基于準同步諧波分析法的介質(zhì)損耗測試系統(tǒng)

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.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200093)

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

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

隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，介損測量的新方法主要有:數(shù)字式自動平衡電橋、實部和虛部分立法、數(shù)字采樣波形分析法及過零時間差法，但是這些方法在實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量0.1 Hz頻率下的tanδ是一種較理想的介質(zhì)損耗正切測量方法，其突出優(yōu)點在于不受高次諧波和零漂的影響，具有很強的抗干擾能力和較高的穩(wěn)定性及測量精度，而且設備輕，易于實現(xiàn).

1 介質(zhì)損耗測量系統(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)的測量實質(zhì)上是通過測量電壓和電流經(jīng)過零點的時間差來計算tanδ的值，其計算原理如圖1所示.圖2為0.1 Hz介質(zhì)損失角正切(tanδ)的測量原理.

圖1 tanδ值的計算原理

圖2 tanδ的測量原理

由圖2可以看出，整個系統(tǒng)的測量原理為: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信號通過低通濾波器，濾除高頻和工頻干擾信號，再利用限幅放大器將信號放大，并確保信號小于后續(xù)的ADC輸入信號的最大值，從而實現(xiàn)對測試單元在過壓和過流情況下的保護;然后，在ADC采樣單元中，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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)測量誤差;最后，利用單片機對測量的數(shù)據(jù)進行準同步諧波分析處理，以實現(xiàn)對tanδ的準確測量.

2 準同步采樣原理

在信號的提取過程中，存在一些隨機的干擾信號，這些干擾信號可通過求平均值的方法進行濾除.但對于低頻信號來說，對信號進行多周期采樣需要很長的時間(如10個周期的采樣需100 s).為解決這一問題，本文采用準同步算法來實現(xiàn)對平局波形的提取，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 準同步采樣原理

準同步算法的數(shù)據(jù)處理過程為:首先，對被采集的信號進行有限次的采集(圖3中為3個周期)，由于其為周期信號，故對其進行N(每周期的采樣點數(shù))次處理，并計算出第一次處理后的電壓波形;然后，依次計算，直至最后剩下1個電壓波形.從上述的數(shù)據(jù)處理過程中可以看出，原來只有3個周期的數(shù)據(jù)，通過準同步算法得到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)的個數(shù);

N——單個周期的采樣個數(shù);

ΔT——周期偏差，ΔT=T0－NTs;

rn——衰減因子;

A0——直流分量.

3 準同步諧波分析法

3.1 諧波分析法原理

目前，對于介質(zhì)損耗的測量方法有很多，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用［4-7］.諧波分析法［3］是指對數(shù)據(jù)進行 FFT變換，提取基波分量，從而消除諧波對測量精度的影響.對上述電壓波形和電流波形進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:首先對電壓波形和電流波形進行FFT變換，然后利用ax1，ar1，bx1，br1計算出相應的基波系數(shù)，最后計算出tanδ.

3.2 準同步諧波分析法的數(shù)據(jù)處理過程

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

4 結(jié)語

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

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