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電橋測量介損的原理----簡述AI-6000介質(zhì)損耗測量儀的原理和用法
一、變頻測量的等效性1、介質(zhì)的兩種模型及與頻率的關(guān)系 含有介損的電容器都可以模擬成RC串聯(lián)和并聯(lián)兩種理想模型進行分析:并聯(lián)模型: 認為損耗是與電容并連的電阻產(chǎn)生的。這種情況RC兩端電壓相等: 有功功率,無功功率,
因此 其中ω=2πf,f為電源頻率??梢姡绻嬲靡粋€純電阻和一個純電容模擬介損的話,它與頻率成反比。當R=∞時,沒有有功功率,介損為0。 這種方法常用于試驗室模擬10%以上的大介損,或用于制做標準介損器。串聯(lián)模型:
認為損耗是與電容串連的電阻產(chǎn)生的。這種情況電路的電流相等: 有功功率,無功功率,
因此 可見,如果用真正用一個純電阻和一個純電容模擬介損的話,它與頻率成正比。當R=0時,沒有有功功率,介損為0。 這種方法常用于試驗室模擬10%以下的介損,或用于制做標準介損器。通常認為并聯(lián)模型更接近實際情況,這是因為有功電流穿過電極之間的絕緣層,更象是損耗電阻并聯(lián)在電極之間,而電極本身電阻為零,沒有損耗。
實際上當介損在10%以下時,這種電容量的差別是很小的。
從事現(xiàn)場試驗的專家都有這樣的經(jīng)驗:使用傳統(tǒng)儀器,如QS1,在干擾嚴重的現(xiàn)場環(huán)境下測量介損,采用移相、倒相方法反復(fù)測量,仍無法使電橋平衡。
隨著電壓等級提高,干擾越來越嚴重。這種情況下變頻測量是一個很好的、甚至是唯一的選擇。變頻測量的抗干擾能力比移相、倒相法提高一個數(shù)量級以上。這好比兩個電臺在同一個頻率上,很難將另一個信號抑制掉,但如果兩個電臺的頻率不同,則很容易區(qū)分。變頻測量變頻測量受到的唯一懷疑是頻率的等效性。按串聯(lián)或者并聯(lián)模型,介損是隨頻率變化的。例如50Hz下1%的介損,采用55Hz測量。串聯(lián)模型的測量結(jié)果變成1.1%(正比),并聯(lián)模型測量結(jié)果變成0.91%(反比)。雖然這樣的誤差可能滿足現(xiàn)場測量的要求,但誤差還是偏大。為了解決這個問題,我們首先提出了雙變頻測量原理:在50Hz對稱位置45Hz和55Hz各測量一次,然后將測量數(shù)據(jù)平均,使誤差大大減小。理論分析結(jié)果如下表所示:直接平均法:當然如果試品介損不隨頻率變化,則這幾種平均方法都沒有誤差。以上分析表明,采用雙變頻測量,即發(fā)揮了變頻測量的高抗干擾能力,理論上的最大相對誤差也小于1%,可以滿足現(xiàn)場測量需要。實際測量顯示,變頻測量的數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定,重復(fù)性特別好。試驗室校驗也顯示了很好的精度指標。目前變頻測量的原理已經(jīng)得到普遍認可。 2005年4月21日,我們在濟南500kV變電站強干擾下測量斷口電容(2400pF)和滅弧室(15pF),AI-6000讀數(shù)十分穩(wěn)定,而2816電橋只作出了電容量,因抗干擾不行,沒有測到介損數(shù)據(jù)。估計原因是移相抗干擾能力不行,而AI-6000則采用變頻抗干擾,其優(yōu)勢十分明顯。儀器結(jié)構(gòu)儀器結(jié)構(gòu)框圖測量電路:傅立葉變換、復(fù)數(shù)運算等全部計算和量程切換、變頻電源控制等??刂泼姘澹捍蛴C、鍵盤、顯示和通訊中轉(zhuǎn)。變頻電源:采用SPWM開關(guān)電路產(chǎn)生大功率正弦波穩(wěn)壓輸出。升壓變壓器:將變頻電源輸出升壓到測量電壓,最大無功輸出2kVA/1分鐘。標準電容器:內(nèi)Cn,測量基準。Cn電流檢測:用于檢測內(nèi)/外標準電容器電流,10μA~5A。輸入電阻<2Ω。Cx正接線電流檢測:只用于正接線測量,10μA~5A。輸入電阻<2Ω。Cx反接線電流檢測:只用于反接線測量,10μA~5A。輸入電阻<2Ω。反接線數(shù)字隔離通訊:采用精密MPPM數(shù)字調(diào)制解調(diào)器,將反接線電流信號送到低壓側(cè)。隔離電壓20kV。工作原理:
