電力電容器在線測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

周燕秋，張崇明，李傳江

（上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200000）

檢測(cè)與監(jiān)控

電力電容器在線測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

周燕秋，張崇明，李傳江

（上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200000）

設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020單片機(jī)的電力電容器在線測(cè)量?jī)x。該設(shè)計(jì)主要包含四部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、直流電源電路模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊和數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊。創(chuàng)新點(diǎn)是將標(biāo)準(zhǔn)電容比對(duì)電路作為該測(cè)量?jī)x的前置檢測(cè)輸入單元，采用同步采樣技術(shù)，使得測(cè)量的電容容值不受電源電壓波動(dòng)的影響。該電力電容器可在線測(cè)量、精度高，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

電力電容器；在線測(cè)量；標(biāo)準(zhǔn)電容比對(duì)；同步采樣

0 引言

電力電容器在電力系統(tǒng)中用途廣泛，是電力系統(tǒng)中最重要的工作元件之一。電力電容器故障原因通常是在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間承受高頻電壓、內(nèi)外過(guò)電壓、物理化學(xué)等作用老化而導(dǎo)致絕緣擊穿[1]。

電力電容器的在線監(jiān)測(cè)，即利用傳感技術(shù)和微電子技術(shù)、對(duì)運(yùn)行中的電容器進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)測(cè)電容器可能發(fā)生的狀況，指導(dǎo)電容器的最佳維修時(shí)機(jī)[2]。目前在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為電量和非電量的在線監(jiān)測(cè)。電量監(jiān)測(cè)主要包括：對(duì)局放信號(hào)、電壓電流、電容量、泄漏電流等的監(jiān)測(cè)。非電量監(jiān)測(cè)主要包括：油氣在線分析、設(shè)備噪音、振動(dòng)、環(huán)境溫度等的監(jiān)測(cè)[3]。

本文設(shè)計(jì)的電力電容器在線測(cè)量方案屬于電量監(jiān)測(cè)。鑒于電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的理論分析和現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，電容器的損毀主要取決于電壓、電流和它們的梯度，因此監(jiān)測(cè)電容器電壓、電流對(duì)判斷電容器狀況至關(guān)重要。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用電流互感器，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器、被測(cè)電容器采用同步采樣技術(shù)，通過(guò)計(jì)算待測(cè)電容和標(biāo)準(zhǔn)電容兩端的電壓比值，可以準(zhǔn)確的得到待測(cè)電容的容值。可以規(guī)避因電容的泄露導(dǎo)致的危險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

電力電容器在線測(cè)量?jī)x的方案框圖如圖1所示，電網(wǎng)電源同時(shí)施加在被測(cè)電容器和標(biāo)準(zhǔn)電容器上，一方面外部采用電流傳感器檢測(cè)流經(jīng)被測(cè)電容器的電流，由傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，形成正比于流經(jīng)被測(cè)電容器電流的電壓信號(hào)，把該電壓信號(hào)送入處理單元;在標(biāo)準(zhǔn)電容上應(yīng)用如上的方法。最后在單片機(jī)處理單元內(nèi)，對(duì)上述兩路信號(hào)進(jìn)行比對(duì)、顯示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

1.2 原理推導(dǎo)

設(shè)待測(cè)電容兩端的交流電壓為U，頻率為f，待測(cè)電容的容值為Cx，電流互感器的增益為kCT，電氣隔離傳感器的增益為ke，轉(zhuǎn)換電阻為Re流經(jīng)待測(cè)電容的電流為。則電氣傳感器的輸出電壓為

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電容的容值為Cs，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容的電流為Is。標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻抗為Rs，信號(hào)調(diào)理電路的增益為k。

則信號(hào)調(diào)理電路的輸入電壓為：

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)電容的容抗時(shí)：

依次經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、整流、濾波，得到輸出電壓為：

綜上所述：

其中kCT、ke、Re、k、Rs、Cs均已知，所以只要測(cè)得Us和Ux，便能得到待測(cè)電容的容值。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電容器、被測(cè)試電容器采用同步采樣技術(shù)，所以不受電源電壓波動(dòng)的影響，環(huán)境引入的干擾或誤差在比對(duì)處理運(yùn)算時(shí)可以相互抵消[4]。

1.3 實(shí)物展示

圖2 工作中的電力電容在線測(cè)量?jī)x

圖3 測(cè)量電容器容值的顯示界面

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊由實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，存儲(chǔ)器電路，液晶顯示電路，行列式鍵盤(pán)電路，晶體振蕩器及復(fù)位電路和JTAG接口電路組成。

其中實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路采用DS1302芯片、存儲(chǔ)器電路模塊采用的是24LC256芯片，液晶顯示模塊采用的是CA240128A。晶體振蕩器及復(fù)位電路為單片機(jī)提供一個(gè)精確的內(nèi)部時(shí)鐘。JTAG接口用來(lái)和IDE連接燒錄程序。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路模塊

圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

如圖4所示，Cs為標(biāo)準(zhǔn)電容，Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻，當(dāng)外接交流測(cè)試電源后，將標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)二級(jí)放大處理，經(jīng)過(guò)整流電路整流，退耦濾波電路濾波后，形成一個(gè)直流電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)反映了標(biāo)準(zhǔn)電容容值的大小。

J800外接用來(lái)測(cè)量被測(cè)電容的傳感器，由于標(biāo)準(zhǔn)電容器、被測(cè)試電容器采用同一交流測(cè)試電源，所以不受電源電壓波動(dòng)的影響，這樣處理后可以減小測(cè)量誤差。其中圖5為測(cè)量待測(cè)電容和標(biāo)準(zhǔn)電容的電流傳感器。

圖5 電流傳感器實(shí)物圖

2.3 直流電源電路模塊

電源電路是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，電源電路的穩(wěn)定性也直接影響了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定工作。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際需求，本設(shè)計(jì)采用多路供電的設(shè)計(jì)方案。方案可為本測(cè)量?jī)x提供+12V、-12V、+5V與+3.3V四種電壓的需求，供電關(guān)系如表1所示。

表1 電源電路供電關(guān)系

電流傳感器與集成運(yùn)放需要的+12V和-12V兩種電壓由穩(wěn)壓器7812和穩(wěn)壓器7912提供，顯示屏需要的+5V電壓由TPS7250提供，單片機(jī)以及其他外圍電路需要的+3.3V電壓由TPS7233提供。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主體程序設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的主體部分程序工作情況如下：調(diào)用菜單顯示程序，進(jìn)行鍵值讀?。娙轀y(cè)量、數(shù)據(jù)調(diào)閱、數(shù)據(jù)刪除），選擇執(zhí)行上一步驟之后的鍵值（重新測(cè)量、保存數(shù)據(jù)、退出）。程序流程圖如圖6所示。

3.2 電容計(jì)算程序設(shè)計(jì)思路

電容值測(cè)量流程圖如圖7所示。被測(cè)電容的測(cè)量值需要和標(biāo)準(zhǔn)電容進(jìn)行比對(duì)，為了能夠得到更精確的測(cè)量值，需要進(jìn)行多次測(cè)量，求其平均值。

圖6 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)流程圖

圖7 電容計(jì)算程序設(shè)計(jì)流程圖

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3.3 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)思路

鍵盤(pán)工作流程如圖8所示。由于按鍵的延時(shí)性，需要對(duì)按鍵延時(shí)進(jìn)行識(shí)別，如果在誤差允許的范圍內(nèi)，再進(jìn)一步判別按鍵的詳細(xì)信息；若延時(shí)在允許范圍之外，則要進(jìn)行重新按鍵。通過(guò)對(duì)行列式鍵盤(pán)按鍵的分類(lèi)，可以規(guī)避按鍵帶來(lái)的誤差。

圖8 鍵盤(pán)工作流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電力電容器在線測(cè)量?jī)x可以在正常工作情況下對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)測(cè)出待測(cè)電容兩端和標(biāo)準(zhǔn)電容兩端的電壓之比，間接的反應(yīng)出待測(cè)電容的容值大小，能夠規(guī)避因電容泄漏、高壓擊穿等造成的事故，保障電力系統(tǒng)的良好運(yùn)行。同時(shí)由于在待測(cè)電容和標(biāo)準(zhǔn)電容兩端采用同步采樣技術(shù)，使得他們?cè)陔娫措妷翰▌?dòng)、環(huán)境的干擾上的誤差相互抵消，有較好的測(cè)量精度。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器的在線測(cè)量，應(yīng)該注意以下兩個(gè)問(wèn)題：1）電力電容器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須要能夠?qū)﹄娙萜鳟?dāng)前電流、電壓及梯度變化狀況等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的記錄，這是電力電容器的故障分析的重要依據(jù)[5]。2）電力系統(tǒng)處于運(yùn)行的狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生較高的電磁場(chǎng)，影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。所以應(yīng)該采取較好的電磁場(chǎng)干擾防護(hù)措施保證采集數(shù)據(jù)結(jié)果不會(huì)因干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤[6]。

[1] 潘佩明.電力電容器安全運(yùn)行分析與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].(北京)華北電力大學(xué),2015.

[2] 張鵬.電力電容器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué),2012.

[3] 滕錦芬.電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].華東交通大學(xué),2012.

[4] 何衛(wèi)國(guó).電力電容器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置[D].蘇州大學(xué),2012.

[5] 張鵬. 電力電容器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué),2012.

[6] 顧軍,周立,黃擎,廖來(lái)新,王志遠(yuǎn).電力電容器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2014,(3):180-181.

Design of on-line electric power capacitor detector

ZHOU Yan-qiu, ZHANG Chong-ming, LI Chuan-jiang

TP216

A

1009-0134(2017)04-0056-03

2016-12-18

周燕秋（1993 -），女，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。