（测试计量技术及仪器专业论文）介质损耗变频测量系统的研制.pdf

武汉大学硕士学位论文 摘要 针对现场介损钡4 量受电网强电场干扰的问题，在总结传统介损测量 原理和方法的基础上，本文提出了介损变频测量法。 变频测量法是消除外界电网强电场对介损测量“工频同频干扰”的 根本方法。本文初步研究了介损变频测量法的测试原理、优点和发展， 简要推导了变频测量工频等效计算公式和舅法，介绍了文中研究的介损 变频测量系统的研制方案。重点论述了数据采集模块的设计过程，详细 介绍了系统上位机和下位机之间串行通信的实现，并简要论述了其他硬 件电路和测试软件的设计、系统的调试和实测工作。 本文充分利用了离散傅立叶变换频谱分析测量法的优势：它依赖于 采样数据的整体特征来提取信号的相位。利用此测量原理设计的数据采 集硬件电路比较简单、抗干扰性能好、测量精度高。 关键词： 介质损耗变频测量数据采集 武汉大学硕士学位论文 摘要 a b s - i r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo ft h el o c a l em e a s u r e m e n to fd i e l e c t r i cl o s s s u f f e r i n gt h ei n t e r f e r e n c eo ft h es t r o n ge l e c t r i cf i e l d i n t h ee l e c t r i f i e dw i r en e t ， o nt h eb a s i so ft h es u m m a r i z a t i o no ft h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h e c o n v e n t i o n a ld i e l e c t r i cl o s sm e a s u r e m e n t , t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n m e a s u r e m e n tm e t h o do fd i e l e c t r i cl o s si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h 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 tm e t h o di st h eu l t i m a t em e t h o d ， w h i c hcane l i m i n a t et h em a i n f r e q u e n c ys a m e - f r e q u e n c yi n t e r f e f e n c ef r o m t h es t r o n ge l e c t r i cf i e l dj nt h ee x t e r n a le l e c t r i cn e t w o r k i nt h i sp a p e r t h e t e s t i n gp r i n c i p l e ，t h ea d v a n t a g e sa n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h e t 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 tm e t h o do fd i e l e c t r i c1 0 s si s e l e m e n t a r i l y s t u d i e da n dt h ef o r m u l aa n da r i t h m e t i co fe q u i v a l e n tm a i n f r e q u e n c yf o r t h e 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 ta r eb r i e f l yd e r i v e d ，a n dt h em a n u f a c t u r e s c h e m eo ft h 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 ts y s t e mo fd i e l e c t r i cl o s s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri si n t r o d u c e d t h ee x p a t i a t i o na b o u tt h ed e s i g n p r o c e s so ft h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei st h ee m p h a s i so ft h ep a p e r , a n dt h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o nb e