电容型设备在线故障诊断系统的研究--毕业论文.doc

专 业 学 位 硕 士 学 位 论 文电容型设备在线故障诊断系统的研究Research on On-line Fault Diagnosis System of Capacitive Type Equipment 作 者 姓 名： 工 程 领 域： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 2015年3月28日 大连理工大学Dalian University of Technology大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目： 电容型设备在线故障诊断系统的研究 作 者 签 名 ： 日期： 2015 年 3 月 28 日大连理工大学专业学位硕士学位论文摘 要近年来，随着国民经济水平和人民生活水平的提高，人们对用电质量和用电可靠性提出了更高的要求，电力设备开始朝着大容量、超高压的方向不断发展。确保电力系统的稳定运行和电力设备与运维人员的安全已经成了电力企业重要目标。电容型电力设备占发电厂、变电站电力设备的一多半，一旦容性电力设备出现绝缘故障，电力设备和运行人员的安全都将受到严重威胁。因此，对电力设备进行绝缘状况在线监测势在必行。介质损耗因数直观的反映了电容型设备的绝缘状况好坏，通过它可以很方便的判断电容型设备的绝缘状况，因此，可以通过测量来预测电力设备绝缘状况，从而保障电力系统安全、稳定的运行。文中首先总结了国内外介损因数的相关测量方法技术，并分析了其应用现状，然后针对介质损耗因数测量中出现的稳定性与精度问题，提出了基于变电站中电容型设备介质损耗因数在线监测方法，最后开发了一套基于分层分布式原理的电容型设备绝缘在线监测系统。系统主要包括用于提取末屏微弱接地电流信号的信号采集单元（SU）并采用了基于放电管和压敏电阻的混合保护单元，方案对二次测量系统进行保护。信号采集单元基于电容分压原理，混合保护单元实现了基于 RS485 总线方式的分布式数据采集单元。软件方面，开发了容型设备绝缘在线监测系统配套软件，并采用了模块化的设计思想，形成了图模一体化图形监测系统，系统的各个模块在功能上相互独立，便于维护与升级。文中通过分析常规算法的缺陷，提出了改进优化算法并通过仿真和实测验证了算法的计算精度。优化了系统的硬件和软件系统，使提取的信号参数更准确稳定，图形界面更直观准确。通过现场运行试验表明，该系统可以满足电容型设备绝缘在线监测与故障诊断的运行要求。关键词：电容型设备；介质损耗；谐波分析法；在线监测- I -Research on On-line Fault Diagnosis System of Capacitive Type EquipmentAbstractIn recent years, with the development of the economy and peoples living standard, people have a higher requirement on the quality and reliability of electricity and electric power equipment has developed towards larger capacity and ultrahigh voltage. Ensuring the stable operation of power system, power equipment and safety of the operations staff has been an important target for electric power enterprise. More than half of the electrical equipment in substation and power plants are capacitance type electric power equipment. If there is capacitive power equipment insulation fault, power equipment and the safety of the operation personnel will be under serious threat. Therefore, it is very necessary for insulation condition online monitoring of power equipment. Dielectric loss factor reflects