（电气工程专业论文）交联聚乙烯电力电缆介质损耗在线监测系统设计与应用.pdf

重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 a b s 职a c t t h eh i g h - v o l t a g ep o w e rc a b l e sh a v ea l w a y sb e e nt h ek e ya p p a r a t u si nt h ep o w e r t r a n s f o r ma n dt r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dt h ex l p e p o w e rc a b l eh a sb e e nt a k i n gu pt h e l e a d i n gp l a c ei np o w e rc a b l ef i e l db e c a u s eo fi t sr e l a t i v e l yl i g h tw e i i g h 4s i m p l e p r o c e s s i n g , e a s ys e t t i n gi l pa n dt h ef a v o r a b l ee l e c t r i cp e r f o r m a n c ea n dh e a te n d u r a n c e h o w e v e r , a f t e ry e a r s s e r v i c e ，f a u l t so fp o w e rc a b l e si n s u l a t i o nw i l lo c c u ri fs u f f e rf r o m s i t u a t i o n ss u c ha sm e c h a n i c a li n j u r i n g , m o i s t u r e ，i n s u l a t i o na g i n g , e r o s i o no fc a b l e s h i e l d s ，o v e r - v o l t a g ea n dh e a t , a n dt h em o n i t o r i n gf o rd i e l e c t r i cl o s sf a c t o rc a nf i n d t h e s ei n s u l a t i o nf a u l t s s ot h e0 1 1 - l i n e m o n i t o r i n g f o rd i e l e c t r i cl o s sf a c t o ro f c r o s s - l i n k e dp o l y e t h y l e n ep o w e rc a b l ei n s u l a t i o ni si m p o r t a n tt of i n do u tf a u l t si n i n s u l a t i o ns y s t e mf u rc a b l ei nt i m ea n de n s u r eo p e r a t i o ns a f e t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fd e t e c t i n gt h ed i e l e c t r i cl o s so f t h ex l p ec a b l ei n s u l a t i o n , t h i sp a p e rp r e s e n t st h et h e o r ya n dt h ei m p l e m e n ts c h e m ef o r o n l i n ed e t e c t i n gt h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ex l p ec a b l e d e s i g n s ，m a n u f a c t u r e a n dt e s tf u rh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ew h o l es y s t e ma f i n i s h e d c o n s i d e r i n gt h e l a c ko fh a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o df o rd i e l e c t r i cl o s sf a c t o rm e a s u r i n g , t h eh a r m o n i c a n a l y s i sm e t h o db a s e do nt h eq u a s i s y n c h r o n o u sa l g o r i t h mi sp r e s e n t e df o rd i e l e c t r i c l o s sf a c t o rm