CN102095940A - 一种介质损耗角的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介质损耗角的测量方法和装置，该方法包括：获取样品上的电压信号V0、以及获取由流过样品上的电流信号转换得到的电压信号Vx；对上述电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx进行有限次采样；对采样的信号通过准同步算法求平均，得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形；对所得到的电压信号V0和电压信号Vx的平均波形做傅里叶变换，得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1、以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1；计算介质损耗角的正切值tanδ。

Description

一种介质损耗角的测量方法和装置

技术领域

本发明属于材料性质分析领域，尤其涉及一种介质材料的介质损耗角的测量方法和相应的测量装置。

背景技术

介质损耗角是在交变电场下，电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角的余角，通常记为δ。介质损耗角是一种反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。介质损耗角的变化可以反映受潮、劣化、变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷。

通常情况下在测量介质损耗角的过程中，都是直接测量介质损耗角的正弦值tanδ，并由其直接表征介质损耗。测量介质损耗角的传统方法主要有电桥法和瓦特表法。瓦特表法因其测量精度低已经被淘汰。在0.1等超低频频率下，介质的主要损耗为电导型损耗。一般而言，在像0.1Hz这样低的频率下，已经没有能够作为无损耗元件使用的损耗基准可供使用，原来在50Hz下被看作为无损元件的元件，在0.1Hz下已经不再被看成是无损耗的标准电容，因此，原来以一个标准电容为一个桥臂的电桥法将失效，故电桥法不适用于0.1Hz超低频下的介质损耗角的测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种介质损耗角的测量方法和装置，具有很强的抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种介质损耗角的测量方法，其特征在于，包括：

获取样品上的电压信号V0、以及获取由流过样品上的电流信号转换得到的电压信号Vx；

对上述电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx进行有限次采样；

对采样的信号通过准同步算法求平均，得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形；

对所得到的电压信号V0和电压信号Vx的平均波形做傅里叶变换，得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1、以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1；

利用式子

计算介质损耗角的正切值tanδ。

优选地，所述对采样的信号通过准同步算法求平均得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形具体实现为：

由式子-sin(kπf₀ΔT)ctg(kπf₀T_s)/N计算准同步算法的衰减因子r_n；

由式子

计算信号的平均波形；

其中，A₀为信号的直流分量，T0为波形周期，Ts为采样周期，ΔT＝T₀-NT_s为周期偏差，W为采样数据的个数，N为单个周期的采样数据个数，m为信号被采样的总周期数。

优选地，所述获取的样品上的电压信号V0和由电流信号转换得到的电压信号Vx是经过超低频滤波、放大处理，并经过模数转换后得到的数字信号。

另一方面，本发明还提供一种介质损耗角的测量装置，包括：

信号获取模块，用于获取样品上的电压信号V0、以及获取由流过样品上的电流信号转换得到的电压信号Vx；

信号采集模块，用于对上述电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx进行有限次采样；

平均处理模块，用于对采样的信号通过准同步算法求平均，得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形；

傅里叶变换模块，用于对所得到的电压信号V0和电压信号Vx的平均波形做傅里叶变换，得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1、以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1；

介质损耗角计算模块，用于利用式子

计算介质损耗角的正切值tanδ。

优选地，所述平均处理模块具体包括：

衰减因子计算子模块，用于由式子-sin(kπf₀ΔT)ctg(kπf₀T_s)/N计算准同步算法的衰减因子r_n；

平均波形处理子模块，用于由式子

计算信号的平均波形。

优选地，所述信号获取模块具体包括：

第一电压信号获取子模块，用于获取原始的样品上的电压信号V0；

第一超低频滤波器，用于对第一电压信号获取子模块获取的信号进行超低频滤波；

第一限幅放大器，用于将第一超低频滤波器输出的信号进行放大；

第一模数转换器，用于将第一限幅放大器输出的信号进行模数转换，得到数字信号；

第二电压信号获取子模块，用于获取原始的样品上的电压信号Vx；

第二超低频滤波器，用于对第二电压信号获取子模块获取的信号进行超低频滤波；

第二限幅放大器，用于将第二超低频滤波器输出的信号进行放大；

第二模数转换器，用于将第二限幅放大器输出的信号进行模数转换，得到数字信号。

本发明提供的介质损耗角的测量方法和装置能够克服随机信号和周期误差所带来的测量不准确性，使得计算的介质损耗角的正切值不受高次谐波和零漂的影响，具有很强的抗干扰能力，并且计算结果更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的介质损耗角的测量方法的示意图；

