文研究重点。 第2 章围绕在线监测主要参数介质损耗因数，介绍其基本概念及常用介质 损耗因数测量方法，讨论介质损耗因数测量准确性的相关因素。 第3 章分析频谱泄漏与栅栏效应产生原理及经典窗函数特性，在此基础上 研究基于b l a c k m a n h a r r i s 窗双峰插值频谱校正算法，通过数值仿真实验，分析该 算法在介损测量中的应用效果。 第4 章介绍绝缘在线监测系统的总体设计与工作原理，说明绝缘监测终端 的软硬件设计和基于c a n 总线的数据通信软硬件设计。 第5 章介绍绝缘在线监测系统上位机软件设计，说明主要程序的基本功能、 设计理念与实现方法。 移车f l l u 容器绝缘n ：线豁测系统研究 第2 章介质损耗测量原理 绝缘材料的介质损耗因数( t a n 6 ) 是反映电气设备绝缘性能的重要指标，通 过测量t a n 6 可以较灵敏地反映出设备的绝缘缺陷。由于传统介损测量方法存在程 序复杂、工作量大、范围有限、精度低等缺点，所以，目前介损在线监测系统大 多采用谐波分析法进行测量。 由于电容型设备介损信号微弱，占通常约为o 0 0 1 o 0 2 r a d ，这对t a n 6 测量 准确度提出了较高的要求。因此，在提高传感器和数据采集装置抗干扰能力的基 础上，采用高精度数据处理方法也是提高t a n 占测量准确度的重要手段1 2 卜 j 。 2 1介质损耗基本概念 交流电压矽作用下电容器的特性如图2 1 ，流过电容器的电流j 比电容器两端 的电压矽超前一个相角缈，电流j 是由电容电流分量t 和有功电流分量j 詹组成， 通常i c ，r ，则介质损耗因数是设备绝缘的局部缺陷中介质损失引起的有功电流 分量歹月和设备总电容电流，( 1 之比4 4 4 5 1 t a n 阳a n ( 三刊= 乞 ( 2 1 ) j 詹 r l 丘 c 图2 1电容器的特性图 介损t a n t ；是表征绝缘在交变电压作用下损耗大小的特征参数，它仅取决于材 料的特性，而与材料尺寸、形状无关，它的变化可以反映移相电容器绝缘整体受 潮情况、劣化变质情况以及设备的局部缺陷，因此以介损t a n 6 作为反映电容器绝 缘状况的参数是非常合适的，是设备绝缘性能的主要指标。 根据产生机理的不同，可将绝缘材料在电场作用下产生的介质损耗分为三部 分：电导损耗、极化损耗和游离损耗。表征绝缘材料电介质损耗的模型如图2 2 所示。 1 电导损耗甄 实际设备的电介质总是存在一定电导，在电场的作用下就会产生泄漏电流， 硕 ：学位论文 引起热能量损耗，这种热能量损耗在直流或交流电压作用下都会存在。漏导损耗 可用电阻上的损耗表征，图2 2 中用尺g 表示，r g 由内部体积电阻尺v 和表面电阻 尺s 并联组成。通常尺v 很大，而尺s 与设备外形结构和环境有关。 图2 2 介质损耗机理图 2 极化损耗 在交流电压作用下，由于周期性的极化过程，电介质的带电质点要沿交变电 场方向作往复的有限位移和重新排列，这就会因为克服质点问相互作用力而造成 能量损耗。这种介质极化引起的极化损耗一般比电导损耗甄大得多，介质极 化的强弱决定于物质的结构和分子的运动形式。介质极化效应可用电容c t 和串联 阻容支路r i ，c i 的并联电路模型等效，其中，c t 表示与介质中电子位移极化和离 子位移极化相关的电容量，尺i 和c i 表示与介质松弛极化相关的参数。 3 游离损耗w d 由于电介质的结构或材料的缺陷，当外加电压超过一定值后，电介质内部或 表面将发生局部放电，产生附加损耗。图2 2 中用c 。和c b 表示介质局部放电相 关的电容参数，c 。上的箭头示意介质的局部放电。在交流电压作用下，局部放电 集中在外施电压上升或下降最陡的区域。长期的局部放电对介质的性能影响很大， 在正常工作时应尽量避免局部放电的发生。 2 2现有介损测量方法 随着计算机技术和微电子技术的广泛应用，介损测量技术有了新的发展，依 据采用数字信号处理方法的不同，可将现有介损测量方法可分为两大类：第一类 是主要靠硬件的实现方法，以过零点时的相位比较法( 也称为脉冲计数法) 为代 表；第二类是主要靠软件分析来实现的检测方法，以谐波分析法为代表。 2 2 1过零比较法 过零检测比较法是数字化介损测量中较早应用且较为成功的方法之一，其主 要原理是通过比较施加于介质上的电压u 和电流，的过零时刻t i 和t 2 ，求得两者 之间的相位差伊= 2 ，r ( t 一f ，) 丁，丁为工频周期，从而可以求得介质损耗角 万= 万2 一伊，相应波形关系如图2 3 所示。 