基于放電線圈的10 kV電容器殘余電壓檢測方案分析與設計

陳文鴻 朱躍勝 曾 莉 周泠紫

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門529000）

0 引言

電力系統中電容器廣泛用于輸電線路、變電站、供配電系統等場合，使用數量龐大，對改善電網運行性能有著重要的作用，是重要的電力系統設備之一。電力電容器投運越來越多，日常檢修維護、測試測量、故障更換等工作量巨大。尤其是電力行業對電能質量標準要求越來越高，為改善功率因數而廣泛使用的并聯電容器組數量眾多，但隨著電力使用容量的增加，近些年來并聯電容器組的故障率偏高，多次發生損壞更換作業[1]。按照標準操作規程，電力電容器組的檢修維護工作必須將電容器全部停電，先斷開電源，將電容器放電接地后，才能進行工作。每次與線路斷開，電容器組首先應經自動放電裝置放電，還需將電容器手動對地放電，一般不少于10 min，確認電容器殘余電壓在安全范圍以下，才能進行作業[2]。

目前電力電容器一般不設專門的電壓監測裝置，作業人員對電容器殘余電壓的判斷方法是手動逐個多次將電容器對地放電，確認無放電火花產生，則認為安全，這種方法顯然無法保證完全安全可靠。而電力電容器容量大，工作電壓高，手動放電耗時較長，因此有些時候作業人員越過手動放電步驟，不按規程操作，極易造成安全事故。因此，本文提出設計一種高壓并聯電容器殘余電壓檢測與顯示裝置，操作人員能夠通過它方便直觀地判斷電容器的放電狀態，在確保安全的情況下再進行操作，對提高生產效率、減少電力事故具有重要的意義。本文選擇高壓電容器中最為常見的10 kV等級作為分析對象。

1 設計原理

按照前述規范，電力電容器組均應配備自動放電裝置，目前電力系統中普遍采用放電線圈作為自動放電設備。放電線圈用于電力系統中與高壓電容器并聯連接，使電容器組從電力系統中切除后的剩余電荷迅速泄放。符合國家標準的放電線圈能夠在5 s內放電使電容器兩端電壓達到50 V以下，放電線圈帶有二次繞組，可供線路監控、監測和二次保護用。其二次繞組與一次繞組變比固定，額定輸出電壓為100 V，輸出精度通常為0.5級，能在1.1倍額定電壓下長期運行[3]，利用放電線圈二次繞組輸出電壓來檢測電容器兩端殘余電壓完全可行。高壓電路中電容器組主要有集中式和分組式兩種形式，為保證安全一般外部都有隔離護欄，放電過程中操作人員嚴禁入內，選擇讀取電容器電壓檢測值的方式必須考慮到這一點。

因此，殘余電壓檢測過程應包含如下環節：放電線圈二次輸出電壓經分壓電路降壓，由數據采集電路檢測當前信號，將結果交給工業單片機電路計算還原得到一次電路中電容器兩端的殘余電壓大小，由單片機輸出顯示。確認放電結束、電容器殘余電壓降至安全水平前，工作人員嚴禁進入隔離空間。隔離網雖有觀察窗口和操作窗口，但作業人員距離顯示屏仍有較遠距離，因此需要設計無線通信方式將檢測數值傳送至接收設備供作業人員查閱，同時作業人員可遠程監測電容器放電過程。檢測與顯示電路均為弱電級別，無需額外增加一次電路設備，采用工業級電路具有良好的抗干擾性能，而無線通信方式在當今變電站中已普遍應用，方案理論上可滿足實際使用需求。

2 組成結構

根據方案分析，電容器殘余電壓檢測裝置組成結構如圖1所示。

圖1 檢測系統結構框圖

圖1 中，U1代表被測放電電容器兩端的瞬時殘余電壓，U2代表放電線圈二次輸出經分壓之后的瞬時電壓，其大小主要由分壓電路分壓比調節，應滿足信號采集電路的輸入要求。對于10 kV電力系統中的電容器自動放電，配套放電線圈一次額定電壓為10 kV，二次額定電壓為100 V，電容器和放電線圈一次繞組之間的接線方式常見有以下兩種，如圖2所示。

圖2 放電線圈接線方式注：A代表A相，B代表B相，C代表C相。

圖2中方式（a）適用于放電線圈同時配合繼電保護系統反映三相電容器不平衡情況，用作電容器殘余電壓測量時，兩種方式作用相同[4]。圖2兩種接線方式U1和U2的關系均為：

