（电力电子与电力传动专业论文）基于dspic的数字式介质损耗测量仪的研究与开发.pdf

a b s t r a c t t h ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o rt u n dm e a s u r e m e n to fh i g l lv o l t a g ep o w e ra p p a r a t u si s v e r y i m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es a f e t yo fp o w e rs y s t e mr u n n i n g ，t m di n s u l a t i o nf a u l t si nt i m ea n d i n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y i tc a nf i n de l e c t r i cp o w e re q u i p m e n ti s o l a t i o ns t a t u s o fd a m p ，d e t e r i o r a t i v ec h a n g ea n dt h ep a r tb a do ft h es m a l lt e s t e da p p a r a t u si st r a n s f i x i o no r n o tt r a n s f i x i o n t h e r e f o r e , t h es t u d yo nt h er a n dm e a s u r e m e n to fh i g hv o l t a g ee q u i p m e n th a s i m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n g o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fc o n v e n t i o n a la n ds o m em o d e r nd i e l e c t r i cl o s s m e a s u r e m e n tm e t h o d si nt h i sp a p e r , c o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t yc o n s i s ti nt h ed i e l e c t r i cl o s s m e a s u r e m e n t ，s u c ha st 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 st h es u f f e r i n g t h ei n t e r f e r e n c eo ft h ee l e c t r i cf i e l di nt h ee l e c t r i f i e dw i r en 吨t h ei n f l u e n c eo fh a r m o n i c sa n d t h el e a k i n e s so ff r e q u e n c ys p e c t r u md u et ot h ec h a n g eo ft h ef r e q u e n c yi np o w e rs u p p l ye t c a n e wm e a s u r e m e n tm e t h o dw h i c ht h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y c o m b i n e st h ef u n d a m e n t a lw a v e sp h a s ed e t a c h m e n tm e t h o di sp r e s e n t e d t h ef u n d a m e n t a lw a v e s p h a s ed e t a c h m e n tm e t h o di sa d o p t e di nt h i sd e s i g n ，i tn o to n l yt o e f i m i n a t et h ed i f f e r e n t - f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c eb u tt oc a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h ei n f l u e n c eo f h a r m o n i c s f o rr e d u c i n gt h eo p e r a t i o nq u a n t i t i e so ft h ef u n d a m e n t a lw a v e sp h a s ed e t a c h m e n t m e t h o d ，t h ef o r m u l ao faf