周燕秋，張崇明，李傳江

（上海師范大學 信息與機電工程學院，上海 200000）

檢測與監(jiān)控

電力電容器在線測量儀的設計

周燕秋，張崇明，李傳江

（上海師范大學 信息與機電工程學院，上海 200000）

設計了一種基于C8051F020單片機的電力電容器在線測量儀。該設計主要包含四部分：單片機模塊、直流電源電路模塊、信號調(diào)理電路模塊和數(shù)據(jù)運算模塊。創(chuàng)新點是將標準電容比對電路作為該測量儀的前置檢測輸入單元，采用同步采樣技術(shù)，使得測量的電容容值不受電源電壓波動的影響。該電力電容器可在線測量、精度高，具有很好的實用價值。

電力電容器；在線測量；標準電容比對；同步采樣

0 引言

電力電容器在電力系統(tǒng)中用途廣泛，是電力系統(tǒng)中最重要的工作元件之一。電力電容器故障原因通常是在運行過程中長時間承受高頻電壓、內(nèi)外過電壓、物理化學等作用老化而導致絕緣擊穿[1]。

電力電容器的在線監(jiān)測，即利用傳感技術(shù)和微電子技術(shù)、對運行中的電容器進行監(jiān)控，預測電容器可能發(fā)生的狀況，指導電容器的最佳維修時機[2]。目前在線監(jiān)測技術(shù)主要分為電量和非電量的在線監(jiān)測。電量監(jiān)測主要包括：對局放信號、電壓電流、電容量、泄漏電流等的監(jiān)測。非電量監(jiān)測主要包括：油氣在線分析、設備噪音、振動、環(huán)境溫度等的監(jiān)測[3]。

本文設計的電力電容器在線測量方案屬于電量監(jiān)測。鑒于電力設備在線監(jiān)測技術(shù)的理論分析和現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計表明，電容器的損毀主要取決于電壓、電流和它們的梯度，因此監(jiān)測電容器電壓、電流對判斷電容器狀況至關(guān)重要。本文的創(chuàng)新點在于使用電流互感器，對標準電容器、被測電容器采用同步采樣技術(shù)，通過計算待測電容和標準電容兩端的電壓比值，可以準確的得到待測電容的容值?？梢砸?guī)避因電容的泄露導致的危險。

1 系統(tǒng)概述

1.1 總體設計方案

電力電容器在線測量儀的方案框圖如圖1所示，電網(wǎng)電源同時施加在被測電容器和標準電容器上，一方面外部采用電流傳感器檢測流經(jīng)被測電容器的電流，由傳感器輸出的電信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，形成正比于流經(jīng)被測電容器電流的電壓信號，把該電壓信號送入處理單元;在標準電容上應用如上的方法。最后在單片機處理單元內(nèi)，對上述兩路信號進行比對、顯示。

圖1 總體設計方案

1.2 原理推導

設待測電容兩端的交流電壓為U，頻率為f，待測電容的容值為Cx，電流互感器的增益為kCT，電氣隔離傳感器的增益為ke，轉(zhuǎn)換電阻為Re流經(jīng)待測電容的電流為。則電氣傳感器的輸出電壓為

設標準電容的容值為Cs，流經(jīng)標準電容的電流為Is。標準電阻的阻抗為Rs，信號調(diào)理電路的增益為k。

則信號調(diào)理電路的輸入電壓為：

當標準電阻的阻抗遠遠小于標準電容的容抗時：

依次經(jīng)信號調(diào)理電路進行放大、整流、濾波，得到輸出電壓為：

綜上所述：

其中kCT、ke、Re、k、Rs、Cs均已知，所以只要測得Us和Ux，便能得到待測電容的容值。因為標準電容器、被測試電容器采用同步采樣技術(shù)，所以不受電源電壓波動的影響，環(huán)境引入的干擾或誤差在比對處理運算時可以相互抵消[4]。

1.3 實物展示

圖2 工作中的電力電容在線測量儀

圖3 測量電容器容值的顯示界面

2 硬件設計

2.1 單片機模塊

單片機模塊由實時時鐘電路，存儲器電路，液晶顯示電路，行列式鍵盤電路，晶體振蕩器及復位電路和JTAG接口電路組成。

其中實時時鐘電路采用DS1302芯片、存儲器電路模塊采用的是24LC256芯片，液晶顯示模塊采用的是CA240128A。晶體振蕩器及復位電路為單片機提供一個精確的內(nèi)部時鐘。JTAG接口用來和IDE連接燒錄程序。

