基于標(biāo)準(zhǔn)電容器的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李賓賓,芮 暢,黃 杰,羅 沙

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230061;2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

目前,電子式互感器(electronic transformer,ET)以其先進(jìn)的傳感理論、更高的測(cè)量帶寬以及數(shù)字化輸出等優(yōu)點(diǎn)被大量投入電力系統(tǒng),用于感知一次高電壓大電流信號(hào)[1-4]。但工程運(yùn)行情況表明,在變電站復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的影響下,ET的誤差穩(wěn)定性較差[5],需要對(duì)其誤差狀態(tài)進(jìn)行有效且及時(shí)的檢測(cè)。

目前所采用的ET誤差檢測(cè)方法是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在一定的檢測(cè)周期內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)互感器的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn),且需要停電檢測(cè)。然而對(duì)于高電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)而言,長(zhǎng)時(shí)間的非故障性停電通常難以實(shí)現(xiàn),ET易處于超檢定周期的工作狀態(tài)。帶電檢測(cè)的方法可有效減少電力系統(tǒng)的非故障性停電時(shí)間。但其難點(diǎn)在于如何在不停電的情況下準(zhǔn)確獲取一次電力系統(tǒng)的高電壓信號(hào)。文獻(xiàn)[6]以電磁式電壓互感器為標(biāo)準(zhǔn)互感器,設(shè)計(jì)了1種電子式電壓互感器測(cè)量誤差帶電檢測(cè)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的電磁式電壓互感器由鐵芯和線(xiàn)圈繞制而成,存在大量的電感單元,在與高壓導(dǎo)體帶電接觸時(shí)易引發(fā)過(guò)電壓暫態(tài)過(guò)程。特別是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)振蕩或者短路等故障時(shí),電磁式電壓互感器易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象,從而激發(fā)較高的過(guò)電壓。鐵芯的磁飽和易影響標(biāo)準(zhǔn)電磁式電壓互感器對(duì)高壓信號(hào)的測(cè)量。較高的過(guò)電壓過(guò)程會(huì)影響設(shè)備安全,甚至阻礙電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)電子式電壓互感器不停電條件的誤差檢測(cè)需要,本文設(shè)計(jì)了1種基于標(biāo)準(zhǔn)電容器的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)。首先,本文根據(jù)電容電壓不能突變的特性,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電容器作為高壓信號(hào)的傳感主體,以避免測(cè)量系統(tǒng)帶電接入過(guò)程中引起的暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)設(shè)備安全和測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。標(biāo)準(zhǔn)電容器可安全地通過(guò)機(jī)械升降的方式與高壓導(dǎo)體可靠接觸。其次,本文設(shè)計(jì)了1種帶T型網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)模擬積分電路,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器輸出的微弱電流進(jìn)行積分,從而利用高精度信號(hào)采集單元實(shí)現(xiàn)一次高壓信號(hào)的精密測(cè)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)主要包括均壓裝置、機(jī)械升降及其電動(dòng)控制裝置、阻尼電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容器以及信號(hào)采集裝置[5]。其中,均壓裝置、機(jī)械升降及其電動(dòng)控制裝置和阻尼電阻用于將本文研究的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)帶電接入和退出高壓一次導(dǎo)線(xiàn)。

