专利名称：用于测量电气设备的损耗因子的仪器和方法
技术领域：
本发明涉及用于测量具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备的损耗因子的仪器和方法。更具体地，本发明涉及用于测量电缆(electric cable)尤其是电力电缆 (electrical cable)中的损耗因子的仪器和方法。
背景技术：
损耗因子——也称为损耗角或tan δ —是实际电容器的电性能相对于理想系统的电性能的偏差的度量。实际上，流过对其施加了交流电压(可以由矢量在平面中表示)的理想电容器的电流相对于电压正交，即是说，它对应于偏移电压矢量90度的矢量。另一方面，在包括非理想介电材料(且因而其电导率不为0)的实际电容器中，电压和电流以小于90度的角偏移，且在90度和真实偏移角之间的差是由δ指示的角。损耗因子(或tan δ )是角δ的正切。关于用于测量tan δ的技术(尤其是在电缆上)，存在两种已知的解决方案。第一种解决方案涉及检测表示流过电缆绝缘体的传导电流的漏电流，以便估计其相对于施加到电缆的电压的偏移(实践中，意味着使用桥方法测量阻抗)。这种技术具有相对不可靠和不精确的缺点，这是因为漏电流通常具有非常低的强度，因而对用来检测它的传感器造成了灵敏度问题。另一缺点是这种技术不能用在正在使用(即正在工作)的设备上，而是仅用在不使用的设备上(离线测量)。第二种解决方案涉及检测电场以便导出流过电缆绝缘体的传导电流。这种解决方案具有两个缺陷。首先，它不是非常可靠，这是由于场测量受到电缆外的噪声的影响。进一步，这种技术不适用于在线，即是说，不适用于在电缆正在工作时。已知专利文件US2005/02125M描述了用于确定线的当前条件的电源线在线诊断方法。该方法包括分别测量线的两端(即在第一端和在第二端)的负载电流之间的相位角差异的步骤。通过在第一端和在第二端直接地测量电流，获得相位角差异。根据US2005/02125M的教导，相位角差异根据由图定义的经验关系与损耗因子 (或tan δ)相关。然而，在电缆的两端处的电流的相位之间，电缆中流动的负载电流的相移仅间接地且部分地与电缆中的损耗因子(tan δ)的值相关。因此，US2005/02125M的教导不允许精确地计算电缆中的损耗因子(tan δ)的值，而是最多提供关于所述值的模糊指示。此外，从专利文件W02007/068221可以知道用于测量电缆中流动的电流的值的设备。所述设备包括两个磁传感器，ー个与电缆弱磁耦合且另ー个与电缆强磁耦合，用于测量电缆的相同部分中的磁场。然而，W02007/068221不提供用于测量损耗因子的任何教导。此外，从专利文件EP 1 892 534可以知道促进沿着电源电缆的绝缘体缺陷的标识和定位的诊断系统。所述方法包括以下步骤i)连接交流电压源并在电缆的送电端将电压源施加到电缆，ii)以第一频率将电压施加到电缆，以建立沿着电缆的行波，该行波在电缆接收端被反射，iii)在电缆的送电端测量总的复功率损耗，iv)基于在电缆的接收端处连接的负载阻抗和电缆的特性阻杭，在电缆的任何点/部位测量驻波电压。根据该方法，为了测量耗散系数(tan δ )，该方法包括改变许多參数(例如负载阻抗、电压源的频率等等)的步骤。然而，上面所描述的方法非常复杂，这是因为它需要将多个设备/装置(例如可变频率发生器)连接到电源电缆的各端。本发明的目的是提供用于测量具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备的损耗因子且克服上面所提到的先前技术的缺点的仪器和方法。更具体地，本发明的目的是提供用于以高度可靠和精确的方式測量具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备的损耗因子且也可以用于正在使用的设备的仪器和方法。