1、介質損耗角檢測系統的研究與設計1.1 介質損耗及介質損耗角對于電容型絕緣設備，通過對其介電特性的監測，可以發現尚處于早期發展階段的缺陷。反映介電特性的參數有介質損耗角正切，電容值和電流值I，是設備絕緣的局部缺陷中，由介質損耗引起的有功電流分量Ir 和設備總電容電流Ic之比3，它對發現絕緣的整體劣化（例如，絕緣均勻受潮）較為靈敏，而對局部缺陷（即體積只占介質中較小部分缺陷和集中缺陷）則不易用測方法實現。1.1介質損耗的概念電介質在電場作用下（加電壓后），要發生極化過程和電導過程4。有損極化過程中有能量損耗；在電導過程中，電導性泄露電流流過絕緣電阻當然也有能量損耗。損耗程度一般用單位時間內損耗的能

2、量，即損耗功率表示。電介質出現功率損耗的過程稱為介質損耗。顯然，介質損耗過程隨極化過程和電導過程同時進行，換句話說，由于極化、電導過程的存在才有損耗過程。電介質損耗掉的能量也就是電能全部轉變成了熱能，使電介質溫度升高。若介質損耗過大，則電介質溫度將升的過高，這將加速電介質的熱分解與老化，最終導致絕緣性能的完全失去。1.2 介質損耗的基本形式（1）電導損耗是由泄露電流流過電介質而引起的損耗。（2）極化損耗是由有損極化引起的損耗。（3）游離損耗是氣體間隙的電暈放電以及液固體電介質內部氣泡中的局部放電所引起的附加損耗。由于電介質的極化，電導過程很微弱，所以氣體電介質的介質損耗是極小的，但是液體固體電

3、介質在運行過程中的介質損耗就不能忽略。在直流電壓作用下，液體固體電介質的電導損耗占主導，其余可忽略；在交流電壓作用下，極化損耗就不能忽略。1.3 介質損耗角介質損耗角是在交變電場下，電介質內流過的電流向量和電壓向量之間的夾角（即功率向量角ø）的余角，簡稱介損角5。如果取得試品的電流向量和電壓向量，則可以得到向量圖：圖1.1 介質損耗角等效電路及電路圖介質損耗角（介損角）是一項反映高壓電氣設備絕緣性能的重要指標。介損角的變化可反映受潮、劣化變質或絕緣中氣體放電等絕緣缺陷，因此測量介損角是研究絕緣老化特征及在線監測絕緣狀況的一項重要內容。而在實際測量中，由于介損角很小，所以需要測量系統有

4、較高的測量精度，這樣才能正確及時地反映介損角的變化。人們一直在研究介損角測量方法，每種方法都有其自身的特點。隨著電子工業及計算機的迅速發展和廣泛應用，數字化測量手段涌現出來，并且其運用的各種算法也有很多。數字化測量方法求取介損角即對電壓、電流信號進行數字化采樣后在通過一定的算法求出介損角。目前工業上常用的算法是基波相位分離法。1.4 介質損耗檢測的意義及其注意問題（1）在絕緣設計時，必須注意絕緣材料的值。若值過大則會引起嚴重發熱，使絕緣加速老化，甚至可能導致熱擊穿。而在直流電壓下，較小而可用于制造直流或脈沖電容器。（2）值反映了絕緣的狀況，可通過測量=f()的關系曲線來判斷從良狀態向劣化狀態轉

5、化的進程，故的測量是電氣設備絕緣試驗中的一個基本項目。（3）通過研究溫度對值的影響，力求在工作溫度下的值為最小值而避開最大值。（4）極化損耗隨頻率升高而增大，尤其電容器采用極性電介質時，其極化損耗隨頻率升高增加很快，當電源中出現高次（如3次、5次）諧波時，就很容易造成電容器絕緣材料因過熱而擊穿。（5）用于沖擊測量的連接電纜，其絕緣的必須很小，否則所測沖擊電壓通過電纜后將發生嚴重的波形畸變，影響到測量的準確性。2 介質損耗角檢測的方法2.1電橋法電橋法歷史悠久，具有較高的靈敏度。典型代表是西林電橋7。用交流電橋平衡時，比較橋臂阻抗即可得到被測參數。 電橋法的優點是較準確，可靠。但是要求比較嚴格，

6、工藝煩瑣，并且監測前要對低壓橋臂（R3、C4、R4）進行調整，使G指向零點，所以增加了操作的復雜性。2.2 伏安法 基本原理是根據被測試品的端電壓向量和流過被測試品電流向量之比，可得到被測試品的阻抗向量，根據Zx的實部和虛部，進一步計算求得介質損耗。2.3 自由軸法 自由軸法測量介損角的原理圖如圖2.1所示。U4 US U2 Ux U3 U1圖2.1 自由軸法測量介損角原理圖由于US的相對位置以及它們的模不變，所以是固定的。用軟件方便實現對向量在X軸、Y軸數據上的采集，硬件構成簡單，使復雜的測量系統簡單化，便于實現。使用這種方法明顯優于電橋法。但由于影響電力設備介質損耗角的變化的因素有很多，例