e a s u r i n g t h i sw a yc a nr e d u c et h ee f f e c to ff r e q u e n c yo s c i l l a t i n ga n d h a r m o n i c , a n dm e a s u r et h ed i e l e c t r i cl o s sr a t b e rs t a b l ea n da c c u r a t e m o r e o v e r , t h e v a l i d i t yo ft h em e t h o di sp r o v e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n a t t e n t i o ni sp a i dt os e l e c t p r o p e rs i g n a l t r a n s d u c e rw h e nc i r c u i ti si nc o n s i d e r a t i o n t h es i g n a ls o f t w a r e p r o g r a m m a b l e 磬i i na m p l i f i c a t i o na n df i l t e rc i r c u i t sa l ea p p r o p r i a t ed e s i g n e d , a n da 1 2 - b i t sh i g hp r e c i s i o ni n t e g r a t ea dd a t aa c q u i s i t i o nc a r di ss e l e c t e dt op r e d i g e s t d i f f i c u l t yo fp r o g r a m m i n g s o l u t i o n si nh a r d w a r ei n c l u d eam u f t i l a y e rs h i e l d i n g s t r u c t u r ea n dp r o p e rg r o u n d i n g so ft h ew h o l es y s t e m t h er e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o n s o f t w a r ew i t had a t a b a s ef u n c t i o ni sa l s oo f f e r e di n t u i t i v e l ya n ds t a b l y , ad i e l e c t r i cl o s s c a l c u l a t i n g s o f t w a r e u s i n gt h eq u a s i s y n c h r o n o u sm e t h o db a s e do nt h eh a r m o n i c a n a l y s i sm e t h o di sc o m p i l e d t h ea n a l y s i sr e s u l to ft h ep r e o p e r a t i o n a lf i e l dd a t as h o w t h a tt h ea c q u i r i n gd a t ao ft h ed e t e c t i n gs y s t e ma r es t e a d ya n dr e l i a b l e ，t h eo n - l i n ea n d o f f - l i n ed a t aa r eu l t i m a t e l yc o n s i s t e n t i tp r o v e st h a tt h i ss y s t e mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e n 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：x l p e c a b l e s i n s u l a t i o n , o n - l i n em o n i t o r i n g ，d i e l e c t r i c l o s s ， q u a s i s y n c h r o n o u sa l g o r i t h m ，h a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o d h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：亏i 分浞 签字日期： 抛6 年f f 月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重麽去堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：洛 签字日期：加红t f y j 沁 f 7 日 导师签名： 雕杠 签字日期：加鼻f f 月f7 日 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的学术背景和意义 高压电力电缆是输配电网络中的基础设备之一交联聚乙烯电力电缆( 以下简 称x l p e 电力电缆) 自1 9 5 7 年由美国g e 公司成功开发，因其与传统油纸绝缘电缆相 比不仅重量轻，制造工艺较简单，安装敷设容易，同时，有良好的电气性能和耐热 性能，传输容量大而且运行维护方便，因而在与传统油纸绝缘电缆的竞争中占据了 优势。