（电力系统及其自动化专业论文）介质损耗因数自动测试仪的研究及实现.pdf

a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h em e a s u r em e t h o do f h i g hv o l t a g e e l e c t r i c a l e q u i p m e n t d i e l e c t r i c d i s s i p a t i o n f a c t o r b a s e do nt h e a n a l y s i s o fs o l l r c eo f i n t e r f e r e n c e ，i ta p p l i e sa m e t h o do fn o n b a l a n c e b r i d g e t o s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r m e a s u r i n gs y s t e m f f t a n d d i g i t a lf i l t e r ( f i r ) i s t h ek e r n e l o fs o f l w a r e k e y w o r d d i e l e c t r i cd i s s i p a t i o nf a c t o r n o n b a l a n c eb r i d g e s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r f f t f i r 西南交通大学研究生学位论文 第一章概述 电介质绝缘材料在使用过程中都会产生一定的能量损耗，称之为介质 损耗。这种损耗通常会使绝缘介质温度升高，而温度的上升会使绝缘材料的 绝缘性能恶化；甚至因温升过高而导致绝缘熔化、焦化，失去绝缘作用。故 此，通过测试电气设备绝缘材料的损耗值的大小，可以判断出该设备绝缘状 况，防忠于未然，确保设备可靠而安全地运行。 1 一一1 介质损耗测试的基本概念及其等值电路分析 1 1 1 介质的损耗 绝缘材料的介质损耗按其物理性质有以下几种形式： ( 1 ) 漏电导损耗 当有电流流过电介质的时候，都会产生一定的电导能量损耗， 这种损耗在交、直流电压作用下都存在。正常情况下该损耗值较小；但是一 旦介质表面受污染而使表面电导增大时，电导损耗会随之急剧增加。 ( 2 ) 游离损耗 电介质中局部电场集中时，电场强度达到或超过某一值后就 会出现游离放电现象。由于游离和电子注的轰击会产生能量损耗。这种情况 只在外加交流电压或直流电压增大到一定程度时才出现，并且随着外加电压 的升高损耗不断增大。 ( 3 ) 极化损耗 电介质中的带电粒子在交流电压的作用下被周期性地极化， 介质中的粒子需克服它们之间的相互作用力，从而产生能量损耗。这种损耗 仅在交流作用下才有，随着交流的频率的升高而变大。由此可见，绝缘材料 的介质损耗的大小不仅与材料本身的特性有关，而且与介质所加外电压的形 式( 直流或交流) 、大小和频率等有关。所以，工程上所测得介质损耗只能 是一定外电压下的损耗值。且不需区分各部分损耗的具体大小，只求得一个 用来反映介质绝缘状况的损耗的总值。由于一般情况下介质损耗的功率绝对 1 西南交通大学研究生学位论文 值很小，现场测量时并不直接测量能量损耗大小，而是求解介质中流过的电 流中有功分量与无功分量的比值，这个比值即称为介质损耗因数，以t g g 表 示。引入该值的另一优点是它仅与绝缘材料的绝缘特性本身有关，而与绝缘 的结构外形、尺寸等无关。 下面讨论介质损耗的等值电路，分为并联和串联等值电路两种，并给出 相应介质损耗因数的求解方法。 1 1 2 介质损耗的等值电路 对介质施加一正弦电压，流过介质的电流由于介质损耗的存 在并不能保证刚好超前于介质所加电压9 0 度电角度。介质中流过的总电流 可分为三个部分；纯电容电流乃，电导电流乃和反映介质吸收过程的吸收 电流砌。吸收电流也可分为有功分量与无功分量两部分。即流过介质的总 电流的有功分量为泄漏电导电流和吸收电流的有功分量之和，总电流的无功 分量为极化电流和吸收电流的无功分量之和。如下图所示： 总电撮l u i 电导电渡 口ie 由图可得介质的功率损耗值为p = u c o s = 啊s 证万：一般说来6 很 小( 只有几度) ，s i n 6 近似认为等于辔占，这里辔占即是介质损耗因数，6 称 为介质损耗角。介质中吸收电流可以分为有功分量和无功分量两部分；纯电 容电流i c ( 无功电流) 与吸收电流的无功部分并不消耗能量，只有电导电 流乃和吸收电流中的有功分量消耗能量；因此为便于分析，进步将绝缘 介质等值电路简化为由纯电容和纯电阻组成的并联与串联等值电路。 a 并联等值电路 将电介质等效为一个纯电阻月和一个纯电容c ，并联而成，等值 2 西南交通大学研究生学位论文 电路如下 r 据图，俘占= 纠仁挺u = y w c r 阻抗z 川惜= 蔫= 丽r 态 损耗p = u i ，= u 2 r = u 2 w c t 9 8 总电流i = u m c a o s 占u r o c 其中，g 3 为电源角频率。 