the insulation level of capacitance type equipment. Insulation of the electric power equipment can be easily known through , therefore, can be used to measure the insulation of the electric power equipment to ensure safety and stable operation of power system.Firstly, this paper summarized the related measuring method, domestic and international technology of electric loss factor and analyzed the application situation. In view of the stability and precision of the measurement of the dielectric loss factor, researches of dielectric loss factor of capacitive type equipment at substation was carried out, and an insulation online monitoring system based on hierarchical distribution principle of capacitance type equipment was developed.The system mainly contains signal acquisition unit (SU), which is used to extract the weak grounding screen at the end of the current signal, then the acquisition unit was designed based on the principle of capacitance pressure; a mixing protection unit based on discharge tube and varistor was used to the protect the secondary system. And the distributed data acquisition unit based on RS485 bus was realized. For software design, bundled software for on-line insulation monitoring system equipment was developed, and adopted the modular design idea. Graphic and model integration monitoring system is developed, and the system modules are independent from each other, on the need of maintenance and upgrade.This paper proposed the improved algorithm by analyzing the defects of the conventional algorithm and the accuracy of the algorithm is verified by simulation and experiment. The hardware and software system were optimized, the signal parameters becomes more accurate and stable, the graphics interface was more intuitive and accurate. The system would meet the requirements of on-line fault diagnosis system of capacitive type equipment through field test.Key Words：Capacitive Equipment; Dielectric Dissipation; Harmonic Analysis