【正文】 經(jīng)過 第一代采用晶閘管（ SCR）作為開關(guān)器件 的 可控硅逆變電源 ，第二代開始采用 絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT） 、 可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、電力晶體管（ GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（ MOSFET）等 自關(guān)斷 器件作為開關(guān)器件 的逆變電源， 現(xiàn)在使用的 第三代逆變電源 在二代的基礎(chǔ)上 采用了實時反饋控制技術(shù)，使逆變電源的性能得到 大幅 提高。 高頻 逆變電源技術(shù)與 發(fā)展 高頻 逆變電源 是指通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，將直流電能變換為交流電能 的裝置， 包括 ACDCAC 和 DCAC 以及 ACAC 幾種形式， 它具有以下優(yōu)點： 第 一，變頻，逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電 ；第二 ，逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的 穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。 雖然線性電源可以實現(xiàn)變頻的功能，而且波形 失真小 ，但是其體積和重量無法滿足儀器的便攜要求，在大功率時散熱方面也會帶來問題。同時，電網(wǎng)的 220V 電源波形質(zhì)量并不能滿足精密測量的需求，其頻率也不夠穩(wěn)定，很難在采集時做到同步采樣，這樣諧波分析時就需要加窗來抑制頻譜泄露，也會為測量結(jié)果引入誤差。由變頻電源和升壓變壓器組成測試高壓電源，由調(diào)理電路及其控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、正弦波信號源以及標(biāo)容構(gòu)成測量系統(tǒng)。而 高壓電源 的電壓 頻率和采樣電路的采樣頻率都 由 FPGA 中的信號源同步控制 ， 在 硬件電路 上 實現(xiàn)同步采樣 功能，可以抑制諧波分析法中 頻譜泄漏和柵欄效 應(yīng)的影響 。 本文 所用的 諧波分析法 原理為： 將高壓源同時加在試品和一個標(biāo)準(zhǔn)電容上， 其中標(biāo)容的介損值 和電容值 已知并 經(jīng)過標(biāo)定 分別 為 tanref? 和 nC ， 則 流過 標(biāo)容 的電流 i 按傅立葉級數(shù) 分解為 0 1 s in ( )k m kki I I k t????? ? ?? （ 29） 式中： 0I ——電流 i 的直流分量 ； kmI ——電流 i 的各次諧波幅值 ； k? ——電流 i 的各次諧波相角。 這種方案還可以消除電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定造成 測量結(jié)果的誤差 。 測量時如果使用的測試電源是電網(wǎng)電源直接經(jīng)過升壓變壓器得到的，那 么 電網(wǎng)工頻電場造成的擾動信號與測量信號頻率相同， 無 有效 的 方法抑制。 由于電網(wǎng) 的 頻率不穩(wěn) ，會 造成對采樣信號做 FFT 時產(chǎn)生較大的誤差， 應(yīng)采取相應(yīng)的措施 削弱 頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)帶來的 影響 。 （ 4）諧波分析法 ： 通過對采集的試品電壓和電流信號做 FFT（ 快速傅里葉 變換 ） ，得到電壓基波和電流基波的初相位，計算出 tan? 的方法。 （ 3） 自由矢量法 ： 該方法的原理 來自于電壓 /電流法測量元件阻抗的 原理 ， 通過計算 被測試品的端電壓相量和流過被測試品的電流相量之比，可以得到被測試品的阻抗相量 xZ ，根據(jù) 該向量 的實部和 虛部求得介損角正切 tanx? 。該方法具有測量分辨率高，線性好，易數(shù)字化的優(yōu)點。 （ 2） 過零時差比較法 ： 一種 將相位測量變?yōu)闀r間測量的方法，系統(tǒng)先通過采樣電路捕捉電流和電壓信號的過零點，然后通過邏輯轉(zhuǎn)換電路形成寬度為 t? 的方波信號。該方法 的優(yōu)點是對 采樣電路﹑ A/D 轉(zhuǎn)換 器的要求 不高，且以過零點附近兩個正弦波的平均電壓差來評價兩個正弦波的相位差，所以抗干擾能力強。 以數(shù)字化測量為主的 現(xiàn)代 介損 測量方法， 其基本思想都是通過采集試品的電壓和西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 電流，經(jīng)過預(yù)處理后數(shù)字化，將數(shù)據(jù)送入 PC 機或微控制器， 最后通過數(shù)據(jù)處理 計 算出電流和電壓之間的相位差得到介質(zhì)損耗因數(shù) tan? 。 使用 電橋法 的典型代表是西林電橋， 采用交流電橋差值比較原理，準(zhǔn)確度相對較高。 從 圖 24 中 幾種常見電氣絕緣設(shè)備 tan? 與頻率的關(guān)系可見，在工頻 50Hz 附近時，頻率變化時 tan? 變化不大，且與頻率近似成線性關(guān)系。在 反常分散區(qū) 即 1??? 時，忽略電導(dǎo)損耗，由式 （ 26） 有 22()ta n ss? ? ??? ? ? ? ????? ? （ 27） 可以由 tan 0??? ? ? ，并利用式 （ 27） 得到當(dāng) 1s?? ? ????時， tan? 出現(xiàn)最大值2s s???????。 一般情況下 tan? 與頻率的關(guān)系示意圖 如圖 23， 在低頻區(qū)即 1?? 時，各種極化均來得及建立， rs??? ；介質(zhì)損耗 主要 由電導(dǎo)損耗貢獻 且01ta nr?? ?? ? ???； 0?? 時，tan??? 。 由于在 現(xiàn)場 測試 時 設(shè) 備溫度不是固定的 ，應(yīng)該將不同溫度下測得的 tan? 值換算到 20℃。 若有夾層極化，在高場強下 也 會使介質(zhì)損耗因數(shù)增大 。 一般情況下，介質(zhì)損耗因數(shù)與施加的電壓幅值無關(guān) 或稍微變化 。 當(dāng) 電介質(zhì)吸收水分后，將會引起損耗增大。 在交變電場作用下介質(zhì)損耗 因數(shù)為 20 2201t a n sr??? ? ? ???? ? ? ? ????? （ 26） 西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 式中： ? ——介質(zhì)的電導(dǎo)率； 0? ——真空介電常數(shù)， 120 10 F m? ??? ； s? ——介質(zhì)的靜態(tài)介電常數(shù)； ?? ——介質(zhì)的光頻介電常數(shù)； r? ——介質(zhì)的相對介電常數(shù)， 221 sr ???? ???? ???? ； ? ——交變電場的角頻率； ? ——松弛極化的松弛時間。 而介質(zhì)的電導(dǎo)或漏導(dǎo)造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān) ，引起的損耗為電導(dǎo)損耗 ，也是引起介質(zhì)損耗的來源 。而松弛極化在電場作用下則要經(jīng)過相當(dāng)長的時間（ 810? s 或更長）才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 電介質(zhì)在電場下 建立極化通常需要經(jīng)過一定的時間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)極化建立所需的時間，可以將 極化分為瞬時位移極化和松弛極化兩類。 2 介質(zhì)損耗測試原理與測試技術(shù) 5 sR sC pCpRb ) 并 聯(lián) 等 效 電 路a ) 串 聯(lián) 等 效 電 路 圖 22 兩種等效阻抗 的 模型 串聯(lián)等效電路 中的 ta n rrssccP u I CRP u I??? ? ? （ 21） 并聯(lián)等效電路 中的 1ta n rrc c p pP u IP u I C R? ?? ? ? （ 22） 式中： sC 、 sR ——串聯(lián)等效阻抗中的電容和電阻； pC 、 pR ——并聯(lián)等效阻抗中的電容和電阻； ? ——電壓角頻率。 