基于标准电容器的高压信号精密测量系统设计

李宾宾,芮 畅,黄 杰,罗 沙

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院,安徽 合肥 230061;2.合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009;3.国网安徽省电力有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

目前,电子式互感器(electronic transformer,ET)以其先进的传感理论、更高的测量带宽以及数字化输出等优点被大量投入电力系统,用于感知一次高电压大电流信号[1-4]。但工程运行情况表明,在变电站复杂运行环境的影响下,ET的误差稳定性较差[5],需要对其误差状态进行有效且及时的检测。

目前所采用的ET误差检测方法是依据国家标准规定,在一定的检测周期内与标准互感器的输出电压信号进行比对校准,且需要停电检测。然而对于高电压等级的电力系统而言,长时间的非故障性停电通常难以实现,ET易处于超检定周期的工作状态。带电检测的方法可有效减少电力系统的非故障性停电时间。但其难点在于如何在不停电的情况下准确获取一次电力系统的高电压信号。文献[6]以电磁式电压互感器为标准互感器,设计了1种电子式电压互感器测量误差带电检测系统。标准的电磁式电压互感器由铁芯和线圈绕制而成,存在大量的电感单元,在与高压导体带电接触时易引发过电压暂态过程。特别是当电网出现振荡或者短路等故障时,电磁式电压互感器易出现磁饱和现象,从而激发较高的过电压。铁芯的磁饱和易影响标准电磁式电压互感器对高压信号的测量。较高的过电压过程会影响设备安全,甚至阻碍电网的安全、稳定运行。

针对电子式电压互感器不停电条件的误差检测需要,本文设计了1种基于标准电容器的高压信号精密测量系统。首先,本文根据电容电压不能突变的特性,设计标准电容器作为高压信号的传感主体,以避免测量系统带电接入过程中引起的暂态过电压对设备安全和测量结果准确性的影响。标准电容器可安全地通过机械升降的方式与高压导体可靠接触。其次,本文设计了1种带T型网络的改进模拟积分电路,对标准电容器输出的微弱电流进行积分,从而利用高精度信号采集单元实现一次高压信号的精密测量。

1 系统设计

高压信号精密测量系统主要包括均压装置、机械升降及其电动控制装置、阻尼电阻、标准电容器以及信号采集装置[5]。其中,均压装置、机械升降及其电动控制装置和阻尼电阻用于将本文研究的高压信号精密测量系统带电接入和退出高压一次导线。

高压信号精密测量系统结构原理如图1所示。

图1 高压信号精密测量系统结构原理图

由图1可知,标准电容器是测量系统的主体传感单元,接入高压一次导线后会产生微弱电流。信号采集单元采集标准电容器输出的微弱电流,经过积分信号处理和高精度模数转换后可实现一次高压信号的准确测量。

2 关键部件参数设计

对于本文所研究的基于标准电容器的高压信号精密测量系统,工程人员利用远程开关装置控制升降机将测量系统并入电力系统带电运行,以实现与高压导线的可靠接触。标准电容器和信号采集装置是本文所设计的测量系统的关键部件,直接影响对高压信号的准确测量。针对不同电压等级的高压信号测量需求,测量系统的标准电容器和信号采集装置也不相同。本节以110 kV电压的带电检测为例,说明本文研究的基于标准电容器的高压信号精密测量系统关键部件及其参数设计的基本原则。

2.1 标准电容器设计

标准电容器是高压带电精密测量系统的关键传感单元,在运行过程中需要保持参数稳定。本文所设计的标准电容器采用同轴电容结构。该电容器的电容量为50 pF、长度为1 m、外壳直径为0.2 m,可以有效减少电场边缘效应所引起的杂散电容对标准电容器容值稳定性的影响。标准电容器的设计额定电压为150 kV、工频耐压值为165 kV/min。考虑SF6气体具有较高的介质恢复强度,本文设计的标准电容器采用SF6气体作为绝缘介质。标准电容器的工作温度为-10～+40 ℃,可适应大部分的应用场景。在实验室测试不同电压下标准电容器的电容值及其介质损耗值如表1所示。

表1 不同电压下标准电容器的电容值及其介质损耗值

根据表1进行二阶拟合,结果为:

C=a+bU+cU2

(1)