本发明的进ー步目的是提供用于测量具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备的损耗因子且也适用于带屏蔽电缆(不必移除屏蔽)的仪器和方法。本发明的公开内容由根据在所附权利要求中表征的本发明的仪器和方法来完全实现这些目的。更具体地，根据本发明的仪器包括-至少第一传感器和第二传感器，第一传感器和第二传感器分别可连接到设备的沿着设备轴向隔开按预先确定的量的第一測量部位和第二測量部位，且被设计为在所述第一測量部位和第二測量部位处测量由轴向地流过设备的负载电流在设备外生成的磁场信号的相应值，所述各值表示所述磁场信号的振幅；-处理单元，该处理単元被设计为接收由传感器测量的磁场值，且被编程为从它们导出作为所测量的磁场值之差的函数的负载损耗值，所述差表示在所述测量部位处所述磁场信号的振幅之差。根据本发明的方法包括下列步骤-分別将至少第一传感器和第二传感器耦合到设备的沿着设备轴向隔开已知的量的第一測量部位和第二測量部位；-在所述第一測量部位和第二測量部位处分别通过第一传感器和第二传感器至少測量由轴向地流过设备的负载电流在设备外生成的磁场信号的第一值和第二值值，所述各值表示所述磁场信号的振幅；-导出作为第一測量磁场值和第二測量磁场值之差的函数的损耗因子值，所述差表示在所述第一測量部位和第二測量部位处所述磁场信号的振幅之差。因而，通过在设备的两个分离的部位处测量两个磁场信号，以便然后导出由两个
5信号之差给定的信号、将傅立叶变换应用到它并且直接地计算作为所获得的数据的函数的损耗因子的值，本发明使得以优良的精确度和以高度可靠的方式计算损耗因子成为可能。这种测量tan δ的技术有利地允许将设备的电气性能的积分处理扩展到在两个測量部位之间的整体部分。实际上，tan δ被定义为表示绝缘体的整体性能而非绝缘体的一部分的局部性能的量。另ー方面，当前使用的技术使用与绝缘体的有限部分相关的量的局部測量。因此， 这些技术固有地是不可靠的，这是因为它们基于局部測量，然后将局部測量指派到整个设
- -O为了获得所要求的結果，申请人实施了深入的研究和分析，这得到了用于从差分磁场测量计算损耗因子的方法的开发。应注意，所考虑的磁场不是与漏电流相关联的磁场而是由轴向地流过设备的负载电流生成的磁场。因而，用于测量的传感器尤其有效，这是因为它们不引起与它们的灵敏度有关的任何问题。此外，本发明包括用于使得免受在设备外的噪声的影响的合适的设备。这些设备涉及使用在设备周围(在測量部位中)等距隔开的多个传感器。进一歩， 传感器与设备隔开，以便保护它们免受由可能的电流浪涌引起的磁场峰值的风险。此外，传感器被封闭在由低磁阻材料做成的屏蔽层中。还应注意，做成屏蔽层的材料优选地是软磁材料(其磁滞回线界定非常小的面积)。本发明也需要使用绝对时间參考系统来同步两个測量部位的传感器的測量。这使得获得可与在任何其他设备上获得的值比较的损耗因子值(即是说，具有绝对值)成为可能。附图简述參考附图，将从本发明的优选的非限制性实施例的下列描述更明显地看出本发明的这些和其他特征，附图中-
图1图示地阐释根据本发明的仪器；-图2以局部透明的侧视图详细阐释图1的仪器的一部分；-图3以剖视图示出图2的细节；-图4示出根据另ー实施例的图3的细节；-图5示出根据另ー实施例的图2的细节。本发明的优选实施例的详细描述(PCT)各图中的数字1指示用于测量具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备2的损耗因子的仪器。更具体地，设备2是电カ电缆(用于输送电力)。根据本发明，仪器1至少包括可分别连接到设备2的第一測量部位4Α和第二測量部位4Β的第一传感器3Α和第二传感器加。