厶串联等值电路 将电介质等值为一个纯电阻开和一个纯电容强串联，等值电 路如下： 据图：喀6 = u ，u c = w c r ， 损耗 p 么u 2 c t 9 2 一u c l 醇 一 ( 1 + t g s ) “u 2 刃c 辔艿 3 西南交通大学研究生学位论文 阻抗 z = 矗+ j 品= 尺一，壶= 拿 引= 尺2 + 亩 a r c t g z 一i 一志 其中：为介质所加外电压，为介质总电流，。为角频率。 由此可见，绝缘材料的能量损耗与外加电压的大小、频率以及绝缘材 料的等值电阻值和电容值相关。而等值电路的参数与绝缘材料的介电特性、 电介质的几何尺寸等有关，所以工程上仅仅根据所测得的介质的损耗值的大 小是难以对介质好坏作出正确判断。而当设备制成后，其绝缘的特性及几何 尺寸是确定的，也就是说，介质等值电路的参数是确定的，若再确定下外加 电压幅值、频率等，那么，介质的损耗值由以上公式可知正比于介质的损耗 因数，即t 9 8 。正常情况下t 9 6 基本不变；但当绝缘材料绝缘性能发生变 化时，t 9 6 随之变化。故此可以借助于对t 9 8 的测试来判断绝缘的工作状况。 1 2 壕占与几个量的关系 垃占与试验电压的关系 因为介质电容电流的变化正比于绝缘结构尺寸的变化，随之流过 介质的电流的有功分量与无功分量均随着绝缘结构尺寸成比例地增加。当介 质上所加的电压在一定范围内增大时，辔艿基本不变或略有变化( 可能上升 也可能下降；不同的绝缘材料僖d 的变化趋势可能不同) 。只有当介质内部 发生局部放电，辔万随外电压的增大而快速增大。另外，当绝缘内部事实上 已经存在着气泡、分层、脱壳等缺陷，但试验电压不足以使绝缘中的气泡电 离，这时测得的辔万值与试品绝缘运行良好时的值并无显著差别，对此，难 于正确判断绝缘工作状况，不易发现绝缘缺陷；又，当试验电压增大到足以 使绝缘中的气泡发生电离，垃占值将随着试验电压的升高而迅速增大。因此， 现场t g6 的测量所采用的试验电压最好接近试品的正常工作电压。 t 9 6 与温度的关系。 t 9 8 随温度变化而变化与绝缘结构有关，在温度为2 0 到8 0 范围内，换算经验公式为： 4 西南交通大学研究生学位论文 t 9 5 ：t g s o e a ( 。一。) t 9 5 。表示温度为“时的介质损，辔j 为温度为t 时的介质损，c g 取决于 绝缘介质的结构，实际计算中它并不一定是常数。对高压电气设备而言只有 温度为1 5 。c 到3 0 。c 下所测得的t 9 5 换算到2 0 为宜。t 9 8 不仅与温度有 关而且与绝缘材料实际状况( 即潮湿或干燥与否) 相关，不同绝缘材料的状 况与t 9 5 的变化趋势也不一定相同，有的表面潮湿时辔万较大，有的则相反。 现场测量最好在常温( 2 0 。c 左右) 和天气干燥的条件下进行试验。 5 西南交通大学研究生学位论文 第二章介损测试中的误差分析 标专，容一萎试品 嘶i 当i当：r 图中， 泸一一一为试验电源电压： 锄一一为标准电容： 砌，肛为采样电阻，( r s 由多级电阻组成) ； z x - 一一为被试品等值阻抗。 测试思路：由前章所述介质等值电路可知，对绝缘介质垃占的测量可通 过测量试品的阻抗来实现。测量试品阻抗，需知道试品两端所加电压值、流 过试品的电流值。故此，可用一个标准电容测量支路获得试品电压值；在试 品支路串上一采样电阻，流过试品的电流也即是流过采样电阻的电流。两 路信号结合就得到了试品的电压、电流值，进一步即可求解出试品阻抗。 采样信号取自标准电阻砌，胎两端，将采样时域序列转化为向量形 式，以u 。、u s 来表示，可推算出介质损耗因数计算式： 6 西南交通大学研究生学位论文 端口电压 u 。= a + j b ：u s = c + 如 玉= 鲁+ 志， 被试品电压 u 。= u u s 试品电流 试品阻抗 阻抗实部 i x = u s r s z x = ux | lx r e f z x ) ：丝鱼墨! ! 二型! ! 垒兰鱼堡! 里二! ! ! 墨! ! 二鱼塑2 墨! 里血 、 c n r n a r ( c c + d d l 阻抗虚部： 肼( 及) ：- a c - a d c n r n m + b c c n r n w - b d r j 、。 c n r n n r ( c c + 蒯、 上式中砌，翻，? s ，6 a 为已知量。由于表达式分子中： ( a c + b d - c c 一砌$ r 。e 订 ( 6 c _ 丑矽 ( b c - a 乖r 。c 。刃 ( a c + b 矽 可将上式简化成( 根据介损串联等效模型有：t 9 8 = 觑r 。c x ) t 妒= a r r x c x r e ( z x ) 1 m ( z x ) b c a d a c + b d 即近似认为忽略采样电阻肌t l s 上的压降，标准电容和被试品上的电 压就等于试验电压。 以上公式推导过程没有考虑现场测试时的电磁干扰，只是理论值。当 有干扰时实际测量值与理论值会存在差别。下面具体讨论现场测试时存在的 电磁干扰问题。 7 西南交通大学研究生学位论文 2 - - - 2 介损测量误差分析 由于试品的介损因数的测量一般在现场进行，现场中有大量的 高压电气设备，存在较强的电磁场，试品与运行的高压电气设备之间有着各 种电容耦合。