變電站分布式電力電容器在線監測系統研究與設計*

彭海洋，方勝利，杜相宏，李子葉，汪 東

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

電力電容器作為電容器在電力系統中的應用特例，除具有穩壓、濾波等一般電容器的性能外，在電力系統中還具有無功調節的重要作用，可提高電能質量、降低線路損耗、節省電力設施投資，實現電力系統的安全、穩定、經濟運行[1]。但由于過載電壓、諧波電壓等運行條件及受潮、受熱等環境條件的影響，其性能逐漸劣化，導致電容量偏離標稱值、絕緣介質強度降低，從而發生漏液甚至爆炸事故，不僅對電力系統的安全運行造成影響，而且易對運維作業人員的人身安全造成威脅[2]。因此，電力電容器的在線性能監測是電力系統運維的重要環節，目前已有多種檢測方法。咸日常等[3]提出了基于運行電壓、電容量、不平衡信號等參數作為狀態監測量的故障診斷方法，并結合相關規程標準設計了故障判別及其預警方案；周燕秋等[4]則通過計算待測電容和標準電容兩端的電壓比值，以得到待測電容的準確容值，通過容值檢測是否正常；林遠驥等[5]利用最小二乘法計算出電容器等效模型中電容、等效電阻，用等效電阻代替介質損耗因數衡量電容器絕緣性能；周燕秋等[4]利用電容器兩端的電壓和電流數據可完成對電容器組電容參數的計算，從而實現對并聯電容器健康狀態的實時獲知和預警；孫成等[6]對10 kV 電容器的電容量、外殼溫度及環境溫度等參數進行在線監測，在線診斷出即將故障的電容器并預警；姚冠雄[7]則基于電容值和電容器溫度在線監測方法，對構成系統硬件結構的測溫單元與電測單元就其原理、功能和特點做了說明。這些在線檢測方法均能實現對電容器的狀態進行實時監測，但監測特征量大多以電力電容器的容值或者溫度為主，易受環境因素的影響，導致監測結果不能真實反映電力電容器的客觀狀態。基于此，本文在對電力電容器特性分析的基礎上，選用介質損耗角正切值為特征參數，并針對變電站的運行環境，設計了基于WiFi無線通信的分布式電力電容器在線監測系統。

1 電力電容器特性分析

電力電容器的性能可通過局部或整體運行溫度、電容量及局部放電量等參數進行間接標識或衡量，但其性能劣化的根本原因是其內部的絕緣介質在交變電場作用下發生介質電導及介質極化，最終引發能量損耗，且隨著能耗的增大，其內部絕緣電介質溫度升高也隨之升高，使絕緣電介質的絕緣性能變差，最終導致熱擊穿，甚至發生爆炸等嚴重事故，故電力電容器的電介質損耗可作為衡量其性能好壞的一項重要技術指標，而通常采用電介質損耗角正切值tanδ來間接表征介質損耗，其定義為有功損耗與無功容量之比，也即有功電流與無功電流之比[8]。

對電力電容器的內部結構及電氣特性進行分析后，經抽象處理可得到其等效電路，如圖1 所示。由分析可知，當電力電容器絕緣性能正常時，其并聯等效電阻趨于無窮大，故阻性泄露電流iR可忽略不計，則總電流i近似等于流過等效電容的電流iC，其相位超前電壓u的角度φ= 90°；反之，當電力電容器絕緣性能劣化時，其并聯等效電阻減小，阻性泄露電流iR增大，總電流i中iR的占比增大，其相位超前電壓u的角度φ＜90°，相關電氣參數的向量[9]如圖2所示。

圖1 電力電容器等效電路

圖2 電氣參數向量

2 特征參數檢測原理

對圖2分析可知：

式中：∠?1I、∠?1U分別為流過電力電容器的總電流i和施加在電力電容器兩端電壓u的基波相位。

由式（1）可知，要得到電力電容器電介質損耗角正切值tanδ，需檢測出∠?1I及∠?1U，或者兩者之差∠?1U- ∠?1I。由于電力系統中含諧波電源、不對稱負載，故線路電壓、電流均包含各次諧波分量，其基波相位不便直接檢測，考慮到相位是交流電氣參數的三要素之一，因此需要在對電壓u、電流i進行采集的基礎上通過數據處理間接獲得。

由傅里葉變換公式可知，任何一個包含多個頻率分量的周期函數（信號）均可通過多個不同頻率的周期函數（或信號）相加而合成。故可對采樣取得的電壓u、電流i數據序列進行離散化的傅里葉變換[10]，即：

則可求得∠?1U及∠?1I，代入式（1）即可求出電力電容器電介質損耗角正切值tanδ。最后將計算結果與我國高壓并聯電容器使用技術標準進行對比，即可判斷其性能是否正常，依次為依據通過直觀、醒目的信號給出檢測結果，以便于運維人員及時發現性能缺陷，從而進行相應的處理，保證電力系統的穩定運行。

3 監測系統總體設計

在變電站中，通常配備有多套電力電容器，由于空間限制，電力電容器之間相對空間距離較近，且大多在室外相對空曠的環境中運行。針對該運行環境，為提高電力電容器的監測效率、簡化線路鋪設復雜度，采用基于WiFi無線傳輸的分布式在線監測系統對變電站中多個電力電容器進行性能及狀態的監測，系統總體設計如圖3 所示。圖中，監測系統包括由各分布式電力電容器及其特征參數檢測模塊、數據通信模塊組成的信號檢測端和由數據通信模塊、Labview 組成的人機交互端兩部分，且信號檢測端與人機交互端之間通過WiFi無線通信方式進行數據傳輸。在信號檢測端，對各電力電容器電流i及電壓u進行變換及調理后，由MCU 進行模數轉換，并根據特征參數檢測原理求得電介質損耗角正切值，而后將其通過WiFi通信模塊以電磁波的方式發送出去。在人機交互端，首先由WiFi通信模塊接收電磁波信號并將其解調后傳輸至PC 上的Labview，以可視化監控界面集中、直觀顯示各電力電容器的特征參數，且經后臺數據的邏輯比較，及時給出預警信息。