高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

由圖1可知,標(biāo)準(zhǔn)電容器是測(cè)量系統(tǒng)的主體傳感單元,接入高壓一次導(dǎo)線(xiàn)后會(huì)產(chǎn)生微弱電流。信號(hào)采集單元采集標(biāo)準(zhǔn)電容器輸出的微弱電流,經(jīng)過(guò)積分信號(hào)處理和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換后可實(shí)現(xiàn)一次高壓信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于本文所研究的基于標(biāo)準(zhǔn)電容器的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng),工程人員利用遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)裝置控制升降機(jī)將測(cè)量系統(tǒng)并入電力系統(tǒng)帶電運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)與高壓導(dǎo)線(xiàn)的可靠接觸。標(biāo)準(zhǔn)電容器和信號(hào)采集裝置是本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,直接影響對(duì)高壓信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。針對(duì)不同電壓等級(jí)的高壓信號(hào)測(cè)量需求,測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電容器和信號(hào)采集裝置也不相同。本節(jié)以110 kV電壓的帶電檢測(cè)為例,說(shuō)明本文研究的基于標(biāo)準(zhǔn)電容器的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵部件及其參數(shù)設(shè)計(jì)的基本原則。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)電容器設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)電容器是高壓帶電精密測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感單元,在運(yùn)行過(guò)程中需要保持參數(shù)穩(wěn)定。本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)電容器采用同軸電容結(jié)構(gòu)。該電容器的電容量為50 pF、長(zhǎng)度為1 m、外殼直徑為0.2 m,可以有效減少電場(chǎng)邊緣效應(yīng)所引起的雜散電容對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器容值穩(wěn)定性的影響。標(biāo)準(zhǔn)電容器的設(shè)計(jì)額定電壓為150 kV、工頻耐壓值為165 kV/min。考慮SF6氣體具有較高的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度,本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)電容器采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)電容器的工作溫度為-10～+40 ℃,可適應(yīng)大部分的應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試不同電壓下標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容值及其介質(zhì)損耗值如表1所示。

表1 不同電壓下標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容值及其介質(zhì)損耗值

根據(jù)表1進(jìn)行二階擬合,結(jié)果為:

C=a+bU+cU2

(1)

式中:C為不同外施電壓下標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容值,pF;U為電容器的外施電壓,kV;a為常數(shù),本文取a=49.872;b為常數(shù),本文取b=-1.728E-5;c為常數(shù),本文取c=1.326E-7。

標(biāo)準(zhǔn)電容電壓系數(shù)an為:

(2)

式中:UN為標(biāo)準(zhǔn)電容的設(shè)定額定電壓,本文取UN=150 kV。

由式(2)可以得到標(biāo)準(zhǔn)電容的電壓系數(shù)為9E-6,小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5E-5。這表明本文所設(shè)計(jì)的電容可以作為標(biāo)準(zhǔn)電容使用。

2.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

高壓信號(hào)精密帶電測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)原理圖

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電容與高壓導(dǎo)體可靠接觸時(shí),標(biāo)準(zhǔn)電容會(huì)產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)。信號(hào)采集電路直接采集流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容電流i,將電流信號(hào)通過(guò)模擬積分電路轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)u。單片機(jī)控制模數(shù)(analog-to-digital,A/D)轉(zhuǎn)換電路對(duì)u進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號(hào)。電光轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)與工程人員的電氣隔離,并通過(guò)光纖傳輸給遠(yuǎn)端上位機(jī)進(jìn)行一次高壓信號(hào)的測(cè)量。信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于模擬積分電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。

2.2.1 積分電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)被測(cè)一次系統(tǒng)的工頻電壓U′為:

U′=Umsin(ωt+φ)

(3)

式中:Um為被測(cè)電壓的最大值;ω=2πf為被測(cè)高壓信號(hào)的角頻率,Hz;φ為被測(cè)電壓的初始相位。

根據(jù)本文前述標(biāo)準(zhǔn)電容器的設(shè)計(jì),可以忽略絕緣電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。標(biāo)準(zhǔn)電容器接入一次電網(wǎng)后產(chǎn)生的電流為:

(4)

由式(4)可知,i與一次母線(xiàn)電壓信號(hào)的頻率有關(guān)。國(guó)家電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)范圍的要求為50(1±10%)Hz,即極限情況下因一次電壓頻率波動(dòng)造成i的輸出偏差可達(dá)20%。這種偏差會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量系統(tǒng)對(duì)高電壓信號(hào)的測(cè)量精度。因此,需要對(duì)電容器輸出的i進(jìn)行積分處理,以消除被測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率波動(dòng)對(duì)高壓信號(hào)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。一般而言,信號(hào)積分主要包括數(shù)字積分與模擬積分這2種。

相比數(shù)字積分電路,模擬積分電路不會(huì)受到積分起始點(diǎn)的影響,并且輸入信號(hào)的直流零漂也不會(huì)引起輸出的飽和。雖然模擬器件會(huì)存在一定的溫度漂移和時(shí)間漂移、模擬器件間存在離散性,同時(shí)輸出也存在直流漂移,但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,在工頻情況下,使用模擬積分器性能穩(wěn)定。相比數(shù)字積分器,模擬積分器追蹤輸入信號(hào)變化的速度更快,其直流漂移也可以在軟件中消除。本文采用模擬積分器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器輸出的微弱電流信號(hào)作積分處理。

