鄧旭東 溫元喜 魏 鋼 姚 林

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

電容式電壓互感器（CVT）已有五十多年的發(fā)展歷史，在72.5～1000kV 電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，CVT 能否正常運(yùn)行直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)例統(tǒng)計(jì)，因設(shè)備絕緣性能老化導(dǎo)致的絕緣故障約占總故障率的50%以上[1]，因此評(píng)估CVT 絕緣狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著十分重要的意義。目前最常見(jiàn)的評(píng)估方法則是通過(guò)測(cè)量CVT 介質(zhì)損耗參數(shù)tanδ判斷絕緣老化的程度，分析其絕緣性能。

介質(zhì)損耗測(cè)量方法可以分為傳統(tǒng)測(cè)量法和現(xiàn)代測(cè)量法。以電橋測(cè)量法為代表的傳統(tǒng)介損測(cè)量方法，因其操作過(guò)程復(fù)雜、易受人為因素影響、接線有高壓危險(xiǎn)、受電場(chǎng)干擾引入較大誤差等限制了其應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出一批采用不同變換處理技術(shù)為代表的現(xiàn)代測(cè)量方法[2]，自由軸法、相位差法、過(guò)零點(diǎn)電壓比較、諧振分析法等的應(yīng)用提高了測(cè)量精度。國(guó)內(nèi)外也有設(shè)備研制公司開(kāi)發(fā)了高性能的自動(dòng)測(cè)量?jī)x，比如濟(jì)南泛華電子研制的 “AI-6000 自動(dòng)抗干擾精密介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x”，揚(yáng)州寶應(yīng)設(shè)備廠研制的“BC2690B 抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)試儀”，在測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性上都有了較大提高，但在干擾較強(qiáng)時(shí)儀器的可重復(fù)性不高，有時(shí)出現(xiàn)測(cè)試不準(zhǔn)確等問(wèn)題[3-4]。英國(guó)開(kāi)發(fā)的“DELTA-2000 全自動(dòng)介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x”，美國(guó)Doble公司的“M4000 全自動(dòng)絕緣測(cè)試儀”由于價(jià)位較高也限制其推廣應(yīng)用[5-9]。在CVT 介損測(cè)量方面，上述方法和設(shè)備的應(yīng)用也都有局限性，存在受電磁場(chǎng)干擾較大，可重復(fù)性不高，在實(shí)際測(cè)量時(shí)存在不安全等因素。

為改善CVT 介損測(cè)量方法，提高測(cè)量精確度，本文提出了一種非接觸式CVT 介損測(cè)量方法，基于自激法原理通過(guò)非接觸式測(cè)量平臺(tái)對(duì)CVT 各部分電容的電壓電流波形同步采樣，并由無(wú)線WIFI 模塊將所測(cè)得電參量傳輸至PC 端，在LabVIEW 軟件平臺(tái)上用諧波分析法進(jìn)行電壓電流信號(hào)的處理并計(jì)算得出介質(zhì)損耗參數(shù)tanδ。該方法有高壓隔離，安全系數(shù)高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且能可視化所測(cè)得電壓電流波形，便于判斷絕緣材料介損參數(shù)變化情況。

1 方法及原理

1.1 CVT 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電容式電壓互感器（CVT）由電容分壓器和電磁單元兩部分組成[10]，其電氣原理圖如圖1所示。分壓電容器由高壓分壓電容C1和低壓分壓電容C2組成。電磁單元的中間變壓器T 的中壓連線分有、無(wú)引出線兩大類。T 和補(bǔ)償電抗器L、阻尼電阻Z在C2下面的油箱內(nèi)共同組成一基本電容分壓器單元。

圖1 CVT 電氣原理圖

CVT 在運(yùn)行中容易出故障的部分表現(xiàn)在介損值、電容量超標(biāo)，為保證合格設(shè)備投入使用、保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定，根據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》要求[11]，高壓電容C1和低壓電容C2的電容量、tanδ和中間變壓器的tanδ是需要準(zhǔn)確測(cè)量的參數(shù)。

