测量系统、组件有功及无功功率和电组件阻抗的方法和装置

摘要

本发明揭示一种测试系统及方法，其具有一测试信道及一附加信道(212)，且其中确定流过受测试器件(208)中的干扰电流与所述附加信道上的干扰信号之间的振幅及相位的比例。所述系统进一步将在或接近于线路频率的一电压(202)施加至所述受测试器件(208)，并随后从穿过所述受测试器件的所述电流信号中连续减去所述附加干扰信号。在此操作中，所述系统及方法允许精确地测量在或非常接近于所述线路频率下的阻抗的有功及无功功率。

权利要求

1.一种用于精确测量一系统或组件在一预定线路频率下的有功及无功功率的方法，其包括以下步骤：提供一测量信道及一附加测量信道并将一耦合至所述测量信道中的一受测试器件的源设定到零；

测量所述测量信道上的一干扰信号n(t)并测量所述附加测量信道上的一第一干扰信号n′(t)；

计算所述干扰信号n(t)与所述第一干扰信号n′(t)之间的一相位比例及一振幅比例；

将所述源设定到一所期望的电压及频率值并测量所述测量信道上的一电压v(t)及电流iMEAS(T)信号，且测量所述附加测量信道上的一第二干扰信号n′(t)，其中通过所述相位及振幅比例调整所述测量的第二干扰信号n′(t)并将其从所述iMEAS(T)信号中减去；及使用所述测量的v(t)及调整的iMEAS(T)信号来计算所述受测试器件的一有功及无功功率、损耗角及功率因数中至少一者。

2.如权利要求1所述的用于精确测量一系统或组件在一预定线路频率下的有功及无功功率的方法，其包括以下步骤：数字化所述测量信道上的v(t)及iMEAS(T)信号、所述干扰信号n(t)及所述第一干扰信号n′(t)中至少一者。

3.如权利要求1所述的用于精确测量一系统或组件在一预定线路频率下的有功及无功功率的方法，其中所述干扰信号n(t)包括由一邻近的电源线路及一电源线信号中至少一者所感应的效应。

4.如权利要求1所述的用于精确测量一系统或组件在一预定线路频率下的有功及无功功率的方法，其中所述第一干扰信号n′(t)和所述第二干扰信号n′(t)各包括由一邻近的电源线路及一电源线信号中至少一者所感应的效应。

5.如权利要求1所述的用于精确测量一系统或组件在一预定线路频率下的有功及无功功率的方法，其进一步包括：在一短时间周期内，提供所述测量信道上的所述干扰信号n(t)的测量，以使几何和环境影响最小化。

6.一种用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的方法，其包括以下步骤：计算并存储穿过一受测试器件的一干扰电流与一附加信道上的一第一干扰信号之间的振幅及相位的比例，同时为所述受测试器件提供一大致为零的电压；

为所述受测试器件提供一大致在一线路频率下的电压；

使用所述附加信道测量施加至所述受测试器件的至少一第二干扰信号；

数字化所述受测试器件的一电流信号和一电压信号及所述第二干扰信号并将每一个传送至一处理器；

使用所述存储的比例调整所述第二干扰信号并从穿过所述受测试器件的所述电流信号中减去所述调整的第二干扰信号，以测量大致在线路频率的阻抗的有功及无功功率。

7.一种用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的方法，其包括以下步骤：在一受测试器件与一天线和一电源线路源的至少一者之间建立一连接，所述受测试器件在一测量信道中且所述天线和电源线路源在一附加测量信道中电耦合至一被配置用于干扰测量及校准的测试处理器；

通过将一电耦合至所述受测试器件的电源设定到零伏来校准所述测量仪器以使所述测量信道及所述附加测量信道二者上的所有所测量信号均归因于干扰，以获得所述测量信道上的一干扰信号及所述附加测量信道上的一干扰信号；

计算并存储所述测量信道的所述干扰信号与所述附加测量信道的所述干扰信号之间的相位及振幅的比例；

校准所述测量信道与附加测量信道之间的几何及环境差异；

将电耦合至所述受测试器件的所述电源设定到一所期望的电压及频率值，及测量至少一受测试器件的电流信号，同时从所述测量的受测试器件的电流信号中减去通过所述比例调整的所述附加测量信道上的所述测量的干扰信号；及计算大致在电源线路频率下的所述受测试器件阻抗的一有功及无功功率、损耗角及功率因数中至少一者。