t w e e nt h eu p p e f e n dc o m p u t e ra n d t h el o w e r e n dc o m p u t e ro ft h es y s t e mi ss t a t e di nd e t a i l b u tt h ed e s i g no f o t h e rh a r d w a r ec i r c u i ta n dt e s t i n gs o f t w a r e ，t h es y s t e md e b u g g i n ga n dt h e a c t u a lm e a s u r e m e n tw o r ka r es i m p l yp r e s e n t e dt o o t h ep a p e rh a sa d e q u a t e l ym a d eu s eo ft h ea d v a n t a g eo ft h ed f t f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i sm e a s u r e m e n tm e t h o d , w h i c hd e p e n d so nt h e o v e r a l lf e a t u r eo fs a m p l i n gd a t at oe x t r a c tt h ep h a s eo ft h es i g n a l 1 1 1 ed a t a a c q u i s i t i o nh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n e da c c o r d i n gt ot h i sm e a s u r e m e n t p r i n c i p l ei sr e l a t i v e l ys i m p l e ，a n di th a sag o o da n t i - j a m m i n gp e r t b r m a n c e a n d h i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n k e y w o r dd a t aa c q u i s i t i o nd 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 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：所呈交的申趔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己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入和集体，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：c 氮基备 日期：和1 年乡月”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 作者躲阂敉 ! 请在以上相应方框内打“ ) 导师签名 日期：7 嬲年f 月，? 日 + 1 日期：弼年f 月砷日 武汉大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 前言 第一章引言 1 1 1 介损测量的必要性 电气设备是组成电力系统的基本元件，设备是保证供电可靠性的基 础。无论是大型关键设备如发电机、交压器，还是小型设备如电力电容 器、绝缘子等，它们一旦发生失效必将引起局部以致全部地区的停电。 而电气设备在制造、运输、运行和检修过程中，难免存在潜伏性缺陷： 艮期运行中，绝缘介质也会逐渐受潮和老化，影响到电气设备的安全运 行。大量资料表明：导致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 - - 1 9 8 6 年间1 1 0 k v 及以上等级电力变容器事故统计分析表 明”1 ，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1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 r ”。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 3 】。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 2 1 。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， 绝缘故障占总事故台次的比例分别为8 6 、6 9 、6 4 h i 。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 年间失效 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f 5 1 。电力设备 特别是大型电力设备故障所造成的经济损失是非常巨大的。