7 0 年代以来，x l p e 电力电缆在我国得到迅速发展，已基本取代中低压范围内 常规油纸绝缘电缆，最近几年x l p e 电力电缆的应用已发展到2 2 0 k v 甚至5 0 0 k v 的高 压和超高压输电系统中。) ( l p e 电力电缆的广泛应用使其成为电缆行业极富潜力的主 要发展方向。 运行中的电缆由于机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、护套腐蚀、过电压以及过 热损害等原因，诱发故障从而影响其寿命。运行经验及研究表明，树枝状老化( 水 树枝、电树枝) 是) ( l p e 电力电缆绝缘破坏的主要过程。1 9 5 8 年，i e e e 首先报道了 高压聚乙烯电力电缆中生长电树枝放电通道的现象，继而又在潜水电机用低压聚乙 烯耐水线中发现了水树枝。随后人们相继发现聚乙烯电力电缆、交联聚乙烯电力电 缆的老化与其中的树枝化现象有密切关系。三十多年的研究结果发现，可以将树枝 的引发和发展过程典型化为四个阶段：引发期、成长期、饱和期和击穿前期。对运 行后产生树枝状老化电缆的实际解剖，以及在实验室中培养的树枝进行观察表明， 树枝产生的必要条件是存在一个极不均匀的局部场强。即不管是电树枝，还是水树 枝均起始于因毛刺、杂质或气隙而形成的电场集中处。引发以后的树枝在电场等因 素的作用下，逐渐扩展，最终导致电缆绝缘的破坏。也就是说，一旦电缆绝缘体中 产生了水树枝或电树枝，则绝缘强度下降，介质损耗增大，最终将导致击穿。 近2 0 年来，大量引进的6 6 2 2 0 k v 级和国产6 6 2 2 0 k v 级x i , p e 电力电缆已广 泛应用于城网送电系统中。尽管x l p e 电力电缆具有绝缘性质良好、稳定的特点， 但随着时间的推移，如今运行的6 6 k v 及以上高压的x l p e 电力电缆，有些已逐渐 进入电缆及其附件预期寿命的“中年期”，这也意味着将进入电缆故障的多发期。 由于x l p e 电力电缆的高电压等级、大容量等特点，一旦由于电缆缺陷导致发生电 力系统故障，再进行停电检修时，将带来很大的影响和经济损失。鉴于此，现在的 电力部门都要对电力电缆进行定期的、人为计划性的绝缘预防性试验，以确认电缆 绝缘系统的完好性和电缆继续运行的可行性。但是，绝缘预防性试验具有明显的不 合理性1 7 4 0 j ：第一，必须停电进行试验，这样往往造成供电中断；第二，不能根据 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 电缆绝缘状况有选择地进行试验，往往是对所有电缆都进行试验，结果使绝缘本来 完好的电缆经多次试验而导致电缆绝缘性能加速劣化；第三，试验时往往都要在电 缆绝缘上施加高于运行电压的高压，这会加速电缆绝缘的劣化。 对电缆绝缘进行在线监测，根据监测结果来决定是否需要对电缆的绝缘进行更 进一步检查和维修，这称为状态检修。进行状态检修不仅能够大大减少对绝缘完好 的电缆进行不必要的试验，节省试验开销、减少停电次数、降低不必要试验对电缆 绝缘的非正常损伤，更重要的是能够对电缆的绝缘进行连续的监测，及时发现问题， 减少突发事故的产生用【1 1 - 1 3 1 。此外，在线绝缘监测还能够建立电缆绝缘性能的历史 档案，并为电缆离线大修的决策提供基本数据。 因此，基于对状态检修基本概念的共识和x l p e 电力电缆广泛应用的现状，本课 题研究稳定有效的x l p e 电力电缆绝缘在线监测系统，应用后能及时发现电力电缆绝 缘缺陷，对保证电力系统的安全运行具有重要的理论和实际意义。 1 2x l p e 电缆的在线检测研究现状 电缆绝缘在线监测的研究工作起于上世纪8 0 年代，在世界范围内，日本是最先 开展研究的国家嗍【1 4 1 【堋。但到目前为止，研究工作多以交联聚乙烯电缆的绝缘电阻 在线监测和电缆中由于水树的存在而引起的直流电流的监测为主，被监测电缆电压 等级也比较低【1 6 l 。关于这两方面的监测技术已经开发了很长时间，有些也已经应用 到了实际电力系统中，但是并没有获得大面积推广使用。这两项监测技术在电力系 统应用的最大问题是需要改变电力系统的接线，而且，这种改造不仅仅涉及到待监 测的电缆，还涉及到电压互感器等电力系统的其它设备【1 9 】。这两项技术没有能够 在较高电压等级的电力系统获得应用的另一个原因是因为较高电压等级电力系统的 中性点是直接接地的。 对较高电压等级电力系统电缆的绝缘在线监测工作在国际上目前正在开展研 究，还没有比较成型的技术或设备可供直接使用，至于绝缘监测所检测的项目，目 前还没有确定的结论，但是，基本上集中在绝缘电阻、介质损耗、局部放电、直流 成分这四个方面闭。