测量高电压绝缘介质损耗的方法
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作者: 刘洋 周威勇
摘要：电力系统中检测高电压设备的运行可靠性尤其是电气绝缘方面是否存在缺陷，介质损耗测量是不可或缺的参照指标。本文介绍了当前流行的几种介质损耗的测量方法，分析了传统介质损耗测量方法的特点和优劣势，阐述了新型介质损耗测量方法的原理，并对未来介损测量方法作了展望。
关键词：高电压；介质损耗；测量方法
从能量守恒定理角度来说，在交流电压的作用下，绝缘介质必定会在其内部产生一定的损耗,这些损耗包括绝缘介质极化产生的损耗、绝缘介质界面因放电产生的损耗以及绝缘介质内部放电产生的损耗等。当前电力系统中不少事故都是由于绝缘故障造成的，尤其是在高电压情况下绝缘介质极易发生大面积的损耗，进而影响电力输送，严重的会造成电力系统瘫痪。 因此，及时对介质绝缘性进行事先检测，是消除介质绝缘性差隐患、提高电力系统安全稳定运行的有效措施。对绝缘介质损耗的研究历来是国际社会攻关的课题，在实践中各国也积累了一些有益的经验和做法，随着工业化与信息化的日渐融合尤其是计算机技术的快速发展，在传统的绝缘介质损耗测量方法的基础上，电子控制的更趋自动化和高稳定性精确性的测量方法在不断涌现。
一、传统的介质测量方法
(一)电桥法
电桥法是介损测量领域长期采用的一种方法，而传统的测量方法主要就是指西林电桥法。分析来看，当前流行的电桥分西林型高压电桥和电流比较仪型高压电桥。其中最为典型的要数西林电桥，所谓的电桥法也即西林电桥法。西林电桥属于比较同类阻抗元件的电桥，它的标准阻抗和被测阻抗都是电容器。在强高压下进行高精度的介损测量是西林电桥的突出优势，倘若采取特殊的措施甚至可以在强磁干扰下进行颇高精度的测量；而电流比较仪型高压电容电桥的原理是用变压器的比例臂代替普通的阻抗臂，以提高测量的准确度，如若配以专门的辅助电路，可以实现自动平衡电桥。
西林电桥法的测量原理是用标准电容和电阻将测试品进行比较性的模拟测量。因为它的模拟电路较为复杂，对元器件的要求比较高。随着电力电子技术和计算机技术的快速发展，数字化测量方法逐渐取代弊端较多的模拟方法，其原理是利用传感器从试验品上取得电压和电流信号，经预处理后再进行数字化，之后输至计算单元，算出相位差，最后得到测量值。由于利用了计算机技术，使得模拟电路结构简化，提高了仪器的性能。目前许多装置就是基于此原理，像PSC型介质损耗自动测量仪，即为利用电流比较仪线路进行平衡的，采用这一装置能够达到很高的测量精度。
(二)伏安法
伏安法是最常用也是最成熟的一种传统方法，其工作原理是借助被测试品的端电压向量和流过被测试品电流向量之比，得到被测试品的阻抗向量，根据Zx的实部和虚部，进一步计算求得介质损耗值tgδ。这种测量方法在精密计算机引入后进一步得到更新完善，基于测量系统的不断升级，测量数据的处理效率大大提高，而且精准度也得到保证。电力电子技术的渗入使介质损耗测量技术进入一个新时代。
二、过零点时差比较法
过零点时差比较法是数字化测量介质损耗中较早采用并且效果明显的一种方法。其主要原理是通过比较施加于介质上的电压U和电流I的过零时刻两个值，求得两个值之间的相位差，从而求得介质损耗角。与此同时，再用脉冲技术求得两个值的值差。若计数器显示的脉冲数为n，而计数器的频率为f,则△t=n/f,测量装置对损耗角的分辨率也就是2л/Tf。由此可见，只要计数器频率足够高，就可以保证较高的分辨率。过零点时差比较法的优点在于测量的分辨率高，容易数字化处理，其缺点是极易受谐波干扰，导致测量数值不准，这也是过零点时差比较法使用程度不高的主要原因。
三、谐波分析法
谐波分析法的工作程序是首先由波形采集装置u和i的时域波形同步地转换为数字波形并存储，然后计算机将两个数字波形调入内存，用离散傅立叶变换出两个信号的基波，最后由特定的换算公式求出绝缘介质损耗角和等值电容。谐波分析法的关键步骤是基于傅立叶变换作等量，考虑到三角函数的正交性，傅立叶变换求解电压和电流的基波是不受高次谐波的影响，也不会受仪器电子电路所产生的零漂影响，因此可以达到比较高的稳定性和测量精准度。
