李永騰，張仕勇，張曉波，阮浩杰，陳 炯

(1.寧波北侖供電局生技科，浙江寧波 315800;2.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200093)

介質(zhì)損耗測(cè)量作為評(píng)估絕緣老化狀態(tài)的手段在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用.通過測(cè)量介質(zhì)損耗，可以判斷出電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)是否良好.因此，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備介質(zhì)損耗的精確測(cè)量具有重要的意義［1-3］.

目前，0.1 Hz超低頻交流耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)解決了直流耐壓試驗(yàn)在絕緣中形成空間電荷的問題，而且試驗(yàn)容量小，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用.為了使0.1 Hz超低頻交流耐壓試驗(yàn)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)絕緣的檢測(cè)，還能對(duì)絕緣的老化狀態(tài)作出判斷，這就需要對(duì)絕緣材料在0.1 Hz超低頻試驗(yàn)電壓下進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量.但是在0.1 Hz超低頻率下，介質(zhì)的主要損耗為電導(dǎo)性損耗，所以此時(shí)已經(jīng)沒有能夠作為無損耗元件的損耗基準(zhǔn)可供使用，而原來以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容為一個(gè)橋臂的電橋法均已失效.因此，在實(shí)際中對(duì)0.1 Hz超低頻下進(jìn)行介質(zhì)損耗的測(cè)量時(shí)不能使用傳統(tǒng)的電橋法.

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，介損測(cè)量的新方法主要有:數(shù)字式自動(dòng)平衡電橋、實(shí)部和虛部分立法、數(shù)字采樣波形分析法及過零時(shí)間差法，但是這些方法在實(shí)施的過程中易受外界的干擾且系統(tǒng)器件容易出現(xiàn)誤差.本文采用諧波分析法測(cè)量0.1 Hz頻率下的tanδ是一種較理想的介質(zhì)損耗正切測(cè)量方法，其突出優(yōu)點(diǎn)在于不受高次諧波和零漂的影響，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的穩(wěn)定性及測(cè)量精度，而且設(shè)備輕，易于實(shí)現(xiàn).

1 介質(zhì)損耗測(cè)量系統(tǒng)原理

介質(zhì)損失角正切(tanδ)是指加于介質(zhì)上的電壓U與電流I的夾角φ的余角δ的正切，所以0.1 Hz介質(zhì)損失角正切(tanδ)的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是通過測(cè)量電壓和電流經(jīng)過零點(diǎn)的時(shí)間差來計(jì)算tanδ的值，其計(jì)算原理如圖1所示.圖2為0.1 Hz介質(zhì)損失角正切(tanδ)的測(cè)量原理.

圖1 tanδ值的計(jì)算原理

圖2 tanδ的測(cè)量原理

由圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量原理為:首先，利用Co與分壓器R1和R2上的電壓降來提取流經(jīng)試品CX上的電流I和電壓U，并將電流IX和電壓U0信號(hào)通過低通濾波器，濾除高頻和工頻干擾信號(hào)，再利用限幅放大器將信號(hào)放大，并確保信號(hào)小于后續(xù)的ADC輸入信號(hào)的最大值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試單元在過壓和過流情況下的保護(hù);然后，在ADC采樣單元中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并在采樣過程中確保電流IX和電壓U0的同步采樣，從而消除因異步采樣帶來的系統(tǒng)測(cè)量誤差;最后，利用單片機(jī)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)同步諧波分析處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)tanδ的準(zhǔn)確測(cè)量.

2 準(zhǔn)同步采樣原理

在信號(hào)的提取過程中，存在一些隨機(jī)的干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)可通過求平均值的方法進(jìn)行濾除.但對(duì)于低頻信號(hào)來說，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多周期采樣需要很長(zhǎng)的時(shí)間(如10個(gè)周期的采樣需100 s).為解決這一問題，本文采用準(zhǔn)同步算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)平局波形的提取，該算法可以充分利用所得的電壓波形數(shù)據(jù)得出平均電壓波形，其原理如圖3所示.

圖3 準(zhǔn)同步采樣原理

準(zhǔn)同步算法的數(shù)據(jù)處理過程為:首先，對(duì)被采集的信號(hào)進(jìn)行有限次的采集(圖3中為3個(gè)周期)，由于其為周期信號(hào)，故對(duì)其進(jìn)行N(每周期的采樣點(diǎn)數(shù))次處理，并計(jì)算出第一次處理后的電壓波形;然后，依次計(jì)算，直至最后剩下1個(gè)電壓波形.從上述的數(shù)據(jù)處理過程中可以看出，原來只有3個(gè)周期的數(shù)據(jù)，通過準(zhǔn)同步算法得到3N次，這使得采集的數(shù)據(jù)得到充分的利用.其計(jì)算公式為:

式中:f0——波形頻率;

Ts——采樣周期;

W——采樣數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);

N——單個(gè)周期的采樣個(gè)數(shù);

ΔT——周期偏差，ΔT=T0－NTs;

rn——衰減因子;

A0——直流分量.

3 準(zhǔn)同步諧波分析法

3.1 諧波分析法原理

目前，對(duì)于介質(zhì)損耗的測(cè)量方法有很多，其中諧波分析法由于其良好的抗干擾能力得到了廣泛的應(yīng)用［4-7］.諧波分析法［3］是指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 FFT變換，提取基波分量，從而消除諧波對(duì)測(cè)量精度的影響.對(duì)上述電壓波形和電流波形進(jìn)行的傅立葉變換如下:

由此可知，試品的介質(zhì)損耗為φxk和φrk兩者差值的正切值:

由此可知諧波分析法的原理為:首先對(duì)電壓波形和電流波形進(jìn)行FFT變換，然后利用ax1，ar1，bx1，br1計(jì)算出相應(yīng)的基波系數(shù)，最后計(jì)算出tanδ.

3.2 準(zhǔn)同步諧波分析法的數(shù)據(jù)處理過程

根據(jù)準(zhǔn)同步采樣原理和諧波分析法原理，對(duì)于采集的數(shù)據(jù)處理過程如下:首先，根據(jù)測(cè)量的精度選擇采集周期數(shù)m，并利用準(zhǔn)同步采樣原理，計(jì)算出準(zhǔn)同步算法的衰減因子rn，同時(shí)計(jì)算出通過準(zhǔn)同步算法處理后的平均波形數(shù)據(jù)Fm;然后，進(jìn)入諧波分析法計(jì)算，對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行FFT變換，提取基波信號(hào)，并計(jì)算出ar1，ax1，br1，bx1;最后，利用介質(zhì)損耗公式計(jì)算出tanδ.

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量原理和數(shù)據(jù)處理過程的分析可以看出，準(zhǔn)同步采樣法對(duì)有限的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了充分的利用，在保證測(cè)量精度的前提下大大縮短了數(shù)據(jù)的采集周期;通過諧波分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，消除了諧波對(duì)測(cè)量精度的影響，使系統(tǒng)的抗干擾能力大大增加.由此可見，本論文所設(shè)計(jì)的tanδ的測(cè)量方法具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn).

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