一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪及测试方法技术

本发明专利技术提供了一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试方法，步骤为：S1)数据采集：通过对被测电气设备施加频率变化的交变电压，记录复电容的实部与虚部，并将介质损耗正切记录于工程机上；S2)数据处理：频率以及介质损耗正切与电位移量进行处理，得到介质损耗正切曲线与复电容实部、虚部曲线，S3)比较判断：以被测设备初始状态的介电损耗正切曲线与复电容实部、虚部曲线作为标准曲线；设备检修时重复步骤S1和S2,所得的介电损耗正切曲线、复电容实部与虚部曲线为测试曲线，将测试曲线与标准曲线比较，以此比较被测设备的绝缘状态，若是被测曲线低于标准曲线，则绝缘状态受损，设备应进行检修以防事故发生。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪及测试方法
本专利技术涉及一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪及测试方法。
技术介绍
电网规模不断扩大，现在已有数以万计的电气设备投入使用，这些电气设备的绝缘强度是保证电网能否安全可靠运行的关键。现如今，有很大一部分的电气设备采用油纸绝缘的绝缘结构，通过即时、方便的手段、装置来检测这些结构的可靠性对于电网的可靠运行十分重要。目前，传统的绝缘检测方式有：绝缘电阻的检测、介质损耗角正切的检测、局部放电检测，非电参量的检测手段有油色气相分析。这些传统方式已十分成熟，在目前工程实际中已广泛应用。但是，由于存在种种问题，如：需要吊芯、取罩等本身就会损坏绝缘结构的操作，以及易受外部噪音干扰的影响。国内外学者提出了，基于介电响应法的绝缘检测手段。通过建立Debye模型来对绝缘结构进行电气分析。频域分析法是介电光谱学领域中应用最广泛、也是众多研究者所熟悉的方法，其原理是将样品作为电容器进行测量，得到其在交流电场激励下的极化响应，可以通过不同激励频率的点频率或扫频进行测量。从而得到复介电常数和介质损耗角与测量频率之间的函数关系。除了获取单一频率下绝缘介质的介电响应信息，还可以通过在变压器绝缘介质两端施加各种频率的交流激励电压来获取更多的绝缘状态信息。该方法可以测算出不同频率绝缘材质介质损耗原因、复合电容及复介电常量，上述数据同变压器绝缘状况有着紧密关联，从而可以对绝缘系统的老化状态进行评估。由于极化电流、去极化电流由于外施极化电压为几百伏，对动辄几百千伏的高压电气设备的绝缘不会造成破坏。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于频谱分析法的，无损的，电气设备绝缘检测的介电测试仪。该仪器可以在不取罩、吊芯，破坏原绝缘结构的基础之上实现无损的绝缘检测，以作为传统的油气相色谱等检测方法的补充，来判断设备的绝缘程度。本专利技术提供了一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪，包括数据处理模块、数据传输模块、数据存储模块、温度检测模块、电压采集模块以及交变电压输出模块。数据处理模块由控制器U1(DP8421A)和时钟信号输出芯片U4(74LS161)构成，控制器U1的56脚连接U4；数据传输模块由USB数据传输芯片J1(AT43301)、电阻R1-R6构成，数据存储模块由存储芯片U3(M68AW031AL_SO28)、电阻R7、电阻R8构成，芯片J1的1脚与控制器U1的36脚相连，芯片J1的4、7脚接地，芯片J1的3脚通过R1与芯片U3的15脚相连，芯片J1的2脚通过电阻R2与芯片U3的13脚相连，芯片J1的5脚通过R4与控制器U1的66脚相连，芯片J1的6脚通过电阻R3与控制器U1的4脚相连，芯片J1的9脚通过电阻R5与控制器U1的65脚相连，芯片J1的8脚通过电阻R6与控制器U1的64脚相连，芯片J1的shell与外界工程机的USB线相连；芯片U3的16脚通过电阻R7与控制器U1的8脚相连，芯片U3的17脚通过电阻R8与控制器U1的9脚相连；温度检测模块由温度传感器U7A(WRNK-187)构成，温度传感器U7A的1脚经电阻R9与控制器U1的41脚连接，温度传感器U7A的2脚经电阻R10与控制器U1的40脚连接，温度传感器U7A的4脚经电阻R11与控制器U1的39脚连接，温度传感器U7A的5脚经电阻R12与控制器U1的38脚连接，温度传感器U7A的6脚与外界的温度探头相连，以获得温度信息。