8.一种测量一电组件的绝缘阻抗的方法，其中测量并调整一干扰信号并从一测试信号中减去所述调整的干扰信号，所述方法包括以下步骤：测量并确定一干扰对一测试目标的至少一影响；

测量并确定一干扰对一天线的至少一影响或直接产生于所述测试目标的一电源线的一干扰的至少一影响；

计算并存储所述测试目标的所述干扰与所述天线的所述干扰之间的振幅及相位的比例；

测量一在电源线路频率下的干扰信号并使用振幅及相位的所述比例调整所述测量的干扰信号，并从在或接近于电源线路频率下穿过所述受测试器件的一测量电流信号中减去所述调整的测量干扰信号以产生一无干扰电流信号；及，根据穿过所述受测试器件的所述无干扰电流信号及一电压信号计算在或接近于电源线路频率下的一阻抗的有功及无功功率、损耗角及功率因数中至少一者。

9.一种用于测量一电组件的绝缘阻抗的装置，其包括：

一第一测量元件，其与一附加测量信道电耦合以通过一天线或直接从一电源线路中测量一电源线路的干扰；

一第二测量元件，其与一测量信道电耦合以同步捕捉在或接近于线路频率下的一电压和电流波形；及一测试处理器，其与所述第一和第二测量元件电耦合以用于接收所述干扰测量并使用所述干扰测量与一捕捉的波形之间的一振幅比例和一相位比例调整所述干扰测量、接收所述捕捉的波形及从所述捕捉的波形中减去所述调整的干扰测量以测量一无干扰电流，及使用所述捕捉的电压和无干扰电流确定在或接近于线路频率下的所述阻抗。

10.一种用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的装置，其包括：一测试装置，其用于与一受测试器件耦合，具有一在或接近于所施加线路频率下的电压；

一附加信道，其测量施加至所述受测试器件的一线路频率的一干扰信号；

一数字化器，其数字化所述受测试器件的一电流信号及一电压信号及所述干扰信号；

一处理器，其确定流过所述受测试器件的一干扰电流与所述附加信道上的所述干扰信号之间的振幅及相位的比例；及所述处理器进一步经设置以从穿过所述受测试器件的所述电流信号中减去通过相位振幅校正的所述附加干扰信号以便测量大致在所述线路频率下的一阻抗的所述有功及无功功率。

11.如权利要求10所述的用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的装置，其中所述干扰信号通过一外部电源线及一电源线信号中至少一者施加至所述受测试器件。

12.如权利要求10所述的用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的装置，其中所述测试装置包括：一可切换的AC源；

一电压测量器件，其与所述可切换的AC源电连通并与所述受测试器件并联；及一电流测量器件，其与所述可切换的AC源电连通并与所述受测试器件串联。

13.如权利要求10所述的用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的装置，其中所述附加信道包括：一天线；

一可切换的电源线信号耦合元件，其与所述天线电连通；及

一测量器件，其与所述天线电连通。

说明书

技术领域

本发明涉及一种系统及方法，其用于测量高压组件或绝缘系统的漏泄阻抗及损耗角以确定所述组件或系统的作为安装及维护程序的一部分的状况。此申请案主张于2003年8月21日提出申请的名称为“用于在高干扰条件下测量电组件的阻抗的方法及装置”的第60/496,678号美国临时专利申请案在35U.S.C.§119(e)下的权利，该申请案的全部内容明确地以引用方式并入本文中。