若试品通过测量线路接地，那么试品与高压设备之间的耦合电 容电流便会通过测量线路，引起测量误差。下面就几种主要的干扰做讨论。 - a - 谐波干扰 由于现场测量时，试验电源取自工频电网，而电网往往附含有大量的 谐波成分，因而加在不平衡电桥端口的试验电压( 经升压变压器而来) 的波 形不是完全理想的正弦波，附含有丰富谐波成分( 主要是工频奇次谐波，以 3 、5 、7 次最为明显) ，鉴于此，试验中尽量采用性能良好的电源。其二， 试验现场( 供变电所) 往往存在着较强的电磁场，外电场通过试品与其他运 行的高压电气设备之间的电容耦合回路引入谐波。这样一来，试验信号将包 含影响测试精度的谐波分量。另外，当采用数字付立叶变换法作向量变换时， 当取样信号的频率发生漂移而难以保证做到对信号进行周期整倍数的采样， 会产生一定的泄漏误差。可见，要保证测试结果的可靠性必须设法抑制谐波 干扰。 消除谐波干扰可采用多种方法，例如在前向通道中添加模拟低通滤波器 ( 有源或无源的，如抗混叠滤波器) ；但是，当需要对多路输入信号进行模 拟滤波时，有时需要较多的滤波电路，各路滤波元器件参数难以做到完全等 同，这导致各个滤波器性能不一，如滤波器的幅频、相频特性存在差异。特 别对于本测试系统来说，介损因数角一般只有几度，主要测试两路信号的相 位关系，倘若在信号前端加入模拟滤波器，而两路滤波器对信号的相移不同 ( 模拟滤波器所带来的相移) ，将会使两路信号的相位关系发生一定的变化。 相比较而言，数字滤波器则不存在相移不均问题，而且其滤波特性调节较模 拟滤波器方便，优势明显。所以本测试系统拟采用数字滤波器来滤除谐波 干扰。 - k 现场工频干扰 由于介损因数测试试验主要在供变电站进行，试验现场内有大量运行 的高压电气设备( 如电力变压器等) ，将会在测试回路中引入工频干扰。抑 制工频干扰，屏蔽接地技术不失为一种有效的手段。以下就被试品接地和不 8 西南交通大学研究生学位论文 接地两种情况做简要分析。 ( 1 ) 试品接地 电路如下： 外电场 试吐 被试品接地 上图中， c t r 试验变压器原边与副边绕组分布电容，当变压器的初级绕组 接地时，该分布电容电流流回电源负极。 c o - 一试验现场高压对被试品高压侧分布电容。 圆矿一试验电源高压侧对地分布电容。 口矿一试验电源低压端对地分布电容。 c x h l 一被试品商压侧对低压侧分布电容。 c n h 一标准电容高压侧对其低压侧分布电容。 c h l 一试验电源高压对低压侧分布电容。 由图可见，c x h l 、c h g 与试品并联，使试品两端电压发生变化，试品流 过的电流相应发生变化，引入误差：另c i g 与采样电阻月j 并联，其作用相 当于改变了采样电阻。在介损求解公式中约掉了与采样电阻有关的几项，故 可认为c l g 不引入误差。c h l 自成回路，当作电源另一负载，对测试无影响。 至于标准电容自有的分布电容c n h l ，只有尽量采用高品质的标准电容以减 小其影响。 综上，试品接地时误差主要由c n h l 、 c x h l 、 c h g ,啦、c o 所引起。 9 西南交通大学研究生学位论文 ( 2 ) 被试品不接地 电路如图： 试验 外电场 被试品不接地 电路符号标注同上图。，一端接地，可看作电源的独立负载，不引入 测量误差。标准电容所引入的分布电容值相对较小。并联在试品两端的如6 和并联在采样电阻两端的g x l g 仍是误差因素，需设法减小其影响。 ( 3 ) 抑制工频干扰的措施 实际测量中，可根据被试品的接地情况，调整屏蔽电缆的接线点， 尽可能让干扰电流不流经测试回路，减小测量误差。另外，屏蔽电缆的屏蔽 层若能良好地接地可起到进一步减小干扰的作用。测量时测试单元与试品的 连接的高压电缆采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层接地；试品低压端( 试品若接 地，该端即为大地) 与测量单元的连接也采用屏蔽电缆。 $ 表面泄漏的影响及措施 试品的表面泄漏对培占的测试也有很大的影响，其影响程度与试品的容 量有关。小电容量的试品受影响程度较大电容量试品严重。尤其当小电容量 试品表面受潮脏污时，泄漏增加，介损因数测量误差较大。为了消除表面泄 漏的影响，一个是要保证试品表面干净无污：二是采取加屏蔽环的方法，用 软裸线紧贴试品表面绕成屏蔽环，并与测试仪屏蔽层连接，使泄漏电流不经 】o 西南交通大学研究生学位论文 过测量单元而直接流回电源负极。 分布参数引入的误差 测试电路中所选元器件参数标称值与实际值总会有一定的差别。例如， 标准电容器翻并不是纯电容，它本身也存在着一定的介损，以常用的b r l 6 、 b r 2 6 型为例，b r l 6 标称容量5 0 p f ，标称介损o 1 ，工作电压i o k v ，好的 元件电容介损约0 0 0 8 ，差的可达0 0 6 ，而且随电压变化；b r 2 6 型标准 电容标称容量为l o o p f ，标称介损为0 0 0 5 ，工作电压i o k v ，稳定性较b r l 6 好。可把标准电容看作纯电容翻与纯电阻斤的串联。再例如模数转换中存 在着量化误差等。