交变电压输出模块由控制单元U2(MP3221)及电压源V1进行控制输出，控制单元U2的1脚与控制器U1的63脚连接，控制单元U2的3脚与控制器U1的62脚相连，控制单元U2的2脚输出控制交变电源。电压采集模块由控制单元U5(TI-BQ76PL455A-Q)、控制单元U6A(4001BD)构成，其中，控制单元U6A(4001BD)的1脚与控制器U1的45脚相连，控制单元U6A的2脚与控制器U1的44脚相连，控制单元U6A的3脚与控制单元U5相连，控制单元U5的输出端接外部的CH1接口。控制器U1的48、50脚与指示灯X1相连接，其中控制器U1的50脚接有电容C1，起到试验状态的指示功能。频谱分析法是基于复电容理论的。频谱分析法是一种无损的、频域的介电响应绝缘检测方法，是目前国内外学者研究的重点。具体方法是对试品施加一角频率为ω的交变电场，主要工作原理是由工控机通过多功能电缆控制电压源提供不同频率的交流电压，并施加在被测试品上，同时通过设置在终端盒中的电压表和电流表测量此时施加在试品上的电压和由此产生的电流，并将这两个相对应的数据通过多功能电缆传回工控机，经过安装在工控机中的软件的计算，得出一系列诸如介质损耗正切tanδ、样品复电容等数值。在角频率为ω的交变外电场中,电介质的复介电常数谱ε(ω)＝ε'(ω)-jε”(ω)。可认为是各种极化机制所引起的。当在电介质材料的两端施加电场E(t)时，材料内会发生极化过程，其电位移量D(t)与E(t)成正相关，两者的比值为ε0，代表真空中的介电常数，各向同性电介质材料的电势偏移包括材料的极化，它们之间存在如下关系：D(t)＝ε0E(t)+P(t)(1)式中，t表示施加在电介质材料上的电场持续时间。介电响应函数f(t)表示电场的激发和极化效应，介电材料的脉冲响应：且在各种模式下的场强E(t)中，介质响应方程与极化效应P(t)间的关联可通过卷积模式进行描述：在t0时，可将场强E(t)附加至介质对象中，便会出现可用传导与位移电流表示的电流密度j(t)：式中：σ0为介质材料的电导率，S/m。频域中，极化率χ(ω)为介质响应函数的傅里叶变换:式中，χ(ω)为极化率，C·m2/V。则频域下的极化作用P(ω)可表示为：P(ω)＝ε0χ(ω)E(ω)(6)将时域中电流密度进行傅里叶变换，得：j(ω)＝σ0E(ω)+iωD(ω)(7)结合时域电位移表达式和频域极化率表达式，得：j(ω)＝{σ0+iωε0[1+χ'(ω)-iχ”(ω)]}E(ω)＝{σ0+ωε0χ”(ω)+iωε0[1+χ'(ω)]}E(ω)(8)定义D(ω)＝ε0εr(ω)E(ω)＝ε0[1+χ'(ω)-iχ”(ω)]E(ω)(9)则相对介电常数εr为：εr(ω)＝εr'(ω)-iεr”(ω)＝1+χ'(ω)-iχ”(ω)(10)则介质损耗正切tanδtanδ可表示为：本专利技术通过如下技术方案解决其技术问题：一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试方法，步骤如下：S1)数据采集：通过对被测电气设备施加频率变化的交变电压，记录复电容的实部与虚部，并将介质损耗正切tanδ记录于工程机上；S2)数据处理：频率以及介质损耗正切tanδ与电位移量D(t)进行处理，采用快速傅里叶算法对其变换，得到介质损耗正切曲线与复电容实部、虚部曲线，S3)比较判断：以被测设备初始状态的介电损耗正切曲线与复电容实部、虚部曲线作为标准曲线；设备检修时重复步骤S1和S2,所得的介电损耗正切曲线、复电容实部与虚部曲线为测试曲线，将测试曲线与标准曲线比较，以此比较被测设备的绝缘状态，若是被测曲线低于标准曲线，则绝缘状态受损，设备应进行检修以防事故发生。以标准曲线为f(ω)，测试曲线为g(ω)，根据下式判断lg[f(ω0)/g(ω0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪，其特征是：包括数据处理模块、数据传输模块、数据存储模块、温度检测模块、电压采集模块以及交变电压输出模块；数据处理模块由控制器U1和时钟信号输出芯片U4构成，控制器U1的56脚连接U4；数据传输模块由USB数据传输芯片J1、电阻R1‑R6构成，数据存储模块由存储芯片U3、电阻R7、电阻R8构成，芯片J1的1脚与控制器U1的36脚相连，芯片J1的4、7脚接地，芯片J1的3脚通过R1与芯片U3的15脚相连，芯片J1的2脚通过电阻R2与芯片U3的13脚相连，芯片J1的5脚通过R4与控制器U1的66脚相连，芯片J1的6脚通过电阻R3与控制器U1的4脚