基于標準電容器的高壓信號精密測量系統設計

李賓賓,芮 暢,黃 杰,羅 沙

(1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院,安徽 合肥 230061;2.合肥工業大學電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009;3.國網安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

目前,電子式互感器(electronic transformer,ET)以其先進的傳感理論、更高的測量帶寬以及數字化輸出等優點被大量投入電力系統,用于感知一次高電壓大電流信號[1-4]。但工程運行情況表明,在變電站復雜運行環境的影響下,ET的誤差穩定性較差[5],需要對其誤差狀態進行有效且及時的檢測。

目前所采用的ET誤差檢測方法是依據國家標準規定,在一定的檢測周期內與標準互感器的輸出電壓信號進行比對校準,且需要停電檢測。然而對于高電壓等級的電力系統而言,長時間的非故障性停電通常難以實現,ET易處于超檢定周期的工作狀態。帶電檢測的方法可有效減少電力系統的非故障性停電時間。但其難點在于如何在不停電的情況下準確獲取一次電力系統的高電壓信號。文獻[6]以電磁式電壓互感器為標準互感器,設計了1種電子式電壓互感器測量誤差帶電檢測系統。標準的電磁式電壓互感器由鐵芯和線圈繞制而成,存在大量的電感單元,在與高壓導體帶電接觸時易引發過電壓暫態過程。特別是當電網出現振蕩或者短路等故障時,電磁式電壓互感器易出現磁飽和現象,從而激發較高的過電壓。鐵芯的磁飽和易影響標準電磁式電壓互感器對高壓信號的測量。較高的過電壓過程會影響設備安全,甚至阻礙電網的安全、穩定運行。

針對電子式電壓互感器不停電條件的誤差檢測需要,本文設計了1種基于標準電容器的高壓信號精密測量系統。首先,本文根據電容電壓不能突變的特性,設計標準電容器作為高壓信號的傳感主體,以避免測量系統帶電接入過程中引起的暫態過電壓對設備安全和測量結果準確性的影響。標準電容器可安全地通過機械升降的方式與高壓導體可靠接觸。其次,本文設計了1種帶T型網絡的改進模擬積分電路,對標準電容器輸出的微弱電流進行積分,從而利用高精度信號采集單元實現一次高壓信號的精密測量。

1 系統設計

高壓信號精密測量系統主要包括均壓裝置、機械升降及其電動控制裝置、阻尼電阻、標準電容器以及信號采集裝置[5]。其中,均壓裝置、機械升降及其電動控制裝置和阻尼電阻用于將本文研究的高壓信號精密測量系統帶電接入和退出高壓一次導線。

高壓信號精密測量系統結構原理如圖1所示。

圖1 高壓信號精密測量系統結構原理圖

由圖1可知,標準電容器是測量系統的主體傳感單元,接入高壓一次導線后會產生微弱電流。信號采集單元采集標準電容器輸出的微弱電流,經過積分信號處理和高精度模數轉換后可實現一次高壓信號的準確測量。

2 關鍵部件參數設計

對于本文所研究的基于標準電容器的高壓信號精密測量系統,工程人員利用遠程開關裝置控制升降機將測量系統并入電力系統帶電運行,以實現與高壓導線的可靠接觸。標準電容器和信號采集裝置是本文所設計的測量系統的關鍵部件,直接影響對高壓信號的準確測量。針對不同電壓等級的高壓信號測量需求,測量系統的標準電容器和信號采集裝置也不相同。本節以110 kV電壓的帶電檢測為例,說明本文研究的基于標準電容器的高壓信號精密測量系統關鍵部件及其參數設計的基本原則。

2.1 標準電容器設計

標準電容器是高壓帶電精密測量系統的關鍵傳感單元,在運行過程中需要保持參數穩定。本文所設計的標準電容器采用同軸電容結構。該電容器的電容量為50 pF、長度為1 m、外殼直徑為0.2 m,可以有效減少電場邊緣效應所引起的雜散電容對標準電容器容值穩定性的影響。標準電容器的設計額定電壓為150 kV、工頻耐壓值為165 kV/min。考慮SF6氣體具有較高的介質恢復強度,本文設計的標準電容器采用SF6氣體作為絕緣介質。標準電容器的工作溫度為-10～+40 ℃,可適應大部分的應用場景。在實驗室測試不同電壓下標準電容器的電容值及其介質損耗值如表1所示。

表1 不同電壓下標準電容器的電容值及其介質損耗值

根據表1進行二階擬合,結果為:

C=a+bU+cU2

(1)