模擬積分電路如圖3所示。

圖3 模擬積分電路

理想的模擬積分電路在實(shí)際應(yīng)用中很難得到預(yù)期的效果,因此通常在積分電容上并聯(lián)一個(gè)阻值較大的反饋電阻。反饋電阻可以為放大器的偏置電壓提供反饋通道,從而有效抑制偏置電壓對(duì)源信號(hào)積分結(jié)果的影響。

當(dāng)反饋電阻足夠大時(shí),模擬積分電路的幅頻特性曲線(xiàn)將接近理想積分電路。但由于反饋電阻的存在,模擬積分電路的低頻增益非常大,會(huì)對(duì)工頻信號(hào)的輸出造成一定的影響。為了抑制低頻干擾,有學(xué)者對(duì)模擬積分電路進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)[7-8]。由圖3(b)可知,改進(jìn)后的模擬積分電路與典型模擬積分電路相比,多了一個(gè)電阻和電容組成的T型網(wǎng)絡(luò)。這種電路結(jié)構(gòu)可在不影響輸出增益的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的相位調(diào)節(jié)。

本文選用帶T型網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)模擬積分電路對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器輸出的微弱電流進(jìn)行積分處理。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)的分析,本文將各參數(shù)設(shè)置為:R1=12 kΩ;R2=R3=1 MΩ;R4=200 kΩ;電容C1=1.26 μF;C2=2.2 μF。R2、R3、R4、C2構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)作為低通濾波器,用于減少積分器所受到的小于1 Hz的低頻噪聲的影響。基于上述參數(shù)得到本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)模擬積分器頻響曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)模擬積分器頻響曲線(xiàn)

由圖4可知,T型網(wǎng)絡(luò)具有很好的相位特性。而在幅頻特性方面,其在低頻時(shí)存在較低振蕩。該振蕩不在本文所考慮電網(wǎng)頻率50(1±10%)Hz的波動(dòng)范圍內(nèi),因此可以不予考慮。本文設(shè)計(jì)的模擬積分電路可應(yīng)用于高壓信號(hào)的精密測(cè)量。

2.2.2 模式轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)電容器輸出的微弱電流經(jīng)過(guò)模擬積分電路處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槟M小電壓信號(hào)。其需要通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元對(duì)模擬小電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,并利用光纖發(fā)送給工程運(yùn)維人員,以實(shí)現(xiàn)一次高壓信號(hào)的精密、安全測(cè)量。其主要包括A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)以及電光轉(zhuǎn)換電路。

A/D部分采用了AD7685CRM作為A/D采集芯片。該芯片的分辨率為16位,可保證高壓信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度滿(mǎn)足0.05級(jí)的要求。

單片機(jī)選用了低功耗的MSP430系列單片機(jī),工作主頻為8 MHz。MSP430單片機(jī)具有豐富的中斷器功能,有利于對(duì)A/D芯片進(jìn)行時(shí)序控制。A/D采樣控制時(shí)序流程如圖5所示。

圖5 A/D采樣控制時(shí)序流程圖

MSP430單片機(jī)的運(yùn)行流程如下。

①采用MSP430單片機(jī)的TIMERA時(shí)鐘的信號(hào)捕獲模式,當(dāng)捕獲到外部采樣時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)進(jìn)入采樣中斷模塊。

②進(jìn)入采樣中斷后,MSP430單片機(jī)發(fā)出指令,控制A/D芯片開(kāi)始采樣。采樣率為10 kHz。采樣全程共采集5個(gè)周波,共1 000個(gè)采樣點(diǎn)。完成后,單片機(jī)進(jìn)入采樣等待模式。

電光轉(zhuǎn)換電路基于光纖發(fā)射器HFBR1414設(shè)計(jì)。MSP430單片機(jī)輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)HFBR1414處理后轉(zhuǎn)換成光信號(hào),通過(guò)光纖發(fā)送給遠(yuǎn)方工程技術(shù)人員。光纖具有抗干擾性強(qiáng)、絕緣性能好的優(yōu)點(diǎn),可以保證信號(hào)的可靠傳輸以及操作人員的人身安全。