在国内，关于电缆的绝缘在线监测研究工作开展也比较早，但 目前基本上停留在l o k v 等级电缆上，监测项目也是以绝缘电阻和直流成分的监测 为主【1 州。x l p e 电力电缆在线检测技术的研究领域中，目前已经产生的方法主要有： ( 1 ) 直流叠加法：基本原理是在电磁式电压互感器的中性点接地处加一个低压 直流电压源，通过电磁式电压互感器的线圈将此直流电压叠加在原已施加了交流电 压的电缆的绝缘上，测量通过电缆绝缘层的微弱直流电流或其绝缘电阻来监测电缆 的绝缘状况【7 】【8 】1 1 4 1 1 2 1 - 2 6 1 。 ( 2 ) 直流成分法：由于电缆中水树枝的“整流效应”，对含有水树枝老化的电力 2 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 电缆，流过电缆绝缘层的交流电流便含有微弱的直流成分，检测出该直流成分即可 对电缆绝缘的劣化状况进行诊断1 1 4 1 1 1 7 1 【2 1 l 恻。研究表明，水树枝发展得愈长，直流 分量也就愈大，而且x l p e 电缆的直流分量与其直流泄漏电流及交流击穿电压间往 往具有较好的相关性。因此，当监测出电缆的直流分量增大时，常常说明水树枝的 发展、泄漏电流的增大，这样的绝缘劣化过程会导致交流击穿电压的下降 7 1 1 1 4 1 1 2 7 1 1 2 8 1 。 成功运用直流叠加法和直流成分法在线监测技术的关键，一是良好的抗干扰技 术，二是改进监测方法及适当的数据处理，以消除或削弱电缆护套绝缘电阻r s 和 电缆屏蔽接地化学反应电势e s 对在线监测的影响【2 1 】。在目前所提出的解决方法中， 是通过改接线，阻断干扰电流通路来解决这些问题的【1 7 - 1 9 2 1 。 ( 3 ) 低频叠加法：为避免直流微电流测量上的困难，可将7 s h z , 2 0 v 的低频电 压在线叠加在电缆绝缘上，在电缆接地线中串接入测量装置，以得到相应的绝缘电 阻值 7 1 。使用该方法需专用的7 5 h z 低频电源嘲。由于低频电流也是纳安级的，对测 量装置要求较高网，实现有一定困难。 ( 4 ) 局部放电法：通过对电缆主绝缘叠加高电压，对局部放电现象的起始电压、 熄灭电压、电荷量等进行测量，从而判断绝缘的老化状况。局部放电法是评价电力 电缆绝缘状况的最佳方法。但是电力电缆的局部放电信号微弱、波形复杂多变，难 以区分电缆的局放信号，因而工程中难以实现现场在线监测【狮1 1 。 ( 5 ) 绝缘介质损耗因素t a n6 的在线检测：介质损耗因数法利用电压互感器和 电流互感器分别提取施加于电缆上的电压和流过电缆绝缘中的电流，再通过数字化 测量装置测出电缆绝缘的介质损耗因数t a n6 。对电缆进行介质损耗因数在线监测 的原理如图1 1 。对多路电缆进行损耗因数巡回监测时，可以把各个电缆上所获得的 电流信号与从母线电压互感器处获取的电压信号的相位进行比较从而实现对所有电 缆的损耗因数进行监测i 1 4 】。 图1 1 电力电缆介质损耗因数的在线监测原理图 f i g 1 1 t h es c h e m a t i c d i a g r a m o f d i s s i p a t i o n f a c t o r o f p o w e r c a b l e o f o n l i n e d e t e c t i o n 3 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 一般认为，介质损耗因数往往反映的是电力设备或绝缘材料的整体性缺陷，对 于一个比较大的绝缘系统而言，系统中某处的个别较集中的缺陷不会引起整个绝缘 系统损耗因数的显著变化l s l 蠲。虽然电缆绝缘中水树枝的增长会引起损耗因数的增 大，但是分散性较大：同样在线测出损耗因数的上升可反映绝缘受潮、劣化等缺陷， 交流击穿电压会降低，但同样具有分散性 7 1 1 4 1 1 2 2 】。 据资料介绍，目前给出了在线监测t a n6 的参考标准【1 4 1 ，如表1 1 所示。 表1 1 在线监测t a n6 的参考标准 t a b l e l 1 1 1 幛r e f e r e n c e s t a n d a r d o f t a n d o f 0 1 1 一l i n e i n s u l a t i o n d e t e c t i o n i 参考标准如2 0 2 5 5 l 状态分析绝缘良好有水树枝形成水树枝明显增多 目前，x l p e 电力电缆的在线检测技术的现场应用仍然很欠缺，相关的行业标 准的欠缺是一个重要的原因。目前，列入行业标准的电力电缆的故障检测仪器只有 电缆故障闪测仪、电缆故障定点测试仪等用于预防性实验的设备。其次，基于状态 检测的在线检测技术的应用己成共识，但随之而来的在复杂的电磁环境中如何提高 测量的精度成为各种检测方法遇到的共同难点。大多数的检测方法都建立于保证较 高精度的信号测量的基础上，尤其介质损耗角的测量理想状态要求误差至多到0 1 范围之内，这就对信号测量的精度提出了很高的要求，这也是电缆h a n d 的在线检 测仍没有成熟产品出现的主要原因之一。