圖3 系統總體設計

4 信號檢測端設計

根據檢測原理，需要對每臺電力電容器的電流i及施加電壓u進行檢測，為保證檢測精度，需先對被測量進行信號傳感及調理，然后進行模數轉換，再由MCU 進行數據處理，最后由WiFi通信模塊將特征參數發送。

（1）信號傳感

為提高被測量的傳感精度，本系統分別采用精度為0.1 s 的微電流傳感器CT 及電壓互感器PT 對i及u進行傳感，其中CT 二次側額定電流為10 mA，PV 二次側額定電壓為(100/)V。

（2）信號調理

為后續進行精確的A/D，需對互感器輸出信號進行調理。對于電流i而言，CT 輸出信號需先將其轉換為電壓信號，而后經信號隔離、放大及濾波得到適合A/D 的電壓信號。而對于電壓u，則僅需分壓、信號隔離及濾波處理。該部分電路設計如圖4 所示。在圖中，首先由高精度集成運放AD706 及其外圍器件實現信號變換及放大，其中對于電流i，經電阻轉換為電壓信號后放大20倍，而對于電壓u，則經RC 分壓后放大1/2 倍；其次由集成運放OP07 及其外圍電路實現5 次濾波；然后由OP07構成的電壓跟隨器實現信號隔離功能；最后通過兩個反相并聯的二極管構成的鉗位電路將輸出信號限定在-5～5 V之間，以便于進行雙極性的模數轉換。

圖4 信號調理電路

（3）模數轉換

為準確感知電力電容器∠?1I、∠?1U，需對其電流i及電壓u進行同步采樣，本系統采用具有雙極性、雙通道、14 bit 同步采樣特性的A/D 芯片AD7367-5 實現，該部分電路如圖5 所示。其中ADI、ADU 為經過信號調理后的待測信號，J4 則為AD7367 與主控MCU 的邏輯交互信號接口。

圖5 模數轉換電路

（4）MCU數據處理

考慮到較為復雜的傅里葉變換需要，為滿足實時性要求，本系統采用運行頻率可達150 MHz、具有32 位定點計算能力的DSP2812 作為主控MCU，其主要對A/D、WiFi 通信等外圍IC 進行邏輯控制，并將A/D 采集的數據按照式（2）進行傅里葉變換，得到∠?1I、∠?1U，而后按照（1）計算得到電力電容器的特征參數，即電介質損耗角正切值tanδ。

（5）WiFi通信

該部分主要將MCU 經異步串行通信傳輸的數字信號轉換為WiFi無線電磁信號，以實現無線通信，為簡化設計、降低成本、提高通信穩定性，本系統采用集成式ESP8266WiFi 模塊來完成其無線式數據交互[11]。其與MCU 的電路連接如圖6 所示。其中，UTXD、URXD 連接主控MCU 的異步串行通信端口，其他數字邏輯信號連接MCU的GPIO口。

圖6 通信部分電路

5 人機交互端設計

人機交互端主要包括WiFi 通信及PC 上Labview 可視化界面監控兩部分。其中WiFi通信部分與信號檢測端相同，不再贅述。為提高監測效率、顯化檢測結果，Labview 前面板設計的監控界面設計如圖7 所示。圖中，通過PC 運行的Labview 通過設置IP 地址及端口號實現與WiFi 通信模塊的數據交互[12]，并通過電介質損耗角正切值及運行狀態等顯示控件實現對各電力電容器的狀態監測，最終實現高效、可視化的人機交互。

圖7 Labview監控界面

6 系統測試

對系統進行仿真及調試后制作樣件，并進行現場測試。為使得測試具有代表性，分別對2 臺新購置的備用電力電容器及一臺已老化的電力電容器進行多次測試和驗證，測試結果顯示：新購置的電力電容器的電介質損耗角正切值分別顯示為0.012%、0.018%，與出廠值0.014%間的誤差小于5%，且小于規程限值0.03%，運行狀態指示燈顯示綠色，標識正常；而已老化的電力電容器的的電力電容器的電介質損耗角正切值顯示為0.10%，遠大于其規程限值，運行狀態指示燈顯示紅色，標識異常。該測試結果與實際相符，滿足在線監測要求。

7 結束語

本文針對電力電容器的在線監測方法及其實現進行研究及設計，在總結現有監測方法、分析電力電容器特性的基礎上對電力電容器性能衡量方法進行了創新，即將其電介質損耗角正切值作為衡量其性能的特征參數，繼而設計了特征參數的檢測方法，并針對變電站的應用場合，設計了基于WiFi無線通信的分布式電力電容器在線監測系統，包括其信號檢測、人機交互及通信子系統，最后對設計系統進行了實際測試，測試結果表明該系統檢測精度高，運行穩定可靠，能夠滿足變電站內多套電力電容器的性能檢測需求，解決了變電站中多個電力電容器在線監測效率低下、性能檢測準確度不高的問題，為進一步提高電力電容器在線檢測技效率、及時發現電力電容器潛在性能缺陷提供了一種方法及實現途徑，具有較高的實用價值和推廣價值。