Method; On-line Monitoring- V -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 选题背景与研究意义11.2 电容型设备在线监测现状21.2.1 介损数字化测量方法现状31.2.2 小电流信号采集技术研究现状41.2.3 绝缘故障诊断技术现状51.2.4 电气设备绝缘状况在线监测现状51.3 应用中存在的问题61.4 论文的主要工作72 介质损耗原理及测量方法82.1 介质损耗产生机理82.1.1 产生原因82.1.2 介质损耗因数的影响因素92.2 介损角传统测量方法102.2.1 电桥法112.2.2 全数字测量法112.3 介损角的现代测量方法132.3.1 向量法132.3.2 过零比较法142.3.3 谐波分析法162.4 本章小结163 谐波分析法173.1 基本原理173.2 频谱泄漏和栅栏效应183.3 基于加窗的谐波分析法193.3.1 余弦窗皆基本特性193.3.2 基于余弦窗的插值算法203.4 加窗算法的应用213.4.1 加窗算法具体实施过程213.4.2 仿真分析223.5 本章小结234 电容型设备绝缘在线监测系统硬件设计254.1 整体结构设计254.2多下位机同步采样控制方法274.3 系统硬件设计开发284.3.1 信号采集单元设计284.2.2 智能处理单元设计304.3 本章小结335 电容型设备绝缘在线监测系统软件设计345.1 基于图模一体化的图形系统设计355.1.1 设计思想355.1.2 绘图工具的设计355.1.3 图模一体化系统365.1.4 数据库管理375.2 故障诊断监测系统395.3 信息查询系统405.4 系统实际现场应用情况445.5 本章小结45结 论47参 考 文 献48致 谢52大连理工大学学位论文版权使用授权书53大连理工大学专业学位硕士学位论文1 绪论1.1 选题背景与研究意义目前，国家社会经济高速发展，对电网容量和电压等级的要求也越来越高，电力设备容量逐年增大，电网的电压水平也越来越高。随之而来的是更加复杂和耗费时间的设备检修，检修过程严重影响了电力系统的供电可靠性。近些年，随着经济水平和人民生活水平的提高，加强电能质量和供电可靠性是电力公司目前面临的巨大挑战。电力设备不仅要能可靠的运行，而且要保证输出的电能质量并保证供电可靠性，因此，电力设备的检测和维修也面临着更加严峻的挑战1-5。当前，电气设备预防性试验规程中规定，供电公司需要对相关电力设备进行定期的检修和维护。这种定期检修和维护模式虽然在检修效果和效率等方面有一定的局限性，但在预判设备故障，保证电力设备和电网安全运行等方面起到了积极作用 6-7。随着用电需求的不断增加和国家电网的不断发展，我国各地变电站和电力设备也迅猛发展。据不完全统计，98年06年，河北电力公司电力设备容量有超过10%的年平均增长率，但公司职工人数却只有不到1%的年均增长率。其他省份和地区的发展情况大同小异，个别地区增长不平衡的现象更加突出。电力公司亟需采取行之有效的办法利用和配置检修资源，解决如此尖锐的矛盾。当前大多数电力公司采取的电力设备定期检修方法普遍具有效率低、时效性差、劳动强度高等缺点，严重制约着电力系统安全有效的运行。另外，定期检修时需要中止供电，影响电网运行经济性，且定期检修针对性差，容易造成某些电力设备过检修，形成资源浪费，并且相关检修人员职业水平的参差不齐也为电力设备的安全运行埋下了隐患。有相关文献8统计了某电力公司的电力设备出现的各种故障，并进行归类分析。结果表明，90%的电力设备故障出现在定期检修合格的情况，定期检修形同虚设，不能有效的防止故障发生。特别是某些在停电时进行的检修和带电运行的实际情况差别较大，不能真实有效的反映和发现一些潜伏性缺陷，因此，状态检修作为能够有效解决以上问题的方法正在展现出强大的生命力和发展潜力，设备检修正在从原来的定期盲目的被动检修转向了以监测和及时发现缺陷为主的主动检修过程。此外有数据统计表明9-11，供电公司通过进行电力设备的状态检修，不仅使故障率降低了75%，且维修费用也降到了之前的 25%50%，经济效益显著。因此，电力设备状态检修成了近些年国内外研究的热点及重点关注对象。变电站内电力设备多种多样，其中电容器、电压互感器（CVT）等电容型设备约占全部变电站设备的40%50%12。采用电容屏作为绝缘结构的设备统称为电容型设备。其绝缘好坏对电力系统安全可靠的运行有重要影响，如果出现故障还会对人身安全和其他设备造成严重威胁。监测电容型设备的绝缘介电特性不仅有助于提前发现设备的绝缘故障和缺陷，保证电网安全高效的运行，而且能有效的减小电网损失，其意义重大。