a s ta r i t h m e t i co fb a s e do nt h ef u n d a m e n t a lw a v e sp h a s ed e t a c h m e n t m e t h o di sp r e s e n t e da n dd e t a i l e d l yd e r i v e d ，i tc a l lr e d u c eal o to ft h et i m eo fm e a s u r e m e n t p h a s e - l o c k e df r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o nc i r c u i ta n da dc o n v e r s i o nu n i ta r ed e s i g n e di nt h e h a r d w a r ec i r c u i t ，t h e yc a l ls i m u l t a n e o u ss a m p l i n gi n t e g e rp e r i o do ft w os i g n a l s ，t h u st h e yc a n a v o i dt h es p e c t r u ml e a k i n e s sa n db a r r i e r se f f e c t t h em e t h o do fd a t ai n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n s i s a d o p t e d , t o r e a l i z et h e h i g h - v o l t a g es i g n a l s i s o l a t i o n t r a n s m i s s i o nw h e nu s i n g r e v e r s e c o n n e c t i o nm e 硒u r e m e n t t h ec i r c u i to fg a i n sa u t o m a t i cc o n 仃o li sd e s i g n e d , t or e a l i z e l a r g e s c a l em e a s u r e m e n t ，a n ds i g n a l s s a m p l i n gp r e c i s i o ni si m p r o v e d a p p l y i n gt h ea c h i e v e m e n ts t u d i e d ，i td e v e l o p e dad i e l e c t r i cl o s sm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do nm i c r o c o m p u t e rd s p i c t h er e s u l t so ft h et e s ti n d i c a t et h em e a s u r es y s t e mh a sm a n y c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h 鹪t h eh a r d w a r ec i r c u i tr e l a t i v e l y s i m p l e ，m e a s u r ef a s t ，g o o d l l a n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c ea n dh i i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n k e yw o r d s ：d i e l e c t r i cl o s s ；d s p i c ；p u n d a m e n t a lw a v e sp h a s ed e t a c h m e n t ；f r e q u e n c y c o n v e r s i o nm e a s u r e m e n t ；i n f r a r e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n s ； i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交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 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，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。 作者签名：1 蔹妻驾吼碎f , 9 乡日 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、使用学位论文的规定，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。