CN105223422A - 数字式介质损耗测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式介质损耗测量装置及方法，该装置主要包括：数字信号处理器、数据采集/模拟隔离电路、标准电容器、滤波电路、信号调理电路、锁相环倍频电路、A/D转换器和显示器；其中锁相环倍频电路从信号调理电路获取信号后连接到数字信号处理器上；数据采集/模拟隔离电路与试品连接，第一滤波器与模拟隔离电路连接，标准电容器的输入端与第一滤波器连接，标准电容器的输出端与第二滤波器连接，第二滤波器与信号调理电路连接，信号调理电路与A/D转换器连接，A/D转换器与数字信号处理器连接；显示器通过接口电路与数字信号处理器连接。本发明具有安全可靠，可在线检测，测量精确性高等优点，适于推广应用。

Description

数字式介质损耗测量装置及方法

技术领域

本发明涉及计算机技术及将其应用到高电压试验与测量技术领域，特别是涉及高电压静电干扰、电磁场干扰、电晕放电和试品闪络下的放电电流引起地电位抬高以及暂态恢复过电压工况下的抗干扰技术领域。

背景技术

电力系统中应用大量的高压电气设备，包括发电机、变压器、断路器、隔离/接地开关、电压/电流互感器、电抗器、电容器、避雷器等。具电力部门统计，在电力系统事故中，因绝缘性能劣化或失效导致的故障占一半以上。为了避免或减少因绝缘工作不可靠导致的故障，必须准确有效地且及时发现、诊断高压电气设备的绝缘状态。介质损耗对于绝缘状态变化反应非常灵敏，介质损耗上升是绝缘老化的一个重要表现，能准确的反应电气设备的绝缘性能，能宏观地评价绝缘的基本状况，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。也就是说，测量高压电气设备绝缘的介质损耗对于及时有效地发现绝缘故障或隐患非常有效。另一方面，对于开展绝缘理论研究、电介质绝缘性能研究同样需要进行介质损耗测量。然而，介质损耗是一个非常小的量，测量环境处于强电磁场下，有时存在暂态恢复过电压、地电位抬高等，干扰比较复杂且强度大。因此，要求测量装置具有很高的准确度、稳定度和灵敏度，并且要求测量系统的抗干扰能力、信号分析与处理能力强。

传统的测量方法基本都是模拟法测量法，且只能离线测量。具有代表性的是高压电桥，测量时通过调节阻抗使电桥平衡后读取测量值。但是测量现场存在较大的谐波干扰、外界电磁场干扰，电桥常常不易平衡，测量误差比较大，因而多在试验室等干扰较小的场所使用，不能在现场进行在线测量，限制了该方法的应用。数字信号处理技术、计算机及应用技术的发展为介质损耗测量技术的发展提供了条件，随着研究的近一步深入，绝缘检测技术已经发展到了一个新的水平，对介质损耗的测量出现了数字化、智能化、在线测量。但是无论采用何种获取数字化的测量信号以及采用何种信号处理方法，一个共同的问题就是抗干扰能力、可靠性不高，测试数据精度低或出现异常等。目前，在现场干扰环境下对介质损耗测量，从系统的角度来看，还有很多实际的问题有待于解决，综合来看数字化、自动测量技术还处于不断发展优化的阶段。

发明内容

发明目的

为了克服上述现有技术的不足，实现对介质损耗的准确测量，特别是实现在线测量，本发明提供一种数字式介质损耗测量装置及方法，解决了介质损耗精确测量中的抗干扰问题，提高了测量的稳定性。

技术方案

一种数字式介质损耗测量装置，其特征在于：所述装置主要包括：数字信号处理器、数据采集/模拟隔离电路、标准电容器、滤波电路、信号调理电路、锁相环倍频电路、A/D转换器和显示器；其中锁相环倍频电路从信号调理电路获取信号后连接到数字信号处理器上；数据采集/模拟隔离电路与试品连接，第一滤波器与连接，标准电容器的输入端与第一滤波器连接，标准电容器的输出端与第二滤波器连接，第二滤波器与信号调理电路连接，信号调理电路与A/D转换器连接，A/D转换器与数字信号处理器连接；显示器通过接口电路与数字信号处理器连接。

锁相环倍频电路中的相位比较器从信号调理电路获得输入信号并且与低通滤波器和分频器连接，低通滤波器与压控振荡器连接，分频器与输出信号连接，输出信号连接到数字信号处理器上。

一种如上所述数字式介质损耗测量装置的测量方法，其特征在于：该方法步骤如下：

数据采集/模拟隔离电路对试品进行采样获得试品的电压和电流信号，经过模拟隔离电路实现测量现场与测量装置的隔离，经过滤波电路后滤除高频干扰，经过信号调理电路整定、锁相环倍频电路处理后进入A/D转换器转换后进入数字信号处理器，经过数字信号处理器处理、运算后从显示器输出测量结果。

