基于高壓電器容量試驗測量系統(tǒng)性能的研究

0 引言

電力行業(yè)近些年發(fā)展迅速，電能傳輸與配送的安全與可靠也越來越受到很高的關注，高壓電器是否穩(wěn)定運行也成為行業(yè)內(nèi)關注的焦點，高壓電器在正式入網(wǎng)使用前必須通過國家規(guī)定的型式試驗，容量開斷試驗是型式試驗的最重要部分，對試驗數(shù)據(jù)的精確與可靠性提出了很高的要求，所以試驗室的試驗測量系統(tǒng)對于容量試驗具有重要的意義。

近些年International ElectrotechnicalCommission(簡稱IEC)標準和Short-CircuitTesting Liaison(簡稱STL)技術導則的不斷修訂和完善，對容量試驗的技術要求也越來越高。

試驗需要測量的信號不僅數(shù)量多，而且幅值范圍大，頻率范圍寬，記錄的時間也長短不一。電壓從幾伏到一千多千伏，電流從幾安到幾百安，電流測量頻率從直流到幾十千赫茲，并且試驗信號都不是單頻而是混頻信號，持續(xù)時間從幾微秒到幾十秒等等。高壓試驗同時測量的參量也很多，包括試驗電壓，試驗電流，負載電壓，分合閘線圈的電壓，試品的機械行程曲線，電弧電壓等等。為了滿足發(fā)展的要求，機械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質量檢測中心研制出完全符合其要求的容量試驗測量系統(tǒng)。并很好的滿足試驗標準的要求，運行良好。

1.測量系統(tǒng)的組成方案

1.1 測量系統(tǒng)的硬件組成部分

測量得到示波圖的核心硬件是波形記錄儀，本系統(tǒng)記錄儀采用了當前世界上先進的LDSGenesis波形記錄儀，并有匹配的測試軟件(軟件部分我們下部分介紹)。記錄儀我們采用了16個通道1MS/s的采集模塊，16bit,±1~±50V可調(diào)，模擬帶寬500kHZ(-3dB)。4個通道10MS/s的采集模塊，14bit,±0.02~±100V可調(diào)，模擬帶寬1MHZ(-3dB)。

在電流傳感器配置方面，因為測量電流頻帶寬，短路電流周期分量、非周期分量、頻率、相角、時間常數(shù)、主回路干擾等都是影響波形的因素，在電纜充電電流和線路充電電流中的合閘涌流、合成試驗時延弧干擾等等也都對電流測量的準確度產(chǎn)生很大影響。高壓試驗電流測量現(xiàn)在主要有分流器，帶氣隙的電流互感器和羅斯線圈幾種，我們主要采用了帶氣隙的電流互感器，并參加了國際短路試驗聯(lián)盟組織的，國內(nèi)有西高院牽頭的短路電流測量比對[11],測量值偏差為0.4%.其測量電流的周期分量和非周期分量都很好。選用的電流互感器要滿足測量的要求，根據(jù)不同的電流值，選取了幾檔電流互感器，變比分別為100/5、2500/5、3000/5、20000/5、100000/5(單位A)的電流互感器，直接網(wǎng)路試驗可以測量50KA,時間常數(shù)120ms,線性度小于5%,暫態(tài)誤差100ms內(nèi)小于1%,精度達到1級。

在電壓傳感器的配置方面，高壓電器試驗在電壓工頻階段頻率比較穩(wěn)定，但是在開斷后的恢復階段頻率不是單一的，而是混頻信號，持續(xù)的時間比較短，一般只有幾微秒，需要運用2參數(shù)或者4參數(shù)法測量恢復電壓的TRV等參量。在恢復電壓之后有幾多達幾秒的工頻穩(wěn)態(tài)電壓或者直流恢復電壓。本系統(tǒng)選用了最新的RC-70阻容分壓器來測量電壓信號，阻容分壓器具有頻帶很寬的特點，可以測量信號的頻率范圍從直流到500KHz信號。分壓器可測量70kV電壓，完全滿足三相直接試驗的使用，測量精度達到1級。選用的分壓器可以單獨測量各點得對地電壓，也可以兩個一對測量點與點之間的線電壓，對測量的準確性有很多的幫助。

在信號傳輸方面，由于高壓電器容量試驗時一個干擾多，強電磁的環(huán)境，信號傳輸要抵抗這些干擾問題，本測量系統(tǒng)采用光纖傳輸信號并且與之匹配的是數(shù)字光纖隔離模塊，數(shù)字光纖模塊的誤差達到0.5%滿量程，模擬寬帶20MHz(-3dB)，在傳輸前端EMC屏蔽，單獨的電池供電，電池是可更換的，簡單方便，使用壽命長。數(shù)字隔離模塊抗干擾能力強，可以放在復雜的環(huán)境中，包括試驗小室內(nèi)，采集的數(shù)據(jù)再用光纖傳到試驗室，進入記錄儀進行顯示和處理。

