基于自激法的非接觸式CVT介質損耗測量裝置研究

王振宇+蘇詠梅

摘 要： CVT能否正?？煽窟\行直接影響到整個電力系統的穩定性，為實時監測CVT的絕緣狀態，提出了基于自激法的非接觸式CVT介損測量系統。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行電壓電流信號的處理并計算得出介質損耗參數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，用于長期監測CVT絕緣狀態，在實際的介損測試中可以隔離高壓，有較高的安全性和可靠性。

關鍵詞： 在線檢測； 介質損耗測量； 電容式電壓互感器； 非接觸式測量裝置

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： 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

隨著我國進入“十三五”進程，電力工業也將打破壟斷，向著市場化轉變[1?2]，這已成為不可逆轉的大趨勢。市場化的轉變必將驅使電力行業進行技術進步和革新。用于高壓電能計量、繼電保護、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的變電站的線路側和母線上，CVT都有著廣泛的應用[4]。為了保證CVT能夠安全、穩定、可靠運行，開展對CVT此類重要的輸變電設備的絕緣在線監測與故障診斷，對于全面實現狀態維修具有十分重要的現實意義[5?6]。

介質損耗因素tan δ是衡量電容型高壓電氣設備絕緣特性的主要參數，可反映出被測電氣設備的絕緣問題[7]，例如設備中的氣隙放電、劣化變質等[8]。本文提出了基于自激法的非接觸式CVT介損測量方法，并設計出了一種CVT介損測量系統。這種裝置將無線通信技術、計算機技術以及電能量測量技術和非接觸式CVT介損測量技術結合在一起，采用C8051F120單片機為核心，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，最終實現實時介損測量。該系統實現了非接觸式CVT介損測量，系統的實施既避免了高壓側拆接線的危險，又可以大量節約人力、物力，有效降低工作時間，實現快速、高效實時CVT介損測量。

1 CVT結構和測量原理

1.1 CVT結構

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分節電容串聯而成）和低壓電容C2串聯而成。T為電磁部分的中間變壓器，它和阻尼電阻Z、補償電抗器L又構成電容分壓器[10?11]。

電力人員在對CVT進行預實定檢時，按照《實驗規程》[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tan δ進行測量。

1.2 自激法測量CVT介損

當設備中的絕緣介質在交流電壓下，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]，絕緣介質會出現一些能量的損耗，介損角正切因數（tan δ），簡稱為介損，它可以反映出設備的損耗。tan δ僅僅取決于材料的特性，與其他的因素沒有關系。傳統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現[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，從二次側施加電壓對其進行激磁，在一次側感應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，其原理結構圖如圖2所示。

當測高壓電容C1的電容值及其介損值時，標準電容Cn與低壓端電容C2串接成電橋的的橋臂，串聯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[16]。

2 非接觸式CVT介損測量平臺

設計的非接觸式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據采集系統、數據處理、數據無線傳輸系統和基于LabVIEW軟件的PC端。數據采集系統采用非接觸式高壓電流電壓檢測技術主要完成對分壓電容相關數據的采集處理；數據處理系統主要對數據采集系統采集到的相關數據進行計算分析與處理，并實時地將數據發送至信號處理終端；數據無線傳輸系統將數據處理系統發出的電壓電流信號及相應運行狀況發送至PC端，經過LabVIEW軟件計算分析，得出最終的介損參數值和CVT各部分電容值，其非接觸式檢測平臺如圖3所示。

2.1 數據采集與處理系統

如圖4所示為數據采集及處理部分，電壓數據測量采用的是D?dot電壓傳感器，其不僅實現了與高壓側的電氣隔離測量，保證了人身安全，而且其測量精度較高，體積也較小，滿足現如今智能電網的發展趨勢和要求[17]。非接觸電流測量將利用磁平衡式（閉環）電流傳感器，進行信號采集，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直流電流檢測技術是電力監控系統經常要對控制電路的電流進行測量，由于被測電路的電流是直流且為毫安數量級，甚至小于1 mA，所以對噪聲抑制和抗干擾性能要求高[18]。傳統的直檢式霍爾電流傳感器無法達到如此低的測量范圍和響應速度，因此不予采用。磁平衡式（閉環）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，實現隔離測量[19]。

