（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的数字式介质损耗测量仪的研究与设计.pdf

硕十学位论文 摘要 随着电力事业的迅速发展，对电力系统运行可靠性要求将越来越高，电气设 备绝缘检测技术的发展更加得到重视。高压电力设备介质损耗角正切t a n6 的检 测是保证电力系统安全运行，及时发现事故隐患，提高供电可靠性的重要技术手 段。因此，研究介质损耗角的正切t a n6 的检测技术具有十分重要的意义。 本文在分析了传统介质损耗测量方法和现代介质损耗测量方法的基础上，针 对介质损耗测量中强电场干扰问题和高次谐波对测量结果的影响，采用变频测量 方案，避开工频干扰，同时采用数字滤波技术，设计梳状数字滤波器，有效的滤 除了谐波干扰。采用基波相位分离法，提取基波信号，实现了介质损耗角的正切 t a n6 的测量。 论文采用m a t l a b 对设计的梳状数字滤波器进行了仿真，结果表明了滤波器的 有效性，推导出滤波器的差分方程，用于程序设计。在此基础上，基于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 设计了一个数字式介质损耗测量仪，设计中采用锁相环倍频电路和 双路a d 转换器实现荫路信号的同步采样；采用红外数据通讯的方法，实现了反 接法测量时的信号高压隔离传输：设计了自动增益控制电路，实现了宽量程测量。 关键词：介质损耗；变频测量；梳状滤波器；d s p ；谐波干扰 基于d s p 的数字式介质损耗测量仪的研究与设计 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t0 fe l e c t r i cp o w e re n t e r pr i s e ，t h ed e m a n do t h e r e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sf u r t h e rm o r e ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fi n s u l a t i o n m o n i t o r i n gt e c h n i q u eh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n t h ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o rt a d m e a s u r e m e n to fh i g hv o l t a g ep o w e ra p p a f a t u si sv e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e et h e s a f e t y o fp o w e fs y s t e mr u n n i n g ，f i n di n s u l a t i o nf a u l t si nt i m ea n di n c f e a s et h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h et a n dm e a s u r e m e n to fh i g h v o l t a g ee q u i p m e n th a si m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n g o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fc o n v e n t i o n a la n ds o m em o d e r n d i e i e c t f i cl o s sm e a s u r e m e n tm e t h o d si nt h i sp a p e r ，a i ma tt h ei m p a c to ft h ed i e l e c t r i c l o s sm e a s u r e m e n tr e s u l tb e c a u s eo ft h ei n t e r f c r e n c eo ft h ee l e c t r j cf i e l da n dh i g h h a r m o i c ，u s i n gt h em e t h o d0 ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，t 0 a v o i dt h em a i nf r e q u e c y i n t e r f e r e n c e ；a tt h es a m et i m e ，a d o p td i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g y ，d e s i g nd i g i t a lc o m b n o t c hf i l t e r ，t h e n ，t h eh a r m o n i ca n dd ci n t e r f c r e n c ei st ob ee l i m i n a t e de f f c c t i v e l y u s et h ef u n d a m e n t a lw a v e sp h a s ed e t a c h m e n tm e t h o d ，e x t r a c tt h ef u n d a m e n t a l s i g n a l s ，c a r r yo u tt h ed i e l e c t r i cl o s st a n dm e a s u r e m e n t i nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c to fc o m bn o t c hf i l t e ri sv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o nb y m a t l a b ，d i f f c r e n c ee q u a t i o no ft h ec o m bn o t c hf i l t e ri s t ob ed e d u c e d t h u s ，i tc a nb e d i r e c t l ya p p l i e dt op r o g r a md e s i g n o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rg i v e sab l o c kd i a g r a mo f t h eo v e r a l ls y s t e m ，a n dd e s i g n sad i g i t a ld e v i c eo fd i e l e c t r i cl o s sm e a s u r e m e n tb a s e d o nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；d e s i g n sap l lf r e q u e n c yc i r c u i ta n ds e i e c t ead u a la d c o n v e r t er s oa st oa c h i e v i n gt w o w a ys i g n a l si nt h es y n c h f o n o u ss a m p l i n g ；a d o p t s t h em e t h o do fi n f r a r e dd a t ac o m m u i c a t i o nt 0r e a l i z et h es i g n a lh i g h - v o l t a g ei s o l a t i o n t r a n s m i s s i o ni nr e v e r s em e a s u r e m e n t ；d e s i g n st h ea u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i tt o a c h i e v ew i d e - r a n g em e a s u r e m e n t s k e yw o r d s ： 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 ； c o m bn o t c h f i l t e r ；d s p ；h a r m o n i ci n t e r f e f e n c e ； 硕十学位论文 插图索引 图2 1 介质损耗机理5 图2 2 介质损耗的等效电路及向量图6 图2 3 西林电桥原理接线图8 图2 4 过零鉴相法原理图1 0 图2 5 正接法测量电路1 1 图2 6 反接法测量电路1 2 图2 7 向量图1 2 图2 8 电流信号向量图1 4 图3 1 高压变频逆变电源框图1 6 图3 2 理想陷波器特性1 8 图3 3 陷波器串联系统框图2 0 图3 4 滤除4 5 h z 信号中的3 次谐波干扰信号的数字滤波器仿真结果一2 1 图3 5 滤除4 5 h z 信号中的直流分量干扰信号的数字滤波器仿真结果2 1 图3 6 滤除4 5 h z 信号中的5 次谐波干扰信号的数字滤波器仿真结果。2 2 图3 7 滤除4 5 h z 信号中的7 次谐波干扰信号的数字滤波器仿真结果2 2 图3 8 梳状滤波器滤波效果仿真2 3 图3 9 数字梳状滤波器的频率响应设计仿真2 3 图3 1 0r = o 8 0 0 时的滤波效果仿真2 4 图3 1 1r = 0 9 0 0 时的滤波效果仿真2 4 图3 。1 2 ，一o 。