对付这些原因所产生的误差，可通过电路校零的方法予以 消除。即在测试被试品前，测量出电路的固定误差，然后在被试品的测量结 果中减去固定误差，剩下即为被试品的介损。但这种方法有一定的局限性。 十 偶然误差总是存在的。 例如测量过程中信号的漂移，各种随机的杂散的外界干扰总是存在的。 对此，可采用多次重复测量求其平均值的办法来减小误差，在对测量结果处 理时可进一步利用数据处理中的统计方法对结果进行分析。 西南交通大学研究生学位论文 第三章误差处理方法 3 - - - l 谐波干扰引入的误差的处理方法 关于介损测试中的谐波于扰的产生原因前面已作了分析，在介损 测试中谐波成分主要是工频奇次谐波( 3 ，5 ，7 次以及其它高次谐波) 。通 常滤除谐波的方法是在信号输入前端加一模拟低通滤波器或带通滤波器。由 于模拟滤波器存在定的相移及非线性，多个模拟滤波器的滤波性能不易做 到完全相同，经过滤波环节后信号相移不一样，也就是说，加了模拟滤波环 节后，多路信号间的相位关系发生了变化；而介损测试的原理却是要精确得 到两路信号的相位差以求解介质损耗因数。所以，在介损测试中，不宜采用 模拟滤波环节而考虑引入数字滤波器。 采用数字滤波器优点是多路信号共用一个滤波环节，可以避免前面所 讨论的模拟滤波器相移不均的问题；另一方面，数字滤波器的滤波特性可以 根据需要很方便地做调整，以获得理想的滤波特性。 数字滤波器根据其冲激响应形式可分为无限冲激响应滤波器埘和有 限冲激响应滤波器f 押两种。，朋一般采用递归方式实现，所用的滤波阶数 较低，其设计方法可套用现成的模拟滤波器的设计方法；其缺点是它的冲激 响应是一个无限长序列，这种滤波器还有稳定性的问题，再者其相频特性是 非线性的。相比之下脚滤波器具有很好的线性相位特性( 只要序列能满足 它的线性相位条件：群延时r ：卅j 2 冲击响应h 矗勘一，n 为 取样点数) 。f i r 通常属于非递归滤波器，其输出仅由输入来决定，每个输 出都是输入样本集的线性函数。它能得到精确的线性相位特性，并且总是稳 定的。当要得到较陡的衰减特性时，要求的输入项很多。对于本测试系统来 说，把时域值转换成向量形式采用了付立叶变换，这种方法作转换时将各次 谐波分离，也就是说它本身具有滤波能力。只是当信号的基波频率发生漂移 时，而采样频率固定，将会由于不能得到信号的整周期截断而产生泄漏误差， 使付立叶变换后出现频谱混叠。所以，本系统中拟采用变步长采样的方法， 】2 西南交通大学研究生学位论文 保证在信号的每个周期内都能得到相同采样点数。下面具体讨论数字滤波器 的设计及其实现。 f 獬有窗口函数法和频率抽样法两种设计方法。频率抽样法是根据理 想的频谱特性在频域内做等间距抽样，然后利用付立叶反变换求得时域冲激 响应。调整频谱特性的过渡点的位置使滤波特性逼近理想特性，即是从频域 经付立叶反变换到时域。由于本系统所测试的信号频率在工频附近，其主要 的谐波为奇次谐波( 3 ，5 ，7 次，且其幅值随着谐波次数的增加而减小) ， 可构造一低通滤波器削减谐波，从滤波器通带到阻带的过渡带仅l o o h z 左 右，过渡带太窄，频分法参数调整困难。所以，本测试系统拟采用窗口函数 法来构造低通滤波器。窗口函数法是根据理想的频谱特性，推导出时域的无 限长冲激响应的表达式，然后对该表达式加窗截断，从而获得一有限长的冲 激响应。比较几种常用的窗口的特性后，拟采用过渡带衰减最快的b l a c k m e n 型窗口。 f i r 滤波器设计步骤： ( 1 ) 采样参数 信号基波频率f l5 0 h z ( 左右) 采样频率f 。 6 4 k h z 每周期采样点数 1 2 8 过渡带宽 fl o o h z 采样周期数4 个 ( 2 ) 理想频域特性 啦) = 器嚣旧吐 上式中，h d ( ) 为理想冲激响应，为数字频率。表示数 字截止频率。 ( ) = q t ： 采样频率 采样点数 周期，即窗长为4 个周期) 截止频率 t 为采样周期，t = l f 。 f 。= 6 4 k h z n = 4 1 2 8 ( 每周期取1 2 8 个点，共取4 个 f 。= 1 5 0 2 = 7 5 h z珂c = 2 z 7 5 6 4 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 b l a v k m e n 型窗过渡宽a w = 2 z 1 0 0 6 4 0 0 通带频率f p = 5 0h z珂。= 2 z 5 0 6 4 0 0 礤延碱t = ( n 1 ) 2 冲激响应h 阳j 勘v _ j 1 j0 n n 办( ”) = a 一( ”一掣) = j 1 ，。；h 一( e j 。扩一竿) d 酊 ：上r c n 一竿公盯 2 石l 。g 刃 ：s i n ( w c m - 孚) ) 丌( n - 竿) 在上式中代入n = o ，1 ，2 ，3 ，n ，就能得到时域的冲激响应序列 h ( n ) ， 加入窗函数( i ) ( n ) ：b l a c i o a e n 型窗函数： 河( 力= 0 4 2 一o 5 c o s ( 2 n r c ( n 一1 ) ) + o 0 8 c o s ( 4 n ，r ( n 1 ) ) 将n = 0 ，l ，2 ，3 ，n 代入表达式，可得到窗口函数w ( n ) 的序列。 