彭海洋，方勝利，杜相宏，李子葉，汪 東

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引言

電力電容器作為電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特例，除具有穩(wěn)壓、濾波等一般電容器的性能外，在電力系統(tǒng)中還具有無功調(diào)節(jié)的重要作用，可提高電能質(zhì)量、降低線路損耗、節(jié)省電力設(shè)施投資，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。但由于過載電壓、諧波電壓等運(yùn)行條件及受潮、受熱等環(huán)境條件的影響，其性能逐漸劣化，導(dǎo)致電容量偏離標(biāo)稱值、絕緣介質(zhì)強(qiáng)度降低，從而發(fā)生漏液甚至爆炸事故，不僅對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成影響，而且易對(duì)運(yùn)維作業(yè)人員的人身安全造成威脅[2]。因此，電力電容器的在線性能監(jiān)測是電力系統(tǒng)運(yùn)維的重要環(huán)節(jié)，目前已有多種檢測方法。咸日常等[3]提出了基于運(yùn)行電壓、電容量、不平衡信號(hào)等參數(shù)作為狀態(tài)監(jiān)測量的故障診斷方法，并結(jié)合相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了故障判別及其預(yù)警方案；周燕秋等[4]則通過計(jì)算待測電容和標(biāo)準(zhǔn)電容兩端的電壓比值，以得到待測電容的準(zhǔn)確容值，通過容值檢測是否正常；林遠(yuǎn)驥等[5]利用最小二乘法計(jì)算出電容器等效模型中電容、等效電阻，用等效電阻代替介質(zhì)損耗因數(shù)衡量電容器絕緣性能；周燕秋等[4]利用電容器兩端的電壓和電流數(shù)據(jù)可完成對(duì)電容器組電容參數(shù)的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)電容器健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)獲知和預(yù)警；孫成等[6]對(duì)10 kV 電容器的電容量、外殼溫度及環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，在線診斷出即將故障的電容器并預(yù)警；姚冠雄[7]則基于電容值和電容器溫度在線監(jiān)測方法，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的測溫單元與電測單元就其原理、功能和特點(diǎn)做了說明。這些在線檢測方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，但監(jiān)測特征量大多以電力電容器的容值或者溫度為主，易受環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不能真實(shí)反映電力電容器的客觀狀態(tài)?；诖耍疚脑趯?duì)電力電容器特性分析的基礎(chǔ)上，選用介質(zhì)損耗角正切值為特征參數(shù)，并針對(duì)變電站的運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于WiFi無線通信的分布式電力電容器在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 電力電容器特性分析

電力電容器的性能可通過局部或整體運(yùn)行溫度、電容量及局部放電量等參數(shù)進(jìn)行間接標(biāo)識(shí)或衡量，但其性能劣化的根本原因是其內(nèi)部的絕緣介質(zhì)在交變電場作用下發(fā)生介質(zhì)電導(dǎo)及介質(zhì)極化，最終引發(fā)能量損耗，且隨著能耗的增大，其內(nèi)部絕緣電介質(zhì)溫度升高也隨之升高，使絕緣電介質(zhì)的絕緣性能變差，最終導(dǎo)致熱擊穿，甚至發(fā)生爆炸等嚴(yán)重事故，故電力電容器的電介質(zhì)損耗可作為衡量其性能好壞的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，而通常采用電介質(zhì)損耗角正切值tanδ來間接表征介質(zhì)損耗，其定義為有功損耗與無功容量之比，也即有功電流與無功電流之比[8]。

對(duì)電力電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣特性進(jìn)行分析后，經(jīng)抽象處理可得到其等效電路，如圖1 所示。由分析可知，當(dāng)電力電容器絕緣性能正常時(shí)，其并聯(lián)等效電阻趨于無窮大，故阻性泄露電流iR可忽略不計(jì)，則總電流i近似等于流過等效電容的電流iC，其相位超前電壓u的角度φ= 90°；反之，當(dāng)電力電容器絕緣性能劣化時(shí)，其并聯(lián)等效電阻減小，阻性泄露電流iR增大，總電流i中iR的占比增大，其相位超前電壓u的角度φ＜90°，相關(guān)電氣參數(shù)的向量[9]如圖2所示。