1.2 介損測(cè)量原理

在交流電壓的作用下電介質(zhì)產(chǎn)生一定能量損耗，這部分損耗稱為介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失[12]。電介質(zhì)并聯(lián)或串聯(lián)等值電路中，電壓與電流向量之間的夾角的余角δ，即為介質(zhì)損耗角，如圖2所示。

圖2 電介質(zhì)的等值電路與相量圖

本文介紹的介損參數(shù)tanδ計(jì)算方法是基于傅里葉級(jí)數(shù)的選頻特性的諧波分析法，基本思想是將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，在頻域上采用幅度、頻率和相位、頻率方式表示[13]。設(shè)施加于被測(cè)設(shè)備上的電壓為u，流過(guò)該設(shè)備的電流為i，分別將其進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，可以表示為

式中，U0、I0分別為電壓電流的直流分量；Ukm、Ikm分別為電壓、電流的各次諧波幅值；αk、βk分別為電壓、電流的各次諧波相角（k=1，2，3，…∞）。容性試品的電流超前電壓π/2，其介質(zhì)損耗角的正切值為：

式中，α1、β2分別為電壓、電流的基波相角。由于在介質(zhì)損耗測(cè)量中測(cè)得的介質(zhì)損耗角是在基波情況下的值，因此使用諧波分析法只需要求得電壓、電流中的基波分量，通過(guò)三角函數(shù)的正交性計(jì)算得出準(zhǔn)確的tanδ。以被測(cè)電壓信號(hào)為例，設(shè)被測(cè)電壓信號(hào)的周期為T，一周期采樣點(diǎn)數(shù)為N，即采樣時(shí)間間隔為T/N。當(dāng)均勻同步采樣一個(gè)周期，可以獲得一系列數(shù)值將其表示為{Uk}=U0,U1,U2,…,UN-1，離散化后系數(shù)P0、P1為

求得電壓信號(hào)基波的幅值和初相角分別為

同理，離散化后系數(shù)Q0、Q1為

求得電流信號(hào)基波的幅值和初相角分別為

介質(zhì)損耗角為

1.3 非接觸式測(cè)量平臺(tái)

介損測(cè)量主要是測(cè)得試品的電壓電流值，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析得出介損值。本文引入了一種非接觸式檢測(cè)方法，借助于無(wú)線檢測(cè)平臺(tái)，如圖3所示，該平臺(tái)由檢測(cè)系統(tǒng)和無(wú)線傳輸系統(tǒng)兩部分組成，測(cè)量時(shí)由檢測(cè)模塊利用電壓電流傳感器測(cè)量電參量，然后通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將所測(cè)電參量傳輸?shù)絇C 端，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得出所需結(jié)果。

圖3 非接觸式電參量無(wú)線檢測(cè)平臺(tái)

檢測(cè)模塊所采用的是基于電場(chǎng)耦合原理的D-dot 電壓傳感器和基于巨磁效應(yīng)的GMR 電流傳感器。通過(guò)傳感器檢測(cè)被試設(shè)備的電壓電流波形，并將數(shù)據(jù)傳送至無(wú)線模塊1，通過(guò)無(wú)線WiFi 將數(shù)據(jù)傳輸至無(wú)線模塊2。無(wú)線傳輸模塊是建立在專用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（433MHz 頻段和2.4G 頻段）或借用CDPD、GSM、CDMA 等公用網(wǎng)信息平臺(tái)進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)囊环N模塊，主要由發(fā)射器，接收器和控制器組成[14]。本設(shè)計(jì)采用的是STR-30 系列微功率無(wú)線數(shù)傳模塊，具有微發(fā)射功率、傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)控制等優(yōu)點(diǎn)。