此外，进行设备的绝缘状态监测还能获得容性设备绝缘参数的变化特点，及时掌握设备绝缘状态。因此，研究电容型电力设备绝缘机理，开发绝缘在线监测系统对电网的安全、经济的运行意义重大。1.2 电容型设备在线监测现状电容型设备在线监测系统可分为硬件、软件两部分。硬件系统主要由传感器、前置处理电路、数字波形采集装置、现场通信控制电路等组成，负责信号的转换、采样、滤波、放大等功能。软件部分则是利用硬件系统现场采集过来的数据，建立相应的数学模型，并应用快速傅里叶变换等算法来计算绝缘介质的损耗、电容等物理量，将其作为故障分析数据存档。电容型设备绝缘在线监测系统根据其功能特点又可以分成传感器系统、信号采集系统和分析诊断系统三部分。传感器系统主要用于信号采样及传输，由各种各样的传感器和信号传输线组成。传感器主要用于采集有用信号，并通过传输线传输给信号处理部分，并能够实现与一次设备的隔离。信号采集系统的主要用来采集容性设备末屏小电流信号，并对其进行滤波等信号处理。采样系统首先对传感器样数据进行模数转换，并利用滤波技术进行处理，滤除信号中的直流和高频干扰信号，最终提取和还原出真实信号。信号分析诊断系统负责把采集系统采集传输来的数字信号输入计算机，然后进行分析和诊断处理，从而获得当前电容型设备的绝缘状态。此外，系统根据需求还可以对诊断数据和诊断结果进行显示、储存、打印，进行故障报警和向上一级控制中心传递数据等功能。电容型设备的绝缘介质的等效电路模型如图1.1所示13-14。绝缘介质等效为电阻、电容支路的并联，如图1.1中所示，绝缘介质中的总电流可分为电阻有功分量和电容无功分量两部分，一般。无功电流和总电流的夹角叫做介质损耗角，简称介损角。介损角的正切值称为介质损耗因数（介损），是表征绝缘介质损耗特性的重要参量。介损因数与绝缘材料的尺寸形状无关，仅与其特性参数有关，所以，将作为介质绝缘特性的有效参量能够很好的反映设备整体的绝缘状况。另外，绝缘介质电容量C和流过介质的电流也是反映设备绝缘状况的参量，如果能够综合检测绝缘介质的、和，就能够很好的了解绝缘状况，进行状态评估。图1.1 绝缘介质等效模型与相量图Fig. 1.1 Equivalent circuit and vector graphic of insulation medium当前的定期检测方法多用西林电桥法对电容型设备的介质损耗因数和电容进行离线检测，该方法具有测量结果可靠、接线简单等优点15。目前，容型设备绝缘介质在线监测多采用数字测量技术16-21，数字测量技术的优势是数据分析方法种类繁多，能从多方面获悉材料的绝缘状态，具有较高的可靠性。但是相对于传统的检测方法，数字测量技术的实现比较困难，且测量结果不仅稳定性较差而且有一定的分散性。因此，要实现数字测量技术在电容型设备绝缘状态在线监测的广泛应用，还需要投入更多的精力。 近年来，随着科技的发展和技术的进步，许多新技术在容型设备的在线绝缘监测系统上得到了应用，对其研究和优化也不断加强和深入，具有良好的发展前景。信号采集系统得到了飞速发展，高精度传感器的使用，大大提高了绝缘在线监测系统的性能，提高了测量的准确性和有效性。在信号处理方面，由于数字化测量方法的兴起和引入，国内外许多学者都对介损因数的数字化测量进行了深入分析和研究。此外，随着近年来模糊评判理论、神经网络等智能算法的大力发展和其在故障分析诊断中的引用，容型设备的绝缘在线监测技术也逐渐变得更加有效、可靠。1.2.1 介损数字化测量方法现状一般情况下，电容型设备的介损因数很小，很难对其进行测量和监测。目前介损因数主要有基于硬件和软件这两种测量方法。硬件方法主要是通过过零比较法计算电压、电流过零的时间差相角差，进而通过转化得到介损因数22。过零比较法抗干扰性能差，很容易受到高次谐波等外部干扰的影响，且该方法对过零点测量准确性要求很高。文献23中研究了双向过零测量方法，该方法能明显减小信号的零漂，但其没有明确说明处理谐波干扰的方法。文献24中提出了双极性过零比较法，可以同时比较正负相过零点时间差，进而达到抑制直流干扰的效果。该方法相对于单极性过零比较法的结果来说，检测结果更准确。常用的软件测量方法主要有两种：算法调节和抗干扰方式调节。它们是介损因数测量使用的主流方法。它大体上有三类：一是相关函数法。该方法借助于电压、电流信号的自相关、互相关函数来计算设备的介损，其对信号进行滤波处理，对谐波分量的灵敏度很高25。该算法同时对谐波干扰少且满足整周期采样的信号检测的准确性很高。但是该算法在实际应用中受到限制，这是因为实际系统的频率不断变化。二是正弦拟合法。正弦拟合法首先对信号进行傅里叶分解，取其基波分量，然后根据最小二乘法原理计算基波信号的相位，进而得到电容设备的绝缘介质损耗因数。