數據處理系統主要由單片機C8051F020組成，它是整套系統的核心。主要負責分析和處理數據采集系統采集到的數據，并通過它實現遠程數據通信[20]。它的輸入端接數據采集系統的輸出端，其輸出端與遠程通信系統連接。當需要進行介損測量時，啟動數據處理系統，分析得出結果，將CVT所測得電壓電流的各種信息一同發送至控終端，由無線WiFi系統自動將信號傳輸至PC端，使得工作人員實時了解CVT的運行狀態。

2.2 無線傳輸系統

將采用WiFi無線通信單元來實現測量硬件電路與PC端軟件程序之間的數據傳輸。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字化，將數據通過無線WiFi網絡傳輸至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行測量和監控，隔離高壓，而且可以利用無線網絡和通信協議，建立范圍更廣的傳感器檢測網絡，實現多個目標的同時測量。

本設計中的WiFi無線通信單元使用南京聯創科技研制的WiFi數據傳輸模塊WF?U?09T，其傳輸距離最大為50 m。該模塊使用UART串口的數據接口，其波特率最高可至115 200 b/s，因此單片機可以直接通過UART串口將測量數據高速傳輸至WiFi模塊中等待無線發送。并且，其內部集成了對ARP，UDP以及TCP/IP等諸多協議和WiFi驅動的支持，可以無障礙地實現與任意無線設備之間的數據通信[21]。

2.3 PC端程序設計

用LabVIEW軟件作為基礎對PC端進行了程序設計。基于LabVIEW的系統軟件優點明顯，其人機交互界面非常實用、方便，并且可塑性強，虛擬儀器結合了圖形化編程方式的高性能與靈活性；用于試驗系統將會非常便利。由硬件測量電路采集到的電壓電流數據經無線WiFi模塊發送至PC端口，然后由LabVIEW軟件編寫的UDP數據接收模塊進行數據的接收，再將數據輸送至相應模塊的分析、處理和計算；最后，采集數據的波形及相應的分析數據的結果將在可視化的界面上顯示。通過LabVIEW開發軟件設計的PC端程序的流程如圖5所示。

程序的流程為：首先通過人機界面系統對UDP通信端、A/D采用頻率和采樣時間進行初始化設置，人機界面還可實現時域波形顯示、相位角、基波頻率顯示、有效值顯示等；在初始化設置完畢后，PC端對測量電路發出相關指令，進行工作；當檢測到的電壓電流信號通過單片機處理單元，模擬信號就變為離散的數字信號。離散的數字信號將按照UDP協議格式通過WiFi模塊傳送到PC端，把數字信號進行數/模轉換后還原成被測電壓波形，將波形進行處理后，利用波形顯示模塊進行顯示，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據進行儲存。

3 介損試驗

對系統進行了設計與研究之后，在實驗室搭建了非接觸式測量平臺，根據實驗室的條件進行了試驗測試。在低壓端施加電壓，調整變壓器的變比，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的有效參數。

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確獲得電壓電流的各部分參數，便于進一步計算。

4 結 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介損測量系統軟硬件進行了設計和研究，最后搭建了非接觸式CVT介損測量試驗平臺，對該系統進行了測試性實驗。實驗表明，非接觸式CVT介損測量系統可對CVT的電壓電流信號進行實時數字化采集，并通過無線WiFi通信將數據傳輸至PC端進行分析處理。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，對其進行評估，通過介損值判斷其工作狀態是否良好，從而保證電力檢測時精度高、性能穩定，同時隔離高壓可以實現更安全可靠的測量。

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