另外，相对于其他更为敏感的电力设备而 言，由于电缆稳定的性质和较长的寿命，对电缆运行的关注较少，相关的运行数据 积累也较为欠缺。因为电缆故障检测的一些特征参量如绝缘电阻、介质损耗角正切 值r a n d 等与电缆故障之间的非线性关系，再加上环境因素变化的影响，使得电缆的 故障判断成为一个难点。 1 3 论文的主要内容 x l p e 电力电缆因其绝缘性质属于大电容电力设备，本文在电容型高压电力设 备t m l d 在线检测基本原理的基础上，结合电力电缆安装运行的具体工程实际，建立 一套x l p e 电力电缆介质损耗因素在线监测系统。x l p e 电力电缆绝缘性能优良， 介质损耗较一般电容型设备更小的特点，对检测系统的测量精度提出更高的要求。 本课题主要研究内容如下： 1 根据x l p e 电力电缆绝缘介质损耗检测的原理、特点和要求，研究x l p e 电 缆介损在线监测系统总体方案。 2 研究基于准同步算法的谐波分析的介损数字化测量方法，通过计算机仿真分 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 析其影响因数，验证其有效性。 3 在线监测系统硬件设计，根据检测系统的需要，对传感器、放大滤波和数据 采集等硬件单元进行合理的选择和设计，并根据现场的干扰特点，采取相应的抗干 扰措施。 4 在线监测系统硬件设计，合理的选择软件开发工具，编写功能较完善的数据 处理程序，使之满足监测的需要。 5 进行现场监测试验，对在线与离线测量的实验数据进行对比分析。 5 重庆大学工程硕士学位论文 2x l p e 电缆绝缘介质损耗在线监测原理 2x l p e 电缆绝缘介质损耗在线监测原理 2 1 电缆绝缘介质损耗测量的基本原理 介质损耗是作为绝缘材料的电介质在较高电压电场作用下，由于介质电导和介 质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失。介质损耗按其性质 可以分为漏导损耗、极化损耗和局部放电损耗三种基本的形式。介质损耗会使绝缘 温度上升，促使绝缘材料老化，温升严重时会导致绝缘的热击穿而失去绝缘性能。 可见，介质损耗的大小是衡量绝缘性能的一个重要指标。 高压电容型电器设备是指绝缘结构可以一系列电容串连来等效的设备。x l p e 电力电缆作为电力系统典型的大电容的电容型设备，其绝缘结构可等效表示为电容 与电阻的并联( 或串联) 电路，如图2 1 所示( 并联等效电路) 。 如图2 2 所示的向量图，介质损耗因数定义为叠加于电缆主绝缘上的系统电压 与流过主绝缘的泄漏电流的夹角由的余角8 的正切值r a n d ，r a n d 是反映绝缘介质损 耗的特征参量，是评价设备绝缘性能的重要指标。t a n8 只取决于绝缘的介质特性， 而与绝缘材料的尺寸无关。测量绝缘整体的介质损耗角正切值可以较好的判断设备 整体的受潮和劣化变质等缺陷以及发展性的局部缺陷。 图2 2x l p e 电缆绝缘等值相量图 f i 9 2 2 t h e e q u i v a l e n t v e c t o r d i a g r a m o f x l p e c a b l e i n s u l a t i o n 6 重庆大学工程硕士学位论文2x l p e 电缆绝缘介质损耗在线监测原理 在绝缘性能良好的情况下，x l p e 电力电缆绝缘的体积电阻的数量级可达1 0 1 4 q m 即r 1 o 犯电缆绝缘可看作一组电容的串联。 c 图2 3 存在缺陷时的等值电路 h 9 2 3 t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f e x i s t e n c e f l a w 当主绝缘存在局部缺陷时，r 减小从而不可忽略。参见图2 3 所示的有缺陷时 的等效电路，当出现局部缺陷时，有局部的t a n 6 p - v o , c r ，令h c c o ，有设备整 体在出现局部缺陷时的t a n6 增量为： a t a n 6 t 竺生：( 2 - 1 ) l + h + t a n 当电缆主绝缘发生整体受潮时，图2 1 中的绝缘电阻r 减小为r ，有设备整体 的t a n6 增量为： a t a n 6 。偿一三1 上 ( 2 2 ) 屁矗w c 可见，电缆在无缺陷的情况下，t a n6 一般较小：当出现局部或整体缺陷时，在 保证测量精度的条件下，a t a n 6 可以比较灵敏的反映出电缆主绝缘的绝缘状况。 2 2 影响t a n6 在线检测精度的主要因素 影响t a n6 在线检测精度的因素有很多，主要可分为测量系统外部的干扰和测量 系统本身精度和固有误差两个方面。 夺外部干扰主要有； 1 现场的各种电磁干扰 在现场复杂的电磁环境中，充斥着诸如线路的电晕信号、相邻设备的电场干扰 和局部放电信号、电力系统内部的高频保护和载波信号等多种干扰信号。按其波形 特征可以分为：连续的周期性的干扰信号，主要有电力系统的高频保护和载波通 信信号，系统外的无线通信信号和电网电压的高次谐波分量；非周期性的脉冲干扰 信号，主要有线路直接注入的电晕信号，其他设备的局部放电信号、硅整流信号。 周期性干扰信号是在线检测中影响精度的主要因素之一。 