無線智能化電容電感測試儀的研究與應(yīng)用

引言

電力系統(tǒng)為了減小無功損耗,通常采用并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的方法來提高功率因數(shù),定期檢測電容器,早期發(fā)現(xiàn)電容器缺陷具有十分重要的意義。

現(xiàn)有的電容電感測試儀存在以下不足:

(1）只能實(shí)現(xiàn)電容器的單個測量,測量過程中需頻繁切換儀器操作界面,多次拆裝電流鉗,整個測試過程費(fèi)時費(fèi)力,工作效率低,影響人機(jī)功效。

(2）現(xiàn)有的電容電感測試儀多采用主機(jī)、測量端有線連接的一體化設(shè)計(jì),存在體積大,重量較重,不易搬運(yùn)的問題。在測試位置變動時,需要頻繁移動主機(jī)及測試線,且連接電纜的拉扯容易與其他儀備纏繞,可能造成其他設(shè)備損壞及引發(fā)安全隱患。

(3）電容組的電容安裝高度一般較高,個別高達(dá)4～5m,現(xiàn)有的電容電感測試儀需要測試人員進(jìn)行高處作業(yè)來安裝電流鉗,作業(yè)風(fēng)險高,工作量大,增加了安全隱患。

因此,有必要研制一種無線智能化電容電感測試儀來解決上述問題。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及測試原理

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由1個主機(jī)和6個從機(jī)(無線同步數(shù)字電流鉗）組成,其中主機(jī)負(fù)責(zé)輸出測量電壓,同時對輸出電壓進(jìn)行采樣測量,從機(jī)負(fù)責(zé)對被測電容同相電流進(jìn)行采樣。在采樣過程中,要保證主機(jī)與從機(jī)同步進(jìn)行(時差小于0.5us）,采樣完后,從機(jī)將電流模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給主機(jī),由主機(jī)計(jì)算出電容值,并進(jìn)行存儲及數(shù)據(jù)處理。

1.2測試原理

該測試儀采用了絕對值測試法,即對被測電容的電壓Ux和電流1x進(jìn)行采樣,計(jì)算出兩個基波信號的相位差值和幅值比值,從而獲得被測對象的絕對電容量。

電容器測試原理如圖2所示,工頻交流220V電壓輸入至隔離降壓變壓器B1,隔離變壓器初級與次級變比為10:1,即次級輸出電壓為22V,隔離變壓器次級輸出電壓加到被測電容兩端,鉗形電流傳感器L1鉗入被測電容Cx同相側(cè)進(jìn)行電流采樣來獲得流過被測電容Cx的電流1x,電壓傳感器L2并聯(lián)到電容器兩端來獲得被測電容Cx兩端的電壓Ux。

圖中R1、R2、R3、R4組成差分電路,將采集到的Ix輸?shù)絾纹瑱C(jī)ADC轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行電流值運(yùn)算:圖中R5、R6、R7、R8組成差分電路,將采集到的Ux輸?shù)絾纹瑱C(jī)ADC轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行電壓值運(yùn)算:采用差分輸入可以提高抗干擾能力,保證測量準(zhǔn)確、測量精度高:圖中C1、C2、C3、C4組成濾波電路,使輸入至ADC采樣模塊的信號更加穩(wěn)定,以提高測量精度。

2無線智能化電容電感測試儀設(shè)計(jì)

2.1測試主機(jī)設(shè)計(jì)

無線智能化電容電感測試儀主機(jī)組成如圖3所示,主要集成了變頻電源模塊、無線同步對時、無線同步通信模塊。

2.2無線同步數(shù)字電流鉗設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多通道測量,本文研制的電容電感測試儀設(shè)計(jì)了無線同步數(shù)字電流鉗,該電流鉗主要由無線同步模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、電流ADC采樣模塊等組成。

本文研制的無線智能化電容電感測試儀對流過電容器的電流、電壓采用"異地"測量,因此對電流、電壓的同步采樣的同步精度直接影響了測量結(jié)果的精確度,這是實(shí)現(xiàn)多通道無線測量的關(guān)鍵技術(shù)。本文引入了2.4G無線同步技術(shù),通過互相校時的方法達(dá)到時間同步,同時將無線傳輸和無線同步合二為一,既保證了同步采集,也可以將采集數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸出來。

首先無線同步模塊與主機(jī)的無線同步模塊進(jìn)行同步脈沖對時、同時精度達(dá)0.5us,時鐘同步后,主機(jī)及從機(jī)在相同的同步上升沿脈沖進(jìn)行采樣,保證主機(jī)、無線同步數(shù)字電流鉗(從機(jī)）對電壓、電流進(jìn)行同步采樣。并將采樣到的電流模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號再通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到主機(jī),由主機(jī)進(jìn)行電容容量的計(jì)算及數(shù)據(jù)處理。無線同步算法流程如圖4所示。