另外，为了方便比较几种窗函数性能的不同，也可以事先计算出其他 窗函数的序列值；在滤波时调用它们以作比较。 ( 3 ) 求得加窗后的时域冲激相响应序列 ( h ) = h ( n ) 巧( ”) 根据序列相乘的规则，将以上两个序列的对应项分别相乘，最后 所得的序列即是加窗后冲激响应序列。 ( 4 ) 根据时域序列求乎导频域序列 - 1 h ( e j 8 ) = h ( n ) e - ”4 n = 0 此处变换即可采用离散付立叶变换的f f t 算法。 这样就得到了频域的有限长冲激响应序列。将该序列的频谱 特性与理想特性相比较，看是否达到要求；若不合意，调整窗函数的参数或 1 4 西南交通大学研究生学位论文 其类型，直至满意。 ( 5 ) 根据数字信号处理理论可知，当系统的输入离散序列为m ) ， 系统的传递函数是f t 向上输出序列为ym 则有： y ( n ) = z ( 月) 0 h ( n ) x ( k ) 卜生x ( n ) h ( k ) + _ 生h ( n ) y ( k ) = x ( k ) h ( k ) y ( n ) _ 盟- r ( k ) 将以上所得到的序列代入该关系式，即可得非递归滤波器输出与 输入的关系表达式。 3 - - - 2t 频干扰的滤除 关于工频干扰产生的原因以及在被试品分为接地和不接地两种情 况下的等效电路前面都作了说明，此处不再赘述，而主要讨论工频干扰的 滤除办法。 ( 1 ) ，加强屏蔽和接地措施是抑制工频干扰的一种有效方法。当试 品通过测量线路接地时，干扰电流沿着试品和高压电气设备之间的耦合电 容流过测试电路，引起测量误差。所以一方面采取屏蔽措施，尽量减小外 电磁场对测试电路的电磁兼容，可采用多层屏蔽方法，分别屏蔽电、磁场。 另一方面，可以根据试品的接地情况，转换接线端子，尽量让干扰电流通 过屏蔽层流回大地而不经过测试电路。 ( 2 )变频测量 当现场工频干扰太强，屏蔽接地不能削除其影响时，可考虑 采用变频测量的办法。其思路即是通过加一变频器，使测试信号频率不再 为工频( 通常在工频附近) ，测试结果数据处理后就可得到该频率下的介损 因数，然后根据工频附近的几个测量值近似求得工频时的介损因数。该方 法的优点是抑制工频干扰能力强，将采集到的数据作付立叶变换时可利用 】5 西南交通大学研究生学位论文 一 这种变换自身的滤波特性滤除工频干扰。本测试系统就采用了这种方法。 变频器的输出频率和电压大小可根据需要设定。 一2 2 0 v 电源 来自单片祝的控制信号 输出 ( 3 ) 软件数据处理 这主要是指设计工频陷波器。这种方法的思路是在系统传递 函数中人为地加上一个对应要抑制的频率( 如工频) 的传递零点。这样来 该频率处的增益就为零，从而达到陷波的目的。传递函数在频域单位圆上的 位置与采样频率f ：有关。零点对应的角度为 ， 田o = 上2 疗 5 0 h z 陷波滤波器的传递函数的零点： z 1 = e j 们= c o so + s i n 扪 考虑到零点的共轭对称，必定还有一个零点z ： z 2 = e 吖们= c o s 曰。一j s i n 。 由此，可得滤波器的传递函数为： ( z ) = c z 2z z o ) ( z 一扪 其中c 是增益常数，可根据滤波器的直流增益为1 来确定。把u o = 0 代入上式即可求得c 的值。 本测试系统采样频率6 4 k h z ，两零点为： 1 6 西南交通大学研究生学位论文 z 1 , 2 = c 0 5 ( 5 o 2万)sin(5064006 4 0 0 2 石) j j ， 代入后求得传递函数为：日( z ) = c o - 2 z + z 2 ) 确定c 值，直流增益为l ： l = c o 0 1c = 1 0 0 即，( z ) = 1 0 0 ( 1 2 z + z 。) 相应差分方程为： w ( n t ) = 1 0 0 ( x ( n y ) 一2 x ( n t 1 ) + x ( n t 一2 ) ) 工频陷波器由于本系统采样频率与工频相差太远，其作用不明显。 它仍只是适用于信号频率与干扰频率不同的场合。另外，本测试系统拟采用 变频测量，信号频率不再是工频，但与工频接近，不宜采用该法。 ( 4 ) 倒相法 这种方法的思路是假设外电场所产生的干扰电压的大小和相位不 变，而将试验电源倒一次相，将所测试到的信号看作是理想信号与干扰信号 之和的形式。由于试验电源的倒相，实际信号中的理想成分改变( 反相，但 幅值不变) 而干扰成分( 幅值) 不变，并假定理想信号的大小与外加的测试 电压是成正比的。据此即可建立起方程组求解理想信号。需注意的是倒相后， 信号的采样点发生了变化，反映理想信号的大小和相位的向量不是简单地翻 转180 度，例如， 倒相前所得信号向量形式为： 理想成分( a + j b ) + 干扰成分( c + j d ) ： 倒相后所得信号向量形式为： ( 理想成分一( a + j b ) 十干扰成分( c + j d ) ) 0 ： 上式中，0 即反映了倒相前后两次测量有一个相差的问题。