2 介損測(cè)試

電容式電壓互感器的高壓電容C1部分是由C11、C12兩節(jié)耦合電容與分壓電容C13串聯(lián)而成，低壓部分主要是C2。而電網(wǎng)中使用最廣泛的是C2和C1連在一起，中間沒(méi)有電壓引出端子但有中間變壓器相連的CVT。傳統(tǒng)的介損測(cè)量方法是利用電橋平衡的原理通過(guò)正接線或反接線實(shí)現(xiàn)C11、C12的測(cè)量，通過(guò)自激法實(shí)現(xiàn)C13、C2的測(cè)量。自激法是以CVT 的中間變壓器作為試驗(yàn)變壓器，從二次側(cè)施加電壓對(duì)其進(jìn)行激磁，在一次側(cè)感應(yīng)出高壓作為電源來(lái)測(cè)量C1和C2的電容及介損[15]。本文在自激法的基礎(chǔ)上將非接觸式測(cè)量技術(shù)加以應(yīng)用，如圖4所示，通過(guò)電壓電流傳感器測(cè)量電容C1、C2的電壓電流波形，由測(cè)控終端通過(guò)無(wú)線傳輸至PC 端進(jìn)行信號(hào)的處理和數(shù)據(jù)的計(jì)算，最終就可以得到相應(yīng)的電容和介損值tanδ。

圖4 非接觸式介損測(cè)量原理圖

2.1 CVT 中C1、C2 的介損測(cè)試

由于B 點(diǎn)未引出，試驗(yàn)電壓無(wú)法直接加到B 點(diǎn)，因此要用電磁單元升壓。根據(jù)CVT 結(jié)構(gòu)原理，CVT自激法試驗(yàn)電壓的選擇主要需考慮試品絕緣安全、二次激磁繞組容量、二次激磁繞組過(guò)流、串聯(lián)補(bǔ)償電抗器過(guò)流等因素。文獻(xiàn)[9]綜合分析以上幾個(gè)方面后，認(rèn)為試驗(yàn)電壓的選擇范圍一般是2～4kV。中間變壓器高壓側(cè)的額定電壓通常是10kV 左右，但在測(cè)量電路中考慮到分壓電容器低壓端N點(diǎn)的對(duì)地1min 工頻耐壓僅4kV，所以中間變壓器低壓側(cè)加壓時(shí)應(yīng)使其高壓側(cè)電壓＜4kV，可取為2.5kV。由于CVT 中C2的電容值要大于C1的電容值，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性和減少電磁場(chǎng)干擾帶來(lái)的誤差，引入了標(biāo)準(zhǔn)電容CN并考慮到σ端絕緣電阻C1C2CNRσ的影響[10]。

自激法測(cè)C1的接線圖如圖5所示。測(cè)控終端用變頻輸出自激法加壓，A 點(diǎn)接信號(hào)端子，加于C1的電壓（即B 點(diǎn)電壓UB）由σ端子引至標(biāo)準(zhǔn)電容的高壓端。

圖5 測(cè)量C1 時(shí)的原理圖

自激法測(cè)C2的接線如圖6所示，當(dāng)計(jì)算出C1的電容和介損值時(shí)，可以當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)電容來(lái)使用，C1和標(biāo)準(zhǔn)電容CN串聯(lián)，C1將影響CN支路的電容介損，由于影響不大，一般可以忽略不計(jì)。同測(cè)試C1一樣，通過(guò)測(cè)得C2的電壓電流波形可以計(jì)算出C2的電容值和介損值。

圖6 測(cè)量C2 時(shí)的原理圖

PC 端軟件程序是以LabVIEW 開(kāi)發(fā)軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的，由LabVIEW 編寫的在線檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分擁有良好的人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單，功能齊全。由硬件測(cè)量電路采集到的C1、C2電壓電流數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線WiFi 模塊發(fā)送至PC 端，然后由LabVIEW軟件編寫的UDP 數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，再將數(shù)據(jù)輸送至相應(yīng)模塊的分析、處理和計(jì)算，最后，采集數(shù)據(jù)的波形及相應(yīng)的分析數(shù)據(jù)的結(jié)果將在可視化的界面上顯示。獲得電壓電流波形后，通過(guò)諧波分析法計(jì)算出基波的幅值和相初相角，最終得到介質(zhì)損耗正切值tanδ。并由式（13）可以對(duì)電容值進(jìn)行計(jì)算：

式中，u(t)、iC(t)分別是相應(yīng)電容的電壓電流時(shí)域分量。利用PC 端的軟件程序可以計(jì)算出CVT 各部分電容器的電容值。同時(shí)，PC 端軟件程序也通過(guò)UDP端口向測(cè)控終端的硬件電路發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流測(cè)量的控制和測(cè)量參數(shù)的修改。得到的波形數(shù)據(jù)也將通過(guò)相應(yīng)模塊保存于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間中，以便再次查詢。