背景技术

如所属领域的技术人员所了解，当执行任何数量的任务(例如制定预防性维护计划、证明一拟投入使用的电源系统装置的合格性或对一装置进行故障查找以确定一未知故障或问题的原因)时，评估电源系统及电源系统组件中的电绝缘是非常重要的。
在这种情形下，可通过测量损耗角或δ(其给出绝缘性能的一量度)来评定绝缘系统及组件的状况。一理想的绝缘系统相当于一理想的电容，因为当所述系统由一交流电压激励时，在绝缘系统中流动的电流与所述电压恰好是90°不同相。
然而，一有功绝缘体具有一与此理想电容值并行出现的有限电阻，所述有限电阻在系统被激励时引起一如图1中更清楚地显示的能量损耗。在图1中，一有功绝缘体被显示成模型示意图100及矢量图110，从而具有一理想电容102及一并联有限电阻104。电阻104减小了所述电流相对于所述电压的相位角，且此相移的角度为矢量图110中所示的损耗角(δ)。如图式110中所示，随着R接近于0(亦即IR增大)，所述损耗角(δ)变得越来越大。此损耗通常以tan(δ)为单位进行测量，其由下列方程式(1)来界定，
耗散因数(损耗因数)(1)
$\mathrm{DF}=\tan \delta =\frac{P_R}{Q_C}=\frac{I_R}{I_C}=\frac{X_C}{R}=\frac{1}{\mathrm{\omega CR}}$
其中C为绝缘系统模型(亦即102)的电容，R则为绝缘系统模型(亦即104)的损耗电阻。也常常使用术语“功率因数”且其对应于由下列方程式(2)所界定的方程式(1)，功率因数(2)

绝缘系统或组件性能恶化的各项指标中的一个指标就是tan(δ)的值随着时间而增大。过去，通常使用诸如西林电桥或一电感耦合比例臂电桥(例如Tettex类型2805)的电桥平衡方法来测量tan(δ)的值。再其他的测试系统则一直使用电压及电流值的直接测量，然后提供对合成信号的电子处理来测量tan(δ)因数。然而，这些方法的局限性之一是存在电源线路频率场，电源线路频率场会将寄生电压及电流(亦称作干扰信号)感应到测试目标及/或测试系统上。这些寄生电压及电流会阻碍对损耗角(δ)实施精确测量。
人们已经开发出多种用于减少此种干扰的效应的技术。其中最简单的技术是选择一稍微离开所述线路频率的频率并使用此频率来激励所述测试目标。然后，使用对波形的同步检波或干扰来测量电压及电流。此方法依赖于损耗角(δ)相对于频率是恒定的假设，但这并不能得到保证。
一替代技术是测量线路频率任一侧上的值，并然后对此等结果实施一线性内插来确立线路频率下的损耗角(δ)。此技术通常需要使用综合同步方案，而此类方案需要精确的相移元件或具有综合数字信号处理噪声抑制的多个离散测量。
然而，这些方法的每一个均不允许测量线路频率下的值。因此，需要一种系统及方法，以测量诸如一高压组件或绝缘系统在一线路频率下的漏泄阻抗及损耗角(δ)的值，同时使干扰信号的影响最小化。

