介质损耗的在线监测方法

常规的电气设备介质损耗角正切值tgδ的数值一般都采用介质损耗测试仪测量，绝缘在线监测损耗因数tgδ的方法很多，如电桥法、全数字测量法等，常用的方法是监测绝缘体的泄漏电流及PT信号，通过计算泄漏电流和电压的相角差而得到介质损耗角正切值tgδ的数值。其测量原理大都使用硬件鉴相及过零比较的方法。目前的绝缘在线监测产品基本都是用快速傅立叶变换(FFT)的方法来求介损。取运行设备PT的标准电压信号与设备泄漏电流信号直接经高速A/D采样转换后送入计算机，通过软件的方法对信号进行频谱分析，仅抽取50Hz的基本信号进行计算求出介损。这种方法能消除各种高次谐波的干扰，测试数据稳定，能很好地反映出设备的绝缘变化。但由于绝缘体的泄漏电流非常微弱，而且现场的干扰较大，要准确监测绝缘体的泄漏电流比较困难。因此，要实现绝缘损耗因数tgδ的在线监测，必须解决微弱电流的取样及抗干扰问题。

一、电桥法

电桥法在线监测tgδ的原理图如1-1所示，由电压互感器带来的角差，可通过R_C移相电路予以校正。然而角差会随负载大小等因素的影响有所变动，所以校正也不可能是很理想的。电桥中R₃，C₄的调动可以手动，也可以自动。由于是有触头的调节，为了长年的使用，必须选择十分可靠的R₃，C₄可调节元件。

电桥法的优点是，它的测量与电源波形及频率不相关；其缺点是，由于R₃的接入，改变了被测设备原有的状态。为了安全，还要装有周密的保护装置。

图1-1 电桥法在线监测tgδ原理图
C_x——试品；C₀——标准电容器；PT——电压互感器；G——指零仪

二、全数字测量法

全数字测量法又称数字积分法，这是一种用A/D转换器分别对电压和电流波形进行数字采集，然后根据傅里叶分析法的原理进行的数字运算，最终可以求得tgδ值。

被测设备的电压信号由同相的电压互感器PT提供，或再经电阻分压器输出。电流信号由电容式套管末屏C_x2接地线或设备接地线上所环绕的低频电流传感器CT获得。由后者把电流信号转换为电压信号。这种CT需要特殊设计，以使所产生的角差极小。由于获取电流信号方面的限制，全数字测量法仅限于使用在电容型设备上。图1-2表示电压和电流信号的拾取。

图1-2 电压和电流信号的拾取
(a)电压信号的拾取；(b)电流信号的拾取

实际的电压波和电流波是含有谐波的周期性函数。在电路原理中已阐明，当一个周期性函数f(t)，在满足狄里赫利条件时，它可以展开成三角形式的傅里叶级数：

       f(t)＝a₀＋∑_n=1^∞(a_ncosnωt＋b_nsinnωt)       (4-1)

       f(t)＝A₀＋∑_n=1^∞A_nsin(nωt＋θ_n)       (4-2)

式中，ω为基波角频。

现只取基波，即只取n＝1的一个项，其中幅值

       A₁＝√(a₁²＋b₁²)       (4-3)

各有关电路原理的书籍中均已证明了系数

       a₁＝2／T∫₀^Tf(t)cosωtdt       (4-4)

其中，T为周期。系数

       b₁＝2／T∫₀^Tf(t)sinωtdt       (4-5)

       θ₁＝arctan(a₁／b₁)       (4-6)

对于流过试品的电流i(t)和加在试品上同一个相的电压u(t)的两路信号，分别可以通过式(4-4)～(4-6)求得各自的电流及电压基波幅值I₁，U₁和基波相位θ_i和θ_u。这样可得介质损失角正切

       tanδ≈δ＝π／2－(θ_i－θ_u)       (4-7)

所测介质的电容为

       C_x＝I₁cosδ／(U₁ω)       (4-8)

在理想条件下，根据采样定理的概念，A/D的采样率不必取得很高，即可达到足够的准确度。在此条件下，求系数a₁和b₁时的数字积分的运算工作量不大。但是电力系统的频率f允许在一定范围内变动(我国为50±0.5Hz)，尽管采样率可以很准确地达到一定值，但真正要实现同步采样是比较困难的。同步采样是指被采样信号的真正周期T等于等间隔采样周期Ts的整数倍。不能实现同步采样就会产生非同步采样误差。为了解决或减小这一误差，需在软件或硬件上另行采取措施，例如采样方法可采用准同步采样。

本法的优点是硬件系统比直接测量介质损耗角δ的方法简单。此外，因只对基波进行运算，故等于对谐波进行了比较理想的数字滤波。