[发明专利]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

权利要求书

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-BQ76PL455A-Q，控制单元U6A的型号为4001BD。

5.一种基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试方法，其特征是：

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。

6.根据权利要求5所述的基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试方法，其特征是：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)]＝σ (12)

若σ≤2.23528则绝缘状态良好，

若σ≥5.23434则绝缘状态较差，应立即检修，

式中取ω₀为1000Hz。

7.根据权利要求5所述的基于频谱分析法的高压油纸频域介电测试方法，其特征是：

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)；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：

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：

定义

D(ω)＝ε₀ε_r(ω)E(ω)＝ε₀[1+χ'(ω)-iχ”(ω)]E(ω) (9)

则相对介电常数ε_r为：

ε_r(ω)＝ε_r'(ω)-iε_r”(ω)＝1+χ'(ω)-iχ”(ω) (10)

则介质损耗正切tanδtanδ可表示为：