【正文】 ................................................. 34 . 論文工作總結(jié) ......................................................... 34 . 有待提高的地方 ....................................................... 34 致謝 .......................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 對(duì)電氣設(shè)備定期進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn) ,雖然可以發(fā)現(xiàn)許多絕緣缺陷 ,但 仍然 存在著試驗(yàn)時(shí)需要停電、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)方法的有效性不夠等問(wèn)題 ,在現(xiàn)場(chǎng)仍出現(xiàn)了預(yù)防性試驗(yàn)不久就發(fā)生絕緣故障的情況。由于絕緣介質(zhì)損耗因數(shù) tanδ 對(duì)反映電力設(shè)備早期的缺陷比較靈敏有效 ,電力行業(yè)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《 DL/T 5951996 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)不同種類的電力設(shè)備規(guī)定了 tanδ最大容許值 的 標(biāo)準(zhǔn) ,對(duì)介質(zhì)損耗 的監(jiān)測(cè)是電力設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)的主要方法， 雖然可根據(jù) tanδ測(cè)量結(jié)果來(lái)分析判斷絕緣狀態(tài) ,但由于在正常時(shí) tanδ值比較小 ,其數(shù)量級(jí)一般為 10－ 3,對(duì)測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性有很高的要求 ,并且由于在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)受各種因素的影響 ,所測(cè)到的 tanδ 值總會(huì)有一定的誤差 ,如果不能處理好這些問(wèn)題 ,將不能很好地實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣的在線監(jiān)測(cè) [28]。 . 電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 針對(duì) 介質(zhì)損耗損 角的 測(cè)量方法的研究 ,一直是一個(gè)熱點(diǎn) 問(wèn)題 ,最為 常見(jiàn)的測(cè)量方法主要通過(guò)硬件和軟件兩種途徑實(shí)現(xiàn) 的 ?！坝布椒ā币卜Q為直接測(cè)量法 ,主要有過(guò)零比較法和基于電橋平衡原理的介質(zhì)損耗角 測(cè)量方法等 ； “軟件方法”也稱為信號(hào)重建法 , 它是將放大、處理后的傳感器信號(hào)離散采樣 ,經(jīng)高速 A/D 變換成為數(shù)字量 ,然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理后獲得測(cè)量結(jié)果； 主要以諧波分析法為代表 ,他根據(jù) i、 u 的采樣數(shù)據(jù)重建正弦信號(hào) ,再由波形參數(shù)求得φ ,如傅里葉分析法、高階正弦擬合法和相關(guān)系數(shù)法等； 這些算 法必須滿足一個(gè)假設(shè) :即必須2 為同步采樣 ,即采樣頻率為信號(hào)基波頻率的整數(shù)倍 ,然而 ,由于頻率波動(dòng)等因素使得同步采樣很難滿足 ,于是很多學(xué)者對(duì)這些算法進(jìn)行了改進(jìn) [32]。雙極性過(guò)零比較法通過(guò)對(duì)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)兩次過(guò)零時(shí)電壓與電流信號(hào)的時(shí)間差求平均 ,分析了影響過(guò)零比較法的關(guān)鍵因素 ,指出即便含有很少的 3 次諧波 ,對(duì)介損的測(cè)量影響仍很大 ,最后通過(guò)仿真證明了兩次求平均可減少直流和 3 次諧波導(dǎo)致的誤差 ,同時(shí) 對(duì)過(guò)零點(diǎn)相位法和根據(jù)歸一化后信號(hào)過(guò)零點(diǎn)附近幅值差獲得的兩信號(hào)相位差的算法進(jìn)行了比較 ,得到了一些結(jié)論 [2]。 