本人授权兰州理工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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：像杰殇 剔磁轹俩西 日期：脚年厂月b 日 日期。 乡年占月，弓日 硕士学位论文 第1 章绪论 电介质是指能在其中持久建立静电场并且在电场中能极化的物质，一般在工程上称 为绝缘材料“1 。绝缘材料是电阻率很高的材料，它能把电位不同的两个导体从电气上以 及从机械上隔离出来，是电气设备中不可缺少的组成部分，是电气设备特别是电力设备 能否可靠、持久、安全运行的关键因素。 近年来，从我国电力系统的统计表明，在高压电力设备的事故中，由绝缘材料性能 的劣化导致的绝缘故障是最频发的故障之一，约占一半以上，例如我国1 9 8 4 1 9 8 6 年间 1 1 0 k v 及以上等级电力变压器事故统计分析表明，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 2 ，而1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 ，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事故总台次的5 5 。一，这些故障的发生给我国生产及经 济带来了巨大的损失。故对于高压电力设备而言，设备运行的可靠性在很大程度上取决 于设备绝缘状态的好坏。 因此，为了能及时发现、诊断高压电力设备的绝缘故障，保证电力设备安全运行， 必须对表征绝缘材料的绝缘性能的物理参数一介质损耗进行检测。对高压电力设备的绝 缘介质损耗进行测量已经是电力设备预防性实验规程中的常规实验项目之一“一。 1 1 介质损耗概述 1 1 1 介质损耗 介质损耗是指电介质在电场的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，其以热能的形式表现出来“1 。按照电介质物理性质，电介质损耗通 常可分为以下三种形式。 1 漏导损耗 漏导损耗是由于电介质的电导作用，在外加电场时产生的泄漏电流在电介质中流过 而引起的热能量损耗。其在直流、交流电压下都会产生，漏电导损耗相对于后面二种损 耗而言是很小的。若介质中损耗主要是由漏导引起，则单位体积内消耗的功率为： p e r ( 1 1 ) 式中e 一外施宏观电场强度，r 一单位体积电导率， 硕七学位论文 2 极化损耗 极化损耗是由电介质极化引起的损耗”1 ，可以分为偶极损耗和夹层式极化损耗。在 液体、固体电介质中，由于偶极子转向引起的损耗叫做偶极损耗，其受电场频率，介质 温度的影响较大。夹层极化损耗也称为不均匀介质损耗，是指在分层面上积聚空间电荷 过程中的极化现象引起的能量损耗。 偶极式极化、复合电介质的夹层式极化等有损极化过程，在直流电压作用下介质中 的带电离子沿电场方向作一次有限位移，其消耗能量很小。在交流电压下，由于周期性 极化过程、带电质点按交变电场进行往复的有限位移和重新排列，需要反复克服分子间 的内摩擦造成较大的能量损耗，因此偶极式极化损耗只有在交流电压下才呈现，并随着 电源频率的增加而增加。夹层式极化所引起的电荷重新分配过程，在交流电压下反复进 行，也要消耗能量。 3 局部放电损耗 局部放电损耗是指由游离、电晕等局部放电引起的损耗。由于电介质的内部结构缺 陷和材料的不均匀，在外加电场时，当电场强度超过临界场强，会在电介质的内部或表 面发生局部放电，引起附加的能量损耗。虽然局部放电不会引起整个电介质的击穿，但 长期的局部放电会对电介质的性能有很大的影响，所以电介质在正常工作时应避免局部 放电。1 。 在恒定电场的作用下电介质的能量损耗主要是漏导损耗，极化和局部放电损耗都很 小可以忽略不计，其损耗可以用漏导损耗来表示。 在交变电场的作用下电介质的能量损耗主要是极化和局部放电损耗，漏导损耗很 小，其损耗用介质损耗来表示，所以介质损耗这个概念只在交变电场中使用。 当电介质损耗很大时，由电能转变的热能就越多，会使电介质温度升高，逐渐发热 老化( 发脆、分解等) ，如果温度不断上升，甚至可能将电介质熔化、烧焦，丧失绝缘性 能导致热击穿。因此，电介质损耗的大小是衡量绝缘性能的一项重要指标。 1 1 2 介质损耗角正切值t 锄6 介质损耗角就是电介质上电压和电流夹角的余角用6 表示嘲。一般情况下，电介质 损耗的等值回路用电阻和电容的串联或并联来表示，如下矢量图所示： 2 硕十学位论文 ( a ) 串联等效电路( b ) 并联等效电路 图1 1 介质损耗等效电路及向量图 对于串联等效电路，从向量图上可以看出： 伽拈志。w c , r ( 1 2 ) 对于并联等效电路，从向量图上可以看出： t a n 6 t a n 。旦盟。j 【_ ( 1 3 ) 一l 一一一 【3 j u w c p 枷q 。 介质损耗功率p 即单位时间内消耗的能量： 对于串联等效电路，从向量图上可以看出： p 一1 2 r u 2 2 c c o s 2 6 r - u 2 e t a n 6 ( 1 4 ) 对于并联等效电路，从向量图上可以看出： p 一噘一u 2 w c p t a n 6( 1 5 ) 从介质损耗功率p 的数学表达式来看，功率p 值与电介质材料所加的试验电压、材料 的尺寸、大小等因素有关，在不同的材料之间往往难以进行相互比较，故用功率p 来表 示介质损耗的大小是不方便的。