有些非大型 设备虽自身价值不昂贵，但是故障后果严重，例如以往互感器、电容器、 避雷器常因绝缘故障发生爆炸和起火，不仅波及邻近设备，且由于故障 的突发性会因爆炸而造成人员伤亡。所以运行中的电气设备的绝缘状态 对电力系统的安全运行至关重要，必须加强对电气设备绝缘的检测与诊 断，及时发现隐患以确保安全生产。 电气设备绝缘系统的维修最早是采用事故后维修制，即设备损坏后 武汉大学硕士学位论文第一章引言 停电进行维修，或者用同样的设备替换运行，再对损坏的设备进行维修。 后来采用了目前广泛使用的预防性维修制，就是对电气设备进行定期的 停电预防性试验即绝缘介质损耗测量( 简称介损测量) 。介损测量是判断 介质受潮、老化等整体劣化状况的一种有效的预防性试验。通常根据试 验结果决定电气设备的绝缘系统在下一次投入运行前是否进行必要的维 修。介损测量试验的根据是电力部颁发的电气设备预防性试验规程。 这种方法同事故后维修制相比要先进一些，对发现隐患、预防事故、保 证安全发电供电起到了很好的作用，效益很高。 1 1 2 介质损耗产生的机理 当研究绝缘物质在电场作用下发生的物理现象时，把绝缘物质称为 电介质。世界上绝对不导电的物质是不存在的，任何绝缘材料在一定的 电压作用下，总会流过一定的电流，所以都有能量损耗。在电压作用_ f 电介质中产生的损耗称为介质损耗或介质损失。 电介质的损耗按其物理性质可分为下列三种基本形式r 6 , 7 , 8 1 。 漏电引起的损耗 实际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 泄露电流贯穿电介质引起热能量损耗。 电介质极化引起的损耗 在交流电压作用下，由于周期性的极化过程，电介质中的带电质 点要沿交变电场方向作往复有限位移和重新排列，这就需要克服 质点问的相互作用力而造成能量损耗。这种介质极化引起的损耗 一般比漏导损耗大的多。 局部放电引起的损耗 由于电介质的结构和材料缺陷，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。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 的发生。 如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，发生老化( 发脆、分 解等) ，如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦，丧失绝缘 能力，导致热击穿，因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一 项重要指标。 武汉大学硕士学位论文第一章引言 1 1 3 介质损耗角正切( 删) 。9 在直流下电介质中的损耗主要是漏导损耗，用绝缘电阻和漏导电流 可以表示，所以在直流电压下，不引入介质损耗的概念；而在交流电压 下，常引入介质损耗角的正切来表示。所谓介质损耗角就是电压和电流 夹角的余角。 不失一般性，将电介质试品看作是一个充满介质的电容器如图1 1 。 电介质的等值回路用电阻和电容的串联或并联来表示，这两种等值回路 在表示电介质能量损耗方面是等效的。 中曲t 也壶 ( 。) ( b ) 并联等值回路( c ) 串联等值回路 图1 1 试品的等效电路及向量图 介质损耗角正切留d 定义为 喇：震絮 ( 1 1 ) 删。菊丽两面覃 ( 1 1 ) 对于并联等效电路，从向量图上可以看出： 咖篙。赤 z ， 对于串联等值回路，从向量图上也可以看出； 喀者。以。r ( 1 3 ) 可见介质损耗角正切喀6 是个只与材料特性有关而与材料尺寸体积 无关的物理量，是衡量介质损耗大小的关键因素。材料的增6 大，说明 电介质在工作时损耗大、易发热和易老化。 测量电介质的改6 值，便于定量分析绝缘材料的损耗特性，有利于 武汉大学硕士学位论文第一章引言 绝缘材料的分析研究和结构设计。通常测量电气绝缘设备的喀6 就可以 发现设备整体受潮、劣化变质的状况以及小体积贯通或未贯通的局部缺 陷。由于介质损耗角测量灵敏度高，在电气设备的制造、交接替换和预 防性试验中得都到广泛的应用，是一项必不可少的试验项目。 1 2 常用介损测量方法r ，o l 1 2 1 传统测量方法 瓦特表法“1 瓦特表法是由介质损失的功率和流过的电流计算求得辔6 ，由于其精 度差，己基本淘汰。 谐振回路法 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喀d 。该方法不 易满足高精度的要求，而且由于测量时采用较高频率，在高压试验 中很难实现，几乎没有被采用过。 伏安法 最经典的种方法，基本原理是根据被测试品的端电压向量和流过 被测试品的电流向量之比得到被测试品的阻抗向量z ，根据z ，的实 部和虚部进一步计算求得培6 。 电桥法 电桥法是介损测量最广泛使用的方法之一。电桥法采用交流电桥差 值比较原理，准确度相对较高、测量范围广、频带宽。典型的电桥 4 武汉大学硕士学位论文第一章引言 是西林电桥，目前在实验室和电力部门停电时对介质损失角正切辔6 和等效电容巳的测量大多采用西林电桥。但是由于电桥法测试程序 复杂，操作工作量大，自动化水平底，易受人为因素影响；随着输 变电电压等级的提高，强电场干扰非常严重，故不能测试高电压、 大电容试品；受电源谐波干扰较大，不易平衡：测试时必须配备高 精度的电容器；不能满足更精确测量留d 的需要。 