整个装置采用屏蔽设计，电路板外采用同轴电缆连接。

测量装置采用悬浮电位技术防止电晕放电或试品闪络时地电位抬高导致装置遭到破坏。

进行插值FFT精确计算时，采用基于双谱线加窗函数Blackman-Harris插值修正算法消除因“频谱泄露”和“栅栏效应”所产生的误差。

测量时经信号调理电路整定的信号进行锁相环倍频处理。

试品采用两路信号同步采样算法。

优点及效果

本发明这种数字式介质损耗测量装置及方法，具有如下优点和有益效果：

高压电气设备的绝缘即使在投入运行时满足国家试验标准和运行要求，但是由于现有绝缘设计理论的局限、电介质绝缘性能的分散性、不利自然环境的侵蚀、工作电压的长期作用、过电压的短时冲击，其绝缘能力将逐渐降低，严重时发生贯穿性击穿，危害供电的可靠性，有时甚至会引起电力系统的崩溃，造成巨大的经济损失和社会影响，因此需要及时测量设备的介质损耗，发现介质劣化状况和确定绝缘状态。传统的介质损耗测量采用电桥平衡法测量，该测量方法在测量现场谐波干扰、外界电磁干扰下，电桥不易平衡，测量误差较大。在介质损耗数字方面，国内外专家和学者们做了大量工作，但是综合来看还处于不断发展优化的阶段。

本发明针对传统检测方法具有以下优势：

（1）该装置可以实现在线检测，在线检测能及时发现隐患及绝缘变化的趋势，避免绝缘击穿事故发生，保证了供电的连续性。

（2）该装置采用了悬浮电位技术使之安全性、可靠性更高。

（3）该装置采用了采用基于双谱线加窗函数Blackman-Harris插值修正算法和锁相环倍频电路及两路信号同步采样算法提高测量精度和稳定性。

（4）检测装置以数字信号处理器为控制中心，具有智能化，能够根据从现场获得的信息进行分析、处理、诊断、评估设备绝缘绝缘状态，提出预报与处理意见。

（5）检测装置以数字信号处理器为控制中心，适应当今我国智能电网建设需要。由于通过对设备介质损耗的准确测量，进而进行故障诊断和状态评估，可以有效地减少和避免其绝缘击穿，更重要的是电气设备可靠工作才能确保电力系统可靠，避免停电，及经济效益、社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明测量装置原理图。

图2为加窗插值修正算法结构图。

图3为锁相环倍频电路原理图。

具体实施方式

本发明涉及一种数字式介质损耗测量装置及方法，属于计算机技术及将其应用到高电压试验与测量技术领域，特别是涉及高电压静电干扰、电磁场干扰、电晕放电和试品闪络下的放电电流引起地电位抬高以及暂态恢复过电压工况下的抗干扰技术；波形分析与处理、滤波技术；绝缘性能监测与诊断技术领域。

如图1中所示，所述数字式介质损耗测量装置由数字信号处理器控制管理，所述装置主要包括：数字信号处理器、数据采集/模拟隔离电路、标准电容器、滤波电路、信号调理电路、锁相环倍频电路、A/D转换器和显示器；其中锁相环倍频电路从信号调理电路获取信号后连接到数字信号处理器上；数据采集/模拟隔离电路与试品连接，第一滤波器与模拟隔离电路连接，标准电容器的输入端与第一滤波器连接，标准电容器的输出端与第二滤波器连接，第二滤波器与信号调理电路连接，信号调理电路与A/D转换器连接，A/D转换器与数字信号处理器连接；显示器通过接口电路与数字信号处理器连接。

如图3所示，锁相环倍频电路中的相位比较器从信号调理电路获得输入信号并且与低通滤波器和分频器连接，低通滤波器与压控振荡器连接，分频器与输出信号连接，输出信号连接到数字信号处理器上。

一种如上所述数字式介质损耗测量装置的测量方法，该方法步骤如下：

数据采集/模拟隔离电路中的数据采集模块对试品进行采样获得试品的电压和电流信号，经过模拟隔离电路实现测量现场与测量装置的隔离，经过滤波电路后滤除高频干扰，经过信号调理电路整定、锁相环倍频电路处理后进入A/D转换器转换后进入数字信号处理器，经过数字信号处理器处理、运算后从显示器输出测量结果。