但从式( 1 2 ) 或式( 1 3 ) 来看，介质损耗角的正切t a n6 是介质在不同频率下电阻成分与电容成分的比值，同时可以认为是能量在电阻上的损耗 与能量通过电容传导出去的比值，是只与材料特性有关，而与材料结构、尺寸、体积等 无关的物理量，并且可用试验直接测出。所以，在工程上选用介质损耗角的正切t a n6 的值来判断介质的品质，表征电介质的损耗大小。 1 1 3 介质损耗的检测意义 随着电力事业的发展，高压电网特别是超高压电网日趋完善。越来越多的高压电 气设备在电力系统中应用，这些电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠 性的基础，是安全生产的最大保证，它们的运行状况直接影响到电力系统的正常运作。 3 硕十学位论文 在电力系统中常常由于某一部分或某一电气设备的绝缘遭受破坏而引起事故，从而破坏 电力系统工作的可靠性，给生产带来巨大损失，同时大量资料也表明导致这些设备失效 的主要原因是其绝缘性能的劣化。因此，在很多情况下电力系统和电气设备的可靠性在 很大程度上取决于其绝缘的可靠性，并且随着电力系统额定电压的提高，对系统供电可 靠性的要求也愈高，所以在高场强下系统的绝缘性能的正常是非常重要的。 介质损耗是掌握电气设备的绝缘状况的重要参数，能准确的反应电气设备的绝缘性 能，能宏观的评价绝缘的基本状况。所以，介质损耗的测量是高压电气设备绝缘检测的 一项重要内容，是判断电力设备绝缘受潮、老化等程度的常规性试验。1 ，是电力系统正 常可靠运行的一项必不可少的也是非常重要的检测指标。因此，搞好介质损耗的测量对 发现电气设备绝缘方面的缺陷，保证维修和操作人员的安全，保证电力系统的安全运行 等具有重要意义。 1 2 本课题的意义 介质损耗的测量即介质损耗角正切t a n6 的测量是电力绝缘试验的一项灵敏度很高 的试验项目，与其它的试验项目相比有着以下几个显著优点： 1 t a n6 的测量是一种非破坏性试验，有时比耐压试验更能发现被测试品的绝缘 缺陷。 例如对绝缘油测量中，一般的耐压试验发现好油的击穿场强可达2 5 0 k v c m ，而坏油 可低于2 5 k v c m ，好坏油在场强上的比值为1 0 ：1 ，而好油t a n6 值约为0 0 0 0 1 ，坏油t a n6 值约为0 1 ，好坏油在t a n6 比值为1 0 0 0 ：1 ，可见t a n6 的测量更能体现试品的绝缘缺陷。 2 t a n6 的测量比绝缘电阻的测量和耐压试验有更高的灵敏度。 例如在一次对一变压器的套管测量中，发现正常时t a n6 值为0 5 ，而受潮后再测 时t a n6 值为3 5 ，可见变化非常大! 但用绝缘电阻的测量和耐压试验测量时却发现正 常和受潮后的测量数据相差不大，可见用绝缘电阻的测量和耐压试验测量的方法是无法 准确发现套管受潮的。 3 测量电介质的“t a n6 一电压特性”曲线，可以检测介质在超过某一电压下有无 局部放电，局部放电的起始电压和局部放电量的平均值等。 4 测量电介质的t a n6 值便于定量分析绝缘材料的损耗特性，有利于绝缘材料的 分析研究和结构设计。 4 硕十学位论文 例如蓖麻油可以用在直流或脉冲电容器中，因其t a n6 值很大，而不能用在交流电 容器中。胶纸电容式套管，其机械强度高，下部尺寸可以做的很小，但往往由于胶的质 量不够理想而使t a n6 值大，因而不能使用在超高压系统中。又如用于冲击测量的连接 电缆，要求其t a n6 值必须小，否则当冲击波在电缆中传播时，波形会发生严重畸变而 影响测量精度。 正是基于上述优点，所以测量t a n6 在电工制造及电力设备交接和预防性试验中都 得到了广泛的应用，是一项不可缺少的试验项目。 长期以来，介损测量普遍采用电桥测量法，但其操作过程复杂，易受人为因素影响， 在试验电源有较大的谐波干扰或外界强电场干扰时，常常无法测出介损值。 随着微电子技术的发展和数字信号处理的广泛应用，涌现出现了一些新型的自动测 量仪，它们具有小型化、自动化和智能化的特点。它们与微型计算机相结合，采用现代 信号变换处理技术，有着传统测量技术无可比拟的优势，并且操作简单、容易，能自动 准确的测量介质损耗，深受现场的欢迎“”。 但由于t a n6 的测量是属于高电压、微电流、小角度的精密测量，所以测量系统不 但需具有很高的灵敏度和准确度，而且在现场工作时还需要具有较强的抗干扰能力。虽 然新型自动测量仪与传统仪器相比虽有了不少进展且各具特色，但仍都存在着共同的问 题。一是抗干扰的问题，由于介质损耗测试是一个灵敏度很高的项目，因此测试数据也 极易受到外界电场的干扰。虽然目前介损测试仪采取一些抗干扰方法如：倒相法、移相 法、异频法等，尽管这些方法能在一定程度下解决干扰的问题，但当外界干扰很强的情 况下，仍会产生较大的偏差。二是反接法的测试精度问题，在现场很多电力设备均已接 地，因此必须使用反接法进行检测，但反接时，影响测试数据的因素较多，往往数据会 有很大偏差，特别是当被试品容量较小( 如套管) ，高压导线拖地测试时( 有些介损测 试仪所配高压导线虽能拖地使用，但对地泄漏电流较大) ，会严重影响测试的准确度。 