第一測量部位4Α和第二測量部位4Β沿着设备2轴向地隔开预先确定的量(该量可以是任何量但必须是已知的；换句话说，各传感器可以被放置为相互离开任何距离，只要该距离是已知的即可)。第一传感器3Α和第二传感器加被配置为测量由轴向地流过设备2的负载电流在设备2外生成的磁场的相应值。应注意，负载电流意味着流过在用于输送电カ的设备2的绝缘体中的导线21的任何电流。传感器优选地是磁/阻传感器(本身已知的类型)。替代地，可以使用霍尔探头或其他已知的传感器，只要它们具有高的灵敏度。仪器1进ー步包括被设计为接收由传感器3A和传感器加测量的磁场值并被编程为从它们导出作为所测量的磁场值之差的函数的损耗因子的值(即，也记为tan delta的 tan δ的值)的处理单元5。处理单元5包括，例如，连接到处理器的软件驱动的示波器，或者更简单地包括连接到可编程处理器(本身已知的类型)的采集卡(也是本身已知的类型)。应注意，根据本发明，传感器3Α和传感器加中的每ー个測量表示切向磁场的值的信号，即该切向磁场由轴向地流过设备2负载电流生成。处理单元5被配置为执行信号的采样以便生成信号的数字表示。进一歩，由传感器测量的这些磁场信号被变换成傅立叶级数以便获得它们在频域的表示。优选地，处理单元5被编程为根据下面的等式1导出作为在所测量的磁场值之间的差异的函数的损耗因子的tan δ值。
权利要求
1.一种用于测量具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备O)的损耗因子的仪器 (1)，其特征在于，它包括-至少第一传感器和第二传感器(3A、;3B)，所述第一传感器和第二传感器(3A、3B)分别可连接到所述设备( 的沿着所述设备( 轴向地隔开预先确定的量的第一测量部位和第二测量部位(4A、4B)，且被设计为测量在所述第一测量部位和第二测量部位处(4A、4B)由轴向地流过所述设备的负载电流在所述设备(2)外生成的所述磁场信号的相应的值，所述值表示所述磁场信号的振幅；-处理单元(5)，所述处理单元( 被设计为接收由所述传感器(3A、3B)测量的磁场值，且被编程为从它们导出作为所测量的磁场值之差的函数的负载损耗值，所述差表示在所述测量部位(4A、4B)处所述磁场信号的振幅之差。
2.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述处理单元(5)被编程为用于导出在所述第一测量部位和第二测量部位(4A、4B)处测量的磁场信号的傅立叶变换。
3.如权利要求2所述的仪器，其特征在于，所述处理单元(5)被编程为根据所述下列等式导出作为所测量的磁场值之差的函数的负载损耗值
4.如权利要求1-3中的任一项所述的仪器，其特征在于，所述处理单元(5)被编程用于导出在所述第一测量部位和第二测量部位处(4Α、4Β)所测量的磁场信号的有效值或峰值。
5.如前述权利要求中的任一项所述的仪器，其特征在于，包括被连接到所述处理单元 (5)同步装置(6)以便向每一所测量的磁场值指派与绝对的时间参考(7)相关的各自的测量时刻。
6.如前述权利要求中的任一项所述的仪器，其特征在于，对于所述传感器(3)中的每一个，包括低磁阻层(8)，所述低磁阻层(8)能以包围所述设备O)的相应部分和被耦合到它的所述传感器C3)的方式耦合到所述设备( 的相应测量部位G)，从而形成所述传感器 (3)的磁屏蔽。
7.如权利要求6所述的仪器，其特征在于，对于所述传感器(3A、3B)中的每一个，至少包括放置在所述设备( 和被耦合到它的所述传感器( 之间的第一间隔元件(9)以及放置在所述传感器(3)和被耦合到它的所述屏蔽(8)之间的第二间隔元件(10)。
8.如权利要求6或7所述的仪器，其特征在于，所述低磁阻层(8)被设计为应用于所述设备O)以便与后者一起形成包含所述传感器(3)的封闭容积。