7、如：溫度、頻率、電壓等，并且波形不準、外界電磁場的干擾、元件的誤差都會造成測量不準。所以要增加許多措施來減少這些誤差。2.4 相位差法利用采樣電路測出電流和電壓的過零點，通過邏輯轉換形成一定寬度的時間信號，并且脈沖寬度反映相位差，最后通過測量方波的寬度來求出試品的介損值。相位差法的原理圖如圖2.3所示。U(t)I(t)tt t t圖2.3 相位差法原理圖 相位差法在國內應用比較廣泛，其優點是不更改設備的運行情況，直接測出,但是利用相位差法測量的過程中，誤差來源多，如頻率的變化有可能造成很大誤差，電壓互感器引起的固有相差、信號中諧波的影響、兩路信號在處理過程中存在時延差、整形波形引起的誤差，并且

8、還有溫度等其他外界因素都可能引起誤差，因此這種方法對電子器件的要求較高。2.5 過零點電壓比較法過零點電壓比較法的抗干擾能力加強，但是它所要求的條件十分苛刻。兩個正弦波的相位差要小；兩個正弦波的幅值要相等；兩個正弦波的頻率要相等；兩個正弦波的諧波分量要相等；測量時要將電壓向量移相。2.6 基波相位分離法基波相位分離法實現起來硬件電路簡單，采樣點數越多的，測量精度越高，同時克服了一般測量中高次諧波干擾帶來的影響。但是這種方法要求電壓、電流這兩路信號采集的同時性，并且必須保證在一個共頻周期內均勻采集到整數個點（即電壓、電流信號周期必須是采樣間隔的整數倍），如果達不到，則會引起較大誤差。因此在此法的

9、基礎上引進一種新的算法即采用等時間間隔對電壓、電流信號進行采樣，同時對信號周期波動產生的誤差進行補償，也就是非同步采樣算法。2.7 介質損耗角的異頻檢測異頻檢測是由國外引進的一種新的抗干擾方法。其原理是在介質損耗測量過程中，試驗電源頻率偏離干擾電源頻率（主要是共頻電源的干擾），通過頻率識別或濾波技術，排除干擾頻率的影響。3介質損耗角檢測系統的設計3.1 系統的總體結構 基于以上測量原理，本文采用虛擬一起的結構形式構成介質損耗角檢測系統11-14。此系統總共分為五個環節：信號采集、信號處理、信號傳輸與通信、測試數據分析與判斷、測試結果顯示與數據管理。見圖3.1所示。信號采集信號處理信號傳輸數據處

10、理數據顯示圖3.1 介質損耗角檢測系統總體結構3.2 信號采集信號采集是整個測試系統的基礎，信號的采集與檢出大多用傳感器來實現。3.3 信號處理原始信號通過某種方式提取后，一方面不可避免地含有噪聲、干擾等，這會影響測試系統對被測信號的分析判斷結果；另一方面需要轉換成其他信息才能用于分析判斷，因此在進行數據分析判斷之前要對信號進行相應的處理。信號處理指從傳感器得來的信號進行變換、放大、濾波、調制/解調、模/數和數/模轉換、識別、估值等加工處理，以便削弱信號中多余、無用分量并增強信號中有用分量，或將信號變換成某種更希望的形式，提取需要的特征值，從而全面、準確地獲取有用信息。在本系統中，信號狐貍主要

11、是對信號進行信號消噪。從傳感器得來的信號往往很微弱，并常常混有噪聲。如果這些噪聲處于有用信號之外，則可以用模擬濾波器予以消除。如果噪聲是與信號頻譜交疊的弱信號，可以考慮用取樣積分等方法來提取有用信息。信號處理的根本目的是提高信噪比。3.4 信號傳輸與通信信號傳輸與通信主要完成測試系統裝置間或測試裝置與其他環節間的信息傳輸。在這里主要是測試裝置與計算機之間的傳輸、網絡傳輸。在本測試系統中，虛擬儀器中硬件采用PCI卡式虛擬儀器，用來獲取處理后的信號。PCI（peripheral component interconnect）外部設備互連總線，是一種即插即用的總線標準，采用地址/數據總線復用方式，最高總線時鐘可達66 MHz，最高峰值傳輸速度可達528 MHz。PC上的PCI總線以33 MHz的時鐘頻率操作，采用32位數據總線，數據傳輸速度可達132MB/S，PCI總線是一種自動配置的總線，即居于完整的即插即用（plug & play）功能。3.5 數據分析與判斷和數據顯示在此檢測系統中，運用美國NI公司研制開發的虛擬儀