1 2 2 现代测量方法 随着微电子技术和计算机技术的广泛应用，介损测量技术有了很大 的提高。近几年来国内外相继发展了具有量程广、功能多、自动化水平 高、测量时间短、精度高、能自动进行校正和补偿、抗干扰能力强等特 点的介损测量方法。 数字式自动平衡电桥 自动平衡电桥采用零值比较法原理，利用了计算机控制技术。与西 林电桥相比具有复现性好、稳定性高、测量速度快的特点，是发展 快、有前途的辔6 测试仪。 实部和虚部分离测量法 也叫同步分离法，它源于电流一电压法测量元件阻抗的原理，通过 矢量运算实现，运用了微处理机来测量。可以在有干扰的情况下测 量，能抵消干扰影响。但这种方法用运算放大器实现矢量比例运算， 故易产生相位漂移、寄生导纳，同时受电源稳定度的影响，随测量 精度的提高硬件成本也相应提高。 过零时问差法 在时域中通过脉冲技术来测量正弦电压和电流信号的由负变正过零 武汉大学硕士学位论文 第一章引言 点时差，换算为电流超前电压的相位差，进而得到介损t 9 6 。这种方 法将取得的试品电压、电流信号分别用过零转换的方法先转变为方 波，然后相“与”得到新方波，即反映这两波形间的相位差，再利 用计算机的时钟脉冲计数来读出。该方法采用了单片机来测量过零 点时差及正弦信号周期，可简化电路，准确度较高，可通过获得多 组数据取平均值以减小分散性，还可采用消除回路误差等措施以提 高测量t g d 的准确度，但该法对电子电路性能要求较高。 数字采样波形分析系统 数字采样波形分析系统是一种波形采集、存储和分析的智能化系统， 有测量、计算、分析、诊断功能，因而在绝缘测试及在线监测领域 有广泛的前景。该系统采用数字化采样电压、电流信号，并进行快 速傅立叶( f f i ) 变换，求出信号基波分量的幅值和相位，最后得到 介损t 9 6 值和试品电容值。该系统具有测试灵活，抗干扰能力强，可 连续测试，硬件电路简单等特点。利用获得的信号，通过对软件的 开发，可方便地实现对数据分析方法的改进，以得到所需的信息。 1 3 应用变频溯量法的意义 1 3 1 介损测量技术的发展f ” 早期介质损耗测量技术使用瓦特表法，因其精度差，现在己被淘汰。 目前国内使用的介损测量仪器主要有两种技术类型：电桥法和自动测量 技术。 电桥法是测量最广泛使用的方法之一，采用交流电桥差值比较原理， 准确度相对较高、测量范围广、频带宽。传统的电桥测量仪以西林电桥 为代表，它是采用电桥平衡法原理来测试t 9 6 的，通过观察光带的粗细， 来判断电桥是否平衡。西林电桥测量介损的理论推导是在无干扰的理想 情况下推出的，而实际上这种理想情况在现场并不存在，所以在目前电 桥测量仪的问题主要是抗干扰性能差。干扰既有电场干扰，也有磁场干 扰。为了减小干扰带来的测量误差，一般采用屏蔽法、移相电源和倒相 武汉大学硕士学位论文 第一章引言 法等多种技术。总的来说，西林电桥在没有干扰时，测量结果是准确的； 而在有干扰时，却暴露除了它的诸多缺点，比如接线复杂、抗干扰能力 差、测量误差大和调节麻烦等。 由于传统的手动调节工频高压西林电桥的调节过程比较复杂，许多 随机因素难以控制，没有经过一定训练的操作人员一般难以胜任，所以 自动化程度高、性能稳定、测量准确的自动化测量仪器一经推出就大受 欢迎。这种类型的测量技术被称为“现代介损测量技术”，其发展比较快、 仪器种类繁多、测量原理多样，通常运用的测量原理有如下几种：零值 比较法、相位差法、相敏检波法、自由矢量法和傅里叶频谱分析法等。 总的来说其发展可分为三个阶段： 第一阶段：采用零值比较法原理，使用模拟或数字方法自动或半自 动判断平衡过程，从而得到c ，和孵6 。由于设备试品的现场使用环境和 测量仪器本身的局限性，这种方法的测量精度不高，对实际接地的高压 设备试品仍需要将测量仪悬浮进行测量。 第二阶段：对被测试品上的电压和电流进行实时取样，对两取样波 形进行处理，从而求得c ，和喀6 。这种方法通常利用标准电容进行测量 结果的辅助校正。为了求得喀6 ，可有两种方法对实时取样波形进行处 理。一种方法是利用过零鉴相技术，求电流电压波形的相位差，从而得 出留d 。这种方法对波形过零点的局部依赖性很大，因此其抗干扰能力 较差。另一种方法是利用相敏检波技术，求电流向量和电压向量的实部 和虚部( 称之为同步分离) ，然后根据复导纳的定义，通过换算求得c ，和 瑶d 。这种方法依赖于波形的整体特性，对除了同步干扰以外的各种干 扰具有很好的抑制作用，因此抗干扰能力很强。这种方法的局限性在于 硬件实现比较复杂，不易达到预期的效果，为了达到预期的抗干扰性能， 这种方法必须配置“异频电源”。 第三阶段：本阶段展现出了目前工频高压设备现场介损测量研究的 前沿课题。其共同特点是： 采用失真度小的异频电源i 对试品电流、电压波形进行实时取样后直接进行数据采集； 利用单片机系统进行数据处理和波形分析，得出介损特性参数。 本课题就是属于第三阶段的介损测量研究。 7 武汉大学硕士学位论文第一章引言 1 3 2 传统介损测量的局限 t 3 t 4 _ l 电力行业标准对高压设备介损测量的精度要求很高，虽然电力绝缘 设备或试品在制造厂或实验室的瑶6 测量已经具有足够高的精度， 但是在现场的测量，比如电气设备在交接或做定期预防性试验时对 绝缘没备姆6 的测量受现场干扰的影响，其测量精度不甚理想。