发明内容

为此，本发明的一个目标是提供一种系统及方法，其用于测量一系统或组件在一预定线路频率下的有功及无功功率。
本发明的另一目标是提供一种系统及方法，其用于在一测试系统中提供一附加信道，所述附加信道测量由一邻近的电源线路或自一线路信号施加至所述测试目标的所述线路频率的干扰信号。
本发明的另一目标是提供一种系统及方法，其用于对所述测试目标处及所述干扰信号的电流及电压进行数字化并将每一数据传送至一测试处理器(例如一计算机)，其中通过相位振幅校正所述附加干扰信号并将其连续从穿过受测试器件的电流信号中减去。
本发明的另一目标是提供一种用于精确测量一系统或组件在一预定线路频率下的有功及无功功率的方法，其包括以下步骤：提供一测量信道及一附加测量信道并将一耦合至所述测量信道中的一受测试器件的源设定到零；测量所述测量信道上的一干扰信号n(t)并测量所述附加测量信道上的一第一干扰信号n′(t)；计算所述干扰信号n(t)与所述第一干扰信号n′(t)之间的一相位比例及一振幅比例；将所述源设定到一所期望的电压及频率值并测量所述测量信道上的一电压v(t)及电流iMEAS(T)信号，且测量所述附加测量信道上的一第二干扰信号n′(t)，其中通过所述相位及振幅比例调整所述测量的第二干扰信号n′(t)并将其从所述iMEAS(T)信号中减去；及使用所述测量的v(t)及调整的iMEAS(T)信号来计算所述受测试器件的一有功及无功功率、损耗角及功率因数中至少一者。
本发明的另一目标是提供一种用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的方法，其包括以下步骤：计算并存储穿过一受测试器件的一干扰电流与一附加信道上的一第一干扰信号之间的振幅及相位的比例，同时为所述受测试器件提供一大致为零的电压；为所述受测试器件提供一大致在一线路频率下的电压；测量使用所述附加信道施加至所述受测试器件的至少一第二干扰信号；数字化所述受测试器件的一电流和电压及所述第二干扰信号并将每一个传送至一处理器；使用所述存储的比例调整所述第二干扰信号并从穿过所述受测试器件的所述电流信号中减去所述调整的第二干扰信号，以测量大致在线路频率的阻抗的有功及无功功率。
本发明的另一目标是提供一种用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率的方法，其包括以下步骤：在一受测试器件与一天线和一电源线路源的至少一者之间建立一连接，所述受测试器件在一测量信道中且所述天线和电源线路源在一附加测量信道中电耦合至一被配置用于干扰测量及校准的测试处理器；通过将一电耦合至所述受测试器件的电源设定到零伏来校准所述测试处理器以使所述测量信道及所述附加测量信道二者上的所有所测量信号均归因于干扰，以获得所述测量信道上的一干扰信号及所述附加测量信道上的一干扰信号；计算并存储所述测量信道的所述干扰信号与所述附加测量信道的所述干扰信号之间的相位及振幅的比例；校准所述测量信道与附加测量信道之间的几何及环境差异；将电耦合至所述受测试器件的所述电源设定到一所期望的电压及频率值，及测量至少一受测试器件的电流信号，同时从所述测量的受测试器件的电流信号中减去通过所述比例调整的所述附加测量信道上的所述测量的干扰信号；及计算大致在电源线路频率下的所述受测试器件阻抗的一有功及无功功率、损耗角及功率因数中至少一者。
本发明的另一目标是提供一种测量一电组件的绝缘阻抗的方法，其中测量并调整一干扰信号并从所述测试信号中减去所述调整的干扰信号，所述方法包括以下步骤：测量并确定一干扰对一测试目标的至少一影响；测量并确定一干扰对一天线的至少一影响或直接产生于所述测试目标的一电源线的一干扰的至少一影响；计算并存储所述测试目标的所述干扰与所述天线的所述干扰之间的振幅及相位的比例；测量一在电源线路频率下的干扰信号并使用振幅及相位的所述比例调整所述测量的干扰信号，并从在或接近于电源线路频率下穿过所述受测试器件的一测量电流信号中减去所述调整的测量干扰信号以产生一无干扰电流信号；及根据穿过所述受测试器件的所述无干扰电流信号及一电压信号计算在或接近于电源线路频率下的一阻抗的有功及无功功率、损耗角及功率因数中至少一者。
本发明的另一目标是提供一种用于测量一电组件的绝缘阻抗的装置，其包括：一第一测量元件，其与一附加测量信道电耦合以通过一天线或直接从一电源线路中测量一电源线路的干扰；一第二测量元件，其与一测量信道电耦合以同步捕捉在或接近于线路频率下的一电压和电流波形；及一测试处理器，其与所述第一和第二测量元件电耦合以用于接收和调整所述干扰测量、接收所述捕捉的波形及从所述捕捉的波形中减去所述调整的干扰测量以测量一无干扰电流，及使用所述捕捉的电压和无干扰电流确定在或接近于线路频率下的所述阻抗。
本发明的另一目标是提供一种用于测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的所述有功及无功功率的装置，其包括：一测试装置，其用于与一受测试器件耦合，具有一在或接近于所施加线路频率下的电压；一附加信道，其测量施加至所述受测试器件的一线路频率的一干扰信号；一数字化器，其数字化所述受测试器件的一电流及一电压及所述干扰信号；一处理器，其确定流过所述受测试器件的一干扰电流与所述附加信道上的所述干扰信号之间的振幅及相位的比例；及所述处理器进一步经设置以从穿过所述受测试器件的所述电流信号中减去通过相位振幅校正的所述附加干扰信号以便测量大致在所述线路频率下的一阻抗的所述有功及无功功率。
本发明的这些及其他目标大致是通过提供一种系统及方法来实现，所述系统及方法提供一具有一附加信道的测试系统，且其中确定流过受测试器件的干扰电流与所述附加信道上的所述干扰信号之间的振幅及相位的比例。所述系统进一步将一在或接近于线路频率的电压施加至所述受测试器件并随后连续从穿过所述受测试器件的所述电流信号中减去所述附加干扰信号。在如此操作下，所述系统及方法允许精确测量在或非常接近于所述线路频率的一阻抗的所述有功及无功功率。