1.2 測量系統(tǒng)的軟件組成部分

與采集數(shù)據(jù)記錄儀匹配的是專門為高精密測量而開發(fā)的Perception軟件，在整個測量的系統(tǒng)中，軟件處理是在計算機中進行的，處于測量系統(tǒng)的后端，如圖1所示。

測系統(tǒng)具有很高的應用功能，具有專門為高壓電器試驗而打造的數(shù)據(jù)處理平臺，具備控制采集、存儲數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、調(diào)閱數(shù)據(jù)、函數(shù)編輯、報告生成等很多功能，尤其是其函數(shù)編輯功能具有高的靈活性，可根據(jù)自身的需要進行編輯。還具有擴展功能如CSI功能，可根據(jù)用戶的需求進行更具有人性化的界面編輯如圖2所示。在數(shù)據(jù)處理模塊中具有按照標準和STL導則要求而研制的函數(shù)分析庫，使用者根據(jù)不同是試驗項目來編譯合適的函數(shù)計算程序。STL提供了試驗數(shù)據(jù)發(fā)生器(TDG)來檢查測試軟件的算法精度，從公布的國外試驗室短路電流數(shù)據(jù)處理的平均結果來看：短路電流有效值測量不確定度≤0.4%,非對稱短路電流直流分量的測量不確定度≤2%,非對稱短路電流峰值測量不確定度≤0.2%.本系統(tǒng)采用編譯的函數(shù)后采用TDG提供的波形進行驗證，測試的結果是：短路電流有效值測量不確定度≤0.42%,非對稱短路電流直流分量的測量不確定度≤1.86%,非對稱短路電流峰值測量不確定度≤0.186%,測試結果證明，短路電流數(shù)據(jù)滿足STL技術文件關于軟件的技術指標。

處理后的試驗波形和數(shù)據(jù)自動進入報告編輯器中，顯示在報告頁面上，在報告頁面可以根據(jù)使用者的目的和標準要求，隨意的進行添加和舍棄試驗的信息，報告還可以和計算的數(shù)據(jù)源進行關聯(lián)，也可以和外接的CSI進行關聯(lián)。

報告中所包含的基本的試驗數(shù)據(jù)包括電壓與電流參量、行程曲線的位置參量、合分信號參量、機構操作電壓參量和試品的本身試驗編號等等。在機械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質量檢測中心所出具最新的試驗報告中，我們添加了中英文對照的信息，如圖3所示。最終生成的報告通過打印機打印成紙質報告，也可生成電子版記錄進行存檔。

2.測量系統(tǒng)的校準

容量試驗測量系統(tǒng)是一個測量鏈的組成，本系統(tǒng)主要有傳感器、傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，系統(tǒng)校準兩種基本方法，第一種是對每一部分分別進行校準，整體分別校準法。第二種是對整個測量系統(tǒng)進行校準，整體校準法。我們這套測量系統(tǒng)采用的方法是對系統(tǒng)的整體進行校準。測量信號的輸出采用了先進的信號發(fā)生標準源，本源通過了國家計量中心的校準認證。通過源發(fā)出一系列的信號，試驗電壓與負載電壓的測量精度<1%.試驗電流的測量精度<1%.相應時間<0.01ms.0~20KHz的頻響誤差<4%.最后測得的結果完全的滿足IEC及GB1984-2003《交流高壓斷路器》對測量系統(tǒng)的要求，而且可以說精度達到了很高的結果。

3.測量系統(tǒng)的運行情況

本測量系統(tǒng)建立后完成了大量的斷路器，負荷開關等高壓電器產(chǎn)品的試驗任務，精確的測量結果和穩(wěn)定運行得到了試驗人員和試驗廠家的高度肯定，該系統(tǒng)是國內(nèi)高壓電器試驗領域建立起來的第一套高標準的測量系統(tǒng)，具有很重要的示范意義，克服了以前測量系統(tǒng)抗干擾能力差和高頻測量不精確的弊病。數(shù)據(jù)采集界面清晰，方便即刻測量試驗數(shù)據(jù)，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)完全滿足標準所注明的偏差要求，軟件系統(tǒng)通過TDG的對測試軟件的測量結果證明了其很高的技術指標。可以得出結論測量系統(tǒng)的設計完全符合STL于國家標準的要求，最終的良好的報告效果和優(yōu)異的數(shù)據(jù)交互效果提高了試驗的效率并更好的服務試驗廠家。

4.結語

本文所介紹的一套高壓電器試驗測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過配置性能先進的波形記錄儀，高性能的傳感器與性能符合STL標準的測量軟件來達到對試驗的精確測量。系統(tǒng)設計符合STL的技術指標，并且完成了系統(tǒng)對試驗參量測量偏差的評定。證實了該測量系統(tǒng)運行穩(wěn)定效果很好。