啟動測量后高壓設(shè)定值送到變頻電源,變頻電源用PID算法將輸出緩速調(diào)整到設(shè)定值,測量電路將實測高壓送到變頻電源,微調(diào)低壓,實現(xiàn)準確高壓輸出。根據(jù)正/反接線和內(nèi)/外標準電容的設(shè)置,測量電路根據(jù)試驗電流自動選擇輸入并切換量程,測量電路采用傅立葉變換濾掉干擾,分離出信號基波,對標準電流和試品電流進行矢量運算,幅值計算電容量,角差計算tgδ。反復(fù)進行多次測量,經(jīng)過排序選擇一個中間結(jié)果。測量結(jié)束,測量電路發(fā)出降壓指令變頻電源緩速降壓到0。 CVT測量:CVT隔離開關(guān)斷開,低壓隔離開關(guān)接通輸出低壓。測量C2時,CVT倒線開關(guān)接通,C2接入試品通道,用C1作標準電容測量C2。準確度 Cx: ±(讀數(shù)×1%+1pF) tgδ: ±(讀數(shù)×1%+0.00040) 例如介損讀數(shù)1.000%,按上式計算,誤差為±(1%×1.000%+0.00040)=±0.05%,即實際介損可能在0.950%~1.050%之間。通常介損的數(shù)值都比較小,因此這個零點誤差起主要作用。AI-6000無干擾時控制零點誤差為0.00005,2:1干擾下控制介損波動量小于0.0002。抗干擾指標 抗干擾指標:在200%干擾(即I干擾/I試品≤2)下仍能達到上述準確度 用于現(xiàn)場測量的介損儀,必須具備良好的抗干擾能力??垢蓴_能力應(yīng)當定量描述,例如只說“抗22萬電場干擾或50萬電場干擾”,或者拿試驗室精度當作現(xiàn)場測量精度,或者隨意提高精度指標都是不可取的。實際上儀器的測量重復(fù)性也能夠反映抗干擾能力,如果重復(fù)性很好,必然說明抗干擾能力強。由于A/D位數(shù)限制,干擾進一步增大時,會導(dǎo)致有用信號的有效數(shù)字位數(shù)降低,引起A/D的量化效應(yīng),使測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動。我們目前已經(jīng)掌握了抵抗20倍以上干擾的方法。由于還沒有發(fā)現(xiàn)超過2倍的干擾,因此暫時沒有啟用這個功能。
安全性能多種安全保護措施,確保人身和試驗設(shè)備安全高壓保護:試品短路、擊穿或高壓電流波動,能以短路方式高速切斷輸出。低壓保護:誤接380V,電源波動或突然斷電,啟動保護,不會引起過電壓。接地保護:儀器接地失靈使外殼帶危險電壓時,啟動接地保護。CVT:高壓電壓和電流、低壓電壓和電流四個保護限,不會損壞設(shè)備;誤選菜單不會輸出激磁電壓。防誤操作:兩級電源開關(guān);電壓、電流實時顯示;多次按鍵確認;接線端子高/低壓分明;聲光報警。防“容升”:測量大容量試品時會出現(xiàn)電壓抬高的“容升”效應(yīng),儀器能自動跟蹤輸出電壓,保持試驗電壓恒定??拐鹦阅埽簝x器采用獨特抗震設(shè)計,可耐受強烈長途運輸震動、顛簸而不會損壞。高壓電纜:為耐高壓絕緣導(dǎo)線,可拖地使用。
實際上,安全性應(yīng)當成為儀器選型的首要因素。 例如意外接觸高壓,靠跳閘燒保險肯定是危險的。儀器應(yīng)當在數(shù)毫秒內(nèi)切斷輸出。當然開路式切斷與短路式切斷又有不同,短路式切斷不會產(chǎn)生過電壓,更加安全。 另外,儀器開關(guān)、端子、安全警示、操作是否能盡可能防止誤操作,儀器是否帶有接地保護等,也是十分重要的。設(shè)計者和生產(chǎn)廠有責(zé)任盡最大努力提高儀器安全性,減少誤操作的可能性。即便發(fā)生誤操作,也必須將損失降到最低限度。例如“一按啟動即測量”肯定不安全。