無(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀的研究與應(yīng)用

引言

電力系統(tǒng)為了減小無(wú)功損耗,通常采用并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的方法來(lái)提高功率因數(shù),定期檢測(cè)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(cè)試儀存在以下不足:

(1）只能實(shí)現(xiàn)電容器的單個(gè)測(cè)量,測(cè)量過(guò)程中需頻繁切換儀器操作界面,多次拆裝電流鉗,整個(gè)測(cè)試過(guò)程費(fèi)時(shí)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(cè)試儀多采用主機(jī)、測(cè)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(wèn)題。在測(cè)試位置變動(dòng)時(shí),需要頻繁移動(dòng)主機(jī)及測(cè)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(gè)別高達(dá)4～5m,現(xiàn)有的電容電感測(cè)試儀需要測(cè)試人員進(jìn)行高處作業(yè)來(lái)安裝電流鉗,作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高,工作量大,增加了安全隱患。

因此,有必要研制一種無(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀來(lái)解決上述問(wèn)題。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及測(cè)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(gè)主機(jī)和6個(gè)從機(jī)(無(wú)線同步數(shù)字電流鉗）組成,其中主機(jī)負(fù)責(zé)輸出測(cè)量電壓,同時(shí)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣測(cè)量,從機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)被測(cè)電容同相電流進(jìn)行采樣。在采樣過(guò)程中,要保證主機(jī)與從機(jī)同步進(jìn)行(時(shí)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(hào)并通過(guò)無(wú)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(chǔ)及數(shù)據(jù)處理。

1.2測(cè)試原理

該測(cè)試儀采用了絕對(duì)值測(cè)試法,即對(duì)被測(cè)電容的電壓Ux和電流1x進(jìn)行采樣,計(jì)算出兩個(gè)基波信號(hào)的相位差值和幅值比值,從而獲得被測(cè)對(duì)象的絕對(duì)電容量。

電容器測(cè)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(jí)與次級(jí)變比為10:1,即次級(jí)輸出電壓為22V,隔離變壓器次級(jí)輸出電壓加到被測(cè)電容兩端,鉗形電流傳感器L1鉗入被測(cè)電容Cx同相側(cè)進(jìn)行電流采樣來(lái)獲得流過(guò)被測(cè)電容Cx的電流1x,電壓傳感器L2并聯(lián)到電容器兩端來(lái)獲得被測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)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(hào)更加穩(wěn)定,以提高測(cè)量精度。

2無(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀設(shè)計(jì)

2.1測(cè)試主機(jī)設(shè)計(jì)

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

2.2無(wú)線同步數(shù)字電流鉗設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量,本文研制的電容電感測(cè)試儀設(shè)計(jì)了無(wú)線同步數(shù)字電流鉗,該電流鉗主要由無(wú)線同步模塊、無(wú)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(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀對(duì)流過(guò)電容器的電流、電壓采用"異地"測(cè)量,因此對(duì)電流、電壓的同步采樣的同步精度直接影響了測(cè)量結(jié)果的精確度,這是實(shí)現(xiàn)多通道無(wú)線測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。本文引入了2.4G無(wú)線同步技術(shù),通過(guò)互相校時(shí)的方法達(dá)到時(shí)間同步,同時(shí)將無(wú)線傳輸和無(wú)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(guò)無(wú)線方式傳輸出來(lái)。

首先無(wú)線同步模塊與主機(jī)的無(wú)線同步模塊進(jìn)行同步脈沖對(duì)時(shí)、同時(shí)精度達(dá)0.5us,時(shí)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(wú)線同步數(shù)字電流鉗(從機(jī)）對(duì)電壓、電流進(jìn)行同步采樣。并將采樣到的電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)再通過(guò)無(wú)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(wú)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(hào)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(guò)無(wú)線透?jìng)髂K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(hào)通信交換的,不受變電站強(qiáng)工頻干擾,測(cè)試結(jié)果更加精準(zhǔn)可靠。

2.3測(cè)試電源逆變電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電容電感測(cè)試儀一般采用工頻變壓器對(duì)單相市電進(jìn)行變壓降壓后,通過(guò)多個(gè)抽頭來(lái)輸出不同測(cè)量電源電壓進(jìn)行測(cè)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(duì)復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境,本文研制的無(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀采用專用純正弦逆變功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)試,該電源具備過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)功能,通過(guò)串接口與單片機(jī)通信來(lái)設(shè)置輸出電壓、頻率等。

2.4無(wú)線遙控電流鉗安裝工具設(shè)計(jì)

在一些實(shí)際測(cè)試場(chǎng)合,往往需要測(cè)試人員進(jìn)行高處作業(yè)來(lái)安裝測(cè)量電流鉗傳感器,這個(gè)過(guò)程中可能發(fā)生觸電或高處墜落的風(fēng)險(xiǎn)。為保證測(cè)試過(guò)程安全無(wú)隱患,本文研制了可無(wú)線遙控電流傳感器卡鉗自動(dòng)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(dòng)伸縮桿、帶套管鋼絲拉繩、測(cè)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(zhǎng)的絕緣桿上,一端通過(guò)螺紋與伸縮絕緣桿連接,通過(guò)遙控器控制電動(dòng)伸縮桿的伸縮來(lái)帶動(dòng)套管拉繩牽引拉動(dòng)鉗表電流互感器的打開(kāi)與閉合。

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

2.5剩余電量可視化放電工具原理設(shè)計(jì)

對(duì)電容組進(jìn)行測(cè)量前,需要確定電容已充分放電,一般需對(duì)電容器組進(jìn)行放電處理。傳統(tǒng)的放電棒無(wú)法得知放電后電容剩余電荷是否為零,需要使用電壓測(cè)量工具進(jìn)行確認(rèn),在此過(guò)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(guò)在傳統(tǒng)放電棒內(nèi)嵌入電壓采樣電路,在放電的同時(shí)進(jìn)行電壓采樣,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放電對(duì)象殘余電荷,實(shí)現(xiàn)了在放電的同時(shí)顯示殘余電壓,能直觀定量地觀察放電結(jié)果。

3無(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀應(yīng)用

軟件及硬件搭建完成后,開(kāi)始進(jìn)行整體的系統(tǒng)測(cè)試,檢查各功能模塊完整無(wú)誤后,使用無(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀和市場(chǎng)常用的一體化電容電感測(cè)試儀測(cè)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(cè)試所得電容量值與額定值的偏差)該電容器組由24個(gè)電容器組成）,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)儀器的測(cè)量結(jié)果及測(cè)量精度沒(méi)有差別。

通過(guò)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn),在該并聯(lián)補(bǔ)償電容器組測(cè)試中,本文研制的無(wú)線智能化電容電感測(cè)試儀測(cè)試時(shí)間比市場(chǎng)常用的電容電感測(cè)試儀減少了60%,大大提高了工作效率。

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)采用無(wú)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(xiǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

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