数字化测量介质损耗角的方法

摘要：总结了介损模拟测量方法存在的不足。对当前几种典型的介质损耗数字化测量方法进行了介绍，讨论了每种方法的优缺点和实际应用中出现的一些问题，并对介损数字化测量的发展前景进行了展望。

关键词：介质损耗 数字化 测量

1 引言
　
  　高压电气设备中，对绝缘介质损耗的测试具有很重要的意义。在高压预防性试验中，介质损耗因素的测量属于高准确度测量，通常是在被测试品两端加以工频50Hz的高电压（10kV），使被测试品流过一个极其微小的电流，利用电压与电流之间夹角的余角δ的正切值来反映被测试品的介质损耗大小。这种高电压、微电流、小角度的精密测量要求测量系统应具有很高的灵敏度和准确性，在现场条件下还需要具有较强的抗干扰能力。
　　过去介质损耗角的测量采用模拟测量方法，主要有谐振法、瓦特表法和电桥法，谐振法只适用于低压高频状态下的测量。瓦特表法是由介质损失的功率和经过的电流计算求得，瓦特表法由于测量准确度低，现已基本淘汰。电桥法是采用交流电桥差值比较原理，准确度相对较高，其典型代表是西林电桥，见图1所示。由电桥平衡条件可得出被试品的电容值Cx及tanδ: CX=(R4/R3)CN tanδ=ωC4R4

　　目前数字化自动电桥其实只是采用数字化技术来调节电桥的平衡，而实际的测量原理仍然是用标准电容和电阻与被试品进行比较的模拟方法。其缺点是:
　　(1)测量程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受人为因素的影响。
　　(2)随着输变电工程电压等级的提高，强电场干扰严重，使变电站高压电器设备的tanδ测量误差过大。
　　(3)当试验电源有较大谐波干扰时，即使基波电压已获平衡，检流计仍不能为零，不能排除与基波相近的谐波干扰。

2 几种介损的数字化测量方法
　　数字化测量方法的原理是利用传感器从试品上取得所需的信号U和I，经前置预处理电路数字化后送至数据处理计算机或单片机，算出电流电压之间的相位差△ψ，最后得到tanδ的测量值，见图2。

2.1过零电压比较法
　　过零电压比较法是测量两个频率相同，幅值相等，相角差小的正弦电压波之间的相角差的方法。满足上述条   

　　这种方法的特点是电路简单，对启动采样电路、A/D转换电路要求不高，且以过零点附近两个正弦波的平均电压差来评价两正弦波的相位差，所以抗干扰扰能力强。但要求满足的测量条件十分苛刻，如要求两个被测的正弦波谐波分量和谐波相位相等，增大了测量难度[1]。
2.2过零时差比较法
　　这是一种将相位测量变为时间测量的方法其原理见图3。系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号的过零点（图3（b）, (c)），然后通过一系列的逻辑转换电路形成宽度为△t的方波信号（图3（d））。由于方波的宽度反映了电流电压信号的相位差，所以通过测量△t即可求出试品的介损值。

该方法具有测量分辨率高、线性好、易数学化的优点。但误差因素有时对测量结果影响很大，从而限制了应用。其中最重要的误差原因是由于零线漂移和波形畸变而导致信号过零点偏移。
2.3谐波分析法
　　谐波分析法就是用离散付立叶变换（DFT）对试品的电压和电流信号进行谐波分析，得出基波，再求出介质损耗角。
　　高次谐波主要以3次和5次谐波为主，试品上的电压和电流可表示为:

　　谐波分析法把对波形的处理放在后期的软件程序中进行，简化了硬件线路和结构，提高了系统可靠性。由于电网频率不稳，加之同步采样环节的误差，造成对采样信号做DFT时产生较大的误差，所以在对信号DFT计算时应采取相应的措施尽量消除频谱泄漏和栅栏效应带来的误差[2]。
2.4自由矢量法

　　本方法的原理来自于电压/电流法测量元件阻抗的原理，根据被测试品的端电压相量和流过试品的电流相量之比，可以得到被测试品的阻抗相量，根据ZX的实部和虚部，进一步求得介质损耗角正切tanδ。设to时刻方向上的矢量为参考矢量时，见图4，电压和电流用矢量表示为:

　　自由矢量法实现的电路简单、体积小、重量轻、价格便宜，但存在电源频率不稳，波形不准,外界电磁场干扰等误差因素，限制了该方法的准确度和应用。
2.5异频电源法
　　异频电源法的原理为在介质测量过程中，试验电源频率偏离干扰电源频率，通过频率识别和滤波技术排除干扰电源的影响。使用DFT或FFT可将异频频率波和干扰频率波分辨开来。理论上只要满足同步采样条件，DFT或FFT就不会有泄漏效应，可准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，也就可得到该频率波的初相位。
　　实际上，介质随频率的变化而变化，这就出现不同频率下的测量结果的等同性问题。异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果与工频下的介损值失去等同性，也不能偏离太近，这样会增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差[4]。正弦电压和电流在时域的表达式可写为:

　　该方法要求A/D转换的位数N不小于10，采样率不低于1KHz[5]。由于在方法的设计上把流过试品的电压和电流理想化为标准的正弦波，没有考虑信号中有谐波等干扰成分，容易造成测量的误差。
　　以上介损的数字化测量方法之间并不是孤立的。例如在正弦波参数法和自由矢量法中，可先用谐波法滤除高次谐波，得到电压和电流的基波再计算各个参数。而异频电源的采用是为了克服工频干扰，它几乎可以应用到其他所有的数字化测量方法中。因每种测量方法的特点，过零时差比较法和过零点电压比较法多用于现场及在线监测的测量仪器，而自由矢量法和正弦波参数法多用于便携式带电检测仪器。

3 结语
　　介损的数字化测量技术在不断地发展和完善。数字化测量的优点在于它的智能化和多功能趋势，特别是将后级处理与高压设备绝缘的诊断专家系统联系起来，实现自动检测和诊断报警。介损的数字化测量是有着光明的发展前景，如何提高抗干扰能力和测量准确性仍是当前研究的课题。◎

参考文献
[1]蔡国雄，介质损耗测量的过零点电压比较法[J].电网技术.1995.19（10）
[2]黄新红，高压电气设备绝缘时性带电检测仪信号采集系统的研究[J].西安交通大学学报。1997.31(11)
[3]吕延峰、陈长喻，用MCS-8098单片机实现的介质损耗测量系统[J].高电压技术.1996.22(2)
[4]侯铁信、张卫军，介损测量信号抽取及处理方法的研究[J].高电压技术.1997.23(2)
[5]赵秀山，介质损耗角的数字化测量[J].清华大学学报.1996.22(2)