高壓電器容量試驗測量系統

【摘要】作者介紹了一套高壓電器試驗測量系統，系統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。系統設計符合STL的技術指標，并且完成了系統對試驗參量測量偏差的評定。測量系統通過了大量的高壓電器容量試驗，運行穩定效果很好，通過試驗人員和單位的肯定。

【關鍵詞】測量系統；STL；容量試驗；傳感器；偏差值

電力行業近些年發展迅速，電能傳輸與配送的安全與可靠也越來越受到很高的關注，高壓電器是否穩定運行也成為行業內關注的焦點，高壓電器在正式入網使用前必須通過國家規定的型式試驗，容量開斷試驗是型式試驗的最重要部分，對試驗數據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對于容量試驗具有重要的意義。

近些年International Electrotechnical Commission（簡稱IEC）標準和Short-Circuit Testing 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[1-4]。試驗需要測量的信號不僅數量多，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。為了滿足發展的要求，機械工業高壓電器產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。并很好的滿足試驗標準的要求，運行良好。

1.測量系統的組成方案

1.1 測量系統的硬件組成部分

測量得到示波圖的核心硬件是波形記錄儀，本系統記錄儀采用了當前世界上先進的LDS Genesis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，模擬帶寬500kHZ（-3dB）。4個通道10MS/s的采集模塊，14bit，±0.02～±100V可調，模擬帶寬1MHZ（-3dB）[5]。

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、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生很大影響。高壓試驗電流測量現在主要有分流器，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盟組織的，國內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，直接網路試驗可以測量50KA，時間常數120ms，線性度小于5%，暫態誤差100ms內小于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，持續的時間比較短，一般只有幾微秒，需要運用2參數或者4參數法測量恢復電壓的TRV等參量。在恢復電壓之后有幾多達幾秒的工頻穩態電壓或者直流恢復電壓。本系統選用了最新的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，強電磁的環境，信號傳輸要抵抗這些干擾問題，本測量系統采用光纖傳輸信號并且與之匹配的是數字光纖隔離模塊，數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。數字隔離模塊抗干擾能力強，可以放在復雜的環境中，包括試驗小室內，采集的數據再用光纖傳到試驗室，進入記錄儀進行顯示和處理。

1.2 測量系統的軟件組成部分

與采集數據記錄儀匹配的是專門為高精密測量而開發的Perception軟件，在整個測量的系統中，軟件處理是在計算機中進行的，處于測量系統的后端，如圖1所示。

測系統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據處理平臺，具備控制采集、存儲數據、顯示數據、調閱數據、函數編輯、報告生成等很多功能，尤其是其函數編輯功能具有高的靈活性，可根據自身的需要進行編輯[6-9]。還具有擴展功能如CSI功能，可根據用戶的需求進行更具有人性化的界面編輯如圖2所示。在數據處理模塊中具有按照標準和STL導則要求而研制的函數分析庫，使用者根據不同是試驗項目來編譯合適的函數計算程序。STL提供了試驗數據發生器（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據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%[10]。本系統采用編譯的函數后采用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，短路電流數據滿足STL技術文件關于軟件的技術指標。

處理后的試驗波形和數據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據源進行關聯，也可以和外接的CSI進行關聯。報告中所包含的基本的試驗數據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，在機械工業高壓電器產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.測量系統的校準

容量試驗測量系統是一個測量鏈的組成，本系統主要有傳感器、傳輸系統、數據采集儀、數據處理系統組成，系統校準兩種基本方法，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進行校準，整體校準法。我們這套測量系統采用的方法是對系統的整體進行校準。測量信號的輸出采用了先進的信號發生標準源，本源通過了國家計量中心的校準認證。通過源發出一系列的信號，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》對測量系統的要求，而且可以說精度達到了很高的結果。

3.測量系統的運行情況

本測量系統建立后完成了大量的斷路器，負荷開關等高壓電器產品的試驗任務，精確的測量結果和穩定運行得到了試驗人員和試驗廠家的高度肯定，該系統是國內高壓電器試驗領域建立起來的第一套高標準的測量系統，具有很重要的示范意義，克服了以前測量系統抗干擾能力差和高頻測量不精確的弊病。數據采集界面清晰，方便即刻測量試驗數據，如圖4所示。數據采集與處理系統完全滿足標準所注明的偏差要求，軟件系統通過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異的數據交互效果提高了試驗的效率并更好的服務試驗廠家。

參考文獻

[1]IEC 62277-100，2001.High-voltage switchgear and control gear part 100：High-voltage alternating-current circuit breakers[S].

[2]Short-Circuit Testing Liaison.Guide to the interpretation of IEC 62271-100，Second edition 2003[R].

[3]GB/T4473-2008.高壓交流斷路器的合成試驗[S].

[4]GB 1984-2003.高壓交流斷路器[S].

[5]王安，姚斯立.新一代的大容量試驗測量系統[J].高壓電器，2012（4）：38-43.

[6]HBM.Perception STL Analysis option guide7.0[R].

[7]HBM.Perception CSI option guide7.0[R].

[8]HBM.Perception user guide7.0[R].

[9]HBM.Perception analysis option guide7.0[R].

[10]Short-Circuit Testing Liaison.Harmonization of data processing methods for high power laboratories[R].2004.

[11]AMHPL.Guide for the STL shunt project in Asia[R]. 2005.

作者簡介：陳寶峰（1985—），男，大學本科，工程碩士研究生在讀，遼寧高壓電器產品質量檢測有限公司助理工程師。