相连，芯片J1的9脚通过电阻R5与控制器U1的65脚相连，芯片J1的8脚通过电阻R6与控制器U1的64脚相连，芯片J1的shell与外界工程机的USB线相连；芯片U3的16脚通过电阻R7与控制器U1的8脚相连，芯片U3的17脚通过电阻R8与控制器U1的9脚相连；温度检测模块由温度传感器U7A构成，温度传感器U7A的1脚经电阻R9与控制器U1的41脚连接，温度传感器U7A的2脚经电阻R10与控制器U1的40脚连接，温度传感器U7A的4脚经电阻R11与控制器U1的39脚连接，温度传感器U7A的5脚经电阻R12与控制器U1的38脚连接，温度传感器U7A的6脚与外界的温度探头相连，以获得温度信息。交变电压输出模块由控制调压单元U2及电压源V1进行控制输出，控制单元U2的1脚与控制器U1的63脚连接，控制单元U2的3脚与控制器U1的62脚相连，控制单元U2的2脚输出控制交变电源电压采集模块由电压采集单元U5、控制单元U6A构成，其中，控制单元U6A的1脚与控制器U1的45脚相连，控制单元U6A的2脚与控制器U1的44脚相连，控制单元U6A的3脚与控制单元U5相连，控制单元U5的输出端接外部的CH1接口。...

【技术特征摘要】
1.一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪，其特征是：包括数据处理模块、数据传输模块、数据存储模块、温度检测模块、电压采集模块以及交变电压输出模块；数据处理模块由控制器U1和时钟信号输出芯片U4构成，控制器U1的56脚连接U4；数据传输模块由USB数据传输芯片J1、电阻R1-R6构成，数据存储模块由存储芯片U3、电阻R7、电阻R8构成，芯片J1的1脚与控制器U1的36脚相连，芯片J1的4、7脚接地，芯片J1的3脚通过R1与芯片U3的15脚相连，芯片J1的2脚通过电阻R2与芯片U3的13脚相连，芯片J1的5脚通过R4与控制器U1的66脚相连，芯片J1的6脚通过电阻R3与控制器U1的4脚相连，芯片J1的9脚通过电阻R5与控制器U1的65脚相连，芯片J1的8脚通过电阻R6与控制器U1的64脚相连，芯片J1的shell与外界工程机的USB线相连；芯片U3的16脚通过电阻R7与控制器U1的8脚相连，芯片U3的17脚通过电阻R8与控制器U1的9脚相连；温度检测模块由温度传感器U7A构成，温度传感器U7A的1脚经电阻R9与控制器U1的41脚连接，温度传感器U7A的2脚经电阻R10与控制器U1的40脚连接，温度传感器U7A的4脚经电阻R11与控制器U1的39脚连接，温度传感器U7A的5脚经电阻R12与控制器U1的38脚连接，温度传感器U7A的6脚与外界的温度探头相连，以获得温度信息。交变电压输出模块由控制调压单元U2及电压源V1进行控制输出，控制单元U2的1脚与控制器U1的63脚连接，控制单元U2的3脚与控制器U1的62脚相连，控制单元U2的2脚输出控制交变电源电压采集模块由电压采集单元U5、控制单元U6A构成，其中，控制单元U6A的1脚与控制器U1的45脚相连，控制单元U6A的2脚与控制器U1的44脚相连，控制单元U6A的3脚与控制单元U5相连，控制单元U5的输出端接外部的CH1接口。2.根据权利要求1所述的基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪，其特征是：控制器U1的48、50脚与指示灯X1相连接，其中控制器U1的50脚接有电容C1，起到试验状态的指示功能。3.根据权利要求1所述基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪，其特征是：控制器U1的型号为DP8421A，时钟信号输出芯片U4的型号为74LS161，USB数据传输芯片J1的型号为AT43301，存储芯片U3的型号为M68AW031AL_SO28，温度传感器U7A的型号为WRNK-187。4.根据权利要求1所述基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试仪，其特征是：控制调压单元U2的型号为MP3221，电压采集单元U5的型号为TI-BQ...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡礼，杨萍豪，方旎，马庆，胡裕峰，张义平，曹宏裕，姜敏，欧阳武，高洁，
申请(专利权)人：国网江西省电力有限公司南昌供电分公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：江西,36