2 系统频率的波动 7 重庆大学工程硕士学位论文2x l p e 电缆绝缘介质损耗在线监测原理 电力系统相关规程规定，系统频率一般可以在5 0 h z 土0 2 h z 的范围内波动。 频率的波动将直接导致数据采样过程中同步采样被破坏，并引起如谐波分析法、正 弦波参数法等t a n6 计算算法中的误差。 3 环境因素的影响 环境温度对在线监铡的介损测量结果有较大的影响，主要体现在温度、湿度等 对x l p e 电力电缆t a n6 的影响。对于一个绝缘良好的设备，实测表明，在线检测其 t a n6 的结果仍会呈周期性的变化，其原因主要在于电流传感器的变送特性随温度变 化而变化。因而对于设备的t a n6 的检测值的分析和判断，要与环境条件相结合，不 能孤立的由t a n6 的数值判断其绝缘的状况。 测量系统本身精度和固有误差的影响体现在： 1 电流传感器和电磁式电压互感器( 踊的固有角差 作为信号采集装置的首要环节，能否获取真实稳定的原始信号是在线检测系统 研究中十分关键的一步。电流传感器一般具有一定的角差，而电磁式p t 在提取电 压信号时，以0 5 级p t 为例，允许的角差变化范围为2 0 ，。因此，角差成为影响 t a n5 在线检测的主要误差之一。其中电流传感器的角差应主要考虑角差的温度稳定 性，而p t 的角差变化主要由二次侧负载的变化引起。具体应对方法是在尽可能提 高传感器角差稳定度的基础上，测定角差平均值，利用软件进行补偿。 2 检测系统本身电子电路产生的噪声干扰 检测系统a d 采样转换、放大、滤波等环节的硬件电子电路在工作状态下会产 生符合正态分布统计规律的随机噪声信号并被叠加在有用信号中。对于噪声的影响 将运用离散小波变换的方法进行消噪处理 3 数据采集卡a d 转换的量化误差 被采样的模拟信号进入数据采集卡，由a d 芯片完成对模拟信号的离散、量化 为数字信号。a d 的数字化过程是由一定位长的二进制数码来表示一定的电压值， 在信号输入的u 血州。范围内，连续的输入电压信号只能由有限个二进制数码来 表示，从而存在量化误差。对于一个正弦信号，量化误差体现为相角误差和幅值误 差。 2 3 介质损耗因数测量技术分析 介质损耗因数t a n6 测量要求精度高，一般要求具有万分之几的分辨能力，而 且受各种因素影响，所以准确测量具有比较大的难度。经过多年的研究，出现了各 种各样的测量方法。具体的测量技术归纳如下： 测量t a n6 的传统方法有电桥法和瓦特表法1 3 2 - 3 4 。这两种传统测量方法的优缺 点 3 5 - 3 大家已比较熟悉，在此不再详述。 8 重庆大学工程硕士学位论文 2x t a ：) e 电缆绝缘介质损耗在线监测原理 随着微电子技术和计算机技术的发展，损耗因数测量技术和测量设备有很大进 步。具体表现为：自动化程度高、测量时间短、可以使用数字调零、能进行自校正 和补偿、抗干扰能力强、测量精度高、小型轻便。新的测量损耗因数的方法主要有 数字式自动平衡电桥法、过零时间差法、余弦部和正弦部分离测量法、过零电压比 较法和谐波分析法。 数字式自动平衡电桥法阳是发展较快的一种t a n6 测量方法，它仍然采用零值 比较法原理，与西林电桥法所不同的是它不是采用普通的阻抗比例臂，而是采用了 变压器比例臂，这样做更有利于实现测试过程的自动化。虽然这种方法的测量速度 快，比西林电桥法的重复性好，稳定性高，但是这种方法的硬件实现都是十分复杂 的模拟电路，为了提高测量精度，只有改进模拟电路和所用元件的质量，如使用高 精度低温漂运算放大器，采用特殊的测量电路和补偿电路等，但这样做能达到的精 度仍是有限的，成本却大大提高。 过零时间差法刚吲p 田【3 9 j 是一种将相位测量转变为时间测量的方法。在这种方法 中，从被试品上取得的电压和电流信号，经过滤波、限幅放大、过零比较及后续逻 辑处理电路，可以将电压，电流信号之间的相位差转变为数字脉冲的个数，并通过 计数而测量出电压、电流信号之间的相位差，从而计算出t a n8 。该方法具有测量 分辨率高、线性度好、易数学化的优点。但误差因素对测量结果影响很大，从而限 制了这种方法的应用。其中最重要的误差原因是由于零线漂移和波形畸变而导致信 号过零点偏移 3 1 3 1 4 1 。 实、正弦部分离法1 3 4 p 7 l 是一种基于电压一电流法测量阻抗特性的t a n6 测量方 法。这种方法需要提供一个参考向量信号，并要求这个参考向量信号的相位能够事 先已知，然后，以这个参考向量信号为基础，利用硬件或软件对流经被试品的电流 信号及被试品上的电压信号的实、正弦部进行分离或计算，测量或计算电流、电压 信号与参考信号之间的相位差，并最终根据参考信号的相位，测量或计算出被试品 的损耗因数。 谐波分析法 3 4 - 3 5 4 2 4 4 是一种基于傅立叶分析的t a n6 测量方法，其基本原理 是：对加在被试品上的电压信号和流经被试品的电流信号按等间隔进行同步采样， 将采样得到的电压、电流数据存储于计算机的内存中，然后，对电压、电流数据进 行谐波分解，求出基波电流信号与基波电压信号之问的相位差，最后再根据这个相 位差与介质损耗角之间的关系求出介质损耗角。这种测量方法基于三角函数的正交 性，电压、电流数字信号经傅氏变换求解后，基波不受高次谐波和零漂的影响，克 服了由硬件分析检测时的抗干扰能力差、波形畸变等缺点，提高了测量精度和系统 的稳定性，其硬件实现简单，可实现连续测量。 