原因在 于：现场来自外界电网工频强电场对测量回路的“同频干扰”比较强， 对这种工频干扰传统的西林电桥测试仪无论是利用硬件低通滤波还是采 用软件低通滤波都无能为力。因为外界同频干扰信号叠加在有用信号之 上，不是引起取样信号频率的变化，而是引起两取样信号相位差的改变， 从而使介损测量产生很大误差。理论分析如下： 设对高压试样的电压和电流两取样电路输出的有用信号u 。、i 。和各 自的同频干扰信号h 、i n 分别为： e 搿 f “n = ( ，hc 。s f n 蟮十西) k ：i nc o s 似+ 刚 严也啊钳j 也和们j 叫和“ f f 。；i 。c o s ( a t + d i ，+ l c o s ( a t + a 。j = j ：c o s t + e _ ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 可见同频干扰与有用信号具有相同的属性。引起有用信号的幅值和 初相位的改变，可分两种情况：当眈- 吼，q = 吒时，同频干扰只影响有 效信号的幅值，仅对试样c ；的测量产生影响；当8 。，a 。，0 ；= a j 时，同 武汉大学硕士学位论文第一章引言 频干扰引起有用信号的幅值和初相位的改变，对c ，和璃6 测量都产生影 响，引起较大误差。但这只是理论分析，实际上第一种情况几乎是不会 发生的，一般情况是后者发生居多。 由于“外界同频干扰”对有用信号来说是一种满足相关联函数的“相 干”干扰，故不能用频域“鉴相”或“频谱分析”的方法消除干扰，更 不能用时域“鉴相”方法消除。因此传统的西林电桥测量只适合在现场 没有干扰的情况下测量。 1 3 3 变频测量法的特点哪6 对于高电压设备绝缘介质损耗现场测量中存在的外界同频干扰，其 产生的根本原因是：介损测量装置内部产生的高压测量电源是由输入【： 频供电电源直接升压得到，而输入的工频供电电源与产生强电场干扰的 电网是源于同供电系统，即两者具有相同的频率。 研究发现，如果将介损测量装置内部产生的高压测量电源的频率偏 离工频5 0 h z ，则上述同频干扰就变成了异频干扰，就可能用频域“鉴相” 或“频谱分析”的方法消除此干扰。因此，避开这种同频干扰可以采用 变频测量法。 变频法测量介质损耗的原理可以阐述为：将试验变频电源加在被测 设备的测量回路中，从试验回路中采样电压和电流信号的离散值，利用 数字滤波器对采样序列进行滤波去除干扰信号，再用傅立叶变换，求出 电压和电流的幅值和相位，最后计算出t 9 6 和c 值。 变频测量法是由国外引进的一种新的抗干扰方法。其原理就是在介 损测量过程中，将试验电源频率偏离干扰电源频率，通过频率识别或滤 波技术排除干扰电源叠加影响。保证测量准确。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，从而有效地提 高测量结果的准确性。 1 3 4 介损测量设备的现状1 7 一 由于前面论述可知，西林电桥测量仪抗干扰能力很差，在没有干扰 时测量结果是准确，在现场干扰环境下有时根本测不出介损参数，只适 合在现场没有干扰的情况下测量。同时其测量方法比较麻烦，测试过程 复杂、操作工作量大、自动化水平低，易受人为因素影响，没有一定测 武汉大学硕士学位论文第一章引言 量经验的工作人员，很难得到正确结果。 而自动化测量仪器，虽然国内外种类繁多，但从效果上来看，除国 外的个别产品外，大都不太理想，性能不稳定、测量结果偏差太大，而 国外先进产品又价格非常昂贵，不符合我国国情。 基于变频测量技术的介损变频测量仪器是近几年来国内外厂家致力 开发的换代产品，因技术难度大、国内实用化的很少，己投产的还存在 一些问题。就目前来讲还没有性价比合适的介损测试仪，因此研制一种 抗干扰性强、智能化程度高的介损测量系统对电力工业生产有重要的实 用价值。本文选择了采用变频电源测量技术研制介质损耗测量系统。 1 4 本论文的工作和难点 1 4 1 主要工作和目标 本论文目标是使用单片机技术、高级编程语言和编程工具研制一种 介质损耗变频测量系统，要求能够在本课题的有些地方有所改进和创新。 论文工作的重点在于下位机介损测量数据采集模块的设计。论文主要完 成的工作和目标为： 1 设计一种新型的采用上、下位机体系结构的介质损耗变频测量系统。 2 总结介质损耗测量技术的现状和发展，并对各种介质损耗测量技术的 原理作一些比较。初步分析利用傅立叶变换等数字信号处理技术如何 从强干扰中提取有用信号以便进行介质损耗角和试品电容的计算。 3 进行市场调查选择合适的单片机和开发系统，使得开发成本较低，周 期较短；熟悉一种单片机的技术特性和开发环境及其方法。 4 利用单片机的控制处理功能，设计介损测量硬件电路，包括数据采集 模块和高压变频电源模块。前者主要进行了传感器的选择、接口电路 的扩展、采集通道和硬件低通滤波的设计，其中硬件低通滤波采用了 新型集成开关电容滤波器组建。后者主要设计了变频电源单片机硬件 电路。其中变频电源采用了利用软件技术模拟产生交流正弦电压信号 的思路来设计，这种思路是比较新颖的。 5 利用单片机c 语言编写数据采集程序和软件模拟交流正弦电压子程 序，单片机应该具有控制、测量、通讯等功能。 6 实现上、下位机之间串行通信的软件和硬件方面的设计。 