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介质损耗角检测系统的研究与设计

1.1 介质损耗及介质损耗角
对于电容型绝缘设备, 经过对其介电特性的监测, 能够发现尚处于早期发展阶段的缺陷。反映介电特性的参数有介质损耗角正切, 电容值和电流值I, 是设备绝缘的局部缺陷中, 由介质损耗引起的有功电流分量Ir 和设备总电容电流Ic之比[3], 它对发现绝缘的整体劣化( 例如, 绝缘均匀受潮) 较为灵敏, 而对局部缺陷( 即体积只占介质中较小部分缺陷和集中缺陷) 则不易用测方法实现。
1..1介质损耗的概念
电介质在电场作用下( 加电压后) , 要发生极化过程和电导过程[4]。有损极化过程中
有能量损耗; 在电导过程中, 电导性泄露电流流过绝缘电阻当然也有能量损耗。损耗程度一般用单位时间内损耗的能量, 即损耗功率表示。电介质出现功率损耗的过程称为介质损耗。
显然, 介质损耗过程随极化过程和电导过程同时进行, 换句话说, 由于极化、 电导过程的存在才有损耗过程。电介质损耗掉的能量也就是电能全部转变成了热能, 使电介质温度升高。若介质损耗过大, 则电介质温度将升的过高, 这将加速电介质的热分解与老化, 最终导致绝缘性能的完全失去。
1.2 介质损耗的基本形式
( 1) 电导损耗是由泄露电流流过电介质而引起的损耗。
( 2) 极化损耗是由有损极化引起的损耗。
( 3) 游离损耗是气体间隙的电晕放电以及液固体电介质内部气泡中的局部放电所引起的附加损耗。
由于电介质的极化, 电导过程很微弱, 因此气体电介质的介质损耗是极小的, 可是液体固体电介质在运行过程中的介质损耗就不能忽略。在直流电压作用下, 液体固体电介质的电导损耗占主导, 其余可忽略; 在交流电压作用下, 极化损耗就不能忽略。
1.3 介质损耗角
介质损耗角是在交变电场下, 电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角( 即功率向量角ø) 的余角δ, 简称介损角[5]。如果取得试品的电流向量和电压向量, 则能够得到向量图:

图1.1 介质损耗角等效电路及电路图
介质损耗角( 介损角) 是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。介损角的变化可反映受潮、 劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷, 因此测量介损角是研究绝缘老化特征及在线监测绝缘状况的一项重要内容。而在实际测量中, 由于介损角很小, 因此需要测量系统有较高的测量精度, 这样才能正确及时地反映介损角的变化。人们一直在研究介损角测量方法, 每种方法都有其自身的特点。随着电子工业及计算机的迅速发展和广泛应用, 数字化测量手段涌现出来, 而且其运用的各种算法也有很多。数字化测量方法求取介损角即对电压、 电流信号进行数字化采样后在经过一定的算法求出介损角。当前工业上常见的算法是基波相位分离法。
1.4 介质损耗检测的意义及其注意问题
( 1) 在绝缘设计时, 必须注意绝缘材料的值。若值过大则会引起严重发热, 使绝缘加速老化, 甚至可能导致热击穿。而在直流电压下, 较小而可用于制造直流或脉冲电容器。
( 2) 值反映了绝缘的状况, 可经过测量=f()的关系曲线来判断从良状态向劣化状态转化的进程, 故的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目。
( 3) 经过研究温度对值的影响, 力求在工作温度下的值为最小值而避开最大值。
( 4) 极化损耗随频率升高而增大, 特别电容器采用极性电介质时, 其极化损耗随频率升高增加很快, 当电源中出现高次( 如3次、 5次) 谐波时, 就很容易造成电容器绝缘材料因过热而击穿。
( 5) 用于冲击测量的连接电缆, 其绝缘的必须很小, 否则所测冲击电压经过电缆后将发生严重的波形畸变, 影响到测量的准确性。

2 介质损耗角检测的方法
2.1电桥法
电桥法历史悠久, 具有较高的灵敏度。典型代表是西林电桥[7]。用交流电桥平衡
时, 比较桥臂阻抗即可得到被测参数。
电桥法的优点是较准确, 可靠。可是要求比较严格, 工艺烦琐, 而且监测前要对低压桥臂( R3、 C4、 R4) 进行调整, 使G指向零点, 因此增加了操作的复杂性。
2.2 伏安法
基本原理是根据被测试品的端电压向量和流过被测试品电流向量之比, 可得到被测试品的阻抗向量, 根据Zx的实部和虚部, 进一步计算求得介质损耗。
2.3 自由轴法
自由轴法测量介损角的原理图如图2.1所示。
U4 US

