高電壓絕緣介質(zhì)損耗測試儀—測量高電壓絕緣介質(zhì)損耗的方法

關(guān)鍵詞：高電壓；介質(zhì)損耗；測量方法

從能量守恒定理角度來說，在交流電壓的作用下，絕緣介質(zhì)必定會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定的 損耗,這些損耗包括絕緣介質(zhì)極化產(chǎn)生的損耗、絕緣介質(zhì)界面因放電產(chǎn)生的損耗以及絕緣介 質(zhì)內(nèi)部放電產(chǎn)生的損耗等。當(dāng)前電力系統(tǒng)中不少事故都是由于絕緣故障造成的，尤其是在高 電壓情況下絕緣介質(zhì)極易發(fā)生大面積的損耗，進(jìn)而影響電力輸送，嚴(yán)重的會造成電力系統(tǒng)癱 瘓。 因此，及時(shí)對介質(zhì)絕緣性進(jìn)行事先檢測，是消除介質(zhì)絕緣性差隱患、提高電力系統(tǒng)安 全穩(wěn)定運(yùn)行的有效措施。對絕緣介質(zhì)損耗的研究歷來是國際社會攻關(guān)的課題，在實(shí)踐中各國 也積累了一些有益的經(jīng)驗(yàn)和做法，隨著工業(yè)化與信息化的日漸融合尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速 發(fā)展，在傳統(tǒng)的絕緣介質(zhì)損耗測量方法的基礎(chǔ)上，電子控制的更趨自動化和高穩(wěn)定性精確性 的測量方法在不斷涌現(xiàn)。

一、傳統(tǒng)的介質(zhì)測量方法

(一)電橋法

電橋法是介損測量領(lǐng)域長期采用的一種方法，而傳統(tǒng)的測量方法主要就是指西林電橋 法。分析來看，當(dāng)前流行的電橋分西林型高壓電橋和電流比較儀型高壓電橋。其中最為典型 的要數(shù)西林電橋，所謂的電橋法也即西林電橋法。西林電橋?qū)儆诒容^同類阻抗元件的電橋， 它的標(biāo)準(zhǔn)阻抗和被測阻抗都是電容器。在強(qiáng)高壓下進(jìn)行高精度的介損測量是西林電橋的突出 優(yōu)勢，倘若采取特殊的措施甚至可以在強(qiáng)磁干擾下進(jìn)行頗高精度的測量；而電流比較儀型高 壓電容電橋的原理是用變壓器的比例臂代替普通的阻抗臂，以提高測量的準(zhǔn)確度，如若配以 專門的輔助電路，可以實(shí)現(xiàn)自動平衡電橋。

西林電橋法的測量原理是用標(biāo)準(zhǔn)電容和電阻將測試品進(jìn)行比較性的模擬測量。因?yàn)樗?/span> 模擬電路較為復(fù)雜，對元器件的要求比較高。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 數(shù)字化測量方法逐漸取代弊端較多的模擬方法，其原理是利用傳感器從試驗(yàn)品上取得電壓和 電流信號，經(jīng)預(yù)處理后再進(jìn)行數(shù)字化，之后輸至計(jì)算單元，算出相位差，最后得到測量值。 由于利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得模擬電路結(jié)構(gòu)簡化，提高了儀器的性能。目前許多裝置就是基 于此原理，像 PSC 型介質(zhì)損耗自動測量儀，即為利用電流比較儀線路進(jìn)行平衡的，采用這 一裝置能夠達(dá)到很高的測量精度。

(二)伏安法

伏安法是常用也是成熟的一種傳統(tǒng)方法，其工作原理是借助被測試品的端電壓向量 和流過被測試品電流向量之比，得到被測試品的阻抗向量，根據(jù) Zx 的實(shí)部和虛部，進(jìn)一步 計(jì)算求得介質(zhì)損耗值 tgδ。這種測量方法在精密計(jì)算機(jī)引入后進(jìn)一步得到更新完善，基于 測量系統(tǒng)的不斷升級，測量數(shù)據(jù)的處理效率大大提高，而且精準(zhǔn)度也得到保證。電力電子技術(shù)的滲入使介質(zhì)損耗測量技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

二、過零點(diǎn)時(shí)差比較法

過零點(diǎn)時(shí)差比較法是數(shù)字化測量介質(zhì)損耗中較早采用并且效果明顯的一種方法。其主要 原理是通過比較施加于介質(zhì)上的電壓 U 和電流 I 的過零時(shí)刻兩個(gè)值，求得兩個(gè)值之間的相位 差，從而求得介質(zhì)損耗角。與此同時(shí)，再用脈沖技術(shù)求得兩個(gè)值的值差。若計(jì)數(shù)器顯示的脈 沖數(shù)為 n，而計(jì)數(shù)器的頻率為 f,則△t=n/f,測量裝置對損耗角的分辨率也就是 2л/Tf。由 此可見，只要計(jì)數(shù)器頻率足夠高，就可以保證較高的分辨率。過零點(diǎn)時(shí)差比較法的優(yōu)點(diǎn)在于 測量的分辨率高，容易數(shù)字化處理，其缺點(diǎn)是極易受諧波干擾，導(dǎo)致測量數(shù)值不準(zhǔn)，這也是過零點(diǎn)時(shí)差比較法使用程度不高的主要原因