武汉大学硕士学位论文第一章引言 1 4 2 本论文难点 本介损变频测量系统设计的难点主要在于 高压变频电源部分 用软件技术模拟产生交流信号制作变频电源时对频率的精确控 制。 单片机控制采样部分 单片机控制系统是整个测量装置的核心，其难点在于两方面。一 是鉴于介损现场测量信号干扰的严重，怎样设计更好的数据采集 前置通道包括隔离电路、低通滤波电路以高效地减小输入噪声改 善波形质量。二是同步采样控制电路的实现。 武汉大学硕士学位论文 第二章变频介损测量的原理 第二章变频介损测量的原理 用数字化测量技术进行介质损耗角正切的测试，就是对被测试设备 信号的波形进行采集、存储和分析的数字智能化过程。它将电压、电流 波形信号转换成离散化的数字量，也就是通过传感器从试样上采样得到 电压、电流信号的波形数据，再利用计算机技术通过定的数学算法对 信号进行时域或频域的变换分析，得到电压、电流基波的相位和幅值， 进而求得试样的堙6 和c ，。 目前对信号波形分析处理采用的数学方法有很多，其中傅立叶变换 在频谱分析方面具有独特优点，据此原理设计出来的硬件电路比较简单、 抗干扰性能好、测量精度高。在软件上采用这种现代数字信号处理领域 的先进算法，可以比较好地消除各种干扰以便对波形进行进一步分析。 本论文的信号变换处理技术就是采用离散傅立时变换频谱分析法，这种 方法要求对信号的采样进行同步控制。 2 1 变频测量方法叫6 图2 1介损测量接线示意图和等效电路 变频法测量介损原理见图2 1 所示。图中变频电源e 通过电流电压 转换电阻r 接到试品上。在实际的接线上，电源二次侧还有一个分压器， 由于分压器流过的电流较小，可以忽略不计；另外，分压器直接接在电 源上，受外界干扰较小，所以在这里就没有把分压器画出来。如果忽略 由于杂散电容引起的干扰电流的存在，则根据实际接线情况，电阻r 上 的电压。( f ) 可以用2 1 式计算。 武汉大学硕士学位论文 第二章变频介损测量的原理 实际测量时，设备上方的高压线路，设备周围的其它带电设备，都 会通过杂散电容和被测设备有着千丝万缕的联系。杂散电容引起的杂散 电流i 流过被测设备，对取信号电路造成严重干扰，图2 1 中有干扰时的 等效电路，其r 上的电压信号用式2 2 来表示彳艮明显取样信号中加入了 干扰成分。因此，应在采样电路或数据处理环节加入去除干扰措施。 “z ( ) = r e + ( t z ) ，r = a e ( f ) 啪) 2 差矗“哪m 。) ( 2 1 ) 首先，分析一下测量信号的成分。设变频电源的工作频率为f ，输 出电压e ( f ) 一e s i n ( z , c t + ) ，在试品上引起的电流为t ( f ) ，则 ( f ) 一，。s i n ( z 矽+ n ) 。又设干扰信号的频率为，0 ， ，则在试品 ! 二的干扰电流为； f 。( f ) 一芝咖i n ( 丽“b ) i - o i 频率为工的谐波电流幅值； b 频率为工的谐波初相角 ( 2 3 ) 所以，实际测量到的电流电压转换信号“；o ) 分别是有用信号与干扰 信号共同作用的结果，即： 州扣等矗“( r ) 3 矗眈j n ( 狲俐+ 矗扣碱q ) ( 2 4 ) 可见，信号采样时，干扰信号随同有用信号一起被采集进来，如果 有用信号的频率与干扰信号某次谐波频率相同，那么，只有通过二者的 相位来鉴别有用信号和干扰信号。这在初相位未知的情况下是无法进行 武汉大学硕士学位论文第二章变频介损测量的原理 的。只有调整测量电源频率，使f ；上；然后，在数据处理时通过高 精度选频滤波器对测量信号过滤以后，才能提取有用信号。 在现场测量过程中干扰信号大多集中在5 0 h z 左右，为了避开工频干 扰，我们采用了4 5 h z 和5 5 h z 各测量一次介损，然后加权平均给出5 0 h z 数值。实践证明，这种方法可以有效避开干扰，达到正确测量的目的。 变频法测量介质损耗的原理可以阐述为：将试验变频电源加在被测 设备的测量回路中，从试验回路中采样电压和电流信号的离散值，利用 数字滤波器对采样序列进行滤波去除干扰信号，再用傅立叶变换，求出 电压和电流的幅值和相位，最后计算出t 9 6 和c ，值。 2 2 信号采样理论 由于对周期性正弦信号的采样和频谱分析有特殊考虑的地方牡”，所 以有必要对正弦信号的采样作基本的理论分析。 2 2 1 交流采样方法分析旧2 9 由上节可知，变频法测量介质损耗必须对电压、电流信号进行数据 处理，而单片机能处理的只是数字信号。所以必须将模拟信号数字化， 即进行模数转换，这就涉及到采样方法的问题。 通常，在一个周波内，有以下三种取样方法：第一，用固定的采样 间隔和取样点数；第二，用固定的采样间隔和变化的取样点数：第三， 用变化的采样间隔和固定的取样点数。下面以被测信号为工频正弦电压 信号，即“( f ) - u s i n ( 1 0 0 耐) 为例，分析由于被测信号频率波动与不同采 样方法下的测量绝对误差8 和相对误差s 。 