由以上分析可知，介质损耗测量技术发展趋势是从传统的电桥技术向数字化测 9 重庆大学工程硕士学位论文 2x l p e 电缆绝缘介质损耗在线监测原理 量技术发展，谐波分析法由于自动化程度高、抗干扰能力强、硬件实现简单，是其 中非常好的一种方法。 2 4 本文采用的数字化t a n6 测量的总体方案 x l p e 电力电缆按其绝缘性质属于容性设备，对x l p e 电力电缆介损因数进行 在线监测将建立在容性设备介损因数在线检测的基本原理的基础上，并体现出 x l p e 电缆介损因数在线检测的特点。具体来说，体现在硬件系统接线上的差异、 对传感器系统的要求( 单匝穿芯式) 、对测量精度的要求等。尤其对于x l p e 电缆在 绝缘良好的状态下，其介损值要比一般容性设备小一个数量级( 2 0 0 c 5 0 i k 时为 0 0 5 左右) ，为了能够比较准确的测量绝缘良好状态下的x l p e 电缆的介损，必须 提高系统的测量精度，本文将重点围绕测量过程中的抗干扰技术展开。 根据容性设备介损在线监测的基本原理，本文提出了x l p e 电缆介损在线监测 系统的总体方案，其原理结构图如下： ， 工业嗍l 负荷侧 ( 测定竭i ) 图2 4x l p e 电缆介损在线监测系统的总体方案图 f i 9 2 4 t h e o w m a l ls c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e d i e l e c 缸i c l o s s o l l 一l i n e m o n i t o r s y s t e m f o r t h ex l p ec a b l ei n s u l a t i o n 电压信号取自电压互感器，经过电压传感器隔离降压获得，电流信号取自电缆 的屏蔽层接地线，采用单匝穿心式传感器获取信号，在不改变电力系统接线方式的 前提下实现对电缆绝缘的在线监测。这可避免与被测系统有直接的电气联系，从而 重庆大学工程硕士学位论文 2x l p e 电缆绝缘介质损耗在线监测原理 保证测试装置的电气安全性。在硬件方面设计放大滤波电路对信号进行放大滤波处 理，对于己有的硬件系统采用完善的屏蔽和接地措施提高抗干扰性能。采用p c 工 控机作为系统核心，对d 卡采集的数据进行处理，并采用基于准同步算法的谐波 分析法来提高系统测量的精度、稳定性和抗干扰能力。最后通过显示屏将监测的结 果显示出来，以便操作人员进行判断。 2 5 本章小结 本章阐述了电缆介质损耗测量的基本原理，对影响介质损耗检测精度的影响因 数进行了讨论分析，并对比现有的一些数字化介质损耗测量的优缺点，选用自动化 程度高、抗干扰能力强、硬件实现简单的准同步谐波分析法作为本文研究的介损计 算方法，并给出了本文的x l p e 电缆介损在线监测系统的总体方案 重庆大学工程硕士学位论文3 基于准同步算法的谐波分析法研究 3 基于准同步算法的谐波分析法研究 谐波分析法i 4 3 4 5 1 测量t a n6 的基本原理是：对加在被试品上的电压信号和流经 被试品的电流信号按等间隔进行同步采样，将采样得到的电压、电流数据存储于计 算机的内存中，然后对电压、电流数据进行谐波分解，求出基波电流信号与基波电 压信号之间的相位差，最后再根据这个相位差与介质损耗角之间的关系求出损耗因 数值。要准确应用谐波分析法进行损耗因数测量计算，如何进行正确的数据处理至 关重要，而如何正确得到电压、电流的数据就更是重中之重。 3 1 谐波分析法 3 1 1 基本原理 设，( t ) 是一个基波频率为f o 的周期性交量，那么该周期性变量可以用傅氏 级数表示为1 4 5 1 巾) - 4 0 + a nc o s ( 切和) + 吒s i n ( h 哪) 一a o + 4 咖( h 晡+ 识) ( 3 1 ) 式中，为直流分量，巳，乜分别是第n 次谐波的余弦部和正弦部的幅值，它 们统称为傅立叶系数，这些傅立叶系数由下式求出： ”瓤，( f 皿 ( 3 2 ) 瓤巾) c o s ( 撕露净( 3 - 3 ) 丸瓤巾) s i n ( 撕席陟( 3 - 4 ) 其中，t 为，( t ) 的周期。 在实际检测过程中，获取的是施加在绝缘上的电压和电流信号，电压信号表示为 屹( f ) ，电流信号表示为w ( t ) ，那么，这两个信号可以由以下公式描述： k ( t ) - a 。+ 如s i n ( 撕印+ 九) l = i a x 。+ 荟 s ( 撕席) + ks i n ( 2 蛔盘) 】( 3 - 5 ) k ( f ) i 口r 。+ 三as i n ( 撕缸+ 九) 一以。+ 荟i a r tc o s ( 撕缸) + ks i n ( 2 蛔口) ( 3 一回 重庆大学工程硕士学位论文 3 基于准同步算法的谐波分析法研究 式中，兀为基波频率，q 。和口，。为直流分量，如及a 为k 次谐波幅值，九及 丸为k 次谐波的初相位，分别为 九_ 删衄 九。( 嚣) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 其中，及为i 【次谐波分量的余弦部幅值，k 及6 睹为k 次谐波的正弦部幅值。 