如果 介質(zhì)本身 無 損耗，在電場中通過 它 電流與它兩端的電壓的相位差 是 90? ， 如果 有損耗相位差 就是 90 ??? ，如 圖21 所示 ， ? 為介質(zhì)損耗角， 其 正切 tan? 為介質(zhì)損耗因數(shù)。 介質(zhì)損耗的概念 絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗 叫做介質(zhì)損耗 （ dielectric loss） 。 再 進一步就可以分析絕緣下降的原因，如：絕緣受潮、絕緣油受污染、老化變質(zhì)等等。 Equation Chapter (Next) Section 1 西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 2 介質(zhì)損耗測試原理 與測試技術(shù) 測量介質(zhì)損耗 因數(shù) 對于電氣設(shè)備絕緣狀況的判定是一種十分有效而應(yīng)用廣泛的方法。 （ 4） 通過實驗 驗證 了 測試 電源 在 靜態(tài) 時 、動態(tài)加載 時 、帶升壓變壓器時 的 性能 和波形質(zhì)量 。 （ 3） 在 CCS 編譯環(huán)境中，設(shè)計了軟件 和算法 以 控制 整個測試流程，包含 系統(tǒng)初始化、標(biāo)容與量程自動切換、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等 模塊。 （ 2） 研制 了 一 臺采用帶電容電壓微分反饋內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制的高壓 測試電源。 1%+1pF） 本課題完成的任務(wù) （ 1） 通過調(diào)研介質(zhì)損耗測試的常用 數(shù)字 方法，根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及投入使用儀器 的 指標(biāo)，依照 《中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 高壓介質(zhì)損耗測試儀通用技術(shù)條件》分別 提出 本文 研制儀器的電源指標(biāo)和測量指標(biāo) 。 5% 內(nèi)置電源指標(biāo) 輸出功率： 調(diào)頻范圍： 4565Hz（ 連續(xù)可調(diào)） 輸出額定電壓： （連續(xù)可調(diào)） 輸出額定電流 ： 150mA 輸出波形：正弦波，要求 THD 小于 5% 測量指標(biāo) 介質(zhì)損耗因數(shù) 測量 ： 測量范圍 為 0~， 容許誤差為 ? （讀數(shù)179。 儀器 的研制 指標(biāo) 依照《中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 高壓介質(zhì)損耗測試儀通用技術(shù)條件》， 并 對照國內(nèi)外介質(zhì)損耗測量設(shè)備的 性能 ， 給出介質(zhì)損耗測試儀 研制 指標(biāo) [7]： 1 緒論 3 表 12 介質(zhì)損耗測試儀預(yù)期指標(biāo) 輸入電壓 單相 220V177。 美國 MEGGER 公司的 DELTA4000介質(zhì)損耗測試儀 和 美國 Doble 公司的 M4000 全自動絕緣測試儀， 都 按異頻測量方式工作， 且儀器內(nèi)部 集成微機系統(tǒng) 可 進行智能化分析。 國外的測試儀有 瑞士 Haefely 2840 測試儀 ，使用 電橋矢量 檢測（ bridgevectormeter）技術(shù)，測量準(zhǔn)確度 極 高 ， 內(nèi)置 頻譜分析 、數(shù)字錄波 等數(shù)據(jù)處理功能 ， 代表著 行業(yè) 內(nèi)最高水平。 1％+） ，重量 29kg。 AI6000 濟南 泛華 高壓輸出 10kV/200mA， 45~65Hz， 介損因數(shù)誤差 177。 （ 讀數(shù)179。 1％+） ，重量 43kg。 M4000 美國 DOBLE 高壓輸出 10kV/300mA， 45~70Hz， 介損因數(shù) 誤差 177。（讀數(shù)179。 1％ +）（最大量程）， 重量 30kg。 