然而，谐波分析法的软肋也是很明显的。由于现实中电网频率的不稳定与采样误差，极为容易造成对采样信号作DFT时出现偏差，数据不真实影响最终测量结果，因此又多出了一道消除偏差的程序，从而增加了麻烦。
四、异频电源法
异频电源法是一种全新的抗干扰方法。其原理是在介质损耗测量中测试电源频率偏离干扰电源频率，通过频率识别或滤波技术排除干扰电源的影响。实际上tgδ是随着频率的变化而变化的，这就出现了不同频率下的介质损耗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损耗值失去等同性；但也不能偏离太近，否则又会增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差。技术层面上看，将异频频率和工频频率分辨开来可以采用DFT。理论上只要满足同步采样条件，DFT就不会出现泄漏效应，也就意味着可以准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，从而得到该频率波的初相位。
不过，同样由于电网频率的不稳定性，加之同步采样环节存在的某些误差，自然会造成对采样信号作DFT时出现较大的误差，所以在对信号作DFT时应该去针对性的措施来消弭误差，确保测量的tgδ精准度。
五、现代介损测量技术的发展动向
分析对比以上提出的介损测量技术，发现都存在某些局限，因此现代测量介损技术的发展趋向是在吸取借鉴以上几种技术优势的同时，进一步克服其存在的弊端，并与新型的计算机技术融合，在装置性能逐渐走向了量程广，功能上强调自动校正与补偿，自动测量自动输出数据，抗干扰能力强大，测量精度高的路子上来。如制造业强国德国最新推出的LDV-5型精密型介质损耗测量装置，采用了数字信号处理(DSP)芯片支持系统，该系统对实时信号的接受和数据处理可以在计算时间内完成，而且由于捕获测量值的时间短，使测量中面临的谐波灵敏度降到了最低程度，大大提高了检测数据的精准度，再加上该装置能实现全自动化测量，这也提高了测量效率，同时最大限度地避免了传统检测方法容易出现的技术失误。
六、小结
在以上介绍的几种介质损耗测量方法当中，有一个共同的相似点就是涉及到的介质损耗角度数。介质损耗角是衡量电力设备绝缘性能的重要参考指标之一。在相当长的一段时间内，介质损耗角的测量是借助西林电桥。然在实际操作中为使电桥取得平衡，常常需要反复调节，这样不但程序麻烦，耗费时间，而且容易出现技术性误差，这对近年来逐渐兴起的追求测量过程自动化的在线监测来说，电桥法是极其不方便的。随着电力电子技术尤其是计算机集成技术的快速发展，数字化测量技术得以兴起并得到广泛运用，逐渐取代了以前依靠电桥来测量电力设备损耗角的测量方法。不可否认，自动化测量将是今后介损测量技术的发展方向，我国“十二五”时期规划的电力行业要向高压输变电方向的发展目标，对高压下如何最大限度减少介质绝缘损耗，更好地促进电力系统安全稳定运行提出了全新的要求，相信在工业化与信息化深度融合的背景下，自动化测量技术将不断得到运用和发展。
参考文献：
[1]邹艳平.测量高电压绝缘介质损耗的方法[J].宁夏电力,2009(01).
[2]刘上椿.高压绝缘介质损耗的本质[J].绝缘材料,2009(03).
[3]吴集光,潘留占,杨文丽.高压电气设备介质损耗测量方法综述[J].电子技术应用,2007(04).
[4]齐连成.绝缘介质损耗的检测及应用[J].煤炭技术,2006(07).
[5]高振国.介质损耗测量试验中存在的问题及对策[J].佳木斯大学学报,2006(04).
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