移相i 乜容器绝缘确：线临测系统研究 用脉冲计数求a t = t 。- t ：的值，如果计数器计得的脉冲数为玎，而脉冲频率为 则a t = n f ；测量装置对占的分辨率为2 万r f ；由以上分析可见，只要计数脉冲 频率足够高就可以保证较高的分辨率。 计算相位差，从而降低对过零点检测 图2 3过零比较法原理图 准确性的要求，但由于此方法要求对 采样信号进行预处理，会由于硬件处 理电路的增加而带来设计、累计误差 等方面的问题 2 1 , 2 2 】。 2 2 2 正弦波参数法 j 下弦波参数法是通过模数转换，将电流、电压信号离散化后，应用一定的算 法，求得正弦波参数k 、u m 、够、纸，再计算出f 超前u 的相位差缈，进而算得 介质损耗角占的一种方法。 设流经绝缘的电流f = ls i n ( c o t + 仍) ，绝缘两端的电压u = u ms i n ( r a t + 纸) ，其中 k 、分别为电流和电压信号的幅值系数；仍、够，分别为电流和电压信号的相位 角；t o 为电网频率。 其中电流f ( f ) 和电压“( f ) 可展丌为 f ( f ) = o os i n ( c o t ) + 口c o s ( o t ) ( 2 2 ) “( f ) = c os i n ( c o t ) + c lc o s ( o t ) ( 2 3 ) 式中，d o = l ，c o s ( o f ) ，d i = ，。s i n ( 仍) ，c o = c o s ( 够，) ，c l = u 。s i i a ( t p , ，) 。 结合式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可得 硕l ：学位论文 铭= t a n 叫( d i d o ) ( 2 4 ) 纸= t a n 叫( c i c o ) ( 2 5 ) 在对信号砸) 和”( f ) 采样并用合适的算法求得d o ，d ，c 口，c ，后，即可由上 式算出妒= 仍一纸，进而得到介质损耗角6 。 假设以采样率五从某一时刻丌始对f ( f ) 和“( f ) 采样，分别得到肘对采样值f ( 0 ) 和“( f j ) ，其中t j 为不同的采样时刻，j = o ，l ，肛1 。 采用最小二乘法来求取d d ，d ，c l = ，c ，即拟合信号与实际信号的总体误差 平方和达到最小。令误差平方和为 m i x = d os i n ( c o t j ) + d , c o s ( r o t j ) - i ( t j ) 2 ( 2 6 ) j = o m i y = c os i n ( r o t s ) + c ic o s ( r ) 一u q j ) 2 ( 2 7 ) j = o 为使其最小，则下式成立 坚：0 ，坚：0 ，翌：0 ，翌：0 ( 2 8 ) 蛾0 1 9 1o c oo c , 、。 由以上公式可得如下线性方程组 a t a d = a t g a t a c = a t f 式中， a = s i n r o t o s i n c o t i s i n ( o r m l c o s c o t o c o s c o s t m - 、 ，g = i ( t o ) i ( t i ) i ( t ，一i ) ，f = u ( t o ) u ( t i ) u ( t ，一i ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) 肚阱c 一网 亿 解上述线性方程组，即可求出d d ，d ，c o ，c ，及仍，纯从而得到万= ( z r 2 ) - ( 仍一纸) 。 正弦波参数法应用了三角函数正交性，但由于正交性仅在石和满足整数倍 关系时才成立。因此，应用正弦波参数法时，需要相应的硬件同步采样卡。此外， 正弦波参数法会因电力系统谐波的影响产生较大的误差。 2 2 3 相关分析法 所谓相关实质上是指取值有某种明显的规律性，即在时间轴上任意时间间隔 为f 的两个时刻的取值：x ( f 1 ) 与x ( t l + r ) 、x ( t 2 ) 与x ( t 2 + r ) 、x ( t 3 ) 与x ( t s + r ) 、x ( 锄) 与x ( t ，+ f ) 均大于或均小于平均值。这些值均有相同符号，两者均大于平均值m 或两者均小于平均值m ，两两相乘总为正，总和相加再平均所得几( r ) 数值就大， 移相 u 容器绝缘n ：线临测系统研究 故相关性好。