陳文鴻 朱躍勝 曾 莉 周泠紫

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門529000）

0 引言

電力系統(tǒng)中電容器廣泛用于輸電線路、變電站、供配電系統(tǒng)等場(chǎng)合，使用數(shù)量龐大，對(duì)改善電網(wǎng)運(yùn)行性能有著重要的作用，是重要的電力系統(tǒng)設(shè)備之一。電力電容器投運(yùn)越來越多，日常檢修維護(hù)、測(cè)試測(cè)量、故障更換等工作量巨大。尤其是電力行業(yè)對(duì)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，為改善功率因數(shù)而廣泛使用的并聯(lián)電容器組數(shù)量眾多，但隨著電力使用容量的增加，近些年來并聯(lián)電容器組的故障率偏高，多次發(fā)生損壞更換作業(yè)[1]。按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，電力電容器組的檢修維護(hù)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(jìn)行工作。每次與線路斷開，電容器組首先應(yīng)經(jīng)自動(dòng)放電裝置放電，還需將電容器手動(dòng)對(duì)地放電，一般不少于10 min，確認(rèn)電容器殘余電壓在安全范圍以下，才能進(jìn)行作業(yè)[2]。

目前電力電容器一般不設(shè)專門的電壓監(jiān)測(cè)裝置，作業(yè)人員對(duì)電容器殘余電壓的判斷方法是手動(dòng)逐個(gè)多次將電容器對(duì)地放電，確認(rèn)無放電火花產(chǎn)生，則認(rèn)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(dòng)放電耗時(shí)較長(zhǎng)，因此有些時(shí)候作業(yè)人員越過手動(dòng)放電步驟，不按規(guī)程操作，極易造成安全事故。因此，本文提出設(shè)計(jì)一種高壓并聯(lián)電容器殘余電壓檢測(cè)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(tài)，在確保安全的情況下再進(jìn)行操作，對(duì)提高生產(chǎn)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(jí)作為分析對(duì)象。

1 設(shè)計(jì)原理

按照前述規(guī)范，電力電容器組均應(yīng)配備自動(dòng)放電裝置，目前電力系統(tǒng)中普遍采用放電線圈作為自動(dòng)放電設(shè)備。放電線圈用于電力系統(tǒng)中與高壓電容器并聯(lián)連接，使電容器組從電力系統(tǒng)中切除后的剩余電荷迅速泄放。符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的放電線圈能夠在5 s內(nèi)放電使電容器兩端電壓達(dá)到50 V以下，放電線圈帶有二次繞組，可供線路監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和二次保護(hù)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(jí)，能在1.1倍額定電壓下長(zhǎng)期運(yùn)行[3]，利用放電線圈二次繞組輸出電壓來檢測(cè)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(hù)欄，放電過程中操作人員嚴(yán)禁入內(nèi)，選擇讀取電容器電壓檢測(cè)值的方式必須考慮到這一點(diǎn)。

因此，殘余電壓檢測(cè)過程應(yīng)包含如下環(huán)節(jié)：放電線圈二次輸出電壓經(jīng)分壓電路降壓，由數(shù)據(jù)采集電路檢測(cè)當(dāng)前信號(hào)，將結(jié)果交給工業(yè)單片機(jī)電路計(jì)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(jī)輸出顯示。確認(rèn)放電結(jié)束、電容器殘余電壓降至安全水平前，工作人員嚴(yán)禁進(jìn)入隔離空間。隔離網(wǎng)雖有觀察窗口和操作窗口，但作業(yè)人員距離顯示屏仍有較遠(yuǎn)距離，因此需要設(shè)計(jì)無線通信方式將檢測(cè)數(shù)值傳送至接收設(shè)備供作業(yè)人員查閱，同時(shí)作業(yè)人員可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電容器放電過程。檢測(cè)與顯示電路均為弱電級(jí)別，無需額外增加一次電路設(shè)備，采用工業(yè)級(jí)電路具有良好的抗干擾性能，而無線通信方式在當(dāng)今變電站中已普遍應(yīng)用，方案理論上可滿足實(shí)際使用需求。

