CN115480137A - 电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法及系统，属于电力技术领域。该方法通过采用频率分段、电源互补的方式，具体包括：S1：确定测量参数；S2：确定频率分段点；S3：根据频率分段点将所测频率范围分为两部分，分段点及以下的频率点采用信号发生器和高压放大器作为电源，分段点以上频段采用电容量变频电源和高频变压器作为电源；S4：测量先从最高频率点测向频率分段点，然后替换电源，从频率分段点测量至最低频率点；并利用示波器获取各频率点的测试电压波形和响应电流波形；S5：基于离散的时域测试电压波形及响应电流波形，确定电气设备绝缘的介电特征。本发明能实现高电压、大电容量电气设备的介电响应特性的宽频测量。

Description

电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法及系统

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法及系统。

背景技术

目前基于电介质弛豫理论的介电响应类方法广泛应用于电气设备绝缘状态诊断，主要包括频域介电谱法、回复电压法、极化去极化电流法，其中频域介电谱法由于能够反映宽频带内的介质绝缘状态成为研究的热点。

采用频域介电响应法评估电气设备绝缘状态通常是在设备绝缘两端施加不同频率的电压，测量其响应电流，然后根据试验电压、响应电流的幅值相位关系进一步计算介电参数。电气设备绝缘在工频及以上频率的电压作用下其阻性电流极小，主要呈容性。假设试验电压为U，电压角频率为ω，设备绝缘电容量为C，则响应电流I和试验电源容量S分别为：

I＝UωC (1)

S＝UI＝U²ωC (2)

从式(1)可以看出，响应电流随着试验电压幅值、角频率及设备电容量的增大而增大，而大部分功率放大器的输出电流幅值限定为20mA以内，对于一些大电容量的被试品或电气设备(如变压器、电容器、大电容量套管、电容式电压互感器等)，仅能在低频或低电压下测量其介电响应特性。采用高频变压器可以解决上述高频、高电压下电源容量不足的问题，但是高频变压器通常仅在工频及以上的频率下应用，难以体现频域介电响应宽频测量、携带绝缘状态信息丰富的特点。

由此可以看出，频域介电响应法能够有效评估电气设备的绝缘状态，虽然现有的介电响应测量受电源容量限制大多在峰值200V的低压下测量，少部分带功率放大器的介电响应仪可实现高压测量，但是测量频带都较窄。对实际电力设备而言低电压下测量介电响应存在如下缺点：(1)对于多数高压设备由于其绝缘一般都较厚，低电压下介电响应电流极小，极易受环境中电磁干扰引起结果偏差；(2)低压测量难以发现介质存在的细微缺陷；(3)诸多研究表明实际电气设备绝缘的介电响应存在电压相关性，现有低压下测量电压与设备运行电压相差过大，测得的介电参数不能反映实际运行电压下设备的绝缘状态。同时频域介电响应法相较于时域法的最大优势在于测量频带宽、携带绝缘状态信息丰富，但现有的高压窄带测量将丧失频域介电响应法原有的优势，具体存在如下缺点：频域介电响应测量电压低，与实际运行电压下介电参数差异过大；(2)高压频域介电响应测量频带窄，反映绝缘状态信息不足。

在公开的中国专利“电力设备高压时频域介电响应特性测量系统及方法”提出了一种适用电气设备绝缘诊断的高压介电响应测量方法，采用功率放大器产生高电压测量设备介电响应特性，但是由于其设备容量限制最大仅能实现70Hz。而新型电力系统背景下系统内高次谐波含量越来越大，高次谐波对设备绝缘介质的危害不容忽视，因而提取介质高频介电响应特性至关重要，因此亟需一种宽频高压介电响应方法来解决这个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电气设备绝缘宽频、高电压介电响应测量方法及系统，通过频率分段、电源互补的方式解决了现有测量方法受电源容量限制测量频带窄的问题，实现高压介电参数的宽频测量(宽频带的介电参数能够充分反映电气设备的绝缘信息)，减小测量误差。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法，通过采用频率分段、电源互补的方式来实现mHz到kHz频段的宽频高压介电响应测量。该方法具体包括以下步骤：

S1：确定测量参数，包括电压有效值、频率范围和测量频率点等；

S2：确定频率分段点；

S3：根据频率分段点将所测频率范围分为两部分，分段点及以下的频率点采用信号发生器和高压放大器作为电源，分段点以上频段采用变频电源和高频变压器作为电源；

S4：测量时从最高频率点开始，从最高频率点测向频率分段点，采用变频电源和高频变压器作为电源；当要测量频率分段点时，将电源更换为信号发生器和高压放大器组合输出电压，依次从频率分段点测量至最低频率点；并利用示波器获取各频率点的测试电压波形和响应电流波形；