正弦拟合法虽然具有原理简单，容易编程等优点，但是信号易受实测信号中高次谐波以及频率的影响，引起较大误差。文献26中提出的基于正弦拟合的高阶正弦拟合法，大大降低了对采样同步性的要求，削弱了谐波的影响，但是算法工作量和编写复杂程度都明显增加。三是FFT及其改进算法。傅立叶变换算法（FFT）不仅计算量小而且计算速度快。但是容易受电力系统频率波动的影响，其只能进行非整周期采样，由此导致的频谱泄漏和栅栏效应会对其相位精度测量带来不利影响。因此各种基于FFT的改进算法被提出来。1.2.2 小电流信号采集技术研究现状虽然电容型设备的末屏电流小至毫安级别，但其中包含丰富的绝缘状态信息。因此，末屏小电流信号的准确提取非常重要。国内，小电流末屏信号的提取主要采用接线简单的穿心式结构的微电流传感器，这种微电流传感器同时还能避免过电压的直接冲击。 根据是否需要外部能量源，微电流传感器包括无源电流传感器、有源电流传感器两种。无源传感器能直接使用，不仅结构简单，而且价格便宜，经济性较好。但是铁芯的磁化特性抗干扰性能较差，因此，其测量的准确性不能有效保证27。有源传感器基于零磁通技术，该技术不仅降低了铁芯的励磁和激磁电流大小，且在其中加入了有源运放，大大增强了传感器的二次电压输出信号，稳定性比无源传感器好很多28。目前，国外的一些电力设备公司则是根据容型设备接地线上的电容分压计算出和互感器电压之间的相角关系，最后得到电力设备的介损因数。这种串入接地线电容进行分压的测量方式将泄漏电流转换成较高的输出电压，有效性得到增强。但是需要改变一次设备接线方式，且需要可靠的保护单元来保障测量回路的安全29。另外，由于AVO 公司的设备不能在现场对采集到的信号进行数字化处理，造成其在传送时发生畸变和受到外部信号的干扰，信号的真实度大大降低。1.2.3 绝缘故障诊断技术现状电力设备绝缘在线监测的数据的稳定性和可重复性较差，为保证在线绝缘故障检测的准确性和可靠性，需要对获得的在线测量数据进行一系列预处理。目前主要有两类方法。一类是53H 算法。该算法通过比较曲线的平滑估计值和测量值来识别异常点30。该算法稳定性较好，但是它没有对数据进行滤波等处理，数据的一般会呈现出锯齿状波动。另一类预处理方法采用了小波算法，算法首先对在线测量数据进行小波分解，然后将各层小波系数设置为零或进行合理的阈值量化，最后通过数据重构，完成预处理过程。小波基函数的选择对于该方法非常重要，虽然计算量较大，但是对于数据中的干扰和噪声有很大的抑制作用。 1.2.4 电气设备绝缘状况在线监测现状电气设备绝缘状况的在线监测极大的克服了传统的定期监测方法的不足，具有很大的技术优势。特别是近几年，国内外许多研究者和电气设备公司在容型设备绝缘在线监测方面投入了大量精力，并加快了研究和应用的步伐31-35。（1）美国现状美国在1995年颁布了电气设备绝缘诊断方法导则，根据导则，其当时的电容型设备的绝缘诊断已从开始向在线监测诊断进行转变，采取的主要检测方法有：局放监测、红外测温、超声波探测、变压器油溶解气体分析、振动分析等，并制定了相关检测标准。其在线监测方法运用模糊逻辑方法对试验数据进行分析处理，通过处理结果对绝缘缺陷提出建议，并对建议进行可信度评判。目前开发出来并投入使用的设备有：变压器油中氢气浓度分析、变压器内部温度光纤红外监测、变压器、电缆局放监测等。（2）日本现状日本在线监测技术的发展非常迅速，其在上世纪80年代就开始了设备绝缘状态监测预知维修，积累了大量数据与运行经验，并形成了一套标准和一些比较成熟的方法。他们采用的技术主要有以温度特性、局部放电、CO+CO2等参数来预测变压器剩余寿命的诊断技术和以内部电晕、分解气体、内部温升等为基础参考的GIS监测技术，并进行了数据的连续分析。（3）我国的研究现状我国电容型电力设备的绝缘在线监测诊断技术正处于发展上升期。目前，已经研究出了变压器局放与油中色谱分析技术、设备红外测温等在线诊断技术。由于变电站中容型设备占多数，且容易出现绝缘故障，因此，其绝缘监测与诊断是研究较多的方向。各研究机构和院校都进行了全方位的研究和探索。国内一些厂商也在绝缘在线监测系统的研究与开发上投入了大量精力，并产出多项成果。国内许多工科院校及科研机构如清华大学、西安交通大学、武汉高压研究所、中国电力科学院等也对其进行了大量的研究，并初步建立了相关理论体系。他们在传感器技术、数据处理技术等关键领域也有了一定突破，为电容型设备在线监测系统的研究发展提供了强有力的支持，为其国产化做出了巨大贡献。1.3 应用中存在的问题在线绝缘监测技术在提前发现电容型设备的绝缘问题，保证电力系统的安全运行等方面起到了重要作用，已经有了十多年的应用。