2 組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)方案分析，電容器殘余電壓檢測(cè)裝置組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 中，U1代表被測(cè)放電電容器兩端的瞬時(shí)殘余電壓，U2代表放電線圈二次輸出經(jīng)分壓之后的瞬時(shí)電壓，其大小主要由分壓電路分壓比調(diào)節(jié)，應(yīng)滿足信號(hào)采集電路的輸入要求。對(duì)于10 kV電力系統(tǒng)中的電容器自動(dòng)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(shí)配合繼電保護(hù)系統(tǒng)反映三相電容器不平衡情況，用作電容器殘余電壓測(cè)量時(shí)，兩種方式作用相同[4]。圖2兩種接線方式U1和U2的關(guān)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(hào)采集電路應(yīng)選用工業(yè)級(jí)集成芯片，將U2轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入給工業(yè)級(jí)單片機(jī)。本方案中，選用專用信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，采用交流采樣方式，精度高、速度快，對(duì)采集電路要求不高。本方案控制器采用工業(yè)級(jí)單片機(jī)，可選擇AVR或STM32系列產(chǎn)品，功耗低、抗干擾性能好。信號(hào)采集模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算出電壓有效值，再根據(jù)式（1）很容易計(jì)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(xiàn)場(chǎng)查看顯示數(shù)據(jù)。利用單片機(jī)I2C總線通信向OLED模塊傳送顯示數(shù)據(jù)，接線、編程簡(jiǎn)單，速度快，可靠性高。無線通信選用成熟的工業(yè)無線通信模塊，與單片機(jī)采用串口傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)方便，不增加單片機(jī)的額外負(fù)擔(dān)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，單片機(jī)控制器的程序?qū)崿F(xiàn)也非常簡(jiǎn)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(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清楚，控制算法不復(fù)雜，計(jì)算量很小，非常適合本方案對(duì)精度、可靠性要求高，抗干擾能力要求強(qiáng)的需求。

圖3 控制器程序流程

3 關(guān)鍵問題

根據(jù)上述原理，三相并聯(lián)電容器極間電圧殘余量均可測(cè)量并顯示輸出。但在系統(tǒng)各組件的測(cè)試試驗(yàn)中，體現(xiàn)出兩個(gè)方面的問題需要解決。

3.1 低電壓檢測(cè)精度

電容器殘余電壓較高時(shí)，放電線圈處于深度飽和狀態(tài)，放電過程電容器極間電圧呈指數(shù)型衰減，放電線圈二次繞組輸出精度較高；低殘余電壓狀態(tài)下，放電線圈處于勵(lì)磁電抗變化狀態(tài)，二次繞組輸出呈現(xiàn)出振蕩衰減變化，輸出幅值且變化不規(guī)律[5]。因此，在電容器殘余電壓較高時(shí)，采集電路可以得到較高精度的輸出，而殘余電壓較低時(shí)信號(hào)采集精度難以保證，測(cè)試中當(dāng)殘余電壓在100 V以下時(shí)輸出誤差甚至?xí)_(dá)到50%，顯然無法滿足使用需求。

解決方案有兩種：

一是在測(cè)量技術(shù)中常用的對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化處理與非線性補(bǔ)償，一般采用“函數(shù)計(jì)算法”或“曲線擬合法”。根據(jù)前述分析，放電線圈放電過程初始階段和后期階段其參數(shù)特征不同，實(shí)際上難以用一個(gè)線性關(guān)系函數(shù)描述，很顯然“曲線擬合法”更適合電容器電壓檢測(cè)。

二是分壓電路采用分壓比可調(diào)設(shè)計(jì)，但該法電路組成較復(fù)雜，成本高而可靠性較低，本系統(tǒng)中不適合采用。

3.2 無線通信干擾

如前所述，殘余電壓檢測(cè)值需要顯示輸出以指示作業(yè)人員。而高壓系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，在沒有確認(rèn)系統(tǒng)不帶電并可靠接地的情況下，禁止近距離靠近，采用傳統(tǒng)的液晶屏顯示輸出可作為一種方案，但實(shí)際使用時(shí)有所不便。因此方案提出采用無線通信傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)送往無線終端顯示，但高壓現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)大電磁場(chǎng)對(duì)無線通信是否會(huì)產(chǎn)生干擾？在實(shí)測(cè)中，經(jīng)反復(fù)比較，4G無線通信較適合在高壓工頻環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)。4G無線通信屬高頻數(shù)字通信，在傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)受到高壓工頻電路影響，且檢測(cè)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(shù)據(jù)時(shí)幾乎不受電磁場(chǎng)干擾。

4 無線輸出方式

根據(jù)上述分析，本方案選擇4G無線通信。4G無線通信應(yīng)用最廣泛的終端設(shè)備當(dāng)屬智能手機(jī)，因此本方案將作業(yè)人員所配備智能手機(jī)作為無線顯示終端?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置作為服務(wù)器，可同時(shí)與多臺(tái)智能手機(jī)通信，編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的APP就可將檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)上，工作人員在室內(nèi)也可以可靠地接收到信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容器放電狀態(tài)。在智能手機(jī)廣泛普及的前提下，利用智能手機(jī)作為無線終端也不會(huì)增加本方案的額外成本。

5 結(jié)語

本文針對(duì)電力電容器斷電操作中的放電規(guī)程，提出了利用放電線圈檢測(cè)電容器殘余電壓的方案，分析了方案實(shí)施的可行性，并結(jié)合一些原理測(cè)試試驗(yàn)，總結(jié)了方案實(shí)施的一些關(guān)鍵問題，為實(shí)際裝置的研究與開發(fā)提供了理論依據(jù)，具有較好的參考價(jià)值。該方案不改變一次系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，適合現(xiàn)今電力系統(tǒng)中的并聯(lián)電容器組電壓檢測(cè)，成本低而通用性好，具有很好的研究開發(fā)價(jià)值。