式中:C为不同外施电压下标准电容器的电容值,pF;U为电容器的外施电压,kV;a为常数,本文取a=49.872;b为常数,本文取b=-1.728E-5;c为常数,本文取c=1.326E-7。

标准电容电压系数an为:

(2)

式中:UN为标准电容的设定额定电压,本文取UN=150 kV。

由式(2)可以得到标准电容的电压系数为9E-6,小于标准规定的5E-5。这表明本文所设计的电容可以作为标准电容使用。

2.2 信号采集电路设计

高压信号精密带电测量系统的信号采集电路设计原理如图2所示。

图2 信号采集电路设计原理图

当标准电容与高压导体可靠接触时,标准电容会产生微弱的电流信号。信号采集电路直接采集流经标准电容器的电容电流i,将电流信号通过模拟积分电路转换为小电压信号u。单片机控制模数(analog-to-digital,A/D)转换电路对u进行A/D转换后输出数字信号。电光转换电路将数字电信号转换为光信号,实现测量系统与工程人员的电气隔离,并通过光纤传输给远端上位机进行一次高压信号的测量。信号采集电路设计的关键在于模拟积分电路和A/D转换电路的设计。

2.2.1 积分电路设计

本文设被测一次系统的工频电压U′为:

U′=Umsin(ωt+φ)

(3)

式中:Um为被测电压的最大值;ω=2πf为被测高压信号的角频率,Hz;φ为被测电压的初始相位。

根据本文前述标准电容器的设计,可以忽略绝缘电阻对测量结果的影响。标准电容器接入一次电网后产生的电流为:

(4)

由式(4)可知,i与一次母线电压信号的频率有关。国家电网对系统频率波动范围的要求为50(1±10%)Hz,即极限情况下因一次电压频率波动造成i的输出偏差可达20%。这种偏差会严重影响测量系统对高电压信号的测量精度。因此,需要对电容器输出的i进行积分处理,以消除被测电网系统的频率波动对高压信号测量准确度的影响。一般而言,信号积分主要包括数字积分与模拟积分这2种。

相比数字积分电路,模拟积分电路不会受到积分起始点的影响,并且输入信号的直流零漂也不会引起输出的饱和。虽然模拟器件会存在一定的温度漂移和时间漂移、模拟器件间存在离散性,同时输出也存在直流漂移,但是现场应用表明,在工频情况下,使用模拟积分器性能稳定。相比数字积分器,模拟积分器追踪输入信号变化的速度更快,其直流漂移也可以在软件中消除。本文采用模拟积分器对标准电容器输出的微弱电流信号作积分处理。

模拟积分电路如图3所示。

图3 模拟积分电路

理想的模拟积分电路在实际应用中很难得到预期的效果,因此通常在积分电容上并联一个阻值较大的反馈电阻。反馈电阻可以为放大器的偏置电压提供反馈通道,从而有效抑制偏置电压对源信号积分结果的影响。

当反馈电阻足够大时,模拟积分电路的幅频特性曲线将接近理想积分电路。但由于反馈电阻的存在,模拟积分电路的低频增益非常大,会对工频信号的输出造成一定的影响。为了抑制低频干扰,有学者对模拟积分电路进行了改进设计[7-8]。由图3(b)可知,改进后的模拟积分电路与典型模拟积分电路相比,多了一个电阻和电容组成的T型网络。这种电路结构可在不影响输出增益的条件下实现对输出信号的相位调节。

本文选用带T型网络的改进模拟积分电路对标准电容器输出的微弱电流进行积分处理。通过对系统各参数的分析,本文将各参数设置为:R1=12 kΩ;R2=R3=1 MΩ;R4=200 kΩ;电容C1=1.26 μF;C2=2.2 μF。R2、R3、R4、C2构成的网络作为低通滤波器,用于减少积分器所受到的小于1 Hz的低频噪声的影响。基于上述参数得到本文所设计的改进模拟积分器频响曲线如图4所示。

图4 改进模拟积分器频响曲线

由图4可知,T型网络具有很好的相位特性。而在幅频特性方面,其在低频时存在较低振荡。该振荡不在本文所考虑电网频率50(1±10%)Hz的波动范围内,因此可以不予考虑。本文设计的模拟积分电路可应用于高压信号的精密测量。