1％ +）（最小量程） ， 177。 國內(nèi)常見 的性能優(yōu)秀的 高壓介質(zhì)損耗測量儀有 [4][5][6]： 表 11 高壓介質(zhì)損耗測量儀性能比較 型號 生產(chǎn)廠家 性 能 2877 瑞士 Haefely 測試電源由外部提供 ，介損 因數(shù) 誤差 177。 近年來 ， 高速 數(shù)字信號處理器 的發(fā)展迅速， 由此國內(nèi)外 涌現(xiàn)出 不 少符合市場需求的數(shù)字介質(zhì)損耗測試儀，向著提高 采集效率、提高自動化程度、提高精度和抗干擾性 、注重便攜性 的方向 發(fā)展 。此外，在現(xiàn)場進行介損測量時，儀器會受到電磁干擾，嚴(yán)重時會產(chǎn)生較大的誤差甚至無法測量，如何 應(yīng)對 問題也直接決定測試系統(tǒng)性能。 tan?能 靈敏的 反映出絕緣的整體性缺陷，以及小容量試品中的嚴(yán)重局部型缺陷 ， 通過 tan?隨電壓變化的曲線還可判斷絕緣是否受潮、含有氣泡和絕緣老化的程度， 因此， 以 測量介質(zhì)損耗因數(shù) 為依據(jù)判斷電氣設(shè)備的絕緣狀況頗具有 實效性 。 后一類試驗會給絕緣造成一定的損傷，但是能揭露危險較的集中性缺陷，一般在特性試驗后進行 [3]。 絕緣試驗可 以 分 為 絕緣特性試驗和絕緣耐壓試驗兩大類。 雖然電網(wǎng)事故較 之 前有明顯下降的趨勢，但平均每次事故對應(yīng)的停電負(fù)荷增加 ，事故恢復(fù)時間 顯著 增長 [2]。 絕緣老化嚴(yán)重時會導(dǎo)致設(shè)備故障，嚴(yán)重時造成設(shè)備損毀，有可能產(chǎn)生重大事故并危害電網(wǎng)安全， 也 對國民經(jīng)濟造成 影響 。 當(dāng)電氣絕緣設(shè)備在使用過程中，會受到各種因素的長期作用，因此發(fā)生一系列不可逆轉(zhuǎn)的變化，使得其物理、化學(xué)、電和機械等性能 劣化。 傳統(tǒng)的巨型水電站往往遠(yuǎn)離市中心 ； 太陽能電場、大型風(fēng)電場一般也建在荒無人煙的地方 ； 在經(jīng)歷日本的核泄漏事件后，核電站的選址更是 會 謹(jǐn)慎 的遠(yuǎn)離市區(qū) ， 因此，遠(yuǎn)距離、大容量輸電技術(shù)的發(fā)展就迫在眉睫。 ABSTRACT III Synchronous Sampling。 Single Phase Fullbridge Inverter。 105。 ， 滿足介損測試的需求 。 105，由隨機誤差引起的示值跳變 最大值 為 177。 實驗結(jié)果表明：本文所研制的 介損測試專用 電源 的 THD 較小 （ %） 。 通過 在FPGA 中 設(shè)計 DDS 信號源 與 采集系統(tǒng)的 同步 時序控制， 實現(xiàn) 了 硬件同步采樣 ， 抑制 了FFT 計算時 的柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏。 該方案 在節(jié)省了一個高精度的電流傳感器的前提下， 具有 動態(tài)響應(yīng)快、 波形質(zhì)量好 、 性價比高 的優(yōu)點 。 由于 介質(zhì)損耗測試 必須 在高壓 條件 下進行 ， 才能發(fā)現(xiàn)絕緣設(shè)備是否存在缺 陷 ，因此 ， 研制 一臺波形質(zhì)量好的高壓測試電源是介質(zhì)損耗測量準(zhǔn)確的 前提 。 本文 針對 目前市場上 國產(chǎn) 儀器 普遍存在的 重復(fù)性差、測量準(zhǔn)確度較低、抗干擾能力不強的 缺點， 研制了一臺可現(xiàn)場使用的便攜式 離線 介質(zhì)損耗測試儀 。 碩 士學(xué)位論文 錯頻式 高壓試品 介質(zhì)損耗測試儀的研制 申請人： 鄭立翔 學(xué)科 專業(yè)： 測試計量技術(shù)及儀器 指導(dǎo)教師 ： 申忠如 教授 2022 年 05 月 Development of Dielectric Loss Detector of High Voltage Insulated Equipment Based on Harmonic Analysis Method A thesis submitted to Xi’an Jiaotong University in partial