绝缘介质损耗角的数字化测量研究

摘要　分析用过零比较进行数字化测量介损存在的误差因素，提出了克服误差的方法。
　　关键词　介质损耗　数字测量　误差
　0　前言
　　介质损耗角是电力设备绝缘性能的重要指标之一，长期以来主要采用西林电桥进行测量，对操作人员要求较高。随着测量技术的提高，介质损耗角的数字化自动测量成为可能。本文对数字化测量的一种主要方法——过零检测比较法进行了较为深入的研究，对实际工作中遇到的影响精度的主要因素作了较为详尽的剖析，提出了改进的方案，以期进一步提高测量设备的性能。
　　1　过零检测比较法的原理
　　过零检测比较法是数字化测量介损中较早应用且较为成功的方法之一［1］，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t1和t2，求得两者之间的相位差φ＝2π（t1－t2）／T（T为工频周期)，从而求得介损角δ＝π／2－φ，相应的波形关系见图1。用脉冲计数求Δt＝t1－t2的值，若计数器计得的脉冲数为n，而计数频率为f，则Δt＝n／f，测量装置对δ的分辨率为2π／Tf，可见只要计数频率f足够高就可保证较高的分辨率。此种方法的优点是测量分辨率高，线性好，易数字化。但其它一些误差因数有时对测量结果的影响非常大，从而限制了此种方法的应用，以下结合实际工作中的一些处理方法进行探讨。


图1　测量原理及零漂对测量精度的影响
　　2　影响测量精度的关键因素及其解决方法
　　2.1　谐波的处理
　　采用过零比较法测量介质损耗角的最大问题是对过零点测量要求极高，故波形畸变对测量精度影响极大［2］。设三次谐波分量为基波的1%，δ＝0.01，则三次谐波相位φ3与介质测量值δ的关系见图2。可以看到当φ3＝π／2时误差最大(测量值达0.03)。设定φ3＝π／2，图3给出了介损角δ大小与测量误差Δδ测量值——实际值间的关系。可见δ很小时，测量误差很大，如当δ＝0.01时，测量值δ为0.03(Δδ＝0.02)。所以在某些情况下，特别在δ较小时，采用电压波形和电流波形过零比较测定δ误差非常大，而实际δ值一般都较小，必须采取必要措施解决谐波干扰问题。以往多用滤波法，但对电力系统中大量存在的三次谐波，要将其完全滤除而又不带来新的相角误差困难很大。图3中当δ→π／2时，测量误差Δδ→0，比较无功电流分量IC和总电流I的过零点，由于向量IC较U相移了π／2，从而可使误差→0。


图2　三次谐波相位与介损测量值的关系

图3　介损角与测量误差关系
　　图4为按照新设想得到的三次谐波相位φ3与介损测量值δ的关系(δ＝0.01，三次谐波分量取为基波的1%)，可见最大误差发生于φ3＝0(或π)处。图5为φ3＝0时介损角数值δ与测量误差Δδ的关系，其最大误差在δ＝π／4处，而在δ较小时误差很小，这对测量小角度的介损角极为有利，基本上能满足介损测量仪的要求。


图4　新法测量φ3与δ的关系

图5　改进后介损角数值与测量误差关系
　　2.2　过零比较器失调电压及零漂的克服
　　由于介损的测量精度要求很高，且大多在露天现场测量，较大的温差引起的过零比较器的失调电压及其零漂以及其它一些因素引起的直流分量有时也会严重影响测量精度，因此采用双向过零检测技术［3］。图1中设温漂使信号零线上移，如用负向过零检测，两个信号的过零时间差Δt1变大，而用正向过零检测，两个信号的过零时间差Δt2变小，取两者平均值可使测量值更接近于真值。图6为取δ＝0.01，三次谐波分量为基波的1%，零漂引入的直流分量为基波幅值的0.1%时，得到的测量值相对误差与三次谐波相位的关系。可见单向过零比较的最大误差可达±12%左右，而采用双向过零比较在2%以内。


(1—前向过零比较，2—双向过零比较，3—后向过零比较)
图6　零漂引起的相对测量误差
　　3　应用分析
　　按照上述原理制作数字化介损测量仪的分辨率可达0.01%，读数取64次均值以去随机干扰。在实验室和上海超高压输变电公司变电站现场作测试对比，实验室测试时人为地加入一个三次谐波(基波幅值的1%)和直流分量(基波的1%)，对照测试以实验室里无干扰情况下QS19a型介损测试仪为标准，其分辨率为0.005%，测量精度为(±1％×tanφ）±5×10－4。测试结果见表1。

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