图2是实现本发明的介质损耗角测量方法所基于的一种***的结构框图；

图3是准同步算法的实现过程示意图；

图4是本发明提供的介质损耗角的测量装置的示意图；

图5是图4中的平均处理模块的一种具体结构示意图；

图6是图4中的信号获取模块的一种具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种介质损耗角的测量方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101：获取样品上的电压信号V0、以及获取由流过样品上的电流信号转换得到的电压信号Vx；

步骤S102：对上述电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx进行有限次的采样；

步骤S103：对采样的信号通过准同步算法求平均，得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形；

步骤S104：对所得到的电压信号V0和电压信号Vx的平均波形做傅里叶变换，得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1、以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1；

步骤S105：利用式子计算介质损耗角的正切值tanδ。

通过上述方法可以克服随机信号和周期误差所带来的测量不准确性，使得计算的介质损耗角的正切值不受高次谐波和零漂的影响，具有很强的抗干扰能力。

以下以一个具体的例子详细说明本发明提供的测量介质损耗角的方法的具体实现。

图2示出了实现介质损耗角测量方法所基于的一种***框图，从图2中可以看出，获取的样品上的原始电压信号V0经过其对应的超低频滤波器的超低频滤波处理、限幅放大器的放大处理、模数转换器ADC1的模数转换处理，最终得到处理后的电压信号V0的数字信号，被送入到单片机中进行后续处理；获取的样品上的原始电压信号Vx经过其对应的超低频滤波器的超低频滤波处理、限幅放大器的放大处理、模数转换器ADC2的模数转换处理，最终得到处理后的电压信号Vx的数字信号，被送入到单片机中进行后续处理。

这里，电压信号V0可以通过分压器对样品上的电压进行分压得到，电压信号Vx可以通过与样品串联一电阻，从而将流过该样品上的电流转化为串联的电阻上的电压信号得到。

在电压信号V0和Vx被送入到单片机中之前，超低频滤波处理是为了过滤出干扰信号。

在信号的提取过程中，存在随机的一些干扰信号，这些干扰信号可以通过求平均的方式进行滤除，因此在获取样品上的电压信号V0和电压信号Vx的数字形式后，还需要对其进行有限次的周期采样，并对采样的信号进行求平均，得到电压信号V0和Vx的平均波形。

通常采样的周期数越多，最后得到的平均波形越准确，但对于低频信号来讲，对于信号进行多周期采样需要更长的时间，这对于实际测量的要求是难以容许的。为了在尽量短的时间内得到与多周期采样同样准确的平均波形，本发明中采用准同步算法实现平均波形的提取，该算法可以利用有限采集周期的信号达到传统的更多次采集求平均达到的精度。

例如，图3示出了对信号进行3个周期的采样时，所进行准同步算法的实现过程示意图。由于采集的信号为周期信号，每次处理进行N次平均运算，直到最终得到一个平均波形。以3个周期的采样为例，原来只有3个周期的采样数据，经过三次处理后，总共进行了3N+1次的平均处理，大大增加了数据的利用率，其中N为每个周期的采样数据点的个数。

经过推导，上述的准同步算法可以由如下两个完成：

A1：计算准同步算法的衰减因子r_n：

r_n＝-sin(kπf₀ΔT)ctg(kπf₀T_s)/N            (式子1)