近年来，国外厂商如德国 LDIC 公司、美国 AVO 公司也纷纷投入系统的研发，其自主研发的检测系统已在国内一些变电站进行了安装和试运行。电力设备绝缘在线监测系统已由最初的分散模式逐渐向应用较多的集中式方向发展，绝缘在线监测系统的研发也随着总线技术、互联网技术以及分层分布式技术的发展和引入转向了多层应用体系。 但是绝缘在线监测技术目前还不成熟，实际应用中存在很多问题，已投入运行的装置监测效果并不是很理想，社会效益和经济效益均未达到预期目标。根据文献36统计，投入使用的很多在线监测系统现在已经基本不能正常使用。出现这种问题的原因多种多样，主要的技术问题可归纳如下：（1）研发的在线监测装置技术含量有限，且多使用易失效的无源穿心式电流传感器，其次，上位机软件的数据处理功能不完善，造成监测系统的抗电磁干扰等外部影响的能力较差。 （2）介质损耗因数的测量结果不稳定性、可重复性差，是什么原因所致，没有准确答案，影响了诊断的可靠性。 （3）缺乏有效的诊断理论与方法，除了丰富的信息和数据，诊断理论尚很贫乏，各监测信息之间没有建立起的相关关联，难以区分和诊断是正常波动还是故障波动。从反映出来的问题看，绝缘诊断基础理论研究工作不深入、一味地追求经济效益和实用性是问题的根本原因所在。国内外研究机构和学者需要进行更深入的基础理论研究工作，不断探究绝缘老化机理和探究其和外界各种环境影响因素的关系和变化规律，为其他方面的研究奠定基础。1.4 论文的主要工作电容型设备介损因数的在线测量和诊断容易受到外界各种环境因素的影响，且介损角的测量和提取有一定难度，现有的测量方法很难保证准确性和可靠性，研究电容型设备的绝缘介质损耗因数产生机理和影响因素，运用新的方法和技术提高其采集和测量精度并对其进行在线监测，预测电力设备的潜在故障和威胁，保证了供电安全。本文对变电站中电容型设备介质损耗因数的在线检测系统进行了研究，具体工作主要包括：（1）详细分析了介质损耗因数的产生机理、影响因素，对介损角的测量方法进行了介绍和优缺点分析；（2）分析了传统谐波分析法的基本原理和由此引起频谱泄露和栅栏效应等问题，提出了基于加窗插值的改进算法。通过MATLAB仿真分析，对比了传统谐波分析算法和加窗改进算法的计算精度和抑制频谱泄漏的效果。仿真结果表明，加窗改进算法能有效地提高计算精度、抑止频谱泄漏。（3）开发了基于分层分布原理的电容型设备绝缘在线监测系统。其硬件采用基于电容分压原理的信号采集单元（SU）提取末屏微弱接地电流信号，并提出了基于放电管和压敏电阻的混合保护单元对二次测量系统进行保护，并实现了基于RS485总线方式的分布式数据采集单元。（4）开发了电容型设备在线监测配套软件，软件设计采用模块化的思想，开发了图模一体化的图形监测软件系统。系统的各个模块在功能上保持相对独立，方便系统的维护与升级。- 23 -2 介质损耗原理及测量方法2.1 介质损耗产生机理2.1.1 产生原因根据其成因，电容型设备的介损可分为电导损耗，极化损耗以及局部损耗三类。介质损耗的等效电路如图2.1所示。图2.1 介质损耗等效原理图Fig. 2.1 Equivalent principle diagram of dielectric loss （1）电导损耗 绝缘材料虽然导电性较差但还是具有一定的导电性。当在绝缘材料两端施加一定的电压时，就会有电流流过，出现电导损耗。由于电阻而出现的损耗可用于等效电导损耗，如图2.1所示。图2.1中表示漏导电阻，由表面电阻和体积电阻并联产生。一般情况下很大，而与环境和材料的外形结构有关。（2）极化损耗在外部电场的作用下电介质都会产生一定极化，介质极化时需要克服质点间相互作用而产生的损耗叫极化损耗，这种类型的损耗比较大，一般比由电导电阻产生的电导损耗大得多。电介质极化阻抗由图2.1中电容和、并联两个支路的并联来等效，其中，和绝缘材料中和转向极化及位移极化等相关，和则表示和松弛极化相关的参数。根据电介质极化损耗的形成机理，其又可分为4种： 电子位移极化由于构成电介质的分子等微观粒子的外部高速运动的电子在外部电场作用下相对于原子核会出现一定的弹性位移，同时伴随着偶极矩的现象，这就是电子位移极化。各种电介质中普遍存在电子位移极化，其建立或解除的可在瞬间完成。 离子位移极化离子位移极化是由于电介质中正负离子在外电场作用下发生可逆弹性位移，并沿着相反的方向移动引起的。离子位移极化只存在于离子类型的物质中。离子晶体中，其位移极化的建立和解除时间也非常很短。 偶极子转向极化当外部电场作用为零时，由于介质内部分子的不规则热运动，内部偶极矩的分布是均匀的，整体上对外呈中性。但当介质内部的极性分子受到外部电场的作用时，在电场的作用下极性分子的不规则热运动受到影响，其分子极矩会顺着电场方向偏移，并且宏观偶极矩沿电场方向有一定的值，即偶极子的转向极化。