反之，若问隔j r 的两个时刻的取值x ( h ) 与x ( t i + f ) 没有明显的规律 性，即符号有时相同，有时相反，则两两相乘有时为正有时为负，总和相加相互 抵消后再平均所得凡( r ) 的数值就小，故相关性不好。当f 专0 时才呈现相关性的 信号x ( t ) ，就是一个完全无规则的不相关的随机信号。 信号x ( f ) 的自相关函数定义式如下 足( f ) = e x ( t ) x ( t + r ) = l i m 【x ( t ) x ( t + r ) d t ( 2 1 3 ) 它描述一个随机过程在相隔了的两个不同时刻取值的相关程度。 两个信号x ( f ) ，少( f ) 的互相关函数r 砂( f ) 的定义式如下 k ( f ) = e x ( t ) y ( t + f ) 】_ 1 i m 【x ( t ) y ( t + r ) d t ( 2 1 4 ) f ， 它描述了两个不同的随机过程在相隔为f 的两个不同时刻取值的相关程度。 设消噪后的电压、电流信号为5 0 h z 的有用信号，而其它高次谐波或噪声分 量极小甚至于为0 ，即有 u ( f ) = a s i n ( 2 万f i + 乡) ( 2 1 5 ) ，l ( f ) = b s i n ( 2 n f i + 0 + 艿) ( 2 1 6 ) 式中，f = 5 0 h z ，为系统频率；0 为测量频率与实际系统频率的差值；每为两信号的 相位差即介损角，( f ) ，i i ( t ) 分别为基波电压和基波电流信号，a 和曰分别是电 流和电压信号的幅值系数。 设k 为信号整数倍周期内的采样点数。则u t ( t ) 与1 1 ( 0 的互相关函数r c ，加) 当 r = o 时的离散计算式为【5 2 】 砒o ) _ 昙篓啪m = 等c o s 万 ( 2 1 7 ) r = o 时，u l ( t ) 的自相关函数r v ( r ) 的离散计算式为 r u 阶0 昙薹= 等 亿 同样对于，( f ) 有 新0 ，= 妻静班譬 亿 从而可得到介质损耗因数及损耗角 t a n 万= ( 2 2 0 ) 硕 j 学位论文 万：a r c c o s 坠 灸，( o ) 爻，( o ) ( 2 2 1 ) 相关函数法只要求整周期采样，未具体要求采样点数。如果采用相关函数法， 可以减少采样点数的约束，简化硬件的设计，但需预先进行滤波消噪处理。 2 2 4 谐波分析法 谐波分析法的测量原理是：先取得通过标准信号通道和待测信号通道的电流 信号，转换为电压信号，利用波形采集装置将此时域波形同步地转换为数字化离 散信号，最后利用计算机将两个离散数字波形信号经过离散傅立叶变换或快速傅 立叶变换( f f t ) ，得到两个信号的基波相位差，从而求取被测试品的t a n 6 。 图2 4 谐波分析法原理图 如图2 4 所示，由于运行电压相位精确测量比较困难，采用了标准电容器c n ， 通过测量其上的标准电流瓜达到测量【，的目的( 1 n 较u 相位超自i 9 0 0 ) ；c x 和r x 为绝缘油电极等效的等效电容与电阻并联，奴为流经待测试品的电流信号，氐为 流经标准电容器的电流信号【5 3 1 。 对于满足狄罩赫利条件的奴和氐，可以按照傅立叶级数分解 生 i x = i x o + i k x s i n ( k c o t + a ) ( 2 2 2 ) k = l 旦 i ，= i o + i 圳s i n ( k c o t + a t ) ( 2 2 3 ) k = l 式中，l x o 是待测信号电流的直流分量，瓜。是标准电流的直流分量，如是待测电 流的各次谐波幅值，厶是标准电流的各次谐波幅值，a 女是待测电流的各次谐波相 角，风是标准电流的各次谐波相角，k = - i ，2 ，3 ，+ 。 式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 可以分别表示为 ，x = ，_ 】r 。+ ( k c o s t z i ) s i n k c o t + ( i 从s i n a ) 。c o s k r o t ( 2 2 4 ) 七= i 移相f 乜容t 器绝缘确：线聃在测系统研究 l = “。+ 【( k c o s p ) s i n k c o t + ( i k n s i n p k ) c o s k c o t ( 2 2 5 ) 七= l 将式( 2 2 4 ) 两边同时乘以c o s k o g t ，取一周期内定积分，可得 r i x c 。