其中，T₀为波形周期；T_s为采样周期；W为采样数据的个数；N为单个周期的采样个数；ΔT＝T₀-NT_S为周期偏差；r_n为衰减因子；A₀为直流分量；A_k为该谐波频率的幅值。

A2：利用下式计算信号的平均波形：

$F^m=A_0+\underset{k=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{\left(r_k\right)}^m{A}_k\sin \left[\right(2\mathrm{\πk}{f}_0(t+\frac{\mathrm{m\ΔT}}{2})+{\mathrm{\φ}}_k]$ (式子2)

上述式子中的各个参量的含义与步骤A1中的相同，m为被测信号采集的周期数。

在实际中，只需要将电压信号V0和Vx分别应用上述式子1和式子2即可以得到电压信号V0和Vx的平均波形。

采用准同步算法对电压信号V0和Vx进行处理可以克服随机信号和周期误差所带来的测量不准确性，并且实现对采集数据的充分利用了，加快了数据测量的速度。

在获取到电压信号V0和Vx的平均波形后，需要对其进行谐波分析。具体地，利用以下两式分别电压信号V0和Vx的平均波形进行傅里叶变换：

$\mathrm{Vr}\left(t\right)={\mathrm{\α}}_{r0}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{rk}}\sin (2\mathrm{k\π}{f}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{rk}})$

$={\mathrm{\α}}_{r0}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_{\mathrm{rk}}\cos \left(2\mathrm{k\π}{f}_{0}t\right)+b_{\mathrm{rk}}\sin \left(2\mathrm{k\π}{f}_{0}t\right)]$ (式子3)

$\mathrm{Vx}\left(t\right)={\mathrm{\α}}_{x0}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{xk}}\sin (2\mathrm{k\π}{f}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xk}})$

$={\mathrm{\α}}_{x0}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_{\mathrm{xk}}cos\left(2\mathrm{k\π}{f}_{0}t\right)+b_{\mathrm{xk}}\sin \left(2\mathrm{k\π}{f}_{0}t\right)]$ (式子4)

其中φ_xk和φ_rk分别为

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xk}}=\mathrm{arctg}\left(\frac{a_{\mathrm{xk}}}{b_{\mathrm{xk}}}\right)$ (式子5)

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{rk}}=\mathrm{arctg}\left(\frac{a_{\mathrm{rk}}}{b_{\mathrm{rk}}}\right)$ (式子6)

介质的损耗角定义为

不难得出介质损耗角的正切值可以通过下式计算：

(式子7)

其中，上述式子7中的一次谐波的各个系数可以通过下式进行计算：

$a_{x1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_x\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\mathrm{dt}$ (式子8)

$a_{r1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_r\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\mathrm{dt}$ (式子9)

$b_{x1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_x\left(t\right)\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\mathrm{dt}$ (式子10)

$b_{r1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{V}_r\left(t\right)\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\mathrm{dt}$ (式子11)

由此可见，只要得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1，以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1，即可利用式子7计算介质损耗角的正切值。

本发明中通过谐波分析法进行介质损耗角的测量，对基波(即一次谐波)的信号进行提取，克服了测量仪表在测量过程中可能的零漂以及高次谐波分量对测量的影响。

另外，本发明相应地还提供一种介质损耗角的测量装置，如图4所示，该测量装置包括信号获取模块401、信号采集模块402、平均处理模块403、傅里叶变换模块404和介质损耗角计算模块405。

其中，信号获取模块401用于获取样品上的电压信号V0、以及获取由流过样品上的电流信号转换得到的电压信号Vx。信号采集模块402用于对上述信号获取模块401获取的电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx进行有限次采样。

平均处理模块403用于对采样的信号通过准同步算法求平均，得到电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx的平均波形。傅里叶变换模块404用于对所得到的电压信号V0和电压信号Vx的平均波形做傅里叶变换，得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1，以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1。