式中，k為分壓電路分壓比。

得到U2后，為提高精度和可靠性，信號采集電路應選用工業級集成芯片，將U2轉化為數字信號輸入給工業級單片機。本方案中，選用專用信號采集模塊進行信號轉換，采用交流采樣方式，精度高、速度快，對采集電路要求不高。本方案控制器采用工業級單片機，可選擇AVR或STM32系列產品，功耗低、抗干擾性能好。信號采集模塊將轉換后的數字電壓信號送入單片機，單片機計算出電壓有效值，再根據式（1）很容易計算出三相各自電容器極間電圧U1的大小并輸出到顯示模塊上。

顯示模塊采用成熟的OLED集中顯示模塊，分辨率高，顯示清晰，便于現場查看顯示數據。利用單片機I2C總線通信向OLED模塊傳送顯示數據，接線、編程簡單，速度快，可靠性高。無線通信選用成熟的工業無線通信模塊，與單片機采用串口傳輸數據，實現方便，不增加單片機的額外負擔。

根據上述設計方案，單片機控制器的程序實現也非常簡單，為提高可靠性可以加入軟件看門狗程序，程序流程如圖3所示。整個系統結構清楚，控制算法不復雜，計算量很小，非常適合本方案對精度、可靠性要求高，抗干擾能力要求強的需求。

圖3 控制器程序流程

3 關鍵問題

根據上述原理，三相并聯電容器極間電圧殘余量均可測量并顯示輸出。但在系統各組件的測試試驗中，體現出兩個方面的問題需要解決。

3.1 低電壓檢測精度

電容器殘余電壓較高時，放電線圈處于深度飽和狀態，放電過程電容器極間電圧呈指數型衰減，放電線圈二次繞組輸出精度較高；低殘余電壓狀態下，放電線圈處于勵磁電抗變化狀態，二次繞組輸出呈現出振蕩衰減變化，輸出幅值且變化不規律[5]。因此，在電容器殘余電壓較高時，采集電路可以得到較高精度的輸出，而殘余電壓較低時信號采集精度難以保證，測試中當殘余電壓在100 V以下時輸出誤差甚至會達到50%，顯然無法滿足使用需求。

解決方案有兩種：

一是在測量技術中常用的對輸出信號進行線性化處理與非線性補償，一般采用“函數計算法”或“曲線擬合法”。根據前述分析，放電線圈放電過程初始階段和后期階段其參數特征不同，實際上難以用一個線性關系函數描述，很顯然“曲線擬合法”更適合電容器電壓檢測。

二是分壓電路采用分壓比可調設計，但該法電路組成較復雜，成本高而可靠性較低，本系統中不適合采用。

3.2 無線通信干擾

如前所述，殘余電壓檢測值需要顯示輸出以指示作業人員。而高壓系統作業時，在沒有確認系統不帶電并可靠接地的情況下，禁止近距離靠近，采用傳統的液晶屏顯示輸出可作為一種方案，但實際使用時有所不便。因此方案提出采用無線通信傳輸檢測數據送往無線終端顯示，但高壓現場的強大電磁場對無線通信是否會產生干擾？在實測中，經反復比較，4G無線通信較適合在高壓工頻環境中傳輸數據。4G無線通信屬高頻數字通信，在傳輸檢測數據時不會受到高壓工頻電路影響，且檢測裝置所處放電回路能量衰減很快，采用4G無線通信在傳送數據時幾乎不受電磁場干擾。

4 無線輸出方式

根據上述分析，本方案選擇4G無線通信。4G無線通信應用最廣泛的終端設備當屬智能手機，因此本方案將作業人員所配備智能手機作為無線顯示終端。現場檢測裝置作為服務器，可同時與多臺智能手機通信，編寫一個簡單的APP就可將檢測電壓數據顯示在手機上，工作人員在室內也可以可靠地接收到信號實時監測電容器放電狀態。在智能手機廣泛普及的前提下，利用智能手機作為無線終端也不會增加本方案的額外成本。

5 結語

本文針對電力電容器斷電操作中的放電規程，提出了利用放電線圈檢測電容器殘余電壓的方案，分析了方案實施的可行性，并結合一些原理測試試驗，總結了方案實施的一些關鍵問題，為實際裝置的研究與開發提供了理論依據，具有較好的參考價值。該方案不改變一次系統的組成和結構，適合現今電力系統中的并聯電容器組電壓檢測，成本低而通用性好，具有很好的研究開發價值。