s k m t d t = r i x o c o s k c o f d t + r c 。s q s i n 国t c o s 七国f d t + j c r c o s 口i c o s f c o s k m t 巩 + r 厶c o s 口z - s i n 2 r o t c 。s k o g t d t + r 1 2 x c o s 口2 c o s 2 c o t c 。s k c o t d t + + 曼i - c o s 仅k s i n k t c o sk t d t + 要i c o s 0 c k c o s k t c o s k c o t - d t + 根据三角函数的正交性定理，可以得到下列定积分成立 r s i n 删出= 。，r c 。s 袱出= o ，r ( s ；n 撇) 2 出= 三，r ( c 。s 删) 2 出= ；， ( 2 2 6 ) r s i n ，珊c 。s 珊出= o ，r s i n 嬲s 1 n 艇出= 0 ，矿c o s ，珊c 。s 胍出= o ，( 聊，z ) 则可以将式( 2 2 6 ) 简化为 所以 蔓ixc 。s 后国f 砒= r s i n c o s 2 后国f 折= 三k s i n ( 2 2 7 ) i 蜞姐no f k = 五t 要i x c 0 s 融d t 类似，将式子( 2 2 4 ) 两边同乘以s i n k o g t ，取一周期内定积分，可得 k c o s = 三“s i n 拗巩 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 令k = l ，用式子( 2 2 7 ) 除以式子( 2 2 8 ) ，可以得到待测信号基波相角 t a n 铲甓 同理，可以求得标准信号基波相角 本离 1 2 - ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 硕i j 学位论文 所以，介质损耗角正切值t a n g t a n g = t a n ( e q ) ( 2 3 2 ) 因此，对标准电流信号氐和待测电流信号，x ，进行离散数字化处理后，按式 ( 2 2 8 ) 式( 2 3 1 ) 便可求得绝缘油的介质损耗因数。 谐波分析法的主要特点是基于傅立叶变换，对被测电流和标准电流信号进行 分析，可运用f f t 运算求出电流各次谐波的相角，取基波的相角差用于计算t a n g ， 使结果不受高次谐波的影响。而且，根据三角函数的正交特性，凡和奴的直流信 号瓜。和，x o 不影响o 【i 、l 的值，也就是说谐波测量法不受电路零漂的影响，从而 能提高测量的稳定度和精度。由于系统主要以软件分析为主，所以能降低成本。 根据数字频谱分析的理论，要实现信号频谱的准确分析，必须要能够按照信 号周期的整数倍长度进行信号采样【5 4 1 ，否则会因为栅栏效应和泄漏现象，使计算 的频谱，尤其是相位有较大的误差，并影响最终的介损测量准确度。但是实际上 在运行现场，电源频率常有波动，整周期采样的条件很难满足，而由此产生的误 差就有可能超出要求，因此，电网频率波动是影响谐波分析法介损测量准确度的 重要因素。 2 3影响介损测量准确性的因素 介损测量属于典型的高电压、微电流、小角度精密测量应用，监测现场电磁 环境复杂，影响因素众多，而且各影响因素之间有着错综复杂的关系。因此，为 提高介损测量准确性，首先需要抑制干扰、提高信噪比；其次，要探索对电气设 备绝缘老化机理进行深入研究，分析各个影响因素的作用规律。 影响设备绝缘介损t a n g 测量准确性的因素较多，其中最主要的是：t v 角差、 a d 转换精度、电网频率波动、电力系统谐波、环境温度和湿度。 2 3 1t v 角差影响 在在线监测系统中，一般由母线t v 二次测量端子抽取电压作为标准比较信 号，但是由于t v 低压侧和高压侧之问本身存在着一个相角误差，此误差会随运 行电压和二次侧负载的变化而发生改变，其相位波动范围有可能超过被测设备介 质损耗角的大小，使低压侧获取的电压信号不能真实反映高压侧相位，导致较大 的测量偏差。 t v 相角误差分为高低压侧固有角差和二次负载误差两部分。一般来说前者 是固定不变的，可以通过修正消除，而后者会随着二次负载的变化而变化，导致 电压互感器相角差随着运行电压、频率以