那么，基波频率下介质损耗角可以表述为 拶。考一( 诈一呔- ) ( 3 - 9 ) 则 t a n 6 - c t a n ( 拜。一九) ! ：! ! ：l 堡垒! 口，1 也l - a ，a l 假如在一个基波周期t 内，取采样间隔 f 。三上 ( 3 z o ) f 3 1 1 ) 周期函数一周期得到一组离散的采集值，( 缸) ，七- o ，1 ，一1 ，则、也。及 印，可由以下公式求出： 一号薹嘶c o s ( - 7 ) ( 3 1 2 ) k 百2n 磊- ! 魄) s i n ( 警) ( 3 _ 1 3 ) 一万2 盏b - i kk ) c o s ( - - 7 ) ( 3 - 4 ) 万2n 磊- 1 巧( 气) s i n ( 警) ( 3 1 5 ) 所以，只要由计算机采到k ( f ) 及k ( f ) 信号，求出其基波的余弦部和正弦部的 幅值，就可以得到对应于基波的r a n d 。这就是利用谐波分析法测量t a n r l 的基本原 理。 3 1 2 预处理电路附加相位差的消除 在被测信号进入a d 转换器之前，一般要经过滤波等预处理电路，这些电路 会产生附加相位差。如果两路信号的预处理电路附加相位差相等，则不会影响测量 结果，但两个预处理电路性能是不可能完全一致的，它们的附加相位差也不相同， 所以就会产生测量误差，而且，在长时间内这种附加相位差是不固定的，是随着元 件老化等因素变化的。但是，在每次测量的很短时间内，这种误差可以认为是固定 重庆大学工程硕士学位论文 3 基于准同步算法的谐波分析法研究 的，依此，可想办法消除这种误差【牡剐。对于以上两种信号，经过滤波后产生附加 相位误差，两路信号分别为 k ( f ) 。q 。+ 荟如s m ( 致石豇+ 丸+ 丸) k ( f ) - - a r o + 荟如s 血( 2 蛔口+ 九+ a 以) ( 3 - 1 6 ) ( 3 一1 7 ) 式中：a 九及九为附加相位差，此时，损耗因数角为 t 弛6 - c t a n ( 谚，+ 谚。) 一( 兜，+ 兜，) 】 毪牌 ( 3 1 8 ) ， 、， a r l q l 一d ，1 通过数值求积公式可求出、4 ，j 、“、6 ，j ，进而求得t a n c f 。 为了消除预处理电路的附加相位差，在测量前，将一个信号同时加到两路测量 电路上，这时两路信号分别为 圪( f ) 一q 。+ 荟如s m ( 撕o t + 丸+ 丸) ( 3 - 1 9 ) k ( f ) 一口r o + 荟a s i n ( 2 跏厅+ 九+ a 丸) ( 3 2 0 ) 此时 t a n 6 。- c t a 咀( 佴l 一九1 ) - 鼍哗 o - 2 d # f f a r l l a x ld ，1 通过数值求积公式可求得。、n ，。、b 8 及印，。，进而求得t a n d - ，所以，我们希望 得到的实际的t a l l6 可由下式求得： t a n 6 一c t 姐( 癖。一九) 一c t a n ( 舞- + 诈- ) 一( 屯。+ ) 】一( 弹1 - - 丸。) ) 一罴格( 3 - 2 2 )。再i 万面 由分析可以看出，这种方法的基本思想是一种自校准过程，通过自校准消除仪器内 部的附加相位差的影响。 3 2 准同步算法 由以上分析可知，谐波分析法测量损耗因数的过程实际上可以转化为测量基波 余弦部和正弦部的幅值问题，计算过程是一种求均值运算。其原理就是把时域信号 变换到频域上，这样就相当于把数据样本通过一个梳状滤波器，各滤波器的中心频 1 4 重庆大学工程硕士学位论文3 基于准同步算法的谐波分析法研究 率恰好是各次谐波的中心点，理论上只要满足这一条件就能保证准确测量各次谐波。 然而在实际中采样频率存在的偏差以及电网频率的波动都会使采样不同步，结果使 得各次谐波的中心频率不能正好出现在滤波器的中心点上，即通常称为栅栏效应。 对周期信号采样的非同步性，不可避免地造成频谱泄漏现象，从而造成基于 d f t 变换的测量高次谐波的不准确。为消除频谱泄漏现象，通常采用加窗函数的方 法嗣，如海明窗、汉宁窗、布莱克曼窗等，但是从仿真结果来看这几种窗函数处理 精度并不是很高。准同步算法 4 s l i 4 9 - s 1 】能够有效地解决这一问题。准同步算法是在采 样周期偏差不大的情况下，用适当增加数据量和采用新算法的方法得到某一周期函 数平均值的高准确度估计的方法。 3 2 1 算法简介 准同步算法与同步算法都采用等间隔采样，并且都希望实现整周期采样，它们 的主要区别在于对采样数据进行处理时采用的方法不同。假设同步采样和准同步采 样都在r e ( m 1 ) 个周期上进行，从数据处理方法上看，同步采样是先在各个周期上 单独计算一次，然后再求一次平均，准同步算法则采用初值滑动多次计算即多级递 推运算，运算时间比同步算法长一些；从数据处理效果看，准同步算法的误差一般 比同步算法的误差小很多嗍。准同步采样原理的最大特点是去掉了同步环节，利用 增加每周期的采样点数和增加采样周期，并采用相应的算法进行数据处理，它很好 地解决了同步误差对测量准确度的影响问题。在采样过程中，通过适当增加采样数 据量，在满足一定条件下可采样3 个以上周