然后改变 试验电压( 为原来的x 倍) ，再次测试，得到另一组数据： 倒相前所得信号向量形式为： ( 理想成分x $ ( 8 + j b ) + 干扰成分( c + j d ) ) a ； 倒相后所得信号向量形式为： 1 7 西南交通大学研究生学位论文 ( 理想成分一x ( a + j b ) 十干扰成分( c + j d ) ) p 同理，上式中的a 、1 3 也表示本次测与第一次测量的相差。 所以不能用简单的代数求和来求解。而需要根据倒相前后理想信号以 及干扰信号的幅值都不变，且倒相后两次所得到的信号的相位是反相的关系 ( 条件是试验电压幅值不变，仅相位反相) 来列方程组。 3 - - - 3 系统误差及随机误差的滤除 在滤除了谐波工频干扰后，测量误差主要是系统误差和随机误 差了。产生误差的原因是多方面的，例如，模数转换的量化误差，t g6 的计 算式的近似取舍等等。减小这部分误差主要是在可能的条件下提高系统的精 度，进一步完善测试原理；硬件上采取抗干扰措施，如在单片机的前向和后 向通道都加上光电耦合器：选用精度较高的标准电容器及电阻( 当采样电阻 较小而导致信噪比小时，可以适当加大采样电阻。提升信噪比) ；采用性能 较好的试验变压器、变频器等，实际测量尽可能避开有强电场的电气设备， 如高压电网、大型电机、电力变压器、整流逆变器等，再者试品或测试设备 需接地时耍保证接地状况良好，等等。另外，可在条件允许的情况下重复多 次测量，然后用数据统计中的处理办法对测试得到的数据进行加工，如剔除 坏值，求平均值等。这些内容在其他资料中有详尽说明，此处不再赘述。 下节讨论介损因数测量方法( 付立叶变换法) 。 3 - - - 4 介质损耗的测试 付立叶变换法测介损实际上是测试被试品的阻抗。根据阻抗的 定义可知，阻抗等于加在被试品两端的电压与流过被试品的电流之比。利用 付立叶变换把采集到的被试品的电压、电流信号时域序列转换成频域序列， 进行谐波分析，对基波进行一系列的复数运算，求出基波阻抗值，从而得出 试品的介损因数瑶占。 用付立叶法测垃占的步骤大致如下： 1分别对被试品的电压、电流时域信号波形采样，经过模数转换后 得到数字采样序列； i i利用付立叶变换将采样序列转换为采样信号的矢量形式； 】8 西南交通大学研究生学位论文 i i i 由得到的矢量进行向量运算，得出垃占。 即：对两路时域信号u 。( ，) 、i x ( f ) 采样， u ( n ) = u r ( n t ) ( n ) = 以( n t ) ，一一采样周期。 两路时域离散序列进行付立叶变换， 沈( t ) ；n - i 队( ) e - 肭， 扛( 女) ：n - i 扛( 以) e - ，2 女 门一一时域序列序数； k 一一频域序列序数； 一一采样序列长度。 取两者的基波分量u ( 1 ) 、1 ( 1 ) ，相除，求得阻抗值：进而求出留占。在实 际测量过程中，由于电源信号频率通常围绕某一值波动，在本测试系统中， 由于实际信号频率随着实验电源频率的波动而变化，采样间隔变化。为了保 证付立叶变换的精度，拟采用变步长采样法采样，在信号每周期内采样1 2 8 个点。 为了保证在信号一个周期内采样1 2 8 个点，一般的做法是预先测试信 号的周期( 可采用过零比较法) ，然后以此为基准，将信号1 2 8 等分，以等 分所得到的信号作为a d 转换的启动信号。该方法难于实时采样，即所测 周期并非a d 转换时的实际模拟信号的周期，而有一定的延时。虽说相差 不大，但毕竟两者不等，引入误差。另外将周期1 2 8 等分，实际上是在机 内作一次除法；若除不尽，则将其尾数丢失，积累1 2 8 点的误差将造成最 后一个点的采样间隔增大或缩小，在一个信号周期内各点采样间隔不等，所 测得的数据可信度差。为此，可利用锁相环原理，设计一频率自动跟踪电路， 实时跟踪信号频率变化，然后加倍频电路，将信号1 2 8 倍频后作a d 转 换启动信号，有效地保证了一个信号周期内采样1 2 8 个点。电路后述。 附：付立叶变换 1 9 西南交通大学研究生学位论文 f f t 是离散付立时变换的一种快速算法，f f t 有多种算法，为了简便， 采用按时问抽取的基2 快速算法。 1 离散付立叶变换概述 用单片机计算付立叶变换必须是离散型付立叶变换，其正变换是 x ( 膏) = x ( ”) 形：，形。= 8 1 2 “” 其中，k = 0 ，1 ，2 ，3 ，n - l ： n 为采样点数， n 为时域序号， k 为频域序号。 2 f f t 算法基本原理 算法步骤： ( 1 ) 将上式分成1 3 为偶数和n 为奇数两部分 x ( 女) ：笠1 k ( 2 。) 矾2 ”+ x ( 2 。+ 1 ) 矾m + ”1x ( 女) = k ( 2 n ) 矾“4 +”+ 1 ) 矾。”_ k = o ，t ，2 ，3 ，n l ： 堡 又有 矾2 = 占2 朋4 = p 坝半= 丁n 型型 ( 七) ：宝x ( 2 n ) 形昙n k + 缈：2x ( 2 。+ 1 ) 壁：g ( k ) + 矿：( k ) x ( 七+ 学) = g ( k ) 一k 。h ( 足) 由于d f t 的周期性，上式g ( k ) 和h ( k ) 仅包含n 2 个点的序列。g ( k ) 仅 包含原序列的偶数点序列，而h ( k ) 仅包含奇数点序列。