该装置采用屏蔽设计防止空间电磁干扰，电路板外的连接均采用同轴电缆；为了防止电晕放电或试品闪络时地电位抬高导致装置遭到破坏，采用了悬浮电位技术。

采用基于三谱线加窗插值修正算法确定基波谱线的准确位置并选择Blackman-Harris窗函数来消除因“频谱泄露”和“栅栏效应”所产生的误差。

为了提高测量精度，本发明应用基于三谱线加窗插值修正算法，并合理地选择窗函数。理论上，傅里叶变换是对整个时域信号的变换，而在实际工程中应用的傅里叶变换算法所要处理的有限长度信号是经过采样和A/D转换得到信号与矩形窗信号的卷积，即利用FFT算法得到的傅里叶变化结果相当于实际信号的傅里叶变换与矩形窗傅里叶变换的卷积，并不等于实际信号的傅里叶变换。频域上卷积的结果，会造成所得到的频谱与原来的频谱不相同，即频谱的“扩散”（拖尾、变宽），也就是信号频谱的频率成分泄露到了其它频率处，这就是所谓的“频谱泄露”和“栅栏效应”，从而产生测量误差。鉴于Blackman-harris窗的旁瓣只有-92dB，截断引起的谱间干扰最小，因此具有很高的计算精度，在抑制频谱分析长范围泄漏方面具有较好的性能。双谱线插值修正方法准确度高，为了进一步提高插值FFT的计算精度，通过分析加窗信号傅里叶变换的频域表达式，利用基波频点附近的三根离散频谱的幅值确定基波谱线的准确位置，进而得到基波幅值和相位，即采用加窗插值修正算法提高测量的准确性。其结构如图2所示。

为了提高装置的抗干扰性，本发明针对电磁干扰问题，采用屏蔽设计和利用窗函数法抗干扰设计；针对地电位抬高问题，采用电位悬浮、模拟隔离设计。谐波分析法的主要问题是因电网频率波动或者外界强电场干扰所导致的同步采样条件不能得到满足而引起的误差。考虑到系统存在干扰，利用三角函数的正交性消除高次谐波而得到基波分量，进而计算基波的相位差求得介质损耗角正切。在软件上利用窗函数法构造线性相位FIR低通滤波器，达到较高的测量精度和稳定性。为了提高其测量的稳定性，设计了锁相环倍频电路和两路信号同步采样算法。其原理如图3所示。

本发明的工作过程如下：数据采集环节获得试品电压、电流信号，经过模拟隔离环节实现测量现场与测量装置的隔离，经过滤波环节后滤除高频干扰，经过调理环节整定、锁相环倍频环节处理后进入模/数转换环节转换后进入数字信号处理器，经过数字信号处理器处理、运算后从显示器输出测量结果。

Claims (8)

1.一种数字式介质损耗测量装置，其特征在于：所述装置主要包括：数字信号处理器、数据采集/模拟隔离电路、标准电容器、滤波电路、信号调理电路、锁相环倍频电路、A/D转换器和显示器；其中锁相环倍频电路从信号调理电路获取信号后连接到数字信号处理器上；数据采集/模拟隔离电路与试品连接，第一滤波器与连接，标准电容器的输入端与第一滤波器连接，标准电容器的输出端与第二滤波器连接，第二滤波器与信号调理电路连接，信号调理电路与A/D转换器连接，A/D转换器与数字信号处理器连接；显示器通过接口电路与数字信号处理器连接。

2.根据权利要求1所述的数字式介质损耗测量装置，其特征在于：锁相环倍频电路中的相位比较器从信号调理电路获得输入信号并且与低通滤波器和分频器连接，低通滤波器与压控振荡器连接，分频器与输出信号连接，输出信号连接到数字信号处理器上。

3.一种如权利要求1所述数字式介质损耗测量装置的测量方法，其特征在于：该方法步骤如下：

数据采集/模拟隔离电路对试品进行采样获得试品的电压和电流信号，经过模拟隔离电路实现测量现场与测量装置的隔离，经过滤波电路后滤除高频干扰，经过信号调理电路整定、锁相环倍频电路处理后进入A/D转换器转换后进入数字信号处理器，经过数字信号处理器处理、运算后从显示器输出测量结果。

4.根据权利要求3所述的数字式介质损耗测量方法，其特征在于：整个装置采用屏蔽设计，电路板外采用同轴电缆连接。

5.根据权利要求3所述的数字式介质损耗测量方法，其特征在于：测量装置采用悬浮电位技术防止电晕放电或试品闪络时地电位抬高导致装置遭到破坏。

6.根据权利要求3所述的数字式介质损耗测量方法，其特征在于：进行插值FFT精确计算时，采用基于双谱线加窗函数Blackman-Harris插值修正算法消除因“频谱泄露”和“栅栏效应”所产生的误差。

7.根据权利要求3所述的数字式介质损耗测量方法，其特征在于：测量时经信号调理电路整定的信号进行锁相环倍频处理。

8.根据权利要求3所述的数字式介质损耗测量方法，其特征在于：试品采用两路信号同步采样算法。