S5：计算机设备基于离散的时域测试电压波形及响应电流波形，确定电气设备绝缘的介电谱特征。

进一步，步骤S2中，确定频率分段点，具体包括：根据电压幅值、电气设备铭牌电容量，以及高压放大器的输出电流约束，计算高压放大器输出频率上限f_m，并向下取最近频率点为频率分段点；

其中，I_smax为高压放大器的最大持续输出电流，C为电气设备铭牌电容量，U为测量电压有效值；频率分段点需选择小于输出频率上限f_m，且与其最接近的测量频率点。

进一步，步骤S4具体包括以下步骤：

S41：测量时从最高频率点开始，先由变频电源和高频变压器组合输出电压作用于电气设备的高压电极上，示波器通过高压探头获取测试电压波形；电气设备末屏通过采样电阻接地电位，示波器通过采样电阻获取响应电流波形；连续采集10组电压、电流波形；如此完成第一个频率点的测量，而后关闭电源，将电气设备的高压电极与地电位短接5min；开始测量下一个频率点；

S42：重复步骤S41依次从最高频率点测向频率分段点；当要测量频率分段点时，将电源更换为信号发生器和高压放大器组合输出电压，示波器通过高压探头获取测试电压波形；电气设备绝缘一端接高压放大器，另一端通过采样电阻接地电位，示波器通过采样电阻获取响应电流波形；连续采集10组电压、电流波形；每个频率点测量完成，关闭电源，将电气设备高压电极与地电位短接5min，开始测量下一个频率点；依次从频率分段点测量至最低频率点。

进一步，步骤S5中，确定电气设备绝缘的介电谱特征，具体包括：计算机设备对每个频率点f采集的10组测试电压波形和响应电流波形同步进行傅里叶变换，提取测试电压基波的幅值U_mi和相位θ_Ui，响应电流的基波幅值I_mi和相位θ_Ii；基于上述参量计算介电谱特征，如下式：

其中，C′为复电容实部，C″为复电容虚部，tanδ为介质损耗因数。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过频率分段、电源互补的方式解决了高压放大器输出电流限制和高频变压器输出频率限制，实现了高压介电响应的宽频测量，宽频带的介电参数能够充分反映电气设备的绝缘信息。

(2)本发明采用的试验电压与设备实际运行电压接近，更能反映设备实际运行工况下绝缘状态，能够提升绝缘状态评估的准确性。

(3)本发明采用同组数据多次采集，电压电流同步傅里叶分解提取基频分量，计算介电参数后取平均值，解决测量误差和随机性的问题。

(4)本发明提升了高电压、大电容设备介电参数测量的抗干扰能力，提升了准确性。

(5)本发明的宽频高压介电响应法对设备绝缘状态诊断更敏感，能够发现初期的、细微的绝缘缺陷，及早处置。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法流程图；

图2为电气设备介电响应测量系统结构示意图；

图3为测试电压及响应电流波形；

图4为电气设备不同频率介电参数计算结果。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，本发明提供了一种电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法，通过采用频率分段、电源互补的方式可以实现毫赫兹到千赫兹频段的宽频高压介电响应测量，解决了传统介电响应测量中电压低或频带窄的缺点，能够准确的获取电气设备介电响应信息。

图1是本实施例提供的电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法流程图(以套管为例)，主要包括以下步骤：

(1)确定测量参数，包括电压有效值、频率范围、测量频率点等。

(2)确定频率分段点。根据第一步中电压幅值、套管铭牌电容量，以及高压放大器的输出电流约束，计算高压放大器输出频率上限f_m，并向下取最近频率点为频率分段点；

式中，I_smax为高压放大器的最大持续输出电流，C为套管铭牌电容量，U为测量电压有效值。频率分段点需选择小于输出频率上限f_m、且与其最接近的测量频率点。本实施例中采用的Matsusada AMP-20B20高压放大器最大输出电流为±20mA，工频10kV电压下最大可以测量450pF电容量的设备，满足绝大部分电容式套管的介电响应测量。

(3)根据步骤二计算的频率分段点将所测频率范围分为两部分，分段点及以下的频率点采用信号发生器和高压放大器作为电源，分段点以上频段采用变频电源和高频变压器作为电源，两组供能设备优势互补。测量接线图如图2所示。测量时从最高频率点开始，先由变频电源和高频变压器组合输出电压作用于套管的中心导杆上，示波器通过高压探头获取测试电压的波形；套管末屏通过采样电阻接地电位，示波器通过采样电阻获取响应电流波形；连续采集10组电压、电流波形；如此完成第一个频率点的测量，而后关闭电源，将套管的中心导杆与地电位短接5min；开始测量下一个频率点。