即整个n 点序列分 解成n 2 点的序列。 g ( k ) = g ( k + n 2 )日( k ) = 1 4 ( k + 2 ) ： 2 fn 缈：”= 1 百了一1 ，形? 2 = ： k = 0 ，1 ，2 ，3 ，n 2 一1 通过合并n 2 点离散付立叶变换算出n 离散付立叶变换。以此类推， 2 0 西南交通大学研究生学位论文 一个n 2 点采样序列又可由两个n 4 点序列求出。 另外，要想输出序列( 频域) x ( k ) 按自然次序出现，输入的序列( 时域) x ( r 1 ) 必须采用新的输入次序，即倒序。求倒序可用镜象法。例：输入序号为 0 1 0 1 0 1 1 l ，其镜象为1 1 1 0 1 0 1 0 ( 1 2 8 点序列) 。 3 算法买蜕 若输入是复数，变换式为： x ( 足) = x r ( k ) + j x i ( k ) ； x ( k + 2 ) = x r ( k + n 2 ) + j x i ( k + 2 ) ； 腻= g j 警s ( 争哨缸百2 z k ) = 2 。 实部： x r ( 七) = x r ( k ) + x r ( k + 2 ) c 。s ( 百2 z 女) + 朋( t + n 1 2 ) s i n ( 万2 z ) x r ( k + n 2 ) = x r ( k ) 一x r ( k + 2 ) c 。s ( 万2 z t ) 一x i ( k + n 2 ) s i n ( 万2 z ) 虚部： x i ( k ) = x 1 ( k ) + x 1 ( k + n 2 ) c 。s ( 万2 z 七) x r ( k + n 2 ) s i n ( 万2 z 七) x i ( k + j v 2 ) = 船( 铲x i ( k + 2 ) c 。s 带卅x r ( k + n 1 2 ) s 坂万2 z 七) 上式中，k 与k + n 2 是对偶节点。k 为节点数。l 为变换的迭代次数。 蝶形运算从k = 0 开始，对偶数节点距为n 2 。x r ( k ) 表示x ( x ) 的实部， f 肼表示z f k l 的虚部。 2 l 西南交通大学研究生学位论文 第四章基于单片机的测试系统 4 1 测试原理概述 ( 1 ) 传统的测试方法 根据前面章节的叙述可知，通过对高压绝缘材料的介质损耗因数 t g6 的测量，根据该值的变化能够对介质的绝缘状况作出正确的判断。因此， 测量t g6 对判断高压电气设备的绝缘状况的好坏有着重要的意义。介质损 耗因数传统的测试方法主要是以西林电桥为核心的平衡电桥法，及在此基础 上引入了先进的电流比较仪、干扰自动测试电路、向量补偿电路、微处理器 等技术的自动平衡电桥法。西林电桥主要缺点是测量精度低，仪器操作复杂， 手动调节电桥平衡较费时，测量系统抗干扰能力较差，尤其当外界电磁干扰 较强时，电桥甚至不能达到平衡；即使能够平衡，所测得的结果偏差较大， 失去试验意义。而由西林电桥派生出来的新型自动平衡电桥具有较高的自 动化水平，抗干扰能力较强，测试精度得到了极大的提高。其具有代表性的 原理是利用硬件电路先测试出现场条件下的干扰的大小，将其转化为向量形 式；然后在后期测试中产生一个与干扰反相的补偿向量以抵消干扰的作用。 这类设备的硬件电路复杂，制造工艺要求高，设备测试性能好但相应的设备 成本也不低，根据目前实际情况不易广泛使用。 ( 2 ) 本测试系统定位 在对以上两种介质损耗因数测试系统构成思路进行分析后，拟 将许多技术都比较成熟的单片机引入到测试系统中，即设计一个基于单片机 的自动测试系统。在该系统里，在对现场的干扰情况做详尽的分析的基础上， 加强抗干扰措施，利用单片机的数据处理能力对采集到的数据进行二次处 理，利用单片机控制功能加强系统的自动化程度，最终得到一台具有较高精 度及自动化水平的智能仪器，满足现场需要。 ( 3 ) 系统框图 2 2 西南交通大学研究生学位论文 以下各章节讨论测试系统的具体电路模块的构成。 4 - - 一2 数据采集 ( 1 ) 预处理电路 这部分电路的作用就是将前端取自高压不平衡电桥的两路可反 映试品流过的电流和加在试品两端的电压的信号进行整形、初步放大、采样 保持、模数转换后送入单片机作为原始数据。另外由于现场的被试品不同， 经电桥桥臂分压后所得到的模拟信号的变化范围较大，所以在模块中设计了 程控增益放大器，增益大小受单片机控制。当信号超过设定量程时，单片机 输出控制信号去改变可编程放大器的增益，从而实现自动转换量程，免去 手动切换量程之苦。增益控制信号由8 0 3 1 的p l _ 7 和p 1 6 经一锁存器2 7 3 而来，可实现四级量程，分别对应1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 。试品电容值 范围在2 0 p f 到2 0 0 0 0 p f 之间。为了避免电桥的高压经采样电阻串入测量回 路，烧毁测量电路，根据试品电容量的变化范围，采样电阻( 实际也是一个 分压电阻) 可取四级：0 1 k 、l k 、i o k 、1 0 0 k 。这样保证输出到后级的电压 在后级电路可承受的范围之内。 