9.如前述权利要求中的任一项所述的仪器，其特征在于，包括第一和第二多个传感器(3)，所述第一和第二多个传感器C3)分别耦合到所述设备的第一和第二测量部位(4A， 4B)，且被设计为测量由轴向地流过所述设备O)的所述负载电流在所述设备0)，所述第一和第二多个所述传感器C3)分别辐向隔开以便围绕所述设备O)固定，所述处理单元( 被设计为接收由所述多个传感器C3)测量的磁场值并针对所接收的每组多个值获得用来计算所述损耗因子的所导出的值。
10.如前述权利要求中的任一项所述的仪器，其特征在于，包括第一和第二多个传感器(3)，所述第一和第二多个传感器C3)分别耦合到所述设备的所述第一和第二测量部位(4A、4B)，且被设计为测量由轴向地流过所述设备( 的所述负载电流在所述设备( 外生成的所述磁场的相应的值，所述第一和第二多个所述传感器C3)分别辐向隔开以便围绕所述设备⑵固定，所述处理单元( 被设计为接收由所述多个传感器C3)测量的磁场值，并针对所接收的每组多个值获得所述负载电流流过的导线相对于所述传感器(3)的位置。
11.一种用于具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备O)的损耗因子的方法，其特征在于，它包括所述下列步骤-分别将至少第一传感器和第二传感器(3A、3B)耦合到所述设备的沿着所述设备(2) 轴向地隔开已知的量的第一测量部位和第二测量部位(4A、4B)；-分别通过所述第一传感器和第二传感器(3A、3B)至少在所述第一测量部位和第二测量部位(4A、4B)处测量由轴向地流过所述设备( 的负载电流在所述设备( 外生成的第一磁场信号值和第二磁场信号值，所述值表示所述磁场信号的振幅；-导出作为所述第一测量磁场值和第二测量磁场值之差的函数的损耗因子值，所述差表示在所述第一测量部位和第二测量部位(4A、4B)处所述磁场信号的振幅之差。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其包括导出在所述第一测量部位和第二测量部位(4A、4B)处测量的磁场信号的傅立叶变换的步骤。
13.如权利要求所述的方法12，其特征在于，通过应用所述下列公式导出所述损耗因子值κΜΗΧζ2,ω)-Ητ{Ζνω))=1(洳d ω Ε .ε .(ζ _ζ) {ζ2-ζλ) ^ ^ pr~ bo V·2 Δ\) c-2- ^Ι2π
14.如权利要求11-13中的任一项所述的方法，其特征在于，所述磁场值是在所述第一测量部位和第二测量部位(4Α、4Β)处测量的磁场信号的有效值或峰值。
15.如权利要求11-14中的任一项所述的方法，其特征在于，包括以向每一所测量的磁场值指派与绝对的时间参考(7)相关的各自的测量时刻的方式同步由所述第一传感器和第二传感器(3Α、3Β)进行的所述测量的步骤。
全文摘要
一种用于测量具有轴向延伸的细长几何形状的电气设备(2)尤其是中压电缆的损耗因子的仪器(1)，包括至少第一传感器和第二传感器(3A、3B)，该第一传感器和第二传感器(3A、3B)可分别连接到设备(2)的沿着设备(2)轴向地隔开预先确定的量的第一测量部位和第二测量部位(4A、4B)，且被设计为测量由轴向地流过设备的负载电流在设备(2)外生成的磁场的相应值；处理单元(5)，该处理单元(5)被设计为接收由传感器(3A、3B)测量的磁场值且被编程为从它们导出作为在所测量的磁场值之差的函数的负载损耗值。
文档编号G01R31/02GK102597791SQ201080049797
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月27日 优先权日2009年10月28日
发明者G·C·蒙塔纳里, S·塞拉 申请人:特英普科技有限公司