輸出端子一會這個帶高壓,一會另一個帶高壓也是不安全的。 除對試驗人員的保護外,還要求儀器能對被測設(shè)備進行保護。例如測量過程中,過高的電壓引起試品電流異常增大,直至擊穿放電,儀器能否提前察覺到電流異常增大而停止測量?;蛘哌M行CVT自激法測量時能否緩慢地、試探性升壓,提前發(fā)現(xiàn)接線錯誤而停止測量等。 除對試驗人員的保護外、被測設(shè)備進行保護外,儀器還應(yīng)能對自身保護。因為即便用戶使用原因引起儀器損壞,也會耽誤用戶的工作。例如現(xiàn)場測量拉電源線時,會將380V線電壓當作相電壓給儀器供電,如果沒有這個保護,必然造成儀器返修。三、AI-6000介損儀的現(xiàn)場接線方式及注意事項1.常用測量接線正接線(UST)a、常規(guī)正接線
b、高電壓介損反接線(GST)a、常規(guī)反接線c、反接線低壓屏蔽CVT的設(shè)置與測量
CVT的設(shè)置:
將光標移到高壓位置,輕按啟停鍵可以依次出現(xiàn)以下界面,這四個分別是高壓電壓、高壓電流、低壓電壓和低壓電流的設(shè)定值,當然也可以根據(jù)需要自己設(shè)定。CVT的測量:下面以母線接地CVT為例介紹各個電容的測量方法(A未引出)。
如果是母線CVT測量之前應(yīng)確認結(jié)合濾波器已斷開,以消除載波信號影響。a、C1由多節(jié)電容組成時,測C11可用高壓屏蔽其它電容C12、C13電容可用一般正接線測量。C14和C2用CVT自激法測量b、用自激法測量C12、C2:
低壓激勵線,可接任何一組二次線圈。二次線圈應(yīng)解開,防止將儀器低壓短路。低壓激勵線電流大,應(yīng)良好接觸。使用帶接地屏蔽的高壓線可以拖地(參見儀器操作說明)。使用其它導(dǎo)線不應(yīng)拖地,必須吊起,否則高壓線對地會有一個附加電阻,這樣會導(dǎo)致電壓產(chǎn)生相移從而引起測量誤差。
測量CVT時建議高壓線接CVT的下端δ(N)點。
發(fā)電機供電 發(fā)電機供電時輸入頻率不穩(wěn)定,可采用定頻50Hz模式工作。測試線 由于長期使用和連接,易造成測試線芯線和屏蔽短路或插座接觸不良,用戶應(yīng)經(jīng)常維護測試線; 測試標準電容試品時,應(yīng)使用全屏蔽插頭連接,以消除附加雜散電容影響,否則不能反映出儀器精度; 自激法測量CVT時,高壓線應(yīng)吊起懸空,否則對地附加雜散電容和介損會引起測量誤差。工作模式選擇 接好線后請選擇正確的測量工作模式(正、反和CVT),不可選錯。干擾環(huán)境下應(yīng)選用變頻抗干擾模式。試驗方法影響 由于介損測量受試驗方法影響較大,應(yīng)區(qū)分是試驗方法誤差還是儀器誤差。出現(xiàn)問題時可首先檢查接線,然后檢查是否儀器故障。儀器故出現(xiàn)故障及處理方法儀器測試時升壓出現(xiàn)ER-PS
a.儀器工作電源問題:是否為發(fā)電機供電,電源插排是否良好。 b.儀器問題:檢查儀器,空升是否保護。 c.測試線問題:檢查接線,內(nèi)部是否有短路情況。 d.試品方面的原因:試品是否對地短路。ER-ZX這也是在測試過程中常出現(xiàn)的情況 a.設(shè)置問題:在進行測試時是否設(shè)置為外標準電容。 b.檢查儀器,空升是否出現(xiàn)ER-Zx,排除儀器內(nèi)部線接觸不良的問題。 c.測試線是否接觸牢靠,對測試線的連接點是否進行過除銹處理。用萬用表測量一下測試線的芯線和屏蔽是否短路;輸入電源220V過高或過低;接地是否良好。
ER-cwCVT自激發(fā)測試時出現(xiàn)的保護信息 a.設(shè)置問題:在測試時對低壓電壓、低壓電流、高壓電壓和高壓電流進行設(shè)置,否則會出現(xiàn)ER-cv、ER-ci、ER-cV和ER-cI保護信息。 b.接線問題:有時一次尾段X點不接地,電壓升不起來會出現(xiàn)ER-cw。 c.
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