基于自激法的非接觸式CVT介質(zhì)損耗測量裝置研究

王振宇+蘇詠梅

摘 要： CVT能否正常可靠運(yùn)行直接影響到整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為實(shí)時監(jiān)測CVT的絕緣狀態(tài)，提出了基于自激法的非接觸式CVT介損測量系統(tǒng)。通過非接觸式測量平臺對電壓電流波形同步采樣，并由無線WiFi模塊將所測得電參量傳輸至PC端，在LabVIEW軟件平臺上用諧波分析法進(jìn)行電壓電流信號的處理并計算得出介質(zhì)損耗參數(shù)tan δ。該方法可以有效測出CVT各部分電容器的介損值和電容值，同時能夠可視化電壓電流參量，用于長期監(jiān)測CVT絕緣狀態(tài)，在實(shí)際的介損測試中可以隔離高壓，有較高的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 在線檢測； 介質(zhì)損耗測量； 電容式電壓互感器； 非接觸式測量裝置

中圖分類號： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0183?04

Abstract： The normal operation of CVT affects the stability of the whole power system directly. A CVT dielectric loss measuring system based on self?excitation with non?contact mode is presented in this paper. CVT′s voltage and current waveforms are sampled synchronously by non?contact measuring platform. The wireless WiFi module is used to transmit the measured electrical parameters to the PC side. The harmonic analysis method is adopted to process the voltage and current signals on LabVIEW software platform， and the dielectric loss parameter （tanδ） is obtained by calculation. The test result shows that this method can effectively detect the dielectric loss and capacitance values of each capacitor in the CVT， display the voltage and current parameters， and can be used to measure the long?term insulating state of CVT. It can isolate the high voltage in the actual dielectric loss measurement， and has high safety and reliability.

Keywords： on?line detection； dielectric loss measurement； CVT； non?contact measuring device

0 引 言

隨著我國進(jìn)入“十三五”進(jìn)程，電力工業(yè)也將打破壟斷，向著市場化轉(zhuǎn)變[1?2]，這已成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢。市場化的轉(zhuǎn)變必將驅(qū)使電力行業(yè)進(jìn)行技術(shù)進(jìn)步和革新。用于高壓電能計量、繼電保護(hù)、載波通信的電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformers，CVT），在測量精度、互感器成本、體積等方面具有電磁式電壓互感器不可比擬的優(yōu)勢[3]，也在逐漸取代電磁式電壓互感器（PT）。如今在35～500 kV的變電站的線路側(cè)和母線上，CVT都有著廣泛的應(yīng)用[4]。為了保證CVT能夠安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，開展對CVT此類重要的輸變電設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測與故障診斷，對于全面實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5?6]。

介質(zhì)損耗因素tan δ是衡量電容型高壓電氣設(shè)備絕緣特性的主要參數(shù)，可反映出被測電氣設(shè)備的絕緣問題[7]，例如設(shè)備中的氣隙放電、劣化變質(zhì)等[8]。本文提出了基于自激法的非接觸式CVT介損測量方法，并設(shè)計出了一種CVT介損測量系統(tǒng)。這種裝置將無線通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及電能量測量技術(shù)和非接觸式CVT介損測量技術(shù)結(jié)合在一起，采用C8051F120單片機(jī)為核心，通過非接觸式測量CVT分壓電容的電壓電流波形，獲得有效的介損計算參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時介損測量。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非接觸式CVT介損測量，系統(tǒng)的實(shí)施既避免了高壓側(cè)拆接線的危險，又可以大量節(jié)約人力、物力，有效降低工作時間，實(shí)現(xiàn)快速、高效實(shí)時CVT介損測量。

1 CVT結(jié)構(gòu)和測量原理

1.1 CVT結(jié)構(gòu)

如圖1所示，CVT是由電磁單元部分和分壓器單元部分組成[9]。其中分壓器部分由高壓電容C1（由C11，C12和C13分節(jié)電容串聯(lián)而成）和低壓電容C2串聯(lián)而成。T為電磁部分的中間變壓器，它和阻尼電阻Z、補(bǔ)償電抗器L又構(gòu)成電容分壓器[10?11]。

電力人員在對CVT進(jìn)行預(yù)實(shí)定檢時，按照《實(shí)驗規(guī)程》[12] ，將對CVT的高壓電容C1和低壓電容C2的電容值及其介損參數(shù)tan δ進(jìn)行測量。

