鄭立新

(福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002)

1 引言

低壓無功功率補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，降低電網(wǎng)電壓波動(dòng)，提高供電效率，改善供電環(huán)境，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)具有重要的作用。本文中的一種新的低壓無功功率補(bǔ)償裝置放電試驗(yàn)測(cè)試儀通過將傳感器、電子元件、采集卡、計(jì)算機(jī)、虛擬儀器等技術(shù)結(jié)合起來，研發(fā)出一套便攜式放電試驗(yàn)測(cè)試儀，從而提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，為電器企業(yè)提供更好的檢測(cè)服務(wù)。

2 傳統(tǒng)電容器放電試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的主要缺陷分析

目前，國內(nèi)采用的低壓無功功率補(bǔ)償裝置放電試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備主要存在如下幾個(gè)缺陷：（1）測(cè)量功能單一；（2）多是采用系統(tǒng)集成，設(shè)備固定，整套設(shè)備不便移動(dòng)；（3）電容放電測(cè)試不能實(shí)時(shí)測(cè)試波形（采用先描點(diǎn)后繪圖），檢測(cè)方法不夠規(guī)范化、檢測(cè)數(shù)據(jù)不直觀，效率低下；（4）主電路和采樣電路沒有電氣隔離，安全性有待于提高；（5）價(jià)格貴，軟件升級(jí)維護(hù)等費(fèi)用需要繼續(xù)投入。若采用國外測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)好、測(cè)試功能完善，但價(jià)格昂貴，其大多是通用型的測(cè)試設(shè)備產(chǎn)品，并未根據(jù)實(shí)際測(cè)試特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)。因此，系統(tǒng)設(shè)置、操作使用、參數(shù)計(jì)算、報(bào)表生成等均比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用受到一定制約。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)低壓無功功率補(bǔ)償裝置的測(cè)試要求越來越高，測(cè)試手段要求越來越先進(jìn)，而且要求設(shè)備便捷化。因此，研發(fā)一套滿足檢測(cè)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)要求的、功能完善的、便捷式的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電容器放電試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備具有很實(shí)用的價(jià)值。

3 便捷式無功功率補(bǔ)償裝置放電試驗(yàn)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

本文將傳感器、電子元件、采集卡、計(jì)算機(jī)、虛擬儀器結(jié)合起來，并采用LabVIEW來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件編程，通過軟件濾波、波形分析、游標(biāo)跟蹤、后臺(tái)計(jì)算、報(bào)表設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫等方法形成一套便捷式低壓無功功率補(bǔ)償裝置放電試驗(yàn)測(cè)試儀。測(cè)試儀的整體框架如圖1所示。

注：所謂的信號(hào)調(diào)理是將待測(cè)信號(hào)通過放大、衰減、隔離、濾波等數(shù)字信號(hào)調(diào)理操作來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最佳可測(cè)性。因?yàn)樵谠囼?yàn)中，傳感器二次側(cè)得到的信號(hào)可能會(huì)很微弱，或者含有大量的噪聲，或者是具有非線性等特點(diǎn)，所以這些信號(hào)在送入采集卡之前必須先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理。

3.1 測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)

硬件原理設(shè)計(jì)圖如圖2所示，本放電試驗(yàn)檢測(cè)儀主要由信號(hào)檢測(cè)模塊、電源模塊、信號(hào)采集與處理模塊與上位機(jī)模塊組成。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

如圖2所示，AC-DC電源模塊將市電220V轉(zhuǎn)換成直流±15V輸出，供電給霍爾電壓傳感器，霍爾電壓傳感器用于檢測(cè)電容放電模擬電壓，通過數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)處理轉(zhuǎn)換輸出成數(shù)字信號(hào)，再通過USB數(shù)據(jù)線上傳到上位機(jī)直接顯示出采集的電壓波形。數(shù)據(jù)采集卡通過USB數(shù)據(jù)線由上位機(jī)直接供電，無需另外再加電源。

3.1.1 信號(hào)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)模塊主要處理的是系統(tǒng)的模擬信號(hào)，將模擬高電壓信號(hào)通過霍爾傳感器輸出為二次側(cè)低電壓信號(hào)。

霍爾傳感器的基本原理是[1]：當(dāng)有電流流過導(dǎo)體時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理在其周圍會(huì)有磁場(chǎng)產(chǎn)生，磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)體的電流成正比，磁場(chǎng)可以通過軟磁材料聚集，然后用霍爾器件來檢測(cè)，由于磁場(chǎng)與霍爾器件輸出有很好的線性關(guān)系，因此利用霍爾器件測(cè)得的信號(hào)大小可以直接反映出一次側(cè)信號(hào)的大小。

在傳統(tǒng)電壓信號(hào)的采樣上，大多是通過分壓器或直接用電壓表來實(shí)現(xiàn)的。分壓器的缺點(diǎn)是本體對(duì)地的雜散電容將使它產(chǎn)生畸變，而且一次和二次側(cè)在電氣上沒有隔離，將對(duì)采樣系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和影響[2]。本測(cè)試儀采用的霍爾電壓傳感器將普通互感器與霍爾器件、電子電路有機(jī)結(jié)合起來，不但可以測(cè)量任意波形的電壓，如交流、直流等，而且線性度好、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快。傳感器一次和二次側(cè)有電氣隔離，可以保護(hù)二次設(shè)備和人身的安全。