2.2 信號調(diào)理電路模塊

圖4 信號調(diào)理電路原理圖

如圖4所示，Cs為標準電容，Rs為標準電阻，當外接交流測試電源后，將標準電阻兩端產(chǎn)生的電壓經(jīng)過二級放大處理，經(jīng)過整流電路整流，退耦濾波電路濾波后，形成一個直流電壓信號，該電壓信號反映了標準電容容值的大小。

J800外接用來測量被測電容的傳感器，由于標準電容器、被測試電容器采用同一交流測試電源，所以不受電源電壓波動的影響，這樣處理后可以減小測量誤差。其中圖5為測量待測電容和標準電容的電流傳感器。

圖5 電流傳感器實物圖

2.3 直流電源電路模塊

電源電路是整個測量系統(tǒng)正常工作的基礎，電源電路的穩(wěn)定性也直接影響了整個測量系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定工作。根據(jù)測量系統(tǒng)的實際需求，本設計采用多路供電的設計方案。方案可為本測量儀提供+12V、-12V、+5V與+3.3V四種電壓的需求，供電關(guān)系如表1所示。

表1 電源電路供電關(guān)系

電流傳感器與集成運放需要的+12V和-12V兩種電壓由穩(wěn)壓器7812和穩(wěn)壓器7912提供，顯示屏需要的+5V電壓由TPS7250提供，單片機以及其他外圍電路需要的+3.3V電壓由TPS7233提供。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主體程序設計思路

本設計的主體部分程序工作情況如下：調(diào)用菜單顯示程序，進行鍵值讀?。娙轀y量、數(shù)據(jù)調(diào)閱、數(shù)據(jù)刪除），選擇執(zhí)行上一步驟之后的鍵值（重新測量、保存數(shù)據(jù)、退出）。程序流程圖如圖6所示。

3.2 電容計算程序設計思路

電容值測量流程圖如圖7所示。被測電容的測量值需要和標準電容進行比對，為了能夠得到更精確的測量值，需要進行多次測量，求其平均值。

圖6 鍵盤程序設計流程圖

圖7 電容計算程序設計流程圖

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3.3 鍵盤程序設計思路

鍵盤工作流程如圖8所示。由于按鍵的延時性，需要對按鍵延時進行識別，如果在誤差允許的范圍內(nèi)，再進一步判別按鍵的詳細信息；若延時在允許范圍之外，則要進行重新按鍵。通過對行列式鍵盤按鍵的分類，可以規(guī)避按鍵帶來的誤差。

圖8 鍵盤工作流程圖

4 結(jié)束語

本文設計的電力電容器在線測量儀可以在正常工作情況下對設備進行監(jiān)測。實時測出待測電容兩端和標準電容兩端的電壓之比，間接的反應出待測電容的容值大小，能夠規(guī)避因電容泄漏、高壓擊穿等造成的事故，保障電力系統(tǒng)的良好運行。同時由于在待測電容和標準電容兩端采用同步采樣技術(shù)，使得他們在電源電壓波動、環(huán)境的干擾上的誤差相互抵消，有較好的測量精度。

為了實現(xiàn)對電容器的在線測量，應該注意以下兩個問題：1）電力電容器監(jiān)測系統(tǒng)必須要能夠?qū)﹄娙萜鳟斍半娏?、電壓及梯度變化狀況等參數(shù)進行詳細的記錄，這是電力電容器的故障分析的重要依據(jù)[5]。2）電力系統(tǒng)處于運行的狀態(tài)下，會產(chǎn)生較高的電磁場，影響數(shù)據(jù)采集的準確性。所以應該采取較好的電磁場干擾防護措施保證采集數(shù)據(jù)結(jié)果不會因干擾出現(xiàn)錯誤[6]。

[1] 潘佩明.電力電容器安全運行分析與在線監(jiān)測技術(shù)研究[D].(北京)華北電力大學,2015.

[2] 張鵬.電力電容器在線監(jiān)測技術(shù)研究[D].華南理工大學,2012.

[3] 滕錦芬.電容型設備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[D].華東交通大學,2012.

[4] 何衛(wèi)國.電力電容器運行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置[D].蘇州大學,2012.

[5] 張鵬. 電力電容器在線監(jiān)測技術(shù)研究[D].華南理工大學,2012.

[6] 顧軍,周立,黃擎,廖來新,王志遠.電力電容器在線監(jiān)測技術(shù)[J].電源技術(shù)應用,2014,(3):180-181.

Design of on-line electric power capacitor detector

ZHOU Yan-qiu, ZHANG Chong-ming, LI Chuan-jiang

TP216

A

1009-0134(2017)04-0056-03

2016-12-18

周燕秋（1993 -），女，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向為智能檢測與控制、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。