外部电场消失后，介质中的偶极子一段时间才能恢复到极化之前的无序状态，因此，这种极化也叫做松弛极化。 界面极化绝缘材料一般由几种不同的材料组合而成，在外部电场作用下，材料中的自由电荷容易在材料有缺陷或不同的介质分界面等介质不均匀处积聚累积，从而造成介质中自由电荷的不均匀分布。这种极化现象，称为界面极化。（3）局部放电损耗绝缘材料的内部不可避免的会存在缺陷，当绝缘材料两端电场强度超过一定限值后，就有可能在材料的缺陷处产生局部放电，并伴随相应的局放损耗。图2.1中所示的、为局放损耗相关参数。2.1.2 介质损耗因数的影响因素介质损耗因数抗干扰性差，许多外部因素都会对其造成影响。影响介质损耗因数的的因素主要有下面几类： （1）交变电场频率在外部交变电场影响下的电介质介质损耗因数为： (2.1)式中：为电导率；为电子位移极化的相对介电系数；为静态介电系数； 为真空介电系数； 为相对介电系数；为松弛时间。设松弛时间不变，当，即在低频区时，各种极化有足够的时间建立，；与恒定电场的影响类似，介损几乎全部由电导损耗引起；当时，。在松弛区即时，松弛时间和外加电场具有可比性，介质的相对介电常数在极化建立过程中减小，而相应的介损因数却明显增加。在时，松弛时间很短，松弛极化很小，极化的表现形式主要为位移极化，此时，；松弛损耗为零，虽然极化损耗较小，但极化频率较高，介质损耗整体上还是增加的，并逐渐趋于稳定值37。（2）温度的影响 虽然温度并不显含于公式2.1中，但介质损耗因数还与温度密切相关。一般来说，对于具有松弛性质的介质，介损因数的温度最大值与外电场频率有关。随着频率增加，介损因数最大值会向温度高的方向偏移。同时，介损因数的最大值会随温度的升高而向频率升高的方向移动38 。（3）湿度的影响介质损耗因数会随着环境湿度的增加而增大。低频条件时，介质损耗主要为电导损耗，如果介质内部分子与水分子形成了夹层极化，则水分子在低频时就会出现松弛极化损耗39；高频时，水分子会出现松弛损耗。（4）电压影响外部电场强度对绝缘性能良好的介质的损耗影响较小。但如果介质绝缘性能不足、存在内部缺陷，介损则随外部电场的升高，介损因数会产生显著的升高。可利用介质的这个特性查找绝缘介质材料内部缺陷。2.2 介损角传统测量方法介损因数的传统测量方法主要包括电桥法和全数字测量法两种。其基本方法是通过过零比较法和硬件鉴相来获得设备绝缘体中的泄漏电流和PT电压信号，再通过电压的相角差和泄漏电流，求得介质损耗角的正切值。目前，传统的介损角测量方式大多都基于快速傅立叶变换（FFT）。其具体操作方法是：首先对电压互感器中的标准电压信号与设备的泄漏电流信号进行提取；接着将信号引入高速模数转换器，进行数据采集和转换后送入上位机；最后通过MATLAB等数据分析软件对信号进行频谱分析，并从中取出50Hz的基波信号进行计算求得介损角。该方法能有效的滤除信号中高次干扰谐波，获得的数据波动较小，能很好的表现设备绝缘变化。由于电力设备绝缘结构的泄漏电流微弱，且现场的干扰大，准确测量绝缘体的泄漏电流变得很难。因此，必须解决微弱泄漏电流的获取与现场干扰的问题，才能实现介损角的在线测量。2.2.1 电桥法电桥法进行介损因数在线监测的基本原理如图2.2所示。其中，移相电路的作用是校正电压互感器PT引起的角差。但是负载大小等因素会影响角差大小，使之变动，所以不可能带来理想的校正。电桥电路中和是可调元器件，可手动调节，也可自动调节。为了保证可靠性并实现长时间使用， 、必须选的十分可靠。电桥法的优点是电源波形与频率不会影响测量结果；但具有由于的接入，被测设备原有的状态被改变的缺点。为了安全起见，还要安装比较周密的保护装置，使得系统变得很复杂。图2.2 电桥法在线监测原理图Fig. 2.2 The schematic diagram of the bridge method of on-line monitoring2.2.2 全数字测量法全数字测量法又称为数字积分法，其基本原理是利用模数转换器对电流、电压原始波形进行采样，然后对采集到的数据进行傅里叶分析计算，最后求得值。被测电容型设备泄漏电流信号通过低频电流传感器获得，传感器位于设备接地线上，电压信号通过电压互感器PT提供。电压和电流信号的拾取方法如图2.3中所示。图2.3 电压、电流信号的拾取方法示意图Fig. 2.3 Diagram of the method to get voltage and current signals实际运行中的电流波和电压波是夹杂有谐波周期性函数。由数学知识可知，如果一个周期性函数满足狄里赫里条件，则该周期函数可以进行傅里叶分解，展开成三角函数形式： (2.2) (2.3)式中，表示基波角频率。