傅里葉分析法在介質(zhì)損耗 測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛 ,但是 在非同步采樣下 ,卻 會(huì)產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。很多學(xué)者對(duì)采樣加窗插值算法進(jìn)行了研究 ,加窗可以減輕頻譜的泄露 ,插值可以減輕柵欄效應(yīng) [3]。 通過(guò)仿真分析給出了這兩種算法在頻率波動(dòng)、諧波變化、直流分量變化、采樣頻率變化、 A/D 量化位數(shù)變化、采樣點(diǎn)數(shù)變化、介損角真實(shí)值變化、白噪聲及脈沖噪聲變化時(shí)介損誤差的變化情況 [7]。還有一種 采樣基波相位分離法 ,該方法原理也是基于傅里3 葉變化的 ,不同的是他根據(jù)獲得頻率僅計(jì)算基波分量 ,該方法根據(jù)獲得頻率進(jìn)行了整周期的積分 ,有效減少了非整周期采樣造成的誤差 ,計(jì)算所得介損具有很高的精確度 ,同時(shí)他具有對(duì)采樣時(shí)間長(zhǎng)度要求不高、原理簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、實(shí)現(xiàn)容易 ,比常規(guī)的傅里葉算法準(zhǔn)確 [9]。 通過(guò)仿真 得知 準(zhǔn)同步傅里葉算法計(jì)算所得介損誤差的絕對(duì)值小于 0. 0002%,能滿足177。 . 高階正弦擬合法 高階正弦擬合法， 該方法是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘高階擬合 ， 即要求 : ?X = ∑(x(ti)? x(i))2N?1i=0 （ 1? 2） 式子（ 12） 的值最小。 . 相關(guān)函數(shù)法 相關(guān)函數(shù)法可以較好地解決 FFT 在非整周期采樣時(shí)的頻譜泄露問(wèn)題 ,但是對(duì)前置的帶通濾波器有較高的要求 ； 用拋物插值積分公式構(gòu)造插值函數(shù) [13]計(jì)算相關(guān)函數(shù) ,仿真證明了該方法可以減少離散積分的誤差。 . 本文的主要工作 本設(shè)計(jì)針對(duì)介損 tanδ 測(cè)量精度不高 、穩(wěn)定度不夠 等問(wèn)題，研制了基于單片機(jī)的電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用 Hilbert 變換構(gòu)造解析變換以消除信號(hào)中的負(fù)頻率成分；設(shè)計(jì)加 Hanning 窗的 FIR 低通濾波器以濾除干擾信號(hào)； 同時(shí)，采用加窗插值的修正算法 來(lái)修正頻率波動(dòng)給相角測(cè)量造成的誤差。本設(shè)計(jì)選取的研究方案是采用基于 Hanning 窗插值的改進(jìn)型諧波分析法，通過(guò)大量閱讀文獻(xiàn)了解諧波分析法的基本原理。 4 . 信號(hào)的預(yù)處理的研究 實(shí)際運(yùn)行中的基波頻率不斷變動(dòng)將影響介損測(cè)量結(jié)果，針對(duì)初相角差異和諧波干擾兩個(gè)引起誤差的因數(shù)，分別采取措施對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理：利用解析濾波算法消除信號(hào)初相角不同造成的計(jì)算誤差，設(shè)計(jì) FIR 數(shù)字低通濾波器以消除信號(hào)中諧波帶來(lái)的影響。 . 檢測(cè)系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì) 在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架的指導(dǎo)下，分別對(duì)系統(tǒng)的前置處理電路、傳感器補(bǔ)償電路、 A/D 采樣電路、通信模塊及電源模塊等硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)并給出了電路圖。在程序的控制下，由微電流傳感器和電壓互感器測(cè)量到泄漏電流和現(xiàn)場(chǎng)電壓，通過(guò)一系列的數(shù) 據(jù)預(yù)處理后經(jīng)過(guò) AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)? 電腦中。模塊化設(shè)計(jì)不但簡(jiǎn)化了代碼量，而且提高了程序的高效及可擴(kuò)展性。 . 