9 9 0 时的滤波效果仿真，2 4 图3 1 3 ，：o 9 9 8 时的滤波效果仿真2 5 图3 1 4r = o 9 9 9 5 时的滤波效果仿真2 5 图4 1 介质损耗测量系统的总体设计框图2 6 图4 2 大动态范围信号的自动采集电路设计2 9 图4 3 二阶巴特沃斯低通滤波器电路设计3 0 图4 4 光纤隔离传输系统的结构原理图3 3 图4 5 光发射电路图一3 3 图4 6 光接收电路图3 4 图4 7 锁相环路方框图3 5 图4 ，8 等效鉴相器3 6 图4 9v c o 的控制特性曲线3 7 图4 1 0 锁相环倍频原理图3 8 基丁d s p 的数字式介质损耗测量仪的研究与设计 图4 1 1 锁相电路输入信号的前端处理电路3 9 图4 1 2 锁相倍频电路4 0 图4 1 3 红外通信电路4 2 图4 1 4 系统主程序流程图4 5 图4 1 5 大范围动态信号的自动采集程序流程图4 6 图4 1 6a d 转换流程图4 7 图4 1 7 计算t a t l 6 流程图4 7 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：罕、兴久 日期：f 吁年月，。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、使用学位论文的规定，即：学校 有权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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：馊文 新虢亿响 日期：渺脾 日期：冽辟 石月，o 日 只f d 日 硕十学位论文 第1 章绪论 随着电力事业的发展，高压电网特别是超高压电网日趋完善。越来越多的高 压电气设备在电力系统中得到应用，这些高压设备的运行状况影响到电力系统的 正常运作。为了监测并监督其绝缘状况， 必要的“3 ，国家相关的规程也作了要求。 对于这些设备现场进行绝缘试验是很有 电力部颁发的电气设备预防性试验规 程就规定要对这些设备进行预防性维修。预防性维修就是通过对电气设备进行 定期的停电预防性试验，根据试验结果决定电气设备在下一次投运前是否需要进 行必要的维修。掌握高电压设备的绝缘状态，介质损耗是重要参数，它能宏观地 评价绝缘的基本状态，所以电力设备的介质损耗测试是非常必要的。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始普遍采用介质损耗来监测电力设备的绝缘状 况，在防止因绝缘问题而导致电力事故方面取得了显著效果。为了能及时发现、 诊断高压电力设备的绝缘故障，保证电力设备安全运行，必须对表征绝缘材料的 绝缘性能的物理参数一一介质损耗进行检测。对高压电力设备的绝缘介质损耗进 行测量已经是电力设备预防性实验规程中的常规实验项目之”1 1 。 1 1 课题的研究意义 现代社会对电力的依赖性极高，安全、可靠、优质地供电是对现代电力系统 运行提出的基本要求。电网事故和大面积停电造成的经济损失无法估量，“八五” 期间，我国电网中由于设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的2 6 3 ， 因此，提高电力设备运行的可靠性是保证电力系统运行的关键口“”。对于高压电 力设备而言，设备运行的可靠性在很大程度上取决于设备绝缘状态的好坏。电力 设备在运行过程中，其介质不可避免地承受热、电、化学、机械等多种因素的作 用1 ，设备绝缘不可避免地发生劣化，严重时可能导致绝缘功能的丧失，从而引 发设备故障。在对1 1 0 k v 及以上电力设备的9 3 次事故分析原因进行分析时发现， 其中由于匝问绝缘、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 和1 5 ；而因铁芯、分按开关等造成的非绝缘事故仅占2 0 以下“”。 大量资料表明导致一些设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。例如我国 1 9 8 4 至1 9 8 6 年间l l o k v 及以上等级电力变压器事故统计分析表明，由于绝缘劣化引 起事故台次占事故总台次的6 8 和总事故容量的7 4 ；而在1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 ；1 9 8 0 年电力部对3 6 台故障电流互感器进行分析，绝缘事故占9 2 ；1 9 9 0 年 全国1 1 0 k v 及以上等级互感器中绝缘故障占总事故台次的5 5 。湖北省对1 9 8 7 年前 发生故障的2 2 台电压互感器、4 5 台电流互感器和4 5 只套管的统计表明，绝缘故障 基于d s p 的数宁式介质损耗测量仪的研究与设计 占总事故台次的比例分别为8 6 ，6 9 和6 4 “钉“。国外的统计结果也类似，例如 美国某地区4 8 k v 配电系统对1 9 8 0 1 9 8 9 年问失效电容器的统计分析指出其中9 2 是因为绝缘劣化引起失效。