这里我们只取其中的基波，即令n=1，其幅值为： (2.4)系数为： (2.5)式中，T为函数周期。系数 (2.6) (2.7)通过式(2.5)(2.7)分别求取流过设备的电流和加在设备上对应相的电压的基波幅值、和基波相位、，则介损因数可表示为： (2.8)测得的介质的电容为 (2.9) 该方法的优点是硬件系统相对于直测介损角更简单。此外，该方法只计算处理了电压、电流的基波，实现了对高次谐波的理想数字滤波。2.3 介损角的现代测量方法通过信号处理和变换来测量介损角是现代常用的方法和技术，常用的方法主要有：2.3.1 向量法基于伏安法原理，通过电压和电流向量，求介质损耗因数的方法叫做向量法，又可以分为固定轴法和自由轴法。（1）固定轴法以试品上电压向量的作为参考参考向量，其方向作为参考方向，将测量信号在参考方向上进行正交分解，得到与参考方向平行和垂直的两个分量，再由试品的串并联等效模型，求出介损因数。 但是为避免参考向量的相位漂移的影响，系统需要增加硬件调节电路，经济型变差。（2）自由轴法假设加在试验设备上的电压信号为： （2.10）流过设备的电流用设备上的电压信号表示有： （2.11）图2.4 时刻的向量图Fig. 2.4 Vector diagram at 把时刻的电压、电流信号当做参考向量，如图2.4所示，则可得： （2.12） （2.13） （2.14） （2.15） （2.16） （2.17）用矢量表示试品上的电压与电流为： （2.18） （2.19）尽管、的值会随着时间的变化不断变化，但电压、电流向量、之间的相对位置和模不变，因此，计算得出的介质损耗因数不变。介质损耗因数可根据下式计算： （2.20）这种各次测量参考向量都不确定的方法即为自由轴法。该方法的硬件电路结构相对简单。但该方法存在移相、延时或非同步采样误差等缺点，需额外的措施来减小或消除各因素的干扰40-42。2.3.2 过零比较法该方法主要分为以下两类：（1）过零相位比较法如果系统的频率不变，正弦电流、电压波幅值过零后，其相位与时间一一对应，所以，可以通过测量流过绝缘介质的泄漏电流与施加在试品上的电压过零的时间差计算两者之间的相位差。由于介损因数，因此，只要测出，就可以很方便的计算出。该方法的基本测量原理如下图2.5所示：首先，电流和电压信号经过相同预处理电路，经过放大保护、滤波、处理，然后，经过过零比较器后，交流信号被整形成方波信号，然后通过数字电路计算整形方波信号的上下边沿时间差，最后计算求得电压、电流信号的相位差。图2.5 过零相位比较法原理图Fig. 2.5 Schematic diagram of the comparing zero passage phase method通过在线取样得到的电流、电压信号不可避免的含有一些高频干扰量，经过低通滤波后，滤掉高频信号，只剩标准正弦波信号，然后进入比较器，信号通过比较器被整形为方波，容易处理的方波信号经过数字电路计算转化得到值。设测得的脉冲数为，工频脉冲数为，则可得： (2.21) (2.22)过零相位比较法通过测量时间间接求得介质损耗角，测量精度可达到较高级别。但此方法需要过零比较器有较高的检测精度和稳定性才能达到标准。（2）过零电压比较法该方法通过检测两路电压信号在过零点附近的电压值计算它们之间的相位差。设被测两路电压信号分别为： (2.23) (2.24)式中表示介质损耗导致的相位差，则在任意时刻二路信号之间压差为： (2.25)设，则： (2.26)当t=0时: (2.27)即： (2.28)如果相位差较小，电压差可改写为： (2.29)对（2.29）式求导，可得： (2.30)令导数为 0，可得。这说明被测信号电压差在过零点处的变化率最小，说明该方法这些点测量精度要求不高。虽然该方法抗干扰能力很好，但一般难以实现。2.3.3 谐波分析法谐波分析法主要是根据FFT变换原理，首先，利用傅里叶分解方法将电压、电流信号分解，得到各基波相位与幅值，进而获得被测试品的介质损耗值。谐波分析法的优点是硬件实现简单，对高次谐波有较好的抑制作用。谐波分析法在实际中应用非常广泛，为了对介质损耗因数进行在线测量，本文在谐波分析法的基础上引入了基于加窗的谐波分析改进算法并通过仿真计算验证了该算法的有效性。谐波分析法将在下一章介绍。2.4 本章小结本章从介质损耗的产生原因和其传统和现代的常用的测量技术的基本原理等方面进行了比较分析，根据分析结果，确定了本论文基于加窗的谐波分析改进算法。3 谐波分析法本章首先对当前在线测量的主要算法谐波分析法的基本原理进行了介绍，然后对其在实际应用存在的频谱泄漏问题和栅栏效应进行了分析，最后提出了基于加窗的谐波分析改进算法，并对其进行了仿真计算。谐波分析法