結(jié)果驗(yàn)證 在 完成設(shè)計(jì)后，可以對(duì)實(shí)物進(jìn)行仿真分析，或者用 simulink 等相關(guān)軟件進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證檢測(cè)得到的 tanδ與理論值是否接近，來(lái)驗(yàn)證本設(shè)計(jì)所提出的方法是不是能滿足工程要求，實(shí)現(xiàn)電容器絕緣介質(zhì)的在線檢測(cè)。然后，選取多組不同的電阻電容值（理論介損值范圍 ~ 之內(nèi)），將多種模型參數(shù)的介損值進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析算法的優(yōu)越性，從而驗(yàn)證本文研制的基于改進(jìn)型全波傅立葉算法的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性。而在交流電壓作用下，既有極化損耗又有電導(dǎo)損耗，就需要引入介質(zhì)損耗這一概念及相關(guān)新的物理量來(lái)描述電介質(zhì)的損耗特性 [17]。如果在交流電壓下流過(guò)電容器的電流超前電壓 90176。 如果電容器 在 加上交流電壓后，其流過(guò)的電流不是 正好 超前 90176。如圖 22，則那不足部分 (的即所謂介質(zhì)損耗角，它的單位以弧度表示 )。由圖 22 可以看出，由于電介質(zhì)中存在極化損耗和電導(dǎo)損耗，流過(guò)電介質(zhì)的總電流 I 不再是純粹的電容電流，而是包含有功分量和無(wú)功分量。 6 圖 23 電力電容器串聯(lián)等效電路 圖 24 電力電容器并聯(lián)等效電路 當(dāng)用串聯(lián)電路時(shí)： tanδ串 = ????????= ????????/??????= ?????????? (2?1) 其中 CN 與 RN 分別為電介質(zhì)理想的無(wú)損耗等效電容和等效串聯(lián)電阻，流過(guò)的電壓分別為 UC 和 UR，總電壓 U=UC+UR 當(dāng)用并聯(lián)電路是： tanδ并 = ????????= ??/????????????= 1/?????????? (2? 2) 其中 CM 與 RM 分別為電介質(zhì)理想的無(wú)損耗等效電容和等效并聯(lián)電阻，流過(guò)的電流分別為 IC 和 IR，總電流 I=IC+IR 兩者轉(zhuǎn)換關(guān)系 : R?? = R?? (1+ 1tanδ2) (2?3) C?? = C?? (1 + 1tanδ2) (2?4) 在 tanδ 較小時(shí)， tanδ 串 和 tanδ 并 的值相差極小，所以有時(shí)為了計(jì)算方便用 tanδ 串 的形式比較多。 因?yàn)?P 值與試驗(yàn) 電壓、試品大小等因素有關(guān)，不同試品間難以比較； 而介質(zhì)損耗角正切 tanδ是僅取決于材料的特性、與材料尺寸無(wú)關(guān)的物理量，用它來(lái)描述電介質(zhì)的損耗特性非常方便，于是就改用介質(zhì)損耗角正切 tanδ作為表征解釋損耗程度的物理量； 其值越大，說(shuō)明這種材料的介質(zhì)損耗越大 [17]。 表 21 一些常用絕緣材料的 tanδ值 電介質(zhì)類型 tanδ /% 電介質(zhì)類型 tanδ /% 變壓器油 ～ 聚乙烯 ～ 蓖麻油 1～ 3 交聯(lián)聚乙烯 ～ 電工陶瓷 2～ 5 聚苯乙烯 ～ 油浸電纜紙 ～ 8 聚四氟乙烯 瀝青與母帶 ～ 1 聚氯乙烯 5～ 10 在絕緣性預(yù)防性試驗(yàn)中， tanδ 值是一個(gè)基本的測(cè)試項(xiàng)目。 . 諧波分析法測(cè)量 tanδ的基本原理 滿足狄里赫利條件的電力系統(tǒng)電壓 Ux、電流 Ix數(shù)據(jù) 可按 照 傅里葉級(jí)數(shù)分解為直流分量和各次諧波分量之和。 I0為電流的直流分量； ??xk為電流的各次諧波幅值； ??ixk為電流的各次諧波相角。所以，介質(zhì)損耗角正切 : tanδ = tan (90176。由于計(jì)算得到的基波參數(shù)采用傅里葉變換的原理，幾乎不受高次諧波的干擾，況且該方法主要以軟件處理為主，能夠極大地減小硬件電路誤差所造成的影響。 ??0???? = N/L 或??????0 =NL (2?15) 上式中， N、 L 分別表示為采樣點(diǎn)數(shù)和周期數(shù)， ??0、 ????分別表示為信號(hào)基波周期和采樣周期。在不滿足式（ 215）的條件下，會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏及柵欄效應(yīng)，影響介損值測(cè)量的精度，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值無(wú)效。在線測(cè)量結(jié)果 也 會(huì)受到頻率泄漏和柵欄效應(yīng)的嚴(yán)重影響?？