设在一个信号周期瓦内( 电压的频率为，0 = i l t o ) ，以丁一瓦等 间隔取样n 点，得到一个离散信号序列u ( 1 ) ，u ( 2 ) u ( n ) ，其中 “( n ) 一“( f ) i l t - 月a r 14 武汉大学硕士学位论文 第二章变频介损测量的原理 则u ( t 1 的有效值计算公式为 = 历= 再1 n 2 2 瓷持擎一c o 物盯) ) ( 2 6 ) 当采样点数n o o ，采样间隔a t o 时，f 2 6 1 式可用积分表达式表 示，积分区间可以取为0 ，2 o 此时积分变量为t = n t ，被积函数为 c o s 2 t ，但是，n 个t 不一定正好等于一周波时间t o ，所以积分上限应 为：r ：新卫j v ，因而( 2 6 ) 可近似为： ，a 鲁t 一专昏乖触 = f 一嘉咖，e 一鲁1 一嘉s i n z 丁 而u ( t 、的有效值为： 一去r 。h 2 拈击u 。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 舢一吒- 等( 再一1 ) ) 驴以；- 晤一1 ( 2 f 1 0 ) 工频信号的频率，0 = 5 0 h z ，若该频率波动1 ，则被测信号的频 率l = 5 0 o 1 ) = 4 9 5 h z 或5 0 5 h z ，根据式( 2 7 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 以及： 武汉大学硕士学位论文第二章变频介损测量的原理 = m ( 石t o ) = 册( 志) ( 2 1 1 ) 可以得到三种取样方法下的误差如表格2 1 所示。由该表格可见， 后两种采样方法的测量误差较小。对于第二种方法，由于采样f n q 隔固定， 不同频率下的波形每周内的取样点数不同，不便于计算处理。对于第三 种方法，若利用锁相环来获得t ，严格保证t o = n a t ，则t = 2n ， 8 = 0 ，一0 ；而且由于n 是固定的，当选择= 2 ”( m ) b i e r ) 时， 还能利用取样数据方便地进行波形分析( 如d f f 、f f r 运算等) 。 表2 1 三种取样方法的比较 娥。 固定采样点数固定采样间隔变化采样间隔 和采样问隔变化取样点数固定取样点数 磐 掰 项目 4 955 0 5 4 955 0 j4 9 55 0 5 采样时间丁( 胛) 2 0 02 0 02 0 02 0 02 0 21 9 8 采样点数n 1 0 02 0 0 1 0 19 91 0 01 0 0 丁( 玎) 19 82 0 21 9 9 9 819 9 9 81 9 9 9 819 9 9 8 e 。，( 埘。) 0 7 0 7 3强7 0 6 90 7 0 7 10 7 0 7 1n 7 0 7 10 7 0 7 1 e ( x u 。) 0 0 2 2_ 0 - 0 2 20 0 0 0 2 20 0 0 0 2 200 0 0 2 2o0 0 ( ) 2 2 s 一 0 0 3 1 0 q 3 l0 ，0 3 1o _ 。0 0 3 20 o ( ) q 3 10 恻1 2 2 2 电压电流的测量p 根据上面的分析，为了达到高精度采样，消除采样不同步和周期测 量误差对测量精度的影响，本设计选用第三种采样方法：硬件同步采样 法。也就是采样点数固定，采样间隔变化，即电压和电流信号每周期取 武汉大学硕士学位论文第二章变频介损测量的原理 样点数固定为n ，采样间隔a t = 髟、，“，采样间隔由锁相环倍频电 、1 j 0 ， 路来控制。电压和电流测量要保证“同时性”，即所测得的电压和电流是 同一时刻所对应的值，可以利用同一个控制信号控制两个采样保持器， 再依次将保持的两路信号通过多路模拟开关送入模数转换器。电压电流 测量硬件原理框图参见第三章图3 1 。 交流采样计算法是建立在微处理器的控制、判断、信息存储、数值 运算等功能基础上的，其理论基础是采样定理。根据采样定理，对一个 具有有限频谱( 0 l ) 的连续函数x ( f ) 进行采样时，当采样频率l 2 l 时，采样函数能不失真地恢复到原来函数的连续信号。 由于变频电源输出电压频率范围为2 5 7 5 h z ，低通滤波器的截止频 率设置为8 0 h z ，故实际进入模数转换器的信号最高频率分量 ：7 5 h z 。 因此采样频率l 2 矗一2 7 5 1 5 0 h z 。又因为每周波取样点数固定为 n ，则实际最小采样频率要求t = n x 2 5 h z 1 5 0 h z ，所以 6 。 为了便于波形分析，提高系统测量精度，每周期采样点数n 取为2 的整数次幂6 4 。所以根据以上分析，；6 4 是符合采样定理要求的。 2 3 计算信号变换处理技术 本文采用的离散傅立叶变换频谱分析测量法优点在于：它依赖于采 样数据的整体特征，通过信号的整体波形来提取信号的相位。用频谱分 析实现介损测量计算的理论基础在于：对单频正弦信号进行频谱分析要 满足同步采样和“整周期截取原则。” 2 3 1 正弦信号的整周期截取m 1 设对正弦信号： 疋( f ) 一a s i n ( 2 e z f o t + 奶 进行抽样截取后，得到的有限长序列为 x ( n ) 一a s i n ( 2 a f o n 正十妒) = a s i n ( n + 妒) 其中： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 武汉大学硕士学位论文第二章变频介损测量的原理 一孕一等等吼2 ( - 1 ) 蜘弦波一个周期 内抽样当点数，n 为截取长度。 其d f t ( 二级傅立叶变换) 为： z - 万1n 去- i 砌p 一争； 其中三n 为i d f r ( 离散傅里叶逆变换) 中的系数。 