2 3 西南交通大学研究生学位论文 增益控制电路 过量程和欠量程判断电路由一有效值检测电路、窗口比较器构成。 a d 5 3 6 a 构成真有效值检测电路：运放搭成一窗口比较器，比较器的门限电 压可取后级a d 的量程电压。当单片机检测到信号过( 欠) 量程后，切换采 样电阻，若信号仍不合意，变换放大倍数，直至满意。 量限判断电路 如前章所述，由于试验工作电源取自工频电网，电网电压频率往往有一 定的波动，以至采样时难于保证在一个信号周期内采样1 2 8 个点，后期做付 立叶变换时产生泄漏，故此在数据采集模块里加了利用锁相环原理构成的倍 频电路，以确保在信号的每个周期内都能采样到1 2 8 个点，实现变步长采样。 2 4 西南交通大学研究生学位论文 而且为了把强电部分与弱电部分在电气上隔离开来，模块中引入了光电耦合 器以抑制干扰。 ( 2 ) 数据采集电路 由于采样保持器存在着建立采样信号的孔径时间；如果保持命令 与a d 转换命令同时发出，所转换的量将不是保持值，这将影响转换精度。 鉴于此，电路中添加了一个起延时作用的d 触发器，以保证先采样后转换。 过零比较器测量出信号的频率，然后通过倍频电路将比较器输出1 2 8 倍频作 为采样保持器l f 3 9 8 的启动信号；锁相环路能自动跟踪试验信号的频率的变 化，即使信号频率有波动仍能够精确地实现采样信号与试验信号的整倍数关 系，这样可实现如前所述的变步长采样。采样启动信号经过延时后送入两路 a d 转换电路，考虑到试验精度及采样速度的要求，a d 转换起采用了1 2 位 a d 转换器a d 5 7 4 a ，它的最短转换时间可达2 5 微秒。电路采用分时输出1 2 位采样结果，5 7 4 输出的是偏移二进制码，一位可做极性位，其余位用来表 示信号幅值。后期数据处理中需把采样所得到的定点数转化为三字节浮点数 以便计算。整个模数转换时序由倍频电路控制。由于数据不需实时处理，故 将两路a d 转换结束信号输出端sts 与单片机的两个外部中断口in t 0 、intl 连接，采取中断方式通知单片机取走转换结果。将单片机的读 信号与采样保持器的保持信号逻辑组合作为读a d 转换结果信号。上述电 路的设计目的不外是用来保证先采样后转换，在lf3 9 8 的保持期间完成采 样量的a d 转换和存储。 2 5 西南交通大学研究生学位论文 数据采集电路 1 2 8 倍频电路( a d 启动信号) 西南交通大学研究生学位论文 4 - - - 3 变频测量原理 一般来说介质损耗会随着频率的变化而变化。通常低压情况下采 用串联等值电路来模拟理论介损，而在高压则采用并联等值电路。模拟小介 损时用r c 串联电路。 对于介质串联等值电路，留5 = 2 ，积c ；可见留占与频率成正比。又当 模拟大介损时用并联电路，且有：t 9 5 = 1 ( 2 班c ) ，可见t g s 与频率成反比。 实际测量时试品介损的变化在两者之间，由于表面泄漏和并联等值电路接 近，实际试品随频率的升高而略有下降或是基本不变。鉴于此，拟在测量时 采用两频率点测量然后求平均的办法来代替直接测量5 0 赫兹下介损的方 法。即在工频附近各测量一点( 如取5 5 h z 和4 5 h z 两频率测量) ，将两次测 量结果的平均值作为5 0 h z 的介损。之所以这样作是因为如前所述现场测量 时有较强的工频干扰存在，倘试验电压也是工频，那么试验信号中将混有大 量的工频干扰信号而难以剔除。这种方法在介损与频率成正比时当然没有误 差。而当介损与频率成反比时会引入误差。下面分析介损与频率成反比时产 生的误差。设订和勘为工频附近两点，设1 ( 2 巧倪c ) = a ，显然对于确定 试品a 为常数，看看采用这种方法的相对误差： 一般情况下，增j 值较小( 1 0 - 4 n 1 0 “) 。假设试品真实t 9 5 = 0 5 ，取 f l = 4 5 h z 和f h = 5 5 h z 两点测量，则求得r l = 1 ；绝对误差为1 0 5 = 0 0 0 5 。 该误差显然能够接受 当然如果测量现场干扰无须考虑，仍然可以在工频下进行试验 变频测量的好处是可以得到介损在多个频率下的值，可用于研究介损 随频率的变化趋势。 变频器输出电压范围大约在0 到2 5 0 伏左右，变频器的输出频率可调， 输出频率高低由变频器的直流控制电压决定( 该电压由单片机经d a 而来， 改变单片机的输出数据即可达到改变变频器输出频率，进而调节试验变压器 2 7 学 西南交通大学研究生学位论文 的输出频率的目的，保证测量在多个频率下均可进行) 。 单片机将用户所设定的试验电压值、频率值与实际所测得的对应值进行 比较，如若不相等( 事实上由于模数转换的量化存在一定的误差以及变频器 的输出频率随着外电源的波动而变化，设定值与实际测量值总会有偏差) ， 单片机通过d a 转换输出调节信号，控制变频器。 由于系统采用的是点阵式液晶显示屏作为显示部件，测量参数的输入主 要通过设定的菜单输入，菜单是预先编制好的，使用中在液晶显示屏上显示 出来，用户根据需要在菜单的提示下完成测试所需参数的设定。面板上的功 能键的作用根据菜单的不同而变化，这样设计来有较好的人机接口，二来 硬件简化。 键盘电路 由图可见，电路中用了一片8 1 5 5 作i 0 接口。8 1 5 5 a 口输出线经