三、諧波分析法

諧波分析法的工作程序是首先由波形采集裝置u 和i 的時(shí)域波形同步地轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形并存儲，然后計(jì)算機(jī)將兩個(gè)數(shù)字波形調(diào)入內(nèi)存，用離散傅立葉變換出兩個(gè)信號的基波，最后 由特定的換算公式求出絕緣介質(zhì)損耗角和等值電容。諧波分析法的關(guān)鍵步驟是基于傅立葉變換作等量，考慮到三角函數(shù)的正交性，傅立葉變換求解電壓和電流的基波是不受高次諧波的影響，也不會受儀器電子電路所產(chǎn)生的零漂影響，因此可以達(dá)到比較高的穩(wěn)定性和測量精準(zhǔn)度。

然而，諧波分析法的軟肋也是很明顯的。由于現(xiàn)實(shí)中電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定與采樣誤差，極 為容易造成對采樣信號作 DFT 時(shí)出現(xiàn)偏差，數(shù)據(jù)不真實(shí)影響最終測量結(jié)果，因此又多出了 一道消除偏差的程序，從而增加了麻煩。

四、異頻電源法

異頻電源法是一種全新的抗干擾方法。其原理是在介質(zhì)損耗測量中測試電源頻率偏離干 擾電源頻率，通過頻率識別或?yàn)V波技術(shù)排除干擾電源的影響。實(shí)際上 tgδ是隨著頻率的變 化而變化的，這就出現(xiàn)了不同頻率下的介質(zhì)損耗測量結(jié)果的等同性問題。異頻電源頻率不能 偏離工頻太遠(yuǎn)，否則測量結(jié)果與工頻下的損耗值失去等同性；但也不能偏離太近，否則又會 增大頻率分辨的難度，同樣會造成較大的誤差。技術(shù)層面上看，將異頻頻率和工頻頻率分辨 開來可以采用 DFT。理論上只要滿足同步采樣條件，DFT 就不會出現(xiàn)泄漏效應(yīng)，也就意味 著可以準(zhǔn)確地將異頻電源頻率所對應(yīng)的頻譜抽取出來，從而得到該頻率波的初相位。

不過，同樣由于電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定性，加之同步采樣環(huán)節(jié)存在的某些誤差，自然會造成 對采樣信號作 DFT 時(shí)出現(xiàn)較大的誤差，所以在對信號作 DFT 時(shí)應(yīng)該去針對性的措施來消弭 誤差，確保測量的 tgδ精準(zhǔn)度。

五、現(xiàn)代介損測量技術(shù)的發(fā)展動向

分析對比以上提出的介損測量技術(shù)，發(fā)現(xiàn)都存在某些局限，因此現(xiàn)代測量介損技術(shù)的發(fā) 展趨向是在吸取借鑒以上幾種技術(shù)優(yōu)勢的同時(shí)，進(jìn)一步克服其存在的弊端，并與新型的計(jì)算 機(jī)技術(shù)融合，在裝置性能逐漸走向了量程廣，功能上強(qiáng)調(diào)自動校正與補(bǔ)償，自動測量自動輸 出數(shù)據(jù)，抗干擾能力強(qiáng)大，測量精度高的路子上來。如制造業(yè)強(qiáng)國德國最新推出的 LDV-5 型精密型介質(zhì)損耗測量裝置，采用了數(shù)字信號處理(DSP)芯片支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)對實(shí)時(shí)信號 的接受和數(shù)據(jù)處理可以在計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成，而且由于捕獲測量值的時(shí)間短，使測量中面臨的 諧波靈敏度降到了低程度，大大提高了檢測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，再加上該裝置能實(shí)現(xiàn)全自動化 測量，這也提高了測量效率，同時(shí)最大限度地避免了傳統(tǒng)檢測方法容易出現(xiàn)的技術(shù)失誤。

高電壓絕緣介質(zhì)損耗測試儀

原理

材料介電性能主要用介電常數(shù)ε和介電損耗角正切tanδ來表征，其中介電常數(shù)是綜合反映電介質(zhì)極化行為的宏觀物理量。介電損耗角正切表征每個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量與其貯存能量之比。

作用: 在實(shí)際工程應(yīng)用中，介質(zhì)損耗通常都是用介質(zhì)損耗角的正切tanδ來表示的。用tanδ值來研究電介質(zhì)損耗具有以下兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）tanδ值可以和介電常數(shù)ε同時(shí)測量得到；

（2）tanδ值與測量樣品的大小和形狀都無關(guān)，是電介質(zhì)自身的屬性，并且在許多情況下，tanδ值比ε值對介質(zhì)特性的改變敏感的多 。

用例：

高分子材料多系絕緣性好的材料，廣泛的用于電子及電工行業(yè)。使用時(shí)不希望絕緣材料本身能量損耗大，因而測量出介質(zhì)損耗因數(shù)就能評價(jià)材料的介質(zhì)本身能量損耗。工業(yè)上多選用介質(zhì)損耗因數(shù)小的高分子材料作為絕緣材料。通常極性橡膠的tanδ比非極性橡膠的大。它還與試驗(yàn)采用的頻率、溫度緊密相關(guān)。在一定溫度下，只有在某一頻率范圍內(nèi)，分子偶極取向雖可追隨電場變化，但不wan全同步，有部分電能被吸收而發(fā)熱，tanδ出現(xiàn)最大值。同樣在一定頻率下，惟有某一溫度區(qū)域內(nèi)tanδ才會出現(xiàn)極大值，當(dāng)頻率升高時(shí)，介質(zhì)損耗峰移向高溫端。