圖1 電力電容器等效電路

圖2 電氣參數(shù)向量

2 特征參數(shù)檢測原理

對(duì)圖2分析可知：

式中：∠?1I、∠?1U分別為流過電力電容器的總電流i和施加在電力電容器兩端電壓u的基波相位。

由式（1）可知，要得到電力電容器電介質(zhì)損耗角正切值tanδ，需檢測出∠?1I及∠?1U，或者兩者之差∠?1U- ∠?1I。由于電力系統(tǒng)中含諧波電源、不對(duì)稱負(fù)載，故線路電壓、電流均包含各次諧波分量，其基波相位不便直接檢測，考慮到相位是交流電氣參數(shù)的三要素之一，因此需要在對(duì)電壓u、電流i進(jìn)行采集的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)處理間接獲得。

由傅里葉變換公式可知，任何一個(gè)包含多個(gè)頻率分量的周期函數(shù)（信號(hào)）均可通過多個(gè)不同頻率的周期函數(shù)（或信號(hào)）相加而合成。故可對(duì)采樣取得的電壓u、電流i數(shù)據(jù)序列進(jìn)行離散化的傅里葉變換[10]，即：

則可求得∠?1U及∠?1I，代入式（1）即可求出電力電容器電介質(zhì)損耗角正切值tanδ。最后將計(jì)算結(jié)果與我國高壓并聯(lián)電容器使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，即可判斷其性能是否正常，依次為依據(jù)通過直觀、醒目的信號(hào)給出檢測結(jié)果，以便于運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能缺陷，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在變電站中，通常配備有多套電力電容器，由于空間限制，電力電容器之間相對(duì)空間距離較近，且大多在室外相對(duì)空曠的環(huán)境中運(yùn)行。針對(duì)該運(yùn)行環(huán)境，為提高電力電容器的監(jiān)測效率、簡化線路鋪設(shè)復(fù)雜度，采用基于WiFi無線傳輸?shù)姆植际皆诰€監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)變電站中多個(gè)電力電容器進(jìn)行性能及狀態(tài)的監(jiān)測，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖3 所示。圖中，監(jiān)測系統(tǒng)包括由各分布式電力電容器及其特征參數(shù)檢測模塊、數(shù)據(jù)通信模塊組成的信號(hào)檢測端和由數(shù)據(jù)通信模塊、Labview 組成的人機(jī)交互端兩部分，且信號(hào)檢測端與人機(jī)交互端之間通過WiFi無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在信號(hào)檢測端，對(duì)各電力電容器電流i及電壓u進(jìn)行變換及調(diào)理后，由MCU 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)特征參數(shù)檢測原理求得電介質(zhì)損耗角正切值，而后將其通過WiFi通信模塊以電磁波的方式發(fā)送出去。在人機(jī)交互端，首先由WiFi通信模塊接收電磁波信號(hào)并將其解調(diào)后傳輸至PC 上的Labview，以可視化監(jiān)控界面集中、直觀顯示各電力電容器的特征參數(shù)，且經(jīng)后臺(tái)數(shù)據(jù)的邏輯比較，及時(shí)給出預(yù)警信息。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4 信號(hào)檢測端設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測原理，需要對(duì)每臺(tái)電力電容器的電流i及施加電壓u進(jìn)行檢測，為保證檢測精度，需先對(duì)被測量進(jìn)行信號(hào)傳感及調(diào)理，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由WiFi通信模塊將特征參數(shù)發(fā)送。

（1）信號(hào)傳感

為提高被測量的傳感精度，本系統(tǒng)分別采用精度為0.1 s 的微電流傳感器CT 及電壓互感器PT 對(duì)i及u進(jìn)行傳感，其中CT 二次側(cè)額定電流為10 mA，PV 二次側(cè)額定電壓為(100/)V。

（2）信號(hào)調(diào)理

為后續(xù)進(jìn)行精確的A/D，需對(duì)互感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。對(duì)于電流i而言，CT 輸出信號(hào)需先將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而后經(jīng)信號(hào)隔離、放大及濾波得到適合A/D 的電壓信號(hào)。而對(duì)于電壓u，則僅需分壓、信號(hào)隔離及濾波處理。該部分電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。在圖中，首先由高精度集成運(yùn)放AD706 及其外圍器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換及放大，其中對(duì)于電流i，經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后放大20倍，而對(duì)于電壓u，則經(jīng)RC 分壓后放大1/2 倍；其次由集成運(yùn)放OP07 及其外圍電路實(shí)現(xiàn)5 次濾波；然后由OP07構(gòu)成的電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離功能；最后通過兩個(gè)反相并聯(lián)的二極管構(gòu)成的鉗位電路將輸出信號(hào)限定在-5～5 V之間，以便于進(jìn)行雙極性的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換