式中:C為不同外施電壓下標準電容器的電容值,pF;U為電容器的外施電壓,kV;a為常數,本文取a=49.872;b為常數,本文取b=-1.728E-5;c為常數,本文取c=1.326E-7。

標準電容電壓系數an為:

(2)

式中:UN為標準電容的設定額定電壓,本文取UN=150 kV。

由式(2)可以得到標準電容的電壓系數為9E-6,小于標準規定的5E-5。這表明本文所設計的電容可以作為標準電容使用。

2.2 信號采集電路設計

高壓信號精密帶電測量系統的信號采集電路設計原理如圖2所示。

圖2 信號采集電路設計原理圖

當標準電容與高壓導體可靠接觸時,標準電容會產生微弱的電流信號。信號采集電路直接采集流經標準電容器的電容電流i,將電流信號通過模擬積分電路轉換為小電壓信號u。單片機控制模數(analog-to-digital,A/D)轉換電路對u進行A/D轉換后輸出數字信號。電光轉換電路將數字電信號轉換為光信號,實現測量系統與工程人員的電氣隔離,并通過光纖傳輸給遠端上位機進行一次高壓信號的測量。信號采集電路設計的關鍵在于模擬積分電路和A/D轉換電路的設計。

2.2.1 積分電路設計

本文設被測一次系統的工頻電壓U′為:

U′=Umsin(ωt+φ)

(3)

式中:Um為被測電壓的最大值;ω=2πf為被測高壓信號的角頻率,Hz;φ為被測電壓的初始相位。

根據本文前述標準電容器的設計,可以忽略絕緣電阻對測量結果的影響。標準電容器接入一次電網后產生的電流為:

(4)

由式(4)可知,i與一次母線電壓信號的頻率有關。國家電網對系統頻率波動范圍的要求為50(1±10%)Hz,即極限情況下因一次電壓頻率波動造成i的輸出偏差可達20%。這種偏差會嚴重影響測量系統對高電壓信號的測量精度。因此,需要對電容器輸出的i進行積分處理,以消除被測電網系統的頻率波動對高壓信號測量準確度的影響。一般而言,信號積分主要包括數字積分與模擬積分這2種。

相比數字積分電路,模擬積分電路不會受到積分起始點的影響,并且輸入信號的直流零漂也不會引起輸出的飽和。雖然模擬器件會存在一定的溫度漂移和時間漂移、模擬器件間存在離散性,同時輸出也存在直流漂移,但是現場應用表明,在工頻情況下,使用模擬積分器性能穩定。相比數字積分器,模擬積分器追蹤輸入信號變化的速度更快,其直流漂移也可以在軟件中消除。本文采用模擬積分器對標準電容器輸出的微弱電流信號作積分處理。

模擬積分電路如圖3所示。

圖3 模擬積分電路

理想的模擬積分電路在實際應用中很難得到預期的效果,因此通常在積分電容上并聯一個阻值較大的反饋電阻。反饋電阻可以為放大器的偏置電壓提供反饋通道,從而有效抑制偏置電壓對源信號積分結果的影響。

當反饋電阻足夠大時,模擬積分電路的幅頻特性曲線將接近理想積分電路。但由于反饋電阻的存在,模擬積分電路的低頻增益非常大,會對工頻信號的輸出造成一定的影響。為了抑制低頻干擾,有學者對模擬積分電路進行了改進設計[7-8]。由圖3(b)可知,改進后的模擬積分電路與典型模擬積分電路相比,多了一個電阻和電容組成的T型網絡。這種電路結構可在不影響輸出增益的條件下實現對輸出信號的相位調節。

本文選用帶T型網絡的改進模擬積分電路對標準電容器輸出的微弱電流進行積分處理。通過對系統各參數的分析,本文將各參數設置為:R1=12 kΩ;R2=R3=1 MΩ;R4=200 kΩ;電容C1=1.26 μF;C2=2.2 μF。R2、R3、R4、C2構成的網絡作為低通濾波器,用于減少積分器所受到的小于1 Hz的低頻噪聲的影響。基于上述參數得到本文所設計的改進模擬積分器頻響曲線如圖4所示。

圖4 改進模擬積分器頻響曲線

由圖4可知,T型網絡具有很好的相位特性。而在幅頻特性方面,其在低頻時存在較低振蕩。該振蕩不在本文所考慮電網頻率50(1±10%)Hz的波動范圍內,因此可以不予考慮。本文設計的模擬積分電路可應用于高壓信號的精密測量。