这些小型设备虽然自身价值并不高，但是故障后果严 重，例如互感器、电容器、避雷器等常会因绝缘故障发生爆炸和起火，其爆炸的 瓷片还会打坏相邻的其他的设备，甚至会造成人员伤亡，造成的损失和影响都很 大。 为了防止乃至杜绝绝缘事故，一方面，要求制造商使用优质绝缘材料，改善 绝缘结构、改进制造工艺；另一方面，在设备运行中通过必要的检测手段来评估 设备绝缘状态、及早且有效地发现绝缘缺陷，将会对减少事故的发生、提高设备 的运行可靠性具有重要的意义。 测量介质损耗角正切t a n6 是电力绝缘试验的一项灵敏度很高的试验项目，它 可以发现电气设备绝缘整体受潮、劣化变质以及小体积被试设备贯通或未贯通的 局部缺陷，故介质损耗测量在电工制造及电气设备的交接和预防性试验中得到广 泛的应用，是一项不可缺少的试验项目。目前，在绝缘检测中应用最多的是常规 的预防性试验，长期以来电力系统都是通过定期进行常规预防性试验的方法对设 备的绝缘状态进行检测，该方法包括电气设备的出厂试验、安装交接试验、定期 维修试验等，对保证电力设备的安全、稳定运行以及减少和防止事故的发生起到 了很好的作用。传统的绝缘预防性试验通常是完全由试验人员人工操作的，自动 化水平低、工作量大，试验结果也很容易受人为因素的影响，真实性较差。 t a n6 的测量具有较高的灵敏度，在一些电气试验中往往更具优越性。例如某 变压器的套管，正常的t a n6 为0 5 ，当其受潮后测得的t a n6 值为3 5 ，有7 倍的变化；而用测量绝缘电阻和耐压的方法进行检测，则受潮前后的测量值相差 不大，无法准确地发现套管的受潮情况“”。再例如对绝缘油，一般耐压试验中， 好油的击穿场强可达2 5 0 k v c m ，而坏油可低于2 5 k v c m ，好油和坏油的击穿场强在 数值上的比值为1 0 ：l ；但测量t a n6 时，好油的t a n 6 一o 0 0 0 1 ，坏油的t a i l 6 一o 1 ， 两者的数值之比为l ：1 0 0 0 ，其灵敏度比耐压试验提高了l o o 倍“。 随着电子、计算机技术的发展，加之对现场t a n6 测量装置小型化、高效化和 智能化的要求日益增高，涌现了一些新型的自动测量仪，它们与微型计算机相结 合，采用现代信号变换处理技术，有着传统测量技术无可比拟的优势。这些自动 测量设备相对传统仪器虽有了不少进展且各具特色，但仍都存在着不足，特别是 在现场测量时，它们大多有一个共同的局限性：就是抗外界电网工频强电场对测 量回路的“同频干扰”能力较差，而现场干扰主要是工频干扰和谐波干扰，目前， 较好的方法就是用变频测量法，即测量时用不同于5 0 h z 的电源作为试验电源，使 5 0 h z 信号成为异频干扰信号然后设法加以滤除，再滤除谐波干扰便可有效提高测 量结果的准确性，这就是本文提出的数字式介质损耗测量仪设计的直接原因。 2 硕十学何论文 因此，高精度、高可靠性、高抗干扰性的介损自动测量仪一直是国内外各厂 家致力开发的产品，但因技术难度大，国内投产的产品虽然不少，但是普遍还存 在一些问题。部分国外产品虽然相对来说较为成熟，但往往测量仪器价格昂贵， 不适合我国国情。所以，本课题的选择，对国内的介质损耗测量及测量技术的研 究，不论在实践经验和理论上，都有重要的意义。 1 2 介质损耗测量仪的研究现状 国外对设备绝缘监测技术的研究大致始于上世纪6 0 年代，经过几十年的发 展，已有商品化的产品投入运行。例如前苏联发展了电容型设备绝缘监测系统； 澳大利亚高压测试研究所也开发了儿0 k v 变电站设备监测系统，主要测试电容型 设备的介质损耗、等值电容和电流幅值等参数；美国、加拿大等国家的一些公司 也开发出了同类装置。根据监测结果，已制定了某些设备的状态维修策略。 随着研究的近一步深入，绝缘检测技术己发展到了一个新的水平。目前，设 备的介质损耗因数检测方法基本上采用数字化的测量方法，所不同的是如何获取 数字化的测量信号以及采用何种信号处理方法。由于介质损耗角t a n6 就是流经 试品的电流和运行电压的向量之间夹角的余角，如果能测量或计算出电流信号和 电压信号之间的相位差，也就得到设备的介质损耗角正切。 国外目前对设备介质损耗因数检测技术的研究主要集中在对检测方法的改 善上“。如澳大利亚研制的用于电流互感器及变压器套管介质损耗角检测装置， 是利用脉冲计数法进行测试的。该装置采用了高速计数器对被测信号与标准正弦 信号之间的相位进行测量，并实时显示数字化测量结果，己得到实际应用；南非 的研究人员采用比较的方法，以介质损耗角很小的高压电容器上的电压作为标准 电压，将被试品上的电流转换成电压后与此“标准”电压信号进行相位比较，从 而得出电气设备的介质损耗因数。他们研制的这套系统也己被用于测试套管和电 流互感器的介质损耗因数相对值。德国、瑞士、奥地利等国在此方面取得了一些 成功，特别是奥地利保尔公司推出了单独的油介损自动测试系统，但其价格却很 昂贵。 目前国内使用的介质损耗测量仪主要有两类“”：传统的电桥测量仪和处于发 展阶段的自动测量仪。传统的电桥测量仪以q s l 型西林电桥为代表，也采用m 型 不平衡电桥和高压流比器电桥。