因此，高精度、高可靠性、高抗干扰性的介损自动测量仪一直是国内外各厂家致力 开发的产品，但因技术难度大，国内投产的产品虽然不少，但是普遍还存在一些问题。 部分国外产品虽然相对来说较为成熟，但往往测量仪器价格昂贵，不适合我国国情。所 以，本课题的选择，对国内的介质损耗测量及测量技术的研究，不论在实践经验和理论 上，都有重要的意义。 5 硕十学位论文 1 3 国内国外测量仪的现状 1 3 1 国内现状 目前国内普遍使用的介质损耗测量仪主要分为两类：传统的电桥测量仪和处于发展 阶段的自动测量仪。 传统的电桥测量仪以q s l 型西林电桥为代表“”，也采用m 型不平衡电桥和高压流比 器电桥。目前国内有多种采用传统西林电桥原理研制的介损测量仪，代表产品有： 上海思源电气有限公司研制的“m - 2 0 0 0 型抗干扰介损测试仪”，其特点是对不接地 试品采用正接法，对接地试品采用对角线接地法； 武汉联欣电力技术有限公司研制的“q s 9 7 系列数字高压电桥”，其特点是测量及显 示单元均装在原q s l 电桥机箱内，可外加电压测量，并具有4 0 。5 0 。6 0 h z 频率选择等 功能； 上海熙凌电气有限公司研制的“k m s b 一3 型高精密电容介损测试仪”，其特点是采用 电流比较仪与西林电桥相结合的线路，具有测量精度高和稳定性好等优点。 采用了现代介损测量技术，处于发展阶段的自动测量仪，己纷纷推出和试用 1 2 o 国 内目前有代表性的几种自动测量仪是： 武汉高压研究所研制的“w g 一2 5 微电脑异频介质损耗测量仪”，其特点是高压端信 号用互感器隔离取样，选用4 7 5 和5 2 5 h z 两个频率点进行异频测量，然后取其平均 值作为工频介损值； 济南泛华电子工程有限公司研制的“a i 一6 0 0 0 自动抗干扰精密介质损耗测量仪”， 其特点是在高压端直接对取样信号进行数据采集，然后将采用数据用电压互感器隔离传 输到低压端，选用4 5 和5 5 h z 两个频率点进行异频测量，然后取其平均值作为工频介损 值； 中外合资迪奥克电气有限公司研制的“g w s 一1 型光导微机介质损耗测量仪”，其特 点是采用光纤传递方式，将高压端取样信号隔离传输到低压端，在低压端用微机进行数 据处理，其使用较方便。 虽然这些产品各有优缺点，但在实际应用之中都出现了很多相同的问题，主要表现 在抗干扰能力不高，可靠性不太好，测试数据有些异常等，进而限制了这些产品的推广 应用。 6 硕十学位论文 1 3 2 国外现状 目前国外的介质损耗测量仪与同期国内产品相比，其产品相对来说较为成熟，在抗 干扰、可靠性、测试精度等方面都优于国内同类产品。 其典型产品有： 美国的d e l t a 一2 0 0 0 ( i o k va u t o m a t e di n s u l a t i o nt e s ts e t ) 。其原理上属于高压流 比器，装置上集成了小型计算机系统，智能化分析程度高； 美国d o b l e 公司的“m 4 0 0 0 全自动绝缘测试仪”，该装置按异频测量方式工作，其 高压电源输出频率是5 0 h z 士5 ，装置上集成了小型计算机系统进行智能化分析测量： 德国l e m k ed i a g n o s t i c s 公司研制开发的l d v - 5 型精密测量仪，该仪器以数字信 号处理( d s p ) 芯片为控制核心，测量时间短，每个t a n8 测量值可在施加试验交流电压 的2 0 毫秒周期内获得，谐波敏感度低。该仪器能在1 0 一4 0 0h z 频率范围内实现自动测 量，并有内置的m o d e m 来实现数据的远方传输、远方诊断和远方系统维护。 虽然国外产品的质量要好一些，但是它们的价格却很昂贵，如奥地利保尔公司的一 套介损自动测试系统，就售价约4 0 万人民币，非常不适和我国国情。目前，国内研制 的自动测量仪各有优缺点，加上我国对介质损耗测量还没有出台一个可供参考的规范， 这就导致了国内自动测量仪器正处于不断发展优化的阶段。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题就介质损耗的传统的和现代的检测方法进行了详细的研究，通过比较目前各 种测量方法和t a n8 数字信号处理算法的优劣，从中优选和提出相应的更好的测量方法 与处理算法，阐明工作原理，提出实施办法，开发出基于d s p i c 的高精度数字式介质损 耗测量仪。 研究的主要内容： 1 大动态范围信号的自动采集方法研究 由于被测试品的介质损耗差异很大，使得测量时不同试品情况下采样电流信号变化 较大( 一般从肼级到m a 级) ，在这样的大动态范围情况下如何获得高精度测量结果是 本课题要研究的内容之一。 2 高压情况下信号的低失真隔离传输方法研究 在被测试品已接地用反接法测量时为了解决高压隔离问题，同时为了减小现场电磁 场对传输信号的干扰，必须设计合理的低失真高压隔离信号传输电路。 7 硕十学俯论文 3 测量算法研究 在测量电压波形严重畸变以及恶劣的电磁环境下如何从严重失真的测量信号中获 得需要的信息，是本课题需要解决的一个重要问题。找出一种有效的数字信号处理算法， 并且用d s p i c 来实现该算法，也是本课题要研究的内容之一。 4 完成以d s p i c 为核心的智能化数字式介质损耗测试仪的硬件、软件的设计、制作、 调试和运行。 