2.2.2 模式轉換單元設計

標準電容器輸出的微弱電流經過模擬積分電路處理后轉變為模擬小電壓信號。其需要通過設計數模轉換單元對模擬小電壓信號進行數字化,并利用光纖發送給工程運維人員,以實現一次高壓信號的精密、安全測量。其主要包括A/D轉換電路、單片機以及電光轉換電路。

A/D部分采用了AD7685CRM作為A/D采集芯片。該芯片的分辨率為16位,可保證高壓信號測量系統的測量準確度滿足0.05級的要求。

單片機選用了低功耗的MSP430系列單片機,工作主頻為8 MHz。MSP430單片機具有豐富的中斷器功能,有利于對A/D芯片進行時序控制。A/D采樣控制時序流程如圖5所示。

圖5 A/D采樣控制時序流程圖

MSP430單片機的運行流程如下。

①采用MSP430單片機的TIMERA時鐘的信號捕獲模式,當捕獲到外部采樣時鐘信號的上升沿時進入采樣中斷模塊。

②進入采樣中斷后,MSP430單片機發出指令,控制A/D芯片開始采樣。采樣率為10 kHz。采樣全程共采集5個周波,共1 000個采樣點。完成后,單片機進入采樣等待模式。

電光轉換電路基于光纖發射器HFBR1414設計。MSP430單片機輸出的電信號經過HFBR1414處理后轉換成光信號,通過光纖發送給遠方工程技術人員。光纖具有抗干擾性強、絕緣性能好的優點,可以保證信號的可靠傳輸以及操作人員的人身安全。

3 校準測試

參考文獻[9]、文獻[10]的規定,本文基于標準表法對所設計的高壓信號精密測量系統進行校準測試。校準試驗原理如圖6所示。

圖6 校準試驗原理圖

3.1 基本準確度測試

本文研究的測量系統的基本準確度測試,通過調節試驗變壓器的電壓輸出,并與標準電壓互感器比對的方法開展。測量系統的基本準確度測試如表2所示。

表2 測量系統的基本準確度測試

表2中:f為測量系統的幅值誤差,%;δ為測量系統的相位誤差,(′)。

由表2可知,當一次電壓從20%額定電壓升高至120%額定電壓時,測量系統的幅值變化范圍為0.005%～0.015%,相位誤差的變化范圍為-0.2′～+1.2′。該結果滿足0.05級的準確度需求。當一次電壓從120%額定電壓下降至20%時,測量系統的幅值變化范圍為0.000%～0.010%,相位誤差的變化范圍為-0.6′～+1.2′。該結果滿足0.05級的準確度需求。

3.2 測量不確定度分析

參照國家計量標準[11]中對測量不確定度的評定要求,本文對所設計的高壓信號精密測量系統的測量不確定度進行分析。

① A類不確定度的計算。

《測量不確定度評定與表示》(JJF 1059.1—2020)標準[11]規定,需要對被測量對象進行多次獨立重復觀測,以計算其A類不確定度。計算方法為:

(5)

(6)

式中:μA為測量系統A類不確定度。

在標準電容器外施電壓為額定電壓110 kV時,本文利用所設計的高壓信號精密測量系統進行多次反復的獨立測量。測量次數為30次。本文設計的高壓信號精密測量系統的A類不確定度如表3所示。

表3 測量系統的A類不確定度

由表3可知,分布類型均為正態分布。

②B類不確定度的計算。

對于標準設備,其不確定度的評定結果非常可靠,因此其自由度一般取無窮大。

③不確定度的合成。

A類不確定度μA與B類不確定度μB是相互獨立的,則本文設計高壓信號精密測量系統幅值誤差不確定度的合成為6.055E-05、相位誤差不確定度的合成為0.330。

④擴展不確定度的計算。

本文設置信概率P=99%、包含因子k=3,則可得到本文設計高壓信號精密測量系統幅值誤差不確定度的合成為1.817E-04、相位誤差不確定度的合成為0.990。

4 結論

針對電子式電壓互感器測量誤差帶電檢測的工程應用需求,本文研究了1種基于標準電容器的高壓信號精密測量系統。首先,本文設計標準電容器作為一次電壓信號的傳感主體,采用1種帶T型網絡的改進模擬積分電路和高精度信號采集單元對標準電容器的輸出電流進行采集和反演,從而實現高壓信號的精密測量。其次,本文采用電動控制機械升降機的方式,實現測量系統安全接入和退出一次電力系統。校準試驗結果表明,本文研究的高壓信號精密測量系統準確度滿足0.05級的要求,可用于電子式電壓互感器測量誤差的帶電檢測。