传统的手动调节西林电桥或感应式电流比较仪， 其电桥的调节过程复杂，随机因素难以控制，未经过一定训练的操作人员难以胜 任；而且在现场强干扰情况下，有时用西林电桥测不出t a n6 。因此，能准确自 动地测量介质损耗的装置深受市场欢迎，在国内，各种自动测量设备正处于使用 和研制并举的阶段。至今许多单位，如西安交大、清华大学、重庆大学、华北电 力大学、哈尔滨理工大学、武汉大学、电力部电科院等3 0 多家单位，还在从事 基于d s p 的数字式介质损耗测贯仪的研究与设计 这方面的研究。福建凯特公司，山东泛华公司，河北金迪公司等研发单位对绝缘 油介损自动测试系统进行大量的研究并推出了各自的产品，但这些产品在实际应 用之中都遇到了很多问题，主要表现在可靠性不高，测试数据有些异常等，限制 了这些自动测试系统的推广应用。目前自动测量装置存在以下问题：( 1 ) t a n6 测 量结果不够准确，稳定性、重复性较差，测量误差较大；( 2 ) 信号采集部分经常 发生故障；( 3 ) 抗干扰能力差，抗温度湿度变化能力差；( 4 ) 数据传输与处理部 分故障，造成数据丢失。因此从系统的角度来看，还有很多实际的问题有待解决。 这也是在国内自动测量仪器不断发展优化的原因。 1 3 本文研究的主要内容 本课题的任务是以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为核心实现介质损耗一体化变频测量系 统，其工作原理为：控制变频电源的输出频率和幅值，使之偏离工频频率，然后 将试验电源加在试品上，从测量回路的采样电阻中采样电流的离散值，利用数字 梳状滤波器对采样序列选频滤波去除谐波干扰，再用基波相位分离法求出电流基 波的幅值和相位用以计算t a n6 和试品电容c x ，最后将非工频下的测量值还原成 工频测量值。 主要完成的工作有： 1 对各种介质损耗测量方法进行分析，并在此基础上针对抗工频强电场干扰 的问题运用了变频测量法； 2 设计出梳状数字滤波器滤除在介质损耗测量中的谐波干扰； 3 由于被测试品的介质损耗差异很大，使得测量时不同试品情况下采样电流 信号变化较大( 一般从肌级到m a 级) ，在这样的大动态范围情况下如何获得高 精度测量结果是本课题要研究的内容之一； 4 在被测试品己接地用反接法测量时为了解决高压隔离问题，同时为了减小 现场电磁场对传输信号的干扰，必须设计合理的低失真高压隔离信号传输电路； 5 解决在电源频率变化或波动情况下，设计锁相环电路，使采样频率始终保 持电源频率的1 0 0 0 倍，在一个信号周期内对信号采样1 0 0 0 点； 6 完成以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为核心的智能化数字式介质损耗测试仪的硬件、 软件的设计、调试。 4 硕士学位论文 第2 章介质损耗的测量原理 2 1 介质损耗的基本原理 2 1 1 介质损耗机理 研究电力绝缘材料( 物质) 在电场作用下发生物理现象时，常把绝缘材料称 之为电介质，电介质的损耗分为三部分“”1 ：漏导引起的损耗，电介质极化引起 的损耗，局部放电引起的损耗。表征电力绝缘材料试品电介质损耗的模型如图2 1 所示。 图2 1 介质损耗机理 1 漏导引起的损耗w g 实际的电介质试品总是存在一定的电导，在电场的作用下就会产生泄漏电流 贯穿电介质，引起热能量损耗。这种热能量损耗在直流和交流电压作用下都存在， 漏导损耗可用电阻上的损耗表征，如图2 1 中用r g 表示，r g 由试品内部体积电 阻r v 和试品表面电阻r s 并联组成。通常r v 很大，而r s 与试品的外形结构和 环境有关。 2 电介质极化引起的损耗w p 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，这就需要克服质点间的相互作用力而造成 能量损耗。这种介质极化引起的损耗w p 一般比漏导损耗w g 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。介质极化可用电容c t 和串联阻容 支路r i 、c i 的并联电路等效。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，r i 和c l 表示与介质松弛极化相关的参数。介质极化的强弱决定于 物质的结构和分子的运动形式。按其形成的机理可以分为以下几类： ( 1 ) 电子位移极化：电介质原子的电子云在外电场的作用下产生了相对于原 子核的位移，使原子的正负电荷中心不重合，形成了感应偶极矩，这是一种位移 极化，因其形成时间极短，故又称为瞬时极化。 5 基丁d s p 的数字式介质损耗测晕仪的研究与设计 ( 2 ) 离子位移极化：在交变外电场的作用下，离子晶体中的离子产生偏离平 衡位置的位移，这也是一种位移极化，其形成时间极短，也是一种瞬时极化。 ( 3 ) 偶极子转向极化( 松弛极化) ：具有固有偶极矩的极性分子，在交变电场 的作用下，极性分子趋向于电场方向呈有序的排列，使介质整体整体上偶极矩的 和不为零，电介质呈现极化状态，称之为偶极子的转向极化。