附图说明

结合附图阅读下文的详细说明，将更易了解本发明的各较佳实施例的各种目标、优点及新颖特征，附图中：
图1为一模型，其图解说明一与一有效绝缘体的一理想电容值并行出现的有限电阻；
图2为一示意图，其图解说明一根据本发明的一实施例测量一有效阻抗的有功及无功功率并消除一感应干扰信号值的系统；
图3为一矢量图，其显示干扰信号n(t)对所要信号iMEAS(t)的影响；
图4A为一矢量图，其图解说明测量信道上的干扰信号n(t)；
图4B为一矢量图，其图解说明附加测量信道上的干扰信号n′(t)；及
图5为一矢量图，其图解说明根据本发明的一实施例所测量的实际无干扰电流信号值iWANTED(t)。

具体实施方式

本发明包括一系统及方法，其用于通过提供一附加信道来测量由一邻近的电源线路或自一线路信号施加至测试目标上的线路频率的干扰信号来测量一电源系统在一预定线路频率下的阻抗的有功及无功功率。然后，将测试目标处及干扰信号上的电流及电压数字化并传送至一测试处理器(例如一计算机)。一旦数字化，即可确定流过受测试器件(DUT)的干扰电流与附加信道上的干扰信号之间的振幅及相位的比例。
然后，可将在或接近于线路频率的一电压施加至受测试器件。可连续从穿过受测试器件的电流信号中减去通过相位振幅校正的附加干扰信号。在此操作下，本发明的实施例能够精确测量在或非常接近于线路频率下的一阻抗的有功及无功功率。由于此系统及方法不需要滤波器，因此可实现远比使用过滤算法更接近于线路频率的测量，例如名称为“阻抗测量”的第5,818,245号美国专利中所阐述的测量，此专利的全部内容以引用方式并入本文中。
如上文所述，干扰信号(例如电源线路频率场)的存在可将寄生电压及电流感应至测试目标及测量系统上，从而导致测量信号iMEAS(T)中的误差。为了计算这种干扰，如根据本发明一实施例的图2的系统及方法中所示，由一天线针对由一邻近的电源线路施加的干扰信号或针对自一线路信号施加的干扰信号直接自对应的电源线路测量所感应的干扰信号n(t)的值。在实施测量的短时间周期内，包括诸如设备的温度、湿度、位置等几何和环境条件在内的其他因素均大致稳定。因此，可在测试起动时确定并存储信号iMEAS(T)与n(t)之间相位和振幅的比例。
图2的测试系统200包括一通过一开关机构204与一受测试器件耦合的AC源202。集体显示为元件208的受测试器件由图1所示的模型所表示，具有一理想电容值102及一并联电阻值104。一参考测量元件206与受测试器件208并联电耦合并用于提供一电压测量值v(t)。所述参考测量元件206较佳在不同的时间及温度范围内均非常精确。一计量元件207被设置成与测量元件206串联电耦合，而一计量元件210被设置成与测试器件208串联电耦合以提供一电流测量值iMEAS(T)。
在一最小距离上，一并行附加信道212经设置以确定一感应干扰信号n(t)。在图2所示的实施例中，并行附加信道212包含一计量元件216，所述计量元件从一天线元件214或从一电源线路信号耦合元件220接收一信号。开关218选择信号起源来提供一感应干扰信号测量值n(t)。每一元件206、207、210及216均由所属领域的技术人员所熟知的器件构成，因此省略了对其的详细说明。
计量元件207测量流过参考元件206的电流，计量元件210测量流过测试器件208的电流及计量元件216测量来自天线信号214或来自电源线路信号耦合元件220的信号。每一计量元件207、210及216与一测试处理器222(例如一计算机)相耦合，以将结果数字化并提供下文更详细阐述的计算特征。