2.2.2 模式转换单元设计

标准电容器输出的微弱电流经过模拟积分电路处理后转变为模拟小电压信号。其需要通过设计数模转换单元对模拟小电压信号进行数字化,并利用光纤发送给工程运维人员,以实现一次高压信号的精密、安全测量。其主要包括A/D转换电路、单片机以及电光转换电路。

A/D部分采用了AD7685CRM作为A/D采集芯片。该芯片的分辨率为16位,可保证高压信号测量系统的测量准确度满足0.05级的要求。

单片机选用了低功耗的MSP430系列单片机,工作主频为8 MHz。MSP430单片机具有丰富的中断器功能,有利于对A/D芯片进行时序控制。A/D采样控制时序流程如图5所示。

图5 A/D采样控制时序流程图

MSP430单片机的运行流程如下。

①采用MSP430单片机的TIMERA时钟的信号捕获模式,当捕获到外部采样时钟信号的上升沿时进入采样中断模块。

②进入采样中断后,MSP430单片机发出指令,控制A/D芯片开始采样。采样率为10 kHz。采样全程共采集5个周波,共1 000个采样点。完成后,单片机进入采样等待模式。

电光转换电路基于光纤发射器HFBR1414设计。MSP430单片机输出的电信号经过HFBR1414处理后转换成光信号,通过光纤发送给远方工程技术人员。光纤具有抗干扰性强、绝缘性能好的优点,可以保证信号的可靠传输以及操作人员的人身安全。

3 校准测试

参考文献[9]、文献[10]的规定,本文基于标准表法对所设计的高压信号精密测量系统进行校准测试。校准试验原理如图6所示。

图6 校准试验原理图

3.1 基本准确度测试

本文研究的测量系统的基本准确度测试,通过调节试验变压器的电压输出,并与标准电压互感器比对的方法开展。测量系统的基本准确度测试如表2所示。

表2 测量系统的基本准确度测试

表2中:f为测量系统的幅值误差,%;δ为测量系统的相位误差,(′)。

由表2可知,当一次电压从20%额定电压升高至120%额定电压时,测量系统的幅值变化范围为0.005%～0.015%,相位误差的变化范围为-0.2′～+1.2′。该结果满足0.05级的准确度需求。当一次电压从120%额定电压下降至20%时,测量系统的幅值变化范围为0.000%～0.010%,相位误差的变化范围为-0.6′～+1.2′。该结果满足0.05级的准确度需求。

3.2 测量不确定度分析

参照国家计量标准[11]中对测量不确定度的评定要求,本文对所设计的高压信号精密测量系统的测量不确定度进行分析。

① A类不确定度的计算。

《测量不确定度评定与表示》(JJF 1059.1—2020)标准[11]规定,需要对被测量对象进行多次独立重复观测,以计算其A类不确定度。计算方法为:

(5)

(6)

式中:μA为测量系统A类不确定度。

在标准电容器外施电压为额定电压110 kV时,本文利用所设计的高压信号精密测量系统进行多次反复的独立测量。测量次数为30次。本文设计的高压信号精密测量系统的A类不确定度如表3所示。

表3 测量系统的A类不确定度

由表3可知,分布类型均为正态分布。

②B类不确定度的计算。

对于标准设备,其不确定度的评定结果非常可靠,因此其自由度一般取无穷大。

③不确定度的合成。

A类不确定度μA与B类不确定度μB是相互独立的,则本文设计高压信号精密测量系统幅值误差不确定度的合成为6.055E-05、相位误差不确定度的合成为0.330。

④扩展不确定度的计算。

本文设置信概率P=99%、包含因子k=3,则可得到本文设计高压信号精密测量系统幅值误差不确定度的合成为1.817E-04、相位误差不确定度的合成为0.990。

4 结论

针对电子式电压互感器测量误差带电检测的工程应用需求,本文研究了1种基于标准电容器的高压信号精密测量系统。首先,本文设计标准电容器作为一次电压信号的传感主体,采用1种带T型网络的改进模拟积分电路和高精度信号采集单元对标准电容器的输出电流进行采集和反演,从而实现高压信号的精密测量。其次,本文采用电动控制机械升降机的方式,实现测量系统安全接入和退出一次电力系统。校准试验结果表明,本文研究的高压信号精密测量系统准确度满足0.05级的要求,可用于电子式电压互感器测量误差的带电检测。