3.1.2 信號(hào)采集與處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)采集與處理模塊，就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線（1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。

本測(cè)試儀采用的數(shù)據(jù)采集卡，具有如下特點(diǎn)：（1）四個(gè)通道同步采集功能；（2）采樣率20kS/s，分辨率為16位，最大電壓范圍為-10v～10v，精度范圍5.6mV；（3）USB總線數(shù)據(jù)傳輸，可將采集卡方便地插在電腦USB插槽里面，使信號(hào)同上位機(jī)進(jìn)行通信，這種安裝方式相當(dāng)便捷牢固；（4）采集卡附帶有驅(qū)動(dòng)程序，可以直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作。

3.2 測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)

本軟件設(shè)計(jì)采用圖形化編程語言LabVIEW 8.6來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件編程。它是一個(gè)開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)軟件，用它設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以脫離開發(fā)環(huán)境，最終用戶看見的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板，具有優(yōu)秀的人機(jī)互動(dòng)界面，可以十分直觀的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[2]。針對(duì)低壓無功功率補(bǔ)償裝置放電試驗(yàn)的要求，軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)流程如圖3所示，主操作界面如圖4所示。

本測(cè)試儀的參數(shù)計(jì)算功能具有許多常規(guī)試驗(yàn)裝置所不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如兩光標(biāo)之間的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)定位功能等，能實(shí)現(xiàn)放電試驗(yàn)時(shí)一根游標(biāo)定位在初始放電時(shí)刻T1，另一根游標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤放電趨勢(shì)T2(T2是變化的)，等放電結(jié)束后自動(dòng)定位到50V位置，接著程序自動(dòng)計(jì)算出兩游標(biāo)之間的時(shí)間差，即放電時(shí)間T＝T2-T1。同時(shí)，在T1時(shí)刻同時(shí)計(jì)算放電電壓初始值，并實(shí)時(shí)顯示T2時(shí)刻電壓值，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

本測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)主要還具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）具有瞬時(shí)和實(shí)時(shí)采集功能，能長時(shí)間采集存儲(chǔ)波形。

（2）人性化的參數(shù)設(shè)置，只要導(dǎo)入相應(yīng)的設(shè)置文件即可對(duì)測(cè)量的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（3）具有消除噪聲的數(shù)據(jù)處理功能，采用LabVIEW軟件中數(shù)字濾波器模塊強(qiáng)大的功能進(jìn)行軟件濾波處理，不需花費(fèi)昂貴的硬件成本，通過設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)有效的消噪功能。

（4）方便快捷生成測(cè)試報(bào)表，采用LabVIEW與DIAdem 10.2結(jié)合開發(fā)測(cè)試報(bào)表軟件，測(cè)試儀采集放電試驗(yàn)波形后自動(dòng)導(dǎo)入到報(bào)表中，只需填入簡單的測(cè)試信息后就可直接打印報(bào)表或生成.pdf格式的報(bào)表。

（5）本測(cè)試儀終端界面具有豐富的波形顯示、展放功能，能對(duì)波形的任何一部分進(jìn)行X方向或Y方向的展放；對(duì)波形的任意區(qū)域進(jìn)行X方向和Y方向的同時(shí)擴(kuò)展。

3.3 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及樣品展示

目前，無功功率補(bǔ)償裝置放電試驗(yàn)檢測(cè)儀已設(shè)計(jì)完成，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。測(cè)量電壓值經(jīng)與計(jì)量過的電壓表及數(shù)字多用表比較后，精度符合檢測(cè)要求。測(cè)試儀的主操作界面如圖5所示。

圖4 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖5 軟件操作界面

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過將傳感器、電子元件、采集卡、計(jì)算機(jī)、虛擬儀器結(jié)合起來，采用便攜式設(shè)計(jì)，研發(fā)出一套便攜式低壓無功功率補(bǔ)償裝置放電試驗(yàn)測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)分析計(jì)算，滿足GB/T 15576-2008標(biāo)準(zhǔn)中放電試驗(yàn)的檢測(cè)要求，提高檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)水平和檢測(cè)精度，為電器企業(yè)提供更好的檢測(cè)服務(wù)。將來還可以在放電試驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)上加入動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試和過電壓測(cè)試模塊，構(gòu)成一套低壓無功功率補(bǔ)償裝置綜合測(cè)試儀。因此，本文對(duì)開發(fā)和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的低壓無功功率補(bǔ)償裝置產(chǎn)品具有重大的意義。

[1]李靖，黃紹平，張深基.LEM傳感器在電氣參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用[N].湖南工程學(xué)院報(bào)，2004，14（2）:12-15.

[2]陸儉國，張乃寬，李奎.低壓電器的試驗(yàn)與檢測(cè)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]零點(diǎn)工作室,劉剛,王立香，等.LabVIEW 8.20中文版編程及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.