1.2 自激法測量CVT介損

當(dāng)設(shè)備中的絕緣介質(zhì)在交流電壓下，其總電流由阻性電流分量和電容電流分量兩個分量組成[13]，絕緣介質(zhì)會出現(xiàn)一些能量的損耗，介損角正切因數(shù)（tan δ），簡稱為介損，它可以反映出設(shè)備的損耗。tan δ僅僅取決于材料的特性，與其他的因素沒有關(guān)系。傳統(tǒng)的介損測量方法是利用電橋平衡的原理通過正接線或反接線實(shí)現(xiàn)[14]，如圖1中C11，C12的測量。

采用自激法是以CVT的中間變壓器作為試驗變壓器，從二次側(cè)施加電壓對其進(jìn)行激磁，在一次側(cè)感應(yīng)出高壓作為電源來測量高壓端的C1和低壓端的C2的電容及介損[15]。以TYD220?0.01w3型CVT為例，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

當(dāng)測高壓電容C1的電容值及其介損值時，標(biāo)準(zhǔn)電容Cn與低壓端電容C2串接成電橋的的橋臂，串聯(lián)后其大小可用等效電容表示：

在計算低壓端電容C2的大小及其介損時，可采取上述方法，其等效電容可表示為：

由于串聯(lián)后的等值電容，與Cn存在誤差，其大小表示為：

通過式（1）和式（2）可分別求得，后，代入式（3）求得，判斷其大小是否在工程允許的誤差范圍內(nèi)[16]。

2 非接觸式CVT介損測量平臺

設(shè)計的非接觸式CVT介損測量平臺包括對分壓電容C1，C2以及高壓端子處的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)和基于LabVIEW軟件的PC端。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用非接觸式高壓電流電壓檢測技術(shù)主要完成對分壓電容相關(guān)數(shù)據(jù)的采集處理；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析與處理，并實(shí)時地將數(shù)據(jù)發(fā)送至信號處理終端；數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)出的電壓電流信號及相應(yīng)運(yùn)行狀況發(fā)送至PC端，經(jīng)過LabVIEW軟件計算分析，得出最終的介損參數(shù)值和CVT各部分電容值，其非接觸式檢測平臺如圖3所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

如圖4所示為數(shù)據(jù)采集及處理部分，電壓數(shù)據(jù)測量采用的是D?dot電壓傳感器，其不僅實(shí)現(xiàn)了與高壓側(cè)的電氣隔離測量，保證了人身安全，而且其測量精度較高，體積也較小，滿足現(xiàn)如今智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢和要求[17]。非接觸電流測量將利用磁平衡式（閉環(huán)）電流傳感器，進(jìn)行信號采集，避免拆卸CVT的分壓電容裝置，對信號的采集將采用霍爾元件。采用1 mA直流電流檢測技術(shù)是電力監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常要對控制電路的電流進(jìn)行測量，由于被測電路的電流是直流且為毫安數(shù)量級，甚至小于1 mA，所以對噪聲抑制和抗干擾性能要求高[18]。傳統(tǒng)的直檢式霍爾電流傳感器無法達(dá)到如此低的測量范圍和響應(yīng)速度，因此不予采用。磁平衡式（閉環(huán)）電流傳感器則可以精確測量直流小電流（毫安級）或直流差流（漏電流）信號，實(shí)現(xiàn)隔離測量[19]。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由單片機(jī)C8051F020組成，它是整套系統(tǒng)的核心。主要負(fù)責(zé)分析和處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，并通過它實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信[20]。它的輸入端接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端，其輸出端與遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)連接。當(dāng)需要進(jìn)行介損測量時，啟動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，分析得出結(jié)果，將CVT所測得電壓電流的各種信息一同發(fā)送至控終端，由無線WiFi系統(tǒng)自動將信號傳輸至PC端，使得工作人員實(shí)時了解CVT的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 無線傳輸系統(tǒng)

將采用WiFi無線通信單元來實(shí)現(xiàn)測量硬件電路與PC端軟件程序之間的數(shù)據(jù)傳輸。測量硬件電路會將電壓電流傳感器輸出的測量信號就地數(shù)字化，將數(shù)據(jù)通過無線WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC端電腦程序，完成通信。通過這種無線WiFi傳輸，不僅可以使得電力工作人員在安全距離外對電壓電流進(jìn)行測量和監(jiān)控，隔離高壓，而且可以利用無線網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，建立范圍更廣的傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多個目標(biāo)的同時測量。