由于偶极子沿电场 方向的转动受到周围偶极子分子的阻碍作用，因此极化时间较长，损耗也较大。 当外电场去掉时，介质中的偶极子整体上恢复为无序状态也需要较长时间。这种 现象称之为介质松弛，又称松弛极化。 ( 4 ) 空间电荷极化( 夹层极化) ：当绝缘介质试品由组合材料构成时，介质中 的少数能自由运动的带电质子( 离子或电子) ，在电场的作用下运动到组合材料 的分界面上而不能及时的放电或复合，因此这一区域就形成了一个极化电荷区， 称之为空间电荷极化或夹层极化。 3 局部放电引起的损耗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 表面发生局部放电，产生附加损耗。图2 1 中用c 。和c b 表示介质局部放电相关 的电容参数。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，电介质材料在正常工作时应避免局 部放电”。 2 1 2 介质损耗角正切值t a n6 在交流电压作用下，讨论电介质的极化损耗理论，引入介质损耗的概念，并 常用介质损耗角正切值t a n6 表示。t a n6 是指流过电介质的电流的有功分量和无 功分量的比值，或者说是电介质上电压和电流之间夹角的余角的正切值。不失一 般性，可将电介质试品看作是一个充满介质的电容器，电介质的等效电路可用电 阻和电容的串联或并联来表示，图2 1 为并、 值回路在表示电介质能量损耗方面是等效的。 叠j 并联肄茕电碍 串联等效回路和向量图。这两种等 ， 啦联等效电璐 图2 2 介质损耗的等效电路及向量图 从并联等效电路上可以得到： t a n6 ，堕，上( 2 1 ) u c p r cp 6 硕士学位论文 从串联等效电路上也可以得到： t a 们。志一c ， c z z ， 由向量图可以得出介质中流过的总电流i ： 在并联电路中：，：阮c 名s 6 ( 2 3 ) 在串联电路中：j = u c 。c o s6 ( 2 4 ) 可得b u 2 以，诅n 6 ，由于一般t a n6 值很小，故可以认为c 。一c ，一c 。计算 介质损耗功率p 。 在并联等效电路中有： 只= u 二= u 2 钌t a n d ( 2 5 ) r 在串联电路中有： 只昌，2 ，皇【，2 以。t a n d c o s 2 d u 2 。t a n d ( 2 6 ) 由以上分析可知，这两种等值电路可以用一个共同的表达式来表示，即： 只= u2 m c 。t a n 6 ，在u 、一定，同时同种材料下电容值也一定的情况下，介 质损耗功率p 与t a n6 成正比。故对于同类试品，绝缘的优劣可直接以t a n6 代替 p 来判断。由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可看出t a n6 只与材料特性有关，而与材料的结构、 形状、几何尺寸等无关，它是一种衡量绝缘介质优劣的好方法。所以，在工程上 选用介质损耗角的正切t a n6 的值来判断介质的品质，表征电介质的损耗大小。 通过测量介质损耗角的正切值可以反映出一系列的绝缘缺陷，如绝缘受潮、 劣质变化或气隙放电等。测量电介质的t a n6 值，便于定量分析绝缘材料的损耗 特性，有利于绝缘材料的分析研究和结构设计。材料的t a n6 大，说明电介质工 作时损耗大、易发热和易老化。例如，胶纸电容式套管的机械强度高，下部尺寸 可以做的很短，但往往由于胶的质量不够理想，而使t a n6 较大，因而难以使用 在超高压系统中。蓖麻油可以用于直流或脉冲电容器中，但因其t a n6 很大，而 不能用于交流电容器中。用于冲击测量的连接电缆，要求其t a n6 必须很小，否 则，当冲击波在电缆中传播时，波形将发生严重畸变而影响测量精度。 但对于集中性的缺陷，如果其所占的体积小，那么集中性缺陷处的介质损耗 占绝缘全部介质损耗的比重就小，此时t 柚6 法效果就差。因此，对套管或互感器 的绝缘介质损耗因数试验是必不可少的，而对电机电缆等设备就没有这个必要了。 通过t a n6 值判断绝缘状况时，同时必须着重于与该设备历年的t a l l 6 值相比较以 及和同样运行条件下的其它设备相比较。即使t a i l d 未超过标准值，但和过去以及 和同样运行条件下的其它设备相比，t 姐d 值突然明显增大时，就必须进行处理。 虽然电力绝缘设备或试品在制造厂或实验室的t a l l 6 测量已经具有足够高的 精度，但电气设备在交接或定期预防性试验时必须在现场对其绝缘部分进行t a l l d 7 基于d s p 的数字式介质损耗测帚仪的研究与设计 测量。因为t a n6 测量的精度要求很高，有效克服电磁场干扰就成为现场t a n6 测 量的主要难点。而且，随着电子技术的进步，对现场t a n6 测量的小型化、高效 率和智能化的要求将会越来越迫切。因此，现代介损测量装置应该是一个以单片 机控制为核心、功率转换和测量的高效小型化集成系统。研究运用现代数值分析 方法进行干扰环境下的介质损耗测量就要面对涉及多学科知识应用的难点，而这 特点已成为目前研究介损测量的发展方向。 