為準(zhǔn)確感知電力電容器∠?1I、∠?1U，需對(duì)其電流i及電壓u進(jìn)行同步采樣，本系統(tǒng)采用具有雙極性、雙通道、14 bit 同步采樣特性的A/D 芯片AD7367-5 實(shí)現(xiàn)，該部分電路如圖5 所示。其中ADI、ADU 為經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的待測信號(hào)，J4 則為AD7367 與主控MCU 的邏輯交互信號(hào)接口。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

（4）MCU數(shù)據(jù)處理

考慮到較為復(fù)雜的傅里葉變換需要，為滿足實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用運(yùn)行頻率可達(dá)150 MHz、具有32 位定點(diǎn)計(jì)算能力的DSP2812 作為主控MCU，其主要對(duì)A/D、WiFi 通信等外圍IC 進(jìn)行邏輯控制，并將A/D 采集的數(shù)據(jù)按照式（2）進(jìn)行傅里葉變換，得到∠?1I、∠?1U，而后按照（1）計(jì)算得到電力電容器的特征參數(shù)，即電介質(zhì)損耗角正切值tanδ。

（5）WiFi通信

該部分主要將MCU 經(jīng)異步串行通信傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為WiFi無線電磁信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)無線通信，為簡化設(shè)計(jì)、降低成本、提高通信穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用集成式ESP8266WiFi 模塊來完成其無線式數(shù)據(jù)交互[11]。其與MCU 的電路連接如圖6 所示。其中，UTXD、URXD 連接主控MCU 的異步串行通信端口，其他數(shù)字邏輯信號(hào)連接MCU的GPIO口。

圖6 通信部分電路

5 人機(jī)交互端設(shè)計(jì)

人機(jī)交互端主要包括WiFi 通信及PC 上Labview 可視化界面監(jiān)控兩部分。其中WiFi通信部分與信號(hào)檢測端相同，不再贅述。為提高監(jiān)測效率、顯化檢測結(jié)果，Labview 前面板設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖7 所示。圖中，通過PC 運(yùn)行的Labview 通過設(shè)置IP 地址及端口號(hào)實(shí)現(xiàn)與WiFi 通信模塊的數(shù)據(jù)交互[12]，并通過電介質(zhì)損耗角正切值及運(yùn)行狀態(tài)等顯示控件實(shí)現(xiàn)對(duì)各電力電容器的狀態(tài)監(jiān)測，最終實(shí)現(xiàn)高效、可視化的人機(jī)交互。

圖7 Labview監(jiān)控界面

6 系統(tǒng)測試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真及調(diào)試后制作樣件，并進(jìn)行現(xiàn)場測試。為使得測試具有代表性，分別對(duì)2 臺(tái)新購置的備用電力電容器及一臺(tái)已老化的電力電容器進(jìn)行多次測試和驗(yàn)證，測試結(jié)果顯示：新購置的電力電容器的電介質(zhì)損耗角正切值分別顯示為0.012%、0.018%，與出廠值0.014%間的誤差小于5%，且小于規(guī)程限值0.03%，運(yùn)行狀態(tài)指示燈顯示綠色，標(biāo)識(shí)正常；而已老化的電力電容器的的電力電容器的電介質(zhì)損耗角正切值顯示為0.10%，遠(yuǎn)大于其規(guī)程限值，運(yùn)行狀態(tài)指示燈顯示紅色，標(biāo)識(shí)異常。該測試結(jié)果與實(shí)際相符，滿足在線監(jiān)測要求。

7 結(jié)束語

本文針對(duì)電力電容器的在線監(jiān)測方法及其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究及設(shè)計(jì)，在總結(jié)現(xiàn)有監(jiān)測方法、分析電力電容器特性的基礎(chǔ)上對(duì)電力電容器性能衡量方法進(jìn)行了創(chuàng)新，即將其電介質(zhì)損耗角正切值作為衡量其性能的特征參數(shù)，繼而設(shè)計(jì)了特征參數(shù)的檢測方法，并針對(duì)變電站的應(yīng)用場合，設(shè)計(jì)了基于WiFi無線通信的分布式電力電容器在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括其信號(hào)檢測、人機(jī)交互及通信子系統(tǒng)，最后對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)檢測精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足變電站內(nèi)多套電力電容器的性能檢測需求，解決了變電站中多個(gè)電力電容器在線監(jiān)測效率低下、性能檢測準(zhǔn)確度不高的問題，為進(jìn)一步提高電力電容器在線檢測技效率、及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力電容器潛在性能缺陷提供了一種方法及實(shí)現(xiàn)途徑，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。