3 校準(zhǔn)測(cè)試

參考文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]的規(guī)定,本文基于標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)所設(shè)計(jì)的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。校準(zhǔn)試驗(yàn)原理如圖6所示。

圖6 校準(zhǔn)試驗(yàn)原理圖

3.1 基本準(zhǔn)確度測(cè)試

本文研究的測(cè)量系統(tǒng)的基本準(zhǔn)確度測(cè)試,通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)變壓器的電壓輸出,并與標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器比對(duì)的方法開(kāi)展。測(cè)量系統(tǒng)的基本準(zhǔn)確度測(cè)試如表2所示。

表2 測(cè)量系統(tǒng)的基本準(zhǔn)確度測(cè)試

表2中:f為測(cè)量系統(tǒng)的幅值誤差,%;δ為測(cè)量系統(tǒng)的相位誤差,(′)。

由表2可知,當(dāng)一次電壓從20%額定電壓升高至120%額定電壓時(shí),測(cè)量系統(tǒng)的幅值變化范圍為0.005%～0.015%,相位誤差的變化范圍為-0.2′～+1.2′。該結(jié)果滿(mǎn)足0.05級(jí)的準(zhǔn)確度需求。當(dāng)一次電壓從120%額定電壓下降至20%時(shí),測(cè)量系統(tǒng)的幅值變化范圍為0.000%～0.010%,相位誤差的變化范圍為-0.6′～+1.2′。該結(jié)果滿(mǎn)足0.05級(jí)的準(zhǔn)確度需求。

3.2 測(cè)量不確定度分析

參照國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[11]中對(duì)測(cè)量不確定度的評(píng)定要求,本文對(duì)所設(shè)計(jì)的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析。

① A類(lèi)不確定度的計(jì)算。

《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》(JJF 1059.1—2020)標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定,需要對(duì)被測(cè)量對(duì)象進(jìn)行多次獨(dú)立重復(fù)觀(guān)測(cè),以計(jì)算其A類(lèi)不確定度。計(jì)算方法為:

(5)

(6)

式中:μA為測(cè)量系統(tǒng)A類(lèi)不確定度。

在標(biāo)準(zhǔn)電容器外施電壓為額定電壓110 kV時(shí),本文利用所設(shè)計(jì)的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多次反復(fù)的獨(dú)立測(cè)量。測(cè)量次數(shù)為30次。本文設(shè)計(jì)的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)的A類(lèi)不確定度如表3所示。

表3 測(cè)量系統(tǒng)的A類(lèi)不確定度

由表3可知,分布類(lèi)型均為正態(tài)分布。

②B類(lèi)不確定度的計(jì)算。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,其不確定度的評(píng)定結(jié)果非常可靠,因此其自由度一般取無(wú)窮大。

③不確定度的合成。

A類(lèi)不確定度μA與B類(lèi)不確定度μB是相互獨(dú)立的,則本文設(shè)計(jì)高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)幅值誤差不確定度的合成為6.055E-05、相位誤差不確定度的合成為0.330。

④擴(kuò)展不確定度的計(jì)算。

本文設(shè)置信概率P=99%、包含因子k=3,則可得到本文設(shè)計(jì)高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)幅值誤差不確定度的合成為1.817E-04、相位誤差不確定度的合成為0.990。

4 結(jié)論

針對(duì)電子式電壓互感器測(cè)量誤差帶電檢測(cè)的工程應(yīng)用需求,本文研究了1種基于標(biāo)準(zhǔn)電容器的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)。首先,本文設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電容器作為一次電壓信號(hào)的傳感主體,采用1種帶T型網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)模擬積分電路和高精度信號(hào)采集單元對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器的輸出電流進(jìn)行采集和反演,從而實(shí)現(xiàn)高壓信號(hào)的精密測(cè)量。其次,本文采用電動(dòng)控制機(jī)械升降機(jī)的方式,實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)安全接入和退出一次電力系統(tǒng)。校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果表明,本文研究的高壓信號(hào)精密測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度滿(mǎn)足0.05級(jí)的要求,可用于電子式電壓互感器測(cè)量誤差的帶電檢測(cè)。