天线元件214可经设置以确定外部影响，例如所显示的在受测试器件208上产生一感应信号的由邻近的电源线225所引起的外部影响。在此种情形中，在元件216上所测量的信号与就近的电源线路元件225所产生的干扰(亦即干扰信号)成比例。以一大致类似的方式，并行附加信道212可用来也提供一感应干扰信号测量值n(t)。在此种情形中，来自电源线路耦合元件220的信号应该与邻近的电源线路元件225有关系，亦即应该具有相同的频率。
在由本发明的实施例所提供的测量中，随后将可通过振幅及相位比例校正的值n(t)从值iMEAS(T)中减去。在此操作中，本发明的实施例控制所述测试系统以便能够相关于一实际振幅值正确无误地减去所述干扰信号。这允许本发明的实施例能够达到高度精确的结果并允许测量在或非常接近于电源线路频率值的v(t)及iMEAS(T)。
干扰信号对测量值的影响在图3中显示得更加清楚。图3的矢量图显示干扰信号n(t)对所期望信号iMEAS(t)的影响。因干扰信号n(t)不具有与所使用的AC源相同的频率，故干扰矢量n(t)围绕iMEAS(t)的头部旋转。因此，如以下方程式(3)中所界定，
$\underset{‾}{{i_{\mathrm{MEAS}}}^{\left(T\right)}={i_{\mathrm{WANTED}}}^{\left(t\right)}+n^{\left(t\right)}}---\left(3\right)$
有功的测量电流总信号可在图3所示图形中的位置(a)与(b)之间振荡。v(t)与iMEAS(T)之间的相位也可振荡。令人遗憾的是，由于诸如功率因数、耗散因数等所有期望的测量值均根据受到干扰n(t)影响的信号v(t)及iMEAS(T)计算得出，因此所有期望的值均可能不精确且不稳定。然而，如下文所述构建的本发明的实施例可大致消除这种干扰影响并可提供精确测量。
具体来说，本发明的实施例首先通过元件207、210及216在受测试器件208、天线214或电源线路源220与测试处理器222之间建立连接。设备及电缆的位置被设定用于初始干扰校准及随后的测量(亦即在一距一邻近的电源线路225的距离处)。
在一第二步骤中，测试处理器222将AC源202设定到零(亦即无信号)及/或断开开关元件204，且因此测量信号此时均由外部干扰独自提供。
在一第三步骤中，测试处理器222通过元件207及210测量位于测量信道上的干扰信号n(t)(亦即通过受测试器件208)。图4A中显示位于测量信道上的干扰信号n(t)的一矢量实例。测试处理器222通过元件207进一步测量附加测量信道212上的干扰信号n′(t)。图4B中显示附加测量信道212上的干扰信号n′(t)的一矢量实例。
在一第四步骤中，测试处理器222随后计算图4A的测量信道的干扰信号n(t)与图4B的附加干扰信道的干扰信号n′(t)之间的相位(亦即PR)及振幅(亦即AR)的比例，并存储这些值。然后，这些值被用来校准测量信道与附加干扰信道之间的几何及环境差异。
在一第五步骤中，测试处理器222将AC源202设定到所期望电压及频率值，及随后通过元件206及210测量合成信号v(t)及iMEAS(T)，并通过元件216测量附加测量信道上的干扰信号n′(t)。测试处理器222连续从所测量的受测试器件208电流信号中减去通过先前存储的比例AR及PR调整的所测量的干扰信号n′(t)。其结果是图5中所示的在或接近于电源线路频率的实际无干扰的电流信号值iWANTED(t)。
在一第六步骤中，测试处理器222随后根据此所计算的电流iWANTED(t)及电压v(t)来确定在或接近于电源线路频率的受测试器件208的阻抗的有功及无功功率、损耗角、功率因数等等。
虽然已经选择了一实施例来阐释本发明，但所属领域的技术人员应了解，可在不背离权利要求书中所界定的本发明范围的前提下在其中做出各种不同的改动及修改。