本設(shè)計中的WiFi無線通信單元使用南京聯(lián)創(chuàng)科技研制的WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊WF?U?09T，其傳輸距離最大為50 m。該模塊使用UART串口的數(shù)據(jù)接口，其波特率最高可至115 200 b/s，因此單片機(jī)可以直接通過UART串口將測量數(shù)據(jù)高速傳輸至WiFi模塊中等待無線發(fā)送。并且，其內(nèi)部集成了對ARP，UDP以及TCP/IP等諸多協(xié)議和WiFi驅(qū)動的支持，可以無障礙地實(shí)現(xiàn)與任意無線設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信[21]。

2.3 PC端程序設(shè)計

用LabVIEW軟件作為基礎(chǔ)對PC端進(jìn)行了程序設(shè)計?；贚abVIEW的系統(tǒng)軟件優(yōu)點(diǎn)明顯，其人機(jī)交互界面非常實(shí)用、方便，并且可塑性強(qiáng)，虛擬儀器結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性；用于試驗系統(tǒng)將會非常便利。由硬件測量電路采集到的電壓電流數(shù)據(jù)經(jīng)無線WiFi模塊發(fā)送至PC端口，然后由LabVIEW軟件編寫的UDP數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，再將數(shù)據(jù)輸送至相應(yīng)模塊的分析、處理和計算；最后，采集數(shù)據(jù)的波形及相應(yīng)的分析數(shù)據(jù)的結(jié)果將在可視化的界面上顯示。通過LabVIEW開發(fā)軟件設(shè)計的PC端程序的流程如圖5所示。

程序的流程為：首先通過人機(jī)界面系統(tǒng)對UDP通信端、A/D采用頻率和采樣時間進(jìn)行初始化設(shè)置，人機(jī)界面還可實(shí)現(xiàn)時域波形顯示、相位角、基波頻率顯示、有效值顯示等；在初始化設(shè)置完畢后，PC端對測量電路發(fā)出相關(guān)指令，進(jìn)行工作；當(dāng)檢測到的電壓電流信號通過單片機(jī)處理單元，模擬信號就變?yōu)殡x散的數(shù)字信號。離散的數(shù)字信號將按照UDP協(xié)議格式通過WiFi模塊傳送到PC端，把數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后還原成被測電壓波形，將波形進(jìn)行處理后，利用波形顯示模塊進(jìn)行顯示，并且通過PC端計算出被測信號波形、頻率、相位角等信息；最后通過PC端的寄存器對波形和數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存。

3 介損試驗

對系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與研究之后，在實(shí)驗室搭建了非接觸式測量平臺，根據(jù)實(shí)驗室的條件進(jìn)行了試驗測試。在低壓端施加電壓，調(diào)整變壓器的變比，使得在電容式電壓互感器的高壓端的試驗電壓為2 000 V左右。經(jīng)過多次測試，CVT三相電容器的介損值和電容值如表1所示。

從表1可知，三相之間變化不大，C2電容值明顯高于其余電容值，且介損值可以作為評判其絕緣狀態(tài)的有效參數(shù)。

通過檢測平臺測量到的C2電壓電流波形如圖6所示，在可視化界面可以準(zhǔn)確獲得電壓電流的各部分參數(shù)，便于進(jìn)一步計算。

4 結(jié) 論

本文提出了基于自激法的非接觸式CVT介損測量方法，并對非接觸式CVT介損測量系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計和研究，最后搭建了非接觸式CVT介損測量試驗平臺，對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試性實(shí)驗。實(shí)驗表明，非接觸式CVT介損測量系統(tǒng)可對CVT的電壓電流信號進(jìn)行實(shí)時數(shù)字化采集，并通過無線WiFi通信將數(shù)據(jù)傳輸至PC端進(jìn)行分析處理。由此，電力工作人員可及時了解電容式電壓互感器的絕緣狀態(tài)，對其進(jìn)行評估，通過介損值判斷其工作狀態(tài)是否良好，從而保證電力檢測時精度高、性能穩(wěn)定，同時隔離高壓可以實(shí)現(xiàn)更安全可靠的測量。

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