2.2 試驗(yàn)測(cè)量

在搭建了非接觸式測(cè)量平臺(tái)后，本文對(duì)某變電站的一臺(tái)220kV 2 母線CVT 進(jìn)行了介損測(cè)試，試驗(yàn)電壓為2000V。通過(guò)檢測(cè)平臺(tái)測(cè)量到的C2電壓電流波形如圖7所示，在可視化界面可以準(zhǔn)確獲得電壓電流的各部分參數(shù)，便于進(jìn)一步計(jì)算。

圖7 測(cè)量C2 電壓電流波形圖

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，CVT 三相電容器的介損值和電容值見(jiàn)表1?？梢钥闯?，三相之間變化不大，C2電容值明顯高于其余電容值，且介損值可以作為評(píng)判其絕緣狀態(tài)的有效參數(shù)。

表1 CVT 各部分電容器的介損值和電容值

3 結(jié)論

針對(duì)電容式電壓互感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于自激法 的原理對(duì)CVT 進(jìn)行電壓電流波形的同步采樣，測(cè)得在2kV 電壓下各部分電容器的電參量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電壓電流波形的非接觸式檢測(cè)，并無(wú)線傳輸至PC端，獲得介質(zhì)損耗參數(shù)。

通過(guò)試驗(yàn)證明，非接觸式介損測(cè)量方法能有效檢測(cè)電容式電壓互感器的介質(zhì)損耗參量tanδ，可視化電壓電流波形，無(wú)線傳輸增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了介損測(cè)量的可信度，為智能電網(wǎng)的發(fā)展又提供了一種電壓電流檢測(cè)的新思路。

[1] 侯竑.基于dsPIC 的數(shù)字式介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x的研究與開(kāi)發(fā)[D].蘭州: 蘭州理工大學(xué),2007.

[2] 林國(guó)慶,陳桂龍.介質(zhì)損耗數(shù)字化測(cè)量方法研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2002,10(4): 217-218,223.

[3] 王楠,律方成,梁英,等.基于高精度DFT 的介損數(shù)字測(cè)量方法[J].高電壓技術(shù),2003,29(4): 3-5,8.

[4] 尚勇,楊敏中,王曉蓉,等.諧波分析法介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量的誤差分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2002,17(3): 67-71,34.

[5] 王楠,律方成,梁英.基于修正理想采樣頻率的諧波分析法在介損在線測(cè)量中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表,2003,40(7): 12-15.

[6] 金之儉,肖登明,王耀德.絕緣介質(zhì)損耗角的數(shù)字化測(cè)量研究[J].高電壓技術(shù),1999,25(1): 49-50.

[7] Ahmad,M.A simple scheme for loss angle measurement of a capacitor energy conversion[J].IEEE Trans,2004,19(1): 228-229.

[8] Nakayama T.On-line Cable Monitor Developed in Japan[J].IEEE Trans,Power Delivery,1991,6(3): 1359-1365.

[9] 蔡國(guó)雄,胡兆明,王建民.介質(zhì)損耗測(cè)量的過(guò)零點(diǎn)電壓比較法[J].電網(wǎng)技術(shù),1995,19(10): 1-5.

[10] 李濤,杜曉平,劉煥光.電容式電壓互感器自激法的測(cè)試及誤差分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(5): 31-33.

[11] 常美生,郝立俊.電容式電壓互感器電容和介損試驗(yàn)的分析[J].電力學(xué)報(bào),2009,24(1): 28-30,61.

[12] 陳天翔,王寅仲.電氣試驗(yàn)[M].北京: 中國(guó)電力出版社,2005.

[13] 姜鳴歧.數(shù)字式介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x的研究與開(kāi)發(fā)[D].沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2013.

[14] 羅睿希.基于電場(chǎng)耦合原理的電壓測(cè)量裝置設(shè)計(jì)研究[D].重慶: 重慶大學(xué),2014.

[15] 王亞平,岳永剛.CVT 自激法測(cè)試原理及其試驗(yàn)電壓的選取[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2010,28(6): 17-20.