(4)重复步骤(3)依次从最高频率点测向频率分段点。当要测量频率分段点时，应将电源更换为信号发生器和高压放大器组合输出电压，示波器通过高压探头获取测试电压的波形；电气设备绝缘一端接高压放大器，另一端通过采样电阻接地电位，示波器通过采样电阻获取响应电流波形；连续采集10组电压、电流波形；每个频率点测量完成，关闭电源，将套管中心导杆与地电位短接5min，开始测量下一个频率点；依次从频率分段点测量至最低频率点。

(4)计算机设备基于离散的时域测试电压波形及响应电流波形，确定电气设备绝缘的介电谱特征。计算机设备对每个频率点采集的10组测试电压、响应电流波形同步进行傅里叶变换，提取测试电压基波的幅值U_mi和相位θ_Ui，响应电流的基波幅值I_mi和相位θ_Ii；基于上述参量计算介电参数，如下式所示；

其中，C′为复电容实部，C″为复电容虚部，tanδ为介质损耗因数。

本发明提出采用频率分段、电源互补的方法，实现了电气设备高压介电参数的宽频测量。高压放大器受容量限制，无法测量大电容试品的高频响应，变频电源仅能输出工频及以上的电压，通过频率分段可以利用两组电源的优势，实现电气设备介电参数的高压、宽频测量，解决了原有测量方法受电源容量限制测量频带窄的缺点，宽频带的介电参数能够反映更多绝缘信息。

本发明方法中，同组数据多次采集，电压电流同步傅里叶分解提取基频分量，计算介电参数后取平均值，解决测量误差和随机性的问题。

相较于传统测量方法，本发明提出的测量方法优势在于：(1)试验电压更高，响应电流更大，抗干扰能力更强；(2)试验电压高更容易发现电气设备绝缘细微的、初期的缺陷，及早处置；(3)试验电压与设备实际运行电压接近，更能反映设备实际运行工况下绝缘状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法，其特征在于，通过采用试验电源频率分段、电源互补的方式来实现mHz到kHz频段的电气设备高电压、大容量宽频介电响应特性测量；该方法具体包括以下步骤：

S1：确定测量参数，包括电压有效值、频率范围和测量频率点；

S2：确定频率分段点；

S3：根据频率分段点将所测频率范围分为两部分，分段点及以下的频率点采用信号发生器和高压放大器作为电源，分段点以上频段采用变频电源和高频变压器作为电源；

S4：测量时从最高频率点开始，从最高频率点测向频率分段点，采用变频电源和高频变压器作为电源；当要测量频率分段点时，将电源更换为信号发生器和高压放大器组合输出电压，依次从频率分段点测量至最低频率点；并利用示波器获取各频率点的测试电压波形和响应电流波形；

S5：基于离散的时域测试电压波形及响应电流波形，确定电气设备绝缘的介电谱特征。

2.根据权利要求1所述的电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法，其特征在于，步骤S2中，确定频率分段点，具体包括：根据电压幅值、电气设备铭牌电容量，以及高压放大器的输出电流约束，计算高压放大器输出频率上限f_m，并向下取最近频率点为频率分段点；

其中，I_smax为高压放大器的最大持续输出电流，C为电气设备铭牌电容量，U为测量电压有效值。

3.根据权利要求1所述的电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：

S41：测量时从最高频率点开始，先由变频电源和高频变压器组合输出电压作用于电气设备的高压电极上，示波器通过高压探头获取测试电压波形；电气设备末屏通过采样电阻接地电位，示波器通过采样电阻获取响应电流波形；连续采集10组电压、电流波形；如此完成第一个频率点的测量，而后关闭电源，将电气设备的高压电极与地电位短接5min；开始测量下一个频率点；

S42：重复步骤S41依次从最高频率点测向频率分段点；当要测量频率分段点时，将电源更换为信号发生器和高压放大器组合输出电压，示波器通过高压探头获取测试电压波形；电气设备绝缘一端接高压放大器，另一端通过采样电阻接地电位，示波器通过采样电阻获取响应电流波形；连续采集10组电压、电流波形；每个频率点测量完成，关闭电源，将电气设备高压电极与地电位短接5min，开始测量下一个频率点；依次从频率分段点测量至最低频率点。

4.根据权利要求1所述的电气设备绝缘宽频高压介电响应测量方法，其特征在于，步骤S5中，确定电气设备绝缘的介电谱特征，具体包括：对每个频率点f采集的10组测试电压波形和响应电流波形同步进行傅里叶变换，提取测试电压基波的幅值U_mi和相位θ_Ui，响应电流的基波幅值I_mi和相位θ_Ii；基于上述参量计算介电谱特征，如下式：

其中，C′为复电容实部，C″为复电容虚部，tanδ为介质损耗因数。

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