8 硕士学位论文 第2 章介质损耗测量方法综述 目前，从国内外来看介损测量采用的测量方法主要分为两类：传统电桥测量法和现 代介质损耗测量法。 2 1 传统电桥测量法 传统的电桥测量法是采用交流电桥差值比较原理，准确度相对较高，以q s l 型西林 电桥( 包括其改进型) 为典型代表。其原理如图2 1 所示。 图2 1 西林电桥原理图 图中，被测试品用等效的电容c x 和电阻r x 表示，c n 为标准电容，g 为检流计，r 3 和c 4 ， r 4 为电桥的可调臂。由电桥平衡条件可得出被测试品的： t a n6 = ( _ ) c 4 r 4( 2 1 ) c x = c n r 4 r 3 ( 2 2 ) 式中：为电压频率。 q s 西林电桥虽然作为电力行业介质损耗测量规程的标准，但它具有测试过程复杂、 操作工作量大、自动化水平低、抗干扰能力差、易受人为因素影响等不足，特别是在现 场有强干扰的情况下，有时使用西林电桥测不出介质损耗。因此已越来越难以适应现场 测量的需求，目前正逐渐被采用了现代介质损耗测量技术的自动测量仪取代。 9 硕十学位论文 2 2 现代介质损耗测量法 现代介质损耗测量法是随着微电子技术的发展和数字信号处理的广泛应用而出现 的一种不同于传统电桥测量法的新型介质损耗测量法，它主要由三部分组成：电源技术、 高压端信号取样隔离技术和介质损耗测量的信号变换处理技术“。 1 、电源技术 介质损耗测量中，电源的作用是产生o l o k v 的试验正弦电压。电源频率一般分为 工频5 0 h z 和非工频5 0 h z 士h z 两类。能产生5 0 h z 土h z 固定点频率的电源称为“异频电 源”，采用异频电源的目的是能更好地与相应的测量方法配合，以消除现场强大的工频 ( 同频) 干扰，这是目前流行的一种电源模式。 异频电源需要应用新的功率器件和电力电子专业的新技术，以实现高效率的电能转 换，并能满足一些一体化测量装置小型化及输出波形低失真度的要求。异频电源必须做 成一个可控系统，在测量时得到控制系统的指令后，输出指定频率、幅值的正弦电压信 号。 2 、高压端信号取样隔离技术 对被测试品高压端的电流和电压信号进行低失真地取样隔离是正确测量介质损耗 的一个重要前提条件，取样隔离部分是联系测量系统和高压绝缘设备的桥梁，其性能的 好坏对介损测量精度有很大影响。 目前有多种高压端取样隔离的方法，较为流行的有以下几种。 ( 1 ) 互感器取样隔离方法 这是一种应用最普遍的方法，具有隔离度高和硬件电路简单易行的特点。但缺点是 隔离后的取样波形会产生非线性失真和附加相移。虽然在互感器二次侧可用硬件电路改 善波形质量，但不可能达到满意的效果。 ( 2 ) 模拟信号光导隔离法 这种方法将高压端电阻取样得到的模拟信号进行红外光接收和发射来实现隔离。优 点是可以避开现场电磁场对传输信号的干扰，但由于红外光二极管发射和接收模拟信号 时的非线性以及因耦合造成的接收光强损失，使得隔离后信号的失真难以控制，从而影 响测量的准确性。 ( 3 ) 上位机采样脉冲数据隔离方法 此法是在高压端电阻取样后直接进行数据采集，采集到的数据可经过上位单片机系 1 0 硕士学位论文 统预处理后按某一通讯规约，用脉冲方式通过磁隔离或光电隔离传送到下位单片机。此 法精度较高，抗干扰性能较好，但在反接法时整个上位单片机系统需浮置在高电平处， 系统设计控制复杂，具有一定的局限性。 3 、介质损耗测量的信号变换处理技术 高压变频电源和高压端信号的取样隔离部分是为介质损耗测量的信号变换处理电 路提供低失真的取样信号和高精度的频率基准，当这两部分精度有了保证时，关键要看 采用何种测量方法也就是对取样信号采用何种处理方法，如果采用不当就会造成测量结 果的不准确。 目前常用的有以下几种： ( 1 ) 过零鉴相法 此法是对施加于被测试品上的电流和电压的信号波形进行滤波，限幅放大后经模拟 取样a d 转换后，送入单片机中，经过采样信号处理及计数得出电压和电流的过零时刻 t 1 和t 2 的时间差t 卜t 2 ，进而求得两者之间的相位差。 o = 2 n ( t l - t 2 ) t ( 2 3 ) 式中：t 为工频周期 则可以求得介质损耗角 6 = 必一垂 ( 2 4 ) 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可知，时间差越精确，6 得分辨率就越高，则介损t a n6 值就 越准确。而时间差的值，取决于单片机计数脉冲数，现在单片机计数脉冲频率都足够高 完全可以保证时间差有较高的精确性，故介损t a n6 值能获得很高得准确度。 这种方法的优点是测量分辨率高，线性好，易数字化，但过零鉴相法对波形失真度 和波形过零点的依赖性很大，其抗干扰性能较差，不适于现场带电测量。 其原理图如图2 2 所示： 竺竺竺查卜一 a i 。_ j d 照 转 _ 陌砷 瞧 虮 图2 2 过零鉴相法原理图 ( 2 ) 过零点电压比较法 此法是测量两个正弦波在过零点附近的电压差，由电压差来计算相位差和t a n5 的 方法1 。