2 2 介质损耗的测量方法 目前，现场介质损耗测量中，常用的测试方法主要是传统电桥测量法和现代 介质损耗测量法。前者以q s l 型西林电桥为主要代表，后者则由于采用不同的信 号变换处理技术而呈现出多种多样性。 2 2 1 传统电桥测量法 电桥法是测量t a n6 最早的方法，也是最广泛的方法之一。电桥法采用交流 电桥差值比较原理，利用电桥平衡条件来测算出被试品的电容值c ；及t a n6 值。 比较桥臂阻抗即可求得被测参数。传统电桥测量法在我国电气试验中应用较普遍， 最为常用的测量仪器是q s l 型西林电桥，另外还有m 型试验器和感应式电流比 例器电桥，这里主要介绍西林电桥。 1 q s l 型西林电桥法。“：q s l 型西林电桥基本原理和其他西林电桥相同，其 原理接线如图2 3 所示。图中c x 、r x 为被测试品的电容和电阻；r 3 为无感可调 电阻；c n 为高压标准电容器；c 4 为可调电容器；r 4 为无感固定电阻；p 为交流检 流计。通过调节r 3 和c 4 使电桥平衡，检流计p 内无电流通过，说明a 、b 两点 间无电位差。因此吒与吒以及与吒必然大小相等，相位相同。即： r ir i = # 生：娑 ( 27 ) u a du b d c 图2 3 西林电桥原理接线图 在桥臂c a 和a d 中流过相同的电流i x ，在桥臂c b 和b d 中流过相同的电流 i 。，所以各桥臂电压之比应等于桥臂阻抗之比，即： 硕十学位论文 互。h ( 2 8 ) z 3 z 4 或z x z = z n z 3 ( 2 9 ) 自目2 3 砜心5 万矗一。志心咄_ 方面埔以 上各式代入式( 2 9 ) 并使等式两边虚部、实部分别相等则可得到： q ；再杀万鲁c ( 2 1 0 ) t a n d 一崛r ， 因为t a n 26 与1 相比甚小，故可以略去而得： q 。惫c ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) q s l 型西林电桥的平衡是通过调节r 3 和c 4 ，从而分别改变桥臂电压的大小 和相位来实现的。电桥法其优点为准确度相对较高，但在试验电源有较大的谐波 干扰或外界强电场干扰时，电桥常常无法平衡，读数误差较大，因而多在实验室 等干扰较小的场所使用，对于操作者要求较高。为此，曾提出不少解决方法，如 屏蔽法、电源倒相法、三倍频试验电源法、分级加压法、替代法、反干扰源法、 移相法、干扰电源法等。这些方法现场使用各有其缺陷，不尽适用。如在现场测 试的实际应用中，q s l 电桥一般采用电源倒相法。当现场干扰信号较大时，再配 上电源移相器，但其测试程序复杂，自动化水平低，操作工作量大，人为因素影 响较大。随着输变电电压等级的提高，强电场干扰严重，不能测试高电压、大电 容试品，受电源谐波干扰较大，不易平衡”“。 2 谐振法：该方法分为变电阻法、变电导法、变电纳法、变频法和谐振升高 法。它一般能在4 0 k h z 到1 5 0 m h z 的频段内测量介质的t a n6 。它的测量方法简 单，但不易满足高精度要求，测量频率不固定，测量方法不规范。由于测量时采 用较高频率，在高压实验中实现困难，几乎没有采用过。”。 3 瓦特表法：瓦特表法是由介质损失的功率和流过的电流计算求得介质损耗， 由于准确度低，己基本淘汰。 随着微电子技术和计算机技术的发展，介质损耗因数测量技术和测量设备有 很大进步。具体表现为： 1 自动测量，自动输出结果，测量时间短 9 基于d s p 的数字式介质损耗测昂仪的研究与设计 2 进行自动校正和补偿，抗干扰能力强，测量精度高； 3 ，j 、型轻便。 2 2 2 现代介质损耗测量法 1 过零鉴相法 此法是对施加于被测试品上的电流和电压的信号波形进行滤波，限幅放大后 经模拟取样a d 转换后，送入单片机中，经过采样信号处理及计数得出电压和电流 的过零时刻t 。和t ：的时间差t ，- t ：，进而求得两者之间的相位差。 西= 2 石( t l - t 2 ) ，r ( 2 1 3 ) 式中：t 为工频周期 则可以求得介质损耗角：6 = 吆一中 ( 2 1 4 ) ， 由式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 可知，时间差越精确，6 得分辨率就越高，则介损t a n6 值就越准确。而时间差的值，取决于单片机计数脉冲数，现在单片机计数脉冲频 率都足够高，完全可以保证时间差有较高的精确性，故介损t a n6 值能获得很高的 准确度。 这种方法的优点是测量分辨率高，线性好，易数字化，但过零鉴相法对波形 失真度和波形过零点的依赖性很大，其抗干扰性能较差，不适于现场带电测量。 其原理图如图2 4 所示： 图2 4 过零鉴相法原理图 2 过零点电压比较法 此法是测量两个正弦波在过零点附近的电压差，由电压差来计算相位差和 t a n6 的方法。”。