无线智能化电容电感测试仪的研究与应用

引言

电力系统为了减小无功损耗,通常采用并联补偿电容器组的方法来提高功率因数,定期检测电容器,早期发现电容器缺陷具有十分重要的意义。

现有的电容电感测试仪存在以下不足:

(1）只能实现电容器的单个测量,测量过程中需频繁切换仪器操作界面,多次拆装电流钳,整个测试过程费时费力,工作效率低,影响人机功效。

(2）现有的电容电感测试仪多采用主机、测量端有线连接的一体化设计,存在体积大,重量较重,不易搬运的问题。在测试位置变动时,需要频繁移动主机及测试线,且连接电缆的拉扯容易与其他仪备缠绕,可能造成其他设备损坏及引发安全隐患。

(3）电容组的电容安装高度一般较高,个别高达4～5m,现有的电容电感测试仪需要测试人员进行高处作业来安装电流钳,作业风险高,工作量大,增加了安全隐患。

因此,有必要研制一种无线智能化电容电感测试仪来解决上述问题。

1系统结构组成及测试原理

1.1系统结构组成

系统总体结构如图1所示,由1个主机和6个从机(无线同步数字电流钳）组成,其中主机负责输出测量电压,同时对输出电压进行采样测量,从机负责对被测电容同相电流进行采样。在采样过程中,要保证主机与从机同步进行(时差小于0.5us）,采样完后,从机将电流模拟值转化为数字信号并通过无线传输的方式发送给主机,由主机计算出电容值,并进行存储及数据处理。

1.2测试原理

该测试仪采用了绝对值测试法,即对被测电容的电压Ux和电流1x进行采样,计算出两个基波信号的相位差值和幅值比值,从而获得被测对象的绝对电容量。

电容器测试原理如图2所示,工频交流220V电压输入至隔离降压变压器B1,隔离变压器初级与次级变比为10:1,即次级输出电压为22V,隔离变压器次级输出电压加到被测电容两端,钳形电流传感器L1钳入被测电容Cx同相侧进行电流采样来获得流过被测电容Cx的电流1x,电压传感器L2并联到电容器两端来获得被测电容Cx两端的电压Ux。

图中R1、R2、R3、R4组成差分电路,将采集到的Ix输到单片机ADC转换接口进行电流值运算:图中R5、R6、R7、R8组成差分电路,将采集到的Ux输到单片机ADC转换接口进行电压值运算:采用差分输入可以提高抗干扰能力,保证测量准确、测量精度高:图中C1、C2、C3、C4组成滤波电路,使输入至ADC采样模块的信号更加稳定,以提高测量精度。

2无线智能化电容电感测试仪设计

2.1测试主机设计

无线智能化电容电感测试仪主机组成如图3所示,主要集成了变频电源模块、无线同步对时、无线同步通信模块。

2.2无线同步数字电流钳设计

为了实现多通道测量,本文研制的电容电感测试仪设计了无线同步数字电流钳,该电流钳主要由无线同步模块、无线数据传输模块、电流ADC采样模块等组成。

本文研制的无线智能化电容电感测试仪对流过电容器的电流、电压采用"异地"测量,因此对电流、电压的同步采样的同步精度直接影响了测量结果的精确度,这是实现多通道无线测量的关键技术。本文引入了2.4G无线同步技术,通过互相校时的方法达到时间同步,同时将无线传输和无线同步合二为一,既保证了同步采集,也可以将采集数据通过无线方式传输出来。

首先无线同步模块与主机的无线同步模块进行同步脉冲对时、同时精度达0.5us,时钟同步后,主机及从机在相同的同步上升沿脉冲进行采样,保证主机、无线同步数字电流钳(从机）对电压、电流进行同步采样。并将采样到的电流模拟信号转为数字信号再通过无线数据传输模块发送到主机,由主机进行电容容量的计算及数据处理。无线同步算法流程如图4所示。

电流采样原理如图5所示,电流互感器将电磁感应到的感应电流信号进行IV转换后,经放大、滤波电路处理,输出给以ADs1675为主的ADC转换电路进行模数转换,经TMs320F28335单片机系统处理运算后,以自定义的规约通过无线透传模块发送给主机进行汇总计算。由于电流钳与主机之间是进行数字信号通信交换的,不受变电站强工频干扰,测试结果更加精准可靠。

2.3测试电源逆变电路设计

传统的电容电感测试仪一般采用工频变压器对单相市电进行变压降压后,通过多个抽头来输出不同测量电源电压进行测量,工频变压器具有体积大、重量大、易受干扰等缺点,为实现仪器的轻巧、便携及应对复杂的测试环境,本文研制的无线智能化电容电感测试仪采用专用纯正弦逆变功率驱动电路,该电路主要由基于sPwM的纯正弦波调制模块和功率驱动电路两大部分组成,具有体积小、重量轻、成本低、抗干扰能力强等特点。sPwM算法逆变电源技术能实现工频、变频电源输出进行测试,该电源具备过压、欠压、过流、过热保护功能,通过串接口与单片机通信来设置输出电压、频率等。

2.4无线遥控电流钳安装工具设计

在一些实际测试场合,往往需要测试人员进行高处作业来安装测量电流钳传感器,这个过程中可能发生触电或高处坠落的风险。为保证测试过程安全无隐患,本文研制了可无线遥控电流传感器卡钳自动分合的绝缘工具,该装置主要由可充电管状锂电池、笔式电动伸缩杆、带套管钢丝拉绳、测控电路、钳形电流传感器、伸缩绝缘杆、遥控器以及固定配件接口等组成。钳形电流传感器安装在一节1m长的绝缘杆上,一端通过螺纹与伸缩绝缘杆连接,通过遥控器控制电动伸缩杆的伸缩来带动套管拉绳牵引拉动钳表电流互感器的打开与闭合。

测试人员站在地面即可将电流传感器钳入被测电容支路,整个测量过程中与一次高压设备零接触,实现了测试过程零风险。

2.5剩余电量可视化放电工具原理设计

对电容组进行测量前,需要确定电容已充分放电,一般需对电容器组进行放电处理。传统的放电棒无法得知放电后电容剩余电荷是否为零,需要使用电压测量工具进行确认,在此过程中,操作人员存在触电的安全隐患。因此,本文研制了一种带剩余电压显示的放电工具,主要由三放电头、多节伸缩杆、操作杆组成。通过在传统放电棒内嵌入电压采样电路,在放电的同时进行电压采样,实时监测放电对象残余电荷,实现了在放电的同时显示残余电压,能直观定量地观察放电结果。

3无线智能化电容电感测试仪应用

软件及硬件搭建完成后,开始进行整体的系统测试,检查各功能模块完整无误后,使用无线智能化电容电感测试仪和市场常用的一体化电容电感测试仪测量同一变电站内10kV并联补偿电容器组的数据,计算了测试所得电容量值与额定值的偏差)该电容器组由24个电容器组成）,通过数据对比,发现两台仪器的测量结果及测量精度没有差别。

通过计时发现,在该并联补偿电容器组测试中,本文研制的无线智能化电容电感测试仪测试时间比市场常用的电容电感测试仪减少了60%,大大提高了工作效率。

试验时通过采用无线遥控电流钳安装工具,避免了高空作业,有效降低了作业风险。

4结语

本文研制的无线智能化电容电感测试仪,操作简单,智能性高,有效节约了时间、人力成本,大大提高了电容器测试的工作效率,降低了工作风险,可以广泛应用于电容电感测试中,具有可观的社会和经济效益。