電流采樣原理如圖5所示,電流互感器將電磁感應(yīng)到的感應(yīng)電流信號進(jìn)行IV轉(zhuǎn)換后,經(jīng)放大、濾波電路處理,輸出給以ADs1675為主的ADC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,經(jīng)TMs320F28335單片機(jī)系統(tǒng)處理運(yùn)算后,以自定義的規(guī)約通過無線透傳模塊發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行匯總計(jì)算。由于電流鉗與主機(jī)之間是進(jìn)行數(shù)字信號通信交換的,不受變電站強(qiáng)工頻干擾,測試結(jié)果更加精準(zhǔn)可靠。

2.3測試電源逆變電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電容電感測試儀一般采用工頻變壓器對單相市電進(jìn)行變壓降壓后,通過多個抽頭來輸出不同測量電源電壓進(jìn)行測量,工頻變壓器具有體積大、重量大、易受干擾等缺點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)儀器的輕巧、便攜及應(yīng)對復(fù)雜的測試環(huán)境,本文研制的無線智能化電容電感測試儀采用專用純正弦逆變功率驅(qū)動電路,該電路主要由基于sPwM的純正弦波調(diào)制模塊和功率驅(qū)動電路兩大部分組成,具有體積小、重量輕、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。sPwM算法逆變電源技術(shù)能實(shí)現(xiàn)工頻、變頻電源輸出進(jìn)行測試,該電源具備過壓、欠壓、過流、過熱保護(hù)功能,通過串接口與單片機(jī)通信來設(shè)置輸出電壓、頻率等。

2.4無線遙控電流鉗安裝工具設(shè)計(jì)

在一些實(shí)際測試場合,往往需要測試人員進(jìn)行高處作業(yè)來安裝測量電流鉗傳感器,這個過程中可能發(fā)生觸電或高處墜落的風(fēng)險。為保證測試過程安全無隱患,本文研制了可無線遙控電流傳感器卡鉗自動分合的絕緣工具,該裝置主要由可充電管狀鋰電池、筆式電動伸縮桿、帶套管鋼絲拉繩、測控電路、鉗形電流傳感器、伸縮絕緣桿、遙控器以及固定配件接口等組成。鉗形電流傳感器安裝在一節(jié)1m長的絕緣桿上,一端通過螺紋與伸縮絕緣桿連接,通過遙控器控制電動伸縮桿的伸縮來帶動套管拉繩牽引拉動鉗表電流互感器的打開與閉合。

測試人員站在地面即可將電流傳感器鉗入被測電容支路,整個測量過程中與一次高壓設(shè)備零接觸,實(shí)現(xiàn)了測試過程零風(fēng)險。

2.5剩余電量可視化放電工具原理設(shè)計(jì)

對電容組進(jìn)行測量前,需要確定電容已充分放電,一般需對電容器組進(jìn)行放電處理。傳統(tǒng)的放電棒無法得知放電后電容剩余電荷是否為零,需要使用電壓測量工具進(jìn)行確認(rèn),在此過程中,操作人員存在觸電的安全隱患。因此,本文研制了一種帶剩余電壓顯示的放電工具,主要由三放電頭、多節(jié)伸縮桿、操作桿組成。通過在傳統(tǒng)放電棒內(nèi)嵌入電壓采樣電路,在放電的同時進(jìn)行電壓采樣,實(shí)時監(jiān)測放電對象殘余電荷,實(shí)現(xiàn)了在放電的同時顯示殘余電壓,能直觀定量地觀察放電結(jié)果。

3無線智能化電容電感測試儀應(yīng)用

軟件及硬件搭建完成后,開始進(jìn)行整體的系統(tǒng)測試,檢查各功能模塊完整無誤后,使用無線智能化電容電感測試儀和市場常用的一體化電容電感測試儀測量同一變電站內(nèi)10kV并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的數(shù)據(jù),計(jì)算了測試所得電容量值與額定值的偏差)該電容器組由24個電容器組成）,通過數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)兩臺儀器的測量結(jié)果及測量精度沒有差別。

通過計(jì)時發(fā)現(xiàn),在該并聯(lián)補(bǔ)償電容器組測試中,本文研制的無線智能化電容電感測試儀測試時間比市場常用的電容電感測試儀減少了60%,大大提高了工作效率。

試驗(yàn)時通過采用無線遙控電流鉗安裝工具,避免了高空作業(yè),有效降低了作業(yè)風(fēng)險。

4結(jié)語

本文研制的無線智能化電容電感測試儀,操作簡單,智能性高,有效節(jié)約了時間、人力成本,大大提高了電容器測試的工作效率,降低了工作風(fēng)險,可以廣泛應(yīng)用于電容電感測試中,具有可觀的社會和經(jīng)濟(jì)效益。