其原理如下： 1 1 硕十学位论文 设被测试品的电流信号：u 1 4s i n ( t o t ) ( 2 5 ) 设被测试品的电压信号：u 2 4 s i n ( r o t + 妒) ( 2 6 ) 贝u u u 2 - u 1 ；4s i n ( t o t + 妒) 一4s i n ( w t ) ( 2 7 ) 如 4 4 一aa u 一2 a s i n ( q ，2 ) c o s ( t o t + 9 2 ) ( 2 8 ) 在t = 0 时 u a s i n ( q 9 ) ，妒一a r c s i n ( a u a ) ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可见，使用该方法时只需在过零点附近测量即可，对过零点本身的精确 度没有很高的要求，且对a d 转换的要求不高，抗干扰能力较好，但要求满足以下基本 条件：两个正弦波的幅值要相等，相位差要小且频率及频率的动态偏移要相等。 ( 3 ) 相敏检波正交分离法 此法实现有两种方法：一种是用模拟乘法器和低通滤波器实现的模拟相敏检波，另 一种是由软件编程实现的数字相敏检波。模拟相敏检波的难点在于用模拟电路实现两路 同频率的正交参考正弦信号及其乘法运算，其电路比较复杂，精度较难控制，不易达到 预期的效果。为了达到好的效果，一般必须配置能产生精确同步正交参考信号的“异频 电源”和精密乘法器。而数字相敏检波能克服这一缺点，它直接对取样后的电流和电压 波形进行信号采集，采集所得的数据供软件调用，用程序来实现此测量方法。相敏检波 法依赖波形的整体特性，由于采用相关分析法，故对干扰具有较好的抑制作用。 ( 4 ) 傅里叶变换频谱分析法 此法的基本原理是利用傅里叶变换在频谱分析上的独特优点，对从试品上采样得到 的电压、电流数据进行变换分析，从而得到电压、电流基波的相位和幅值，进而由复导 纳定义求得试品的t a n6 和c x 。这种方法硬件简单，采样点数越多测量精度相对越高， 可满足一定的测量精度。该法也有效克服了一般测量方法中高次谐波带来的误差。这一 方法是目前介质损耗测量研究的热门课题。 2 3 介质损耗变频抗干扰测量 2 3 1 变频抗干扰原理 由于高压电气设备的介质损耗值一般都比较小，而自动测量仪大部分使用在如变电 站等环境恶劣，电磁干扰大的地方，因此各种干扰会对测量的准确度产生不同程度的影 响，而其中影响最大的是现场中高压电网的工频强电场对测量仪产生“同频干扰”。这 种干扰产生的原因是由于介损测量装置内部产生的高压测量电源是由输入工频供电电 硕十学位论文 源直接升压得到，而此输入工频供电电源与产生强电场干扰的电网是源于同一供电系 统，即两者具有相同的频率，因此同频干扰信号会通过空间耦合到测量回路上，引起比 较明显的干扰，特别是当外界同频干扰对电压和电流两取样通道的干扰不平衡时，表现 尤为突出“”。具体分析如下： 设被测试品电压和电流两取样电路输出的有用信号h ，f j ，表达式分别为： h ，。以c o s ( w f + 6 ：) ，一tc o s ( 耐+ 岛) 各自的同频干扰信号。、分别为： 。一以c o s ( a 膏+ ) ，。lc o s ( 甜+ q ) 叠加后为： ht u ，c o s ( a 膏+ 眈) + u 。c o s ( a z + 吒) ；u ：c o s ( o z + 一。) i l c o s ( t + 岛) + l c o s ( n 翊t + q ) 一，。，耐+ 日j ) 由叠加后的式子可见，当吃一吒，包。q 时，同频干扰只影响有效信号的幅值，会 对试样c x 的测量产生影响，但一般情况下吃一吒，包一q ，因此，当外界的同频干扰 信号叠加在有用信号之上，不是引起取样信号频率的变化，而是引起电压和电流两取样 信号相位差的改变，而使测出的c x 和t a n5 值产生较大误差。 “ 由于“同频干扰”对有用信号来说是一种满足互相关函数的“相干”干扰，故不能 用频域“鉴相”或“频谱分析”的方法( 更不能用时域“鉴相”方法) 消除此干扰。 ： 但通过试验和分析研究发现，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，这就是本课题要采用变频抗干扰技术的直接原因。 2 3 2 变频测量方法 要消除“同频干扰”，减少测量误差，根本办法就是介损测量仪必须选用能输出非 工频频率的电源，让试验电压频率偏离工频5 0 h z ，使加在测量回路上的同频干扰变为异 频干扰，而对异频干扰的消除就容易多了。另外，合理地选择介损测量装置内部产生的 高压测量电源的频率偏离量( 5 0 h z 士h z ) ，也可以消除实际电网的频率漂移( 一般在士 0 5 h z 以内) 对测量产生的异频干扰。 变频抗干扰技术实际上就是采用了变频电源，可以通过指令控制其输出非工频的电 压信号，经升压后加在被测试品上进行介质损耗的测量，其本质是一种抗干扰电源技术。 硕十学位论文 但在实际测量t a n6 时还需结合具体的信号变换处理方法，在本课题中我们选用了基于 傅里叶变换频谱分析法的基波相位分离法。基波相位分离法利用三角函数的正交性，通 过采样信号与基波频率的正余弦函数进行周期积分( 即在进行傅里叶变换的时候，信号 只对基波频率进行变换) ，可将测量信号内禽的高次谐波和直流分量滤除，从而得到需 要的基波分量的幅值和相位特征信息，再进一步运算而得出介损测量值。其具体的原理 和计算方法将在下一章中详述。 