其原理如下： 设被测试品的电压信号：矾一4s j n ( 耐) ( 2 1 5 ) 设被测试品的电压信号：巩一4s i n ( 耐+ 妒) ( 2 1 6 ) 则：a u 一一呸一4s i n ( 甜+ 伊) 一4s i n ( 甜) ( 2 1 7 ) 如：4 = 4 = 一，u 一2 a s i n ( 妒2 ) c o s ( 甜+ 妒2 ) ( 2 1 8 ) 在t = o 时，u = 爿s i i l ( 妒) ，妒= a r c s i n ( u 一) ( 2 1 9 ) 由式( 2 1 9 ) 可见，使用该方法时只需在过零点附近测量即可，对过零点本身 的精确度没有很高的要求，且对a d 转换的要求不高，抗干扰能力较好，但要求满 足以下基本条件：两个正弦波的幅值要相等，相位差要小且频率及频率的动态偏 1 0 硕十学位论文 移要相等。 3 相敏检波正交分离法 此法实现有两种方法：一种是用模拟乘法器和低通滤波器实现的模拟相敏检 波，另一种是由软件编程实现的数字相敏检波。模拟相敏检波的难点在于用模拟 电路实现两路同频率的正交参考正弦信号及其乘法运算，其电路比较复杂，精度 较难控制，不易达到预期的效果。为了达到好的效果，一般必须配置能产生精确 同步正交参考信号的“异频电源”和精密乘法器。而数字相敏检波能克服这一缺 点，它直接对取样后的电流和电压波形进行信号采集，采集所得的数据供软件调 用，用程序来实现此测量方法。相敏检波法依赖波形的整体特性，由于采用相关 分析法，故对干扰具有较好的抑制作用。 4 傅里叶变换频谱分析法 此法的基本原理是利用傅里叶变换在频谱分析上的独特优点，对从试品上采 样得到的电压、电流数据进行变换分析，从而得到电压、电流基波的相位和幅值， 进而由复导纳定义求得试品的t a n6 和c ，。这种方法硬件简单，采样点数越多测 量精度相对越高，可满足一定的测量精度。该法也有效克服了一般测量方法中高 次谐波带来的误差。这一方法是目前介质损耗测量研究的热门课题。 2 3 基波相位分离法 本测量系统采用变频电源输出非工频的高压电源，加在被测试品和标准试品的测量回路 中，但在提取了这两路测量回路上的采样信号后，就必须选择相应的信号变换处理方法 和算法，以达到抑制高次谐波，消除异频干扰，提高介质损耗值t a n6 的准确度的目的。 本文采用的基波相位分离法。 2 3 1 测量方法 目前，在国内外的自动介质损耗测量仪中采用的信号提取方法一般可以分为 两种即电压电流法和双电流法“。电压电流法指分别提取被测试品上所施加的电 压信号和流过被测试品的电流信号。 图2 5 正接法测量电路 1 1 基于d s p 的数字式介质损耗测鼍仪的研究与设计 浆样 嚣辟 图2 6 反接法测量电路 双电流法指分别获取流过被测试品的电流信号i ，和在相位上超前施加电压信 号9 0 。的电流信号i 。一般超前旋加电压9 0 。的电流信号是利用通过标准电容器 的电流获得。电流信号一般是通过串联取样电阻后变成电压信号而获得，其串联 的取样电阻阻值的大小会影响到电流信号的相位，但如果选取的电阻阻值相对于 试品的阻抗来说足够小的话，由串联电阻引入的误差就可以忽略。同时根据被测 试品是否接地可分为正接测量法和反接测量法，正接测量时被测试品悬空没有接 地，反接测量时被测试品已接地。电路连接方法如图2 5 ，图2 6 所示。 2 3 2 测量算法 基于以上考虑，本文在信号的提取上采用了双电流法，即通过采样电阻采集 两路信号：一路是经过标准电容的基准电流信号，一路是经过被测试品的被测电 流信号。如图2 7 所示： 图2 7 向量图 由测量信号的提取可知，通过采样电阻可将基准电流与被测电流转化为电压 信号，在理想情况下”： 基准电流信号基波电压分量是：= 巩。s i n ( 耐+ 吃。) ( 2 2 0 ) 被测电流信号基波电压分量是：玑一玑。s i n ( 埘+ 晚。) ( 2 2 1 ) 式中：见，：基准信号基波分量的初相角，吒：被测信号基波分量的初相角， ：非工频角频率。 但在实际测量时，这两个电压信号必然含有高次谐波分量和外界强电场的工 频干扰信号，下面我们就取最为常见的3 次，5 次谐波分量来具体分析： 设工频干扰信号为：一。s i i l ( 唧+ 吱。) ，式中，q ：工频角频率，则实际的 硕士学位论文 基准电流信号和被测电流信号可由下两式表示： 2 u l s i n ( 耐+ b 1 ) + 乩3s i n ( 3 耐+ 吼3 ) + js i n ( 5 叫+ 吼5 ) + 1 s i n ( 唧+ 吱1 ) ( 2 2 2 ) i u 。l s i i l ( 耐+ 见1 ) + u 3 s i n ( 3 耐+ 眭，) + 以5 s i n ( 5 耐+ ) + q ls i n ( n p + & 1 ) ( 2 2 3 ) 式中：含有高次谐波分量和工频干扰信号的基准电压信号； ：含有高次谐波分量和工频干扰信号的被测电压信号： 由于公式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 的相似性，故只选择基准电流信号来加以讨论。则由式 ( 2 2 2 ) 可得出： 乩= t ( s i n ( 耐) c o s 1 ) + s ( 耐) s i n ( 见1 ) ) + 3 ( s i n ( 3 耐) c o s ( ) + c o s ( 3 甜) s i n ( ) )