介质损耗角计算模块405用于利用式子

计算介质损耗角的正切值tanδ。

如图5所示，上述平均处理模块403可以包括：

衰减因子计算子模块4031，用于由式子-sin(kπf₀ΔT)ctg(kπf₀T_s)/N计算准同步算法的衰减因子r_n；

平均波形处理子模块4032，用于由如下式子计算信号的平均波形。

如图6所示，上述信号获取模块具可以包括：

第一电压信号获取子模块4011，用于获取原始的样品上的电压信号V0；

第一超低频滤波器4012，用于对第一电压信号获取子模块获取的信号进行超低频滤波；

第一限幅放大器4013，用于将第一超低频滤波器输出的信号进行放大；

第一模数转换器4014，用于将第一限幅放大器输出的信号进行模数转换，得到数字信号；

第二电压信号获取子模块4015，用于获取原始的样品上的电压信号Vx；

第二超低频滤波器4016，用于对第二电压信号获取子模块获取的信号进行超低频滤波；

第二限幅放大器4017，用于将第二超低频滤波器输出的信号进行放大；

第二模数转换器4018，用于将第二限幅放大器输出的信号进行模数转换，得到数字信号。

上述测量装置中的各个模块可以采用上文所提到的测量方法的具体过程以实现其对应的功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种介质损耗角的测量方法，其特征在于，包括：

获取样品上的电压信号V0、以及获取由流过样品上的电流信号转换得到的电压信号Vx；

对上述电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx进行有限次采样；

对采样的信号通过准同步算法求平均，得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形；

对所得到的电压信号V0和电压信号Vx的平均波形做傅里叶变换，得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1、以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1；

利用式子

计算介质损耗角的正切值tanδ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对采样的信号通过准同步算法求平均得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形具体实现为：

由式子-sin(kπf₀ΔT)ctg(kπf₀T_s)/N计算准同步算法的衰减因子r_n；

由式子

计算信号的平均波形；

其中，A₀为信号的直流分量，T0为波形周期，Ts为采样周期，ΔT＝T₀-NT_S为周期偏差，W为采样数据的个数，N为单个周期的采样数据个数，m为信号被采样的总周期数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获取的样品上的电压信号V0和由电流信号转换得到的电压信号Vx是经过超低频滤波、放大处理，并经过模数转换后得到的数字信号。

4.一种介质损耗角的测量装置，其特征在于，包括：

信号获取模块，用于获取样品上的电压信号V0、以及获取由流过样品上的电流信号转换得到的电压信号Vx；

信号采集模块，用于对上述电压信号V0和由电流信号转换成的电压信号Vx进行有限次采样；

平均处理模块，用于对采样的信号通过准同步算法求平均，得到电压信号V0和电压信号Vx的平均波形；

傅里叶变换模块，用于对所得到的电压信号V0和电压信号Vx的平均波形做傅里叶变换，得到电压信号V0的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_r1和正弦分量系数b_r1、以及电压信号Vx的平均波形的一次谐波的余弦分量系数a_x1和正弦分量系数b_x1；

介质损耗角计算模块，用于利用式子

计算介质损耗角的正切值tanδ。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述平均处理模块具体包括：

衰减因子计算子模块，用于由式子-sin(kπf₀ΔT)cth(kπf₀T_s)/N计算准同步算法的衰减因子r_n；

平均波形处理子模块，用于由式子

计算信号的平均波形。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述信号获取模块具体包括：

第一电压信号获取子模块，用于获取原始的样品上的电压信号V0；

第一超低频滤波器，用于对第一电压信号获取子模块获取的信号进行超低频滤波；

第一限幅放大器，用于将第一超低频滤波器输出的信号进行放大；

第一模数转换器，用于将第一限幅放大器输出的信号进行模数转换，得到数字信号；

第二电压信号获取子模块，用于获取原始的样品上的电压信号Vx；

第二超低频滤波器，用于对第二电压信号获取子模块获取的信号进行超低频滤波；

第二限幅放大器，用于将第二超低频滤波器输出的信号进行放大；

第二模数转换器，用于将第二限幅放大器输出的信号进行模数转换，得到数字信号。

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