赏ㄟ^(guò)對(duì)信號(hào)采取預(yù)處理的方法，抑制由系統(tǒng)頻率波動(dòng)而引起的諧波干擾及初相角差異等影響。 ` 故 ??i1與 ??u1分別為對(duì)電流、電壓有限采樣序列進(jìn)行 1024 點(diǎn) FFT 變換后的第9 9 個(gè)頻率點(diǎn)出的相角值。 . 實(shí)際電網(wǎng)中的干擾因素 . 諧波的影響 實(shí)際的電網(wǎng)電壓中，諧波的含量一般不超過(guò) 30%。 . 頻譜泄漏和柵欄效應(yīng) 所謂頻譜泄漏 是指某一頻率的信號(hào)能量擴(kuò)散到相鄰頻率點(diǎn)的現(xiàn)象。 快速傅立葉變換得到的頻譜是離散譜，是信號(hào)的頻譜與一個(gè)窗函數(shù)的頻譜做卷積后，按歸一化頻率分辨率等間隔頻域采樣的結(jié)果，它只給出頻譜在離散點(diǎn) :w=2kπ /N（ 0≤ k≤ N1）上的值，而無(wú)法反映這些點(diǎn)之間的頻譜內(nèi)容， 即使在其它點(diǎn)上有重要的峰值也會(huì)被忽略。 當(dāng)傅立葉變換序列是工頻整 數(shù)倍的樣本序列時(shí)，頻譜分析得到的基波幅值和相位可以真實(shí)地反應(yīng)電網(wǎng)中的頻率和幅值。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中電網(wǎng)頻率基本上在 和 之間波動(dòng)，仿真的畸變率設(shè)為 5%，致使無(wú)法使信號(hào)整周期采樣，勢(shì)必會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此系統(tǒng)頻率波動(dòng)是影響在線監(jiān)測(cè)介損tanδ 精確度的重要因素。 改善柵欄效應(yīng)的一種辦法是在 x1(n)后面增補(bǔ)若干零值點(diǎn)，例如增補(bǔ) N2N1個(gè)零點(diǎn) ，將序列人為地改為 N2 點(diǎn)，由于 x1(n)的有效數(shù)據(jù)為 N1 個(gè)，所以 x(??jw)并沒(méi)有變化，增補(bǔ)零的效果實(shí)際上相當(dāng)于改變了采樣點(diǎn)的位置，使各采樣點(diǎn)之間的間隔更小，這樣 FFT 計(jì)算的頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率就更加靠近信號(hào)的峰值頻率，從而提高了頻率檢測(cè)的精度 [21]。直流分量占基波分量的比值變化時(shí)，計(jì)算所得介損角也會(huì)產(chǎn)生誤差，影響測(cè)量精度。但是合理的選擇高位數(shù)的 AD 轉(zhuǎn)換器，可使得這種誤差降到最低。而在信噪比較低的情況下，介損角測(cè)量的誤差足以掩蓋真實(shí)值，所以在白噪聲干擾較嚴(yán)重時(shí)應(yīng)使用各種消噪措施抑制信號(hào)中的白噪聲，以免給介損角測(cè)量帶來(lái)嚴(yán)重影響?？刹捎迷龃蟛蓸狱c(diǎn)數(shù)來(lái)抑制其波動(dòng)幅度使誤差到可以接受的范圍內(nèi)，同時(shí)，也可以將連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)的介質(zhì)損耗角值，最后求取平均值，來(lái)消除系統(tǒng)誤差。信號(hào)的預(yù)處理分為 Hilbert 變換與 FIR 數(shù)字濾波兩步。 . Hilbert 變換 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的電壓、電流信號(hào)都是實(shí)信號(hào)，其頻譜分為正、負(fù)兩個(gè)頻帶，這兩個(gè)頻帶受系統(tǒng)頻率的波動(dòng)會(huì)發(fā)生改變，造成電壓、電流信號(hào)之間的相位差計(jì)算隨初相角的改變而不同，從而給監(jiān)測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。 11 希爾伯特（ Hilbert）變換是重要的信號(hào)處理與分析工具，可以利用 Hilbert 變換構(gòu)造電壓及電 流信號(hào)的解析信號(hào)，由于解析信號(hào)的頻譜中不包含負(fù)頻率成分，如式（ 222）所示，即信號(hào)通過(guò) Hilbert 變換后可以消除正負(fù)頻帶之間的相互干擾。 （ 2）根據(jù) X ( k )構(gòu)造信號(hào) x ( n )的解析信號(hào)： Z(k) ={ ??(??) ??= 0 2??(??) ?? = 1,2,…,??2 ?10 ??= ??2 ,…,N (2?23) （ 3） 通過(guò)對(duì)解析信號(hào)的頻譜 Z ( k )進(jìn)行傅立葉反變換（ IFFT）得到實(shí)信號(hào) x ( n )的解析信號(hào) z ( n )