基于变频测量的原理，本系统采用了变频测量方法，其具体是利用变频电源分别输 出不同的非工频频率的正弦电压信号，在此信号下对基准电流信号和被测电流信号滤 波、调理后进行离散采样，再用基波相位分离法对采样信号进行处理，求出基准电流信 号和被测电流信号的基波的幅值和相位，进一步即可求出各频率下的t a n6 值，最后将 多个非工频频率下测得的t a n6 值进行算术平均后换算成工频5 0 h z 下的t a n6 值。这 样，将变频抗干扰技术与基波相位分离法相结合，既有效克服了高次谐波带来的误差， 又达到抑制工频同频干扰的目的。本文研制的介质损耗测量系统正是基于这一测量方 法。 1 4 硕士学位论文 第3 章基波相位分离法及其快速算法的设计 本测量系统采用变频电源输出非工频的高压电源，加在被测试品和标准试品的测量回路 中，但在提取了这两路测量回路上的采样信号后，就必须选择相应的信号变换处理方法和 算法，以达到抑制高次谐波，消除异频干扰，提高介质损耗值t a n6 的准确度的目的。本 文采用的基波相位分离法不但能达到上述目的，而且与傅里叶变换频谱分析法相比还具 有计算简单的特点。 3 1 测量信号的提取 目前，在国内外的自动介质损耗测量仪中采用的信号提取方法一般可以分为两种即 电压电流法和双电流法“”，其中双电流法用的比较多一些。 电压电流法指分别提取被测试品上所施加的电压信号和流过被测试品的电流信号。 电压信号的提取可以使用电容分压器，电流信号的提取可以使用电流传感器或取样电 阻。其缺点是分压器和电流传感器稳定性不十分理想，尤其使用在变频电压下，信号传 递的一致性会更差，提取的信号容易产生相位漂移，而使介损值的误差增大。 双电流法指分别获取流过被测试品的电流信号和在相位上超前施加电压信号9 0 。 的电流信号。一般超前施加电压9 0 。的电流信号是利用通过标准电容器的电流获得。电 流信号一般是通过串联取样电阻后变成电压信号而获得，其串联的取样电阻阻值的大小 会影响到电流信号的相位，但如果选取的电阻阻值相对于试品的阻抗来说足够小的话， 由串联电阻引入的误差就可以忽略。 基于以上考虑，本文在信号的提取上采用了双电流法，即通过采样电阻采集两路信 号：一路是经过标准电容的基准电流信号，一路是经过被测试品的被测电流信号。同时 根据被测试品是否接地可分为正接测量法和反接测量法，正接测量时被测试品悬空没有 接地，反接测量时被测试品已接地。电路连接方法如图3 1 ，3 2 所示。 由图3 2 可知反接测量时有高压加在被测信号上，故此信号的提取必须采用高压隔 离技术进行提取。 硕十学位论文 图3 1正接法接线图 图3 2 反接法接线图 3 2 基波相位分离法 3 2 1 基波相位分离法的原理 由测量信号的提取可知，通过采样电阻可将基准电流与被测电流转化为电压信号， 在理想情况下“”： 基准电流信号基波电压分量是： 一，s i n ( 埘+ 吃。) ， ( 3 1 ) 被测电流信号基波电压分量是： u c - v , ，s i n ( w t + 晓。) ， ( 3 2 ) 式中：以。一基准信号基波分量的初相角，吃，一被测信号基波分量的初相角 一非工频角频率 但在实际测量时，这两个电压信号必然含有高次谐波分量和外界强电场的工频干 扰信号，下面我们就取最为常见的3 次，5 次谐波分量来具体分析： 设工频干扰信号为： 一，s i n ( a , , t + 吃。) 式中q 一工频角频率 则实际的基准电流信号和被测电流信号可由下两式表示： 1 6 硕十学位论文 一“1 s i n ( w t + ) + 3 s i n ( 3 w t + 吃3 ) + 以5s i n ( 5 w t + ) + u s ls i n ( w l t + 哝1 ) ( 3 3 ) 【，c 墨u c l s i n ( w t + 吃1 ) + 以3s i n ( 3 w t + 眈3 ) + 以5s i n ( 5 w t + 眭5 ) + u s ls i n ( w i t + 嚷1 ) ( 3 4 ) 式中：u 。一含有高次谐波分量和工频干扰信号的基准电压信号 【0 一含有高次谐波分量和工频干扰信号的被测电压信号 由于公式( 3 3 ) 和( 3 4 ) 的相似性，故只选择基准电流信号来加以讨论。则由式( 3 3 ) 可得出： 一u b l ( s i n ( w t ) c o s ( o b l ) + c o s ( 甜) s i n ( o h l ) ) + ( s i n ( 3 w t ) c o s ( o b 3 ) + c o s ( 3 耐) s i l l ( ) ) + 5 ( s i n ( 5 n ) c o s ( 吃5 ) + c o s ( 5 w t ) s i n ( o b 5 ) ) + u 9 1 ( s i n ( w i t ) c o s ( o s l ) + c o s ( w l t ) s i n ( o s l ) ) 令 4 - _ r c o s ( 耐v ( 研) - u b t y ( s i n ( 耐) c o s ( 吃- ) + c o s ( 耐) s i n ( 吼- ) ) 。c o s ( 耐矽( 耐) + u b ，r ( s i n ( 3 甜) c o s ( ) + c o s ( 3 耐) s i i l ( ) ) c o s ( 耐m ( 耐) + s ，