所以当n m n 。时，即整周期截取时，有： ( 2 1 4 ) 础) ；会纱；勤“时 ( 2 1 5 ) 1 0 ；当m k 时 故当整周期截取时，可以利用f f l 变换，把原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( 傅里叶输出是以实部、 虚部的形式输出的) 。 2 3 2 正弦截取系列复频谱的计算 电压、电流信号在正弦参照系统下的复频谱及相量的模、初相角为 对电流，假设： i 。一a is i n ( f f 2 0 t + 锻) ，则有 j 肚m 卜a z j l e j = a i + 办，得 18 翌静 一 笙斛 筹 比 盎 武汉大学硕士学位论文第二章变频介损测量的原理 a 。2 1 x ，圳：2 厮 l ：9 0 。+ 眦瞻堕 n ， 1 。= a i e 弹la 一2 b z + 3 2 q f 对电压，假设： 甜。= a ，s i n ( q 扩+ 垆。) ，贝4 有 童啡圳= 等沙咄+ 办，得 a 。= 2 | x 。( 卅) 一2 a ：十彬 。9 0 。+ 舭辔生 口v 舀，。a v e ，n 。一2 b v + j 2 口， 2 3 3 试品介损参数的计算 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 从电压、电流信号中提取电压电流的幅值和相位后，就可以利用下 式计算试品的t 9 6 和c ，值。 率。 式中，系数巧和岛为电容的校准系数，q 。为高压测试电源角频 群m 三 嘟 卜 肛 嘞 盼 兰一 武汉大学硕士学位论文第三章介损变频测量系统硬件设计 第三章介损变频测量系统硬件设计 在微机数据采集系统中，通常采用两种方法实现数据采集： 数据采集部分做成一块板卡插入微机扩展槽中实现数据采集，即 a d 转换器件直接与微机总线接口： 数据采集部分是一个独立的系统，有自己的微处理器，微机通过 串行口与数据采集装置通信实现数据采集。 我们选择第二种方法设计本系统，系统结构采用主从式上、下位机 体系。其优点在于：外接式测量装置插拔方便，适合组成便携式仪器； 同时，设计成独立于p c 机的数据采集模块，可以充分体现出利用离散 傅立叶变换频谱分析测量法的优势：硬件电路比较简单，软件技术灵活， 可以灵活运用目前先进的数字处理方法编制程序实现对设备各种运行参 数的高性能检测。 本系统的构建具有相当大的灵活性。在硬件方面，可以根据需要决 定是否利用电压频率和频率电压转换电路实现远距离测量。最关键的 是，在软件方面本系统具有良好的扩展性。一方面如果有需要在原始信 号数据的基础上求得某些新信息，可完全脱离硬件电路只修改件系统即 可实现，使得软件系统功能更多、性能更好。这比现在广为流行的介质 损耗单片机一体化自动测量装置改进方便，不至于牵发而动全身。随 着测试技术的发展，可以利用绝缘检测技术和诊断技术的结合开发出 个介质损耗测量专家系统。这样能够更深入和更前瞻性地对测试数据作 分析和判断，实现对电气设备绝缘状况作智能化地测试和诊断，提出相 应的维护意见。因此，本系统可以根据需要在这些方面作进一步的完善 和改进。总之，上、下位机之间通过串行口连接使得本系统组建灵活、 移植性强，系统的优化改进工作可以弱化硬件的改动，把精力全部转移 到p c 机高级程序的开发上来，以软件为主的介损测量技术应该具有很 好的发展前景。 3 1 介损变颓测量系统硬件概述 介损变频测量系统要能真实、准确地反映电力设备的绝缘状况，则 用于获取所需信号的硬件电路必须具有较高的检测灵敏度和较好的抗干 能力。由于电力系统中所需有用信号和各种干扰信号并存，为了进行准 确的绝缘测量，必然要求前置硬件电路能灵敏地将所需要的电压、电流 信号捕捉下来，在工程允许的精度范围内把采得的信号进行预处理，减 少或抑制干扰，再通过模数转换转变为计算机可以处理的数字信号。 武汉大学硕士学位论文第三章介损变频测量系统硬件设计 由于介损的t 9 6 的值比较小，对于硬件电路的性能要求也就比较高。 硬件设计中必须遵循以下原则：外设电路尽量简单，同时外部接口电路 模块化。对于同一任务来说，凡用集成芯片能做到的就不用分立元件， 以达到既能消除干扰又使信号不至于失真；凡用软件能做到的就不用硬 件，因为硬件多了，不但增加体积和成本，而且也使系统的可靠性下降， 即降低了设备的性价比。为提高测量的准确度和精度，设计的硬件电路 应满足高灵敏度、低温漂、高共模抑制比等要求。 为了实现以软件分析计算为主的测量系统，本文充分利用了微机计 算速度快、处理能力强等特点，以p c 机( 上位机) 为控制中心，再加 上数据采集模块( 下位机1 ) 和高压变频电源模块( 下位机2 ) 构成一个 介质损耗变频测量系统。如图3 1 所示。本介损变频测量系统由四大部 分组成： 图3 1 介损变频测量系统原理图 数据采集模块( 下位机1 ) 本模块为一块独立的数据采集系统，通过串行口与上位机通信和 武汉大学硕士学位论文 第三章介损变颤测量系统硬件设计 交换数据，使用起来方便有效。它包括信号隔离、信号滤波、数 据采集通道和数模变换等电路。作用是将被试绝缘设备的电压和 电流信号进行低失真的取样，然后进行隔离变换、经过同步采样 后进行模数转换，然后送入p c 机( 上位机) 进行处理分析。这 是本论文的重点。 主机 主机是p c 机。上位机的功