U2 Ux
U3 U1
图2.1 自由轴法测量介损角原理图
由于US的相对位置以及它们的模不变, 因此是固定的。用软件方便实现对向
量在X轴、 Y轴数据上的采集, 硬件构成简单, 使复杂的测量系统简单化, 便于实现。使用这种方法明显优于电桥法。但由于影响电力设备介质损耗角的变化的因素有很多, 例如: 温度、 频率、 电压等, 而且波形不准、 外界电磁场的干扰、 元件的误差都会造成测量不准。因此要增加许多措施来减少这些误差。
2.4 相位差法
利用采样电路测出电流和电压的过零点, 经过逻辑转换形成一定宽度的时间信号, 而且脉冲宽度反映相位差, 最后经过测量方波的宽度来求出试品的介损值。相位差法的原理图如图2.3所示。
U(t)
I(t)

t

t

t

t
图2.3 相位差法原理图
相位差法在国内应用比较广泛, 其优点是不更改设备的运行情况, 直接测出,
可是利用相位差法测量的过程中, 误差来源多, 如频率的变化有可能造成很大误差, 电压互感器引起的固有相差、 信号中谐波的影响、 两路信号在处理过程中存在时延差、 整形波形引起的误差, 而且还有温度等其它外界因素都可能引起误差, 因此这种方法对电子器件的要求较高。
2.5 过零点电压比较法
过零点电压比较法的抗干扰能力加强, 可是它所要求的条件十分苛刻。两个正弦波的相位差要小; 两个正弦波的幅值要相等; 两个正弦波的频率要相等; 两个正弦波的谐波分量要相等; 测量时要将电压向量移相。
2.6 基波相位分离法
基波相位分离法实现起来硬件电路简单, 采样点数越多的, 测量精度越高, 同时克服了一般测量中高次谐波干扰带来的影响。可是这种方法要求电压、 电流这两路信号采集的同时性, 而且必须保证在一个共频周期内均匀采集到整数个点( 即电压、 电流信号周期必须是采样间隔的整数倍) , 如果达不到, 则会引起较大误差。因此在此法的基础上引进一种新的算法——即采用等时间间隔对电压、 电流信号进行采样, 同时对信号周期波动产生的误差进行补偿, 也就是非同步采样算法。
2.7 介质损耗角的异频检测
异频检测是由国外引进的一种新的抗干扰方法。其原理是在介质损耗测量过程中, 试验电源频率偏离干扰电源频率( 主要是共频电源的干扰) , 经过频率识别或滤波技术, 排除干扰频率的影响。
3介质损耗角检测系统的设计
3.1 系统的总体结构
基于以上测量原理, 本文采用虚拟一起的结构形式构成介质损耗角检测系统[11-14]。此系统总共分为五个环节: 信号采集、 信号处理、 信号传输与通信、 测试数据分析与判断、 测试结果显示与数据管理。
见图3.1所示。
信号
采集
信号
处理
信号
传输
数据
处理
数据
显示

图3.1 介质损耗角检测系统总体结构
3.2 信号采集
信号采集是整个测试系统的基础, 信号的采集与检出大多用传感器来实现。
3.3 信号处理
原始信号经过某种方式提取后, 一方面不可避免地含有噪声、 干扰等, 这会影响测试系统对被测信号的分析判断结果; 另一方面需要转换成其它信息才能用于分析判断, 因此在进行数据分析判断之前要对信号进行相应的处理。
信号处理指从传感器得来的信号进行变换、 放大、 滤波、 调制/解调、 模/数和数/模转换、 识别、 估值等加工处理, 以便削弱信号中多余、 无用分量并增强信号中有用分量, 或将信号变换成某种更希望的形式, 提取需要的特征值, 从而全面、 准确地获取有用信息。
在本系统中, 信号狐狸主要是对信号进行信号消噪。从传感器得来的信号往往很微弱, 并常常混有噪声。如果这些噪声处于有用信号之外, 则能够用模拟滤波器予以消除。如果噪声是与信号频谱交叠的弱信号, 能够考虑用取样积分等方法来提取有用信息。信号处理的根本目的是提高信噪比。
3.4 信号传输与通信
信号传输与通信主要完成测试系统装置间或测试装置与其它环节间的信息传输。在这里主要是测试装置与计算机之间的传输、 网络传输。在本测试系统中, 虚拟仪器中硬件采用PCI卡式虚拟仪器, 用来获取处理后的信号。PCI( peripheral component interconnect) 外部设备互连总线, 是一种即插即用的总线标准, 采用地址/数据总线复用方式, 最高总线时钟可达66 MHz, 最高峰值传输速度可达528 MHz。PC上的PCI总线以33 MHz的时钟频率操作, 采用32位数据总线, 数据传输速度可达132MB/S, PCI总线是一种自动配置的总线, 即居于完整的即插即用( plug & play) 功能。
3.5 数据分析与判断和数据显示
在此检测系统中, 运用美国NI公司研制开发的虚拟仪器软件LabVIEW来实现对信号数据的处理和分析以及最后的数据显示。具体处理方法见第六章。
结论
经过以上的介绍和分析, 可得到以下结论:
( 1) 经过基波相位分离法能够有效的消除直流分量和谐波分量的影响, 得到基波分量的幅值和相位信息。
( 2) 非同步采样补偿算法很好的解决了基波相位分离法对于被测信号必须是采样信号周期的整数倍的苛刻要求, 在增加较少运算量的同时提高的测量精度。