基于自激法的非接触式CVT介质损耗测量装置研究
王振宇+苏咏梅
摘 要： CVT能否正常可靠运行直接影响到整个电力系统的稳定性，为实时监测CVT的绝缘状态，提出了基于自激法的非接触式CVT介损测量系统。通过非接触式测量平台对电压电流波形同步采样，并由无线WiFi模块将所测得电参量传输至PC端，在LabVIEW软件平台上用谐波分析法进行电压电流信号的处理并计算得出介质损耗参数tan δ。该方法可以有效测出CVT各部分电容器的介损值和电容值，同时能够可视化电压电流参量，用于长期监测CVT绝缘状态，在实际的介损测试中可以隔离高压，有较高的安全性和可靠性。
关键词： 在线检测； 介质损耗测量； 电容式电压互感器； 非接触式测量装置
中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0183?04
Abstract： The normal operation of CVT affects the stability of the whole power system directly. A CVT dielectric loss measuring system based on self?excitation with non?contact mode is presented in this paper. CVT′s voltage and current waveforms are sampled synchronously by non?contact measuring platform. The wireless WiFi module is used to transmit the measured electrical parameters to the PC side. The harmonic analysis method is adopted to process the voltage and current signals on LabVIEW software platform， and the dielectric loss parameter （tanδ） is obtained by calculation. The test result shows that this method can effectively detect the dielectric loss and capacitance values of each capacitor in the CVT， display the voltage and current parameters， and can be used to measure the long?term insulating state of CVT. It can isolate the high voltage in the actual dielectric loss measurement， and has high safety and reliability.
Keywords： on?line detection； dielectric loss measurement； CVT； non?contact measuring device
0 引 言
随着我国进入“十三五”进程，电力工业也将打破垄断，向着市场化转变[1?2]，这已成为不可逆转的大趋势。市场化的转变必将驱使电力行业进行技术进步和革新。用于高压电能计量、继电保护、载波通信的电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformers，CVT），在测量精度、互感器成本、体积等方面具有电磁式电压互感器不可比拟的优势[3]，也在逐渐取代电磁式电压互感器（PT）。如今在35～500 kV的变电站的线路侧和母线上，CVT都有着广泛的应用[4]。为了保證CVT能够安全、稳定、可靠运行，开展对CVT此类重要的输变电设备的绝缘在线监测与故障诊断，对于全面实现状态维修具有十分重要的现实意义[5?6]。
介质损耗因素tan δ是衡量电容型高压电气设备绝缘特性的主要参数，可反映出被测电气设备的绝缘问题[7]，例如设备中的气隙放电、劣化变质等[8]。本文提出了基于自激法的非接触式CVT介损测量方法，并设计出了一种CVT介损测量系统。这种装置将无线通信技术、计算机技术以及电能量测量技术和非接触式CVT介损测量技术结合在一起，采用C8051F120单片机为核心，通过非接触式测量CVT分压电容的电压电流波形，获得有效的介损计算参数，最终实现实时介损测量。该系统实现了非接触式CVT介损测量，系统的实施既避免了高压侧拆接线的危险，又可以大量节约人力、物力，有效降低工作时间，实现快速、高效实时CVT介损测量。
1 CVT结构和测量原理
1.1 CVT结构
如图1所示，CVT是由电磁单元部分和分压器单元部分组成[9]。其中分压器部分由高压电容C1（由C11，C12和C13分节电容串联而成）和低压电容C2串联而成。T为电磁部分的中间变压器，它和阻尼电阻Z、补偿电抗器L又构成电容分压器[10?11]。
电力人员在对CVT进行预实定检时，按照《实验规程》[12] ，将对CVT的高压电容C1和低压电容C2的电容值及其介损参数tan δ进行测量。
1.2 自激法测量CVT介损
当设备中的绝缘介质在交流电压下，其总电流由阻性电流分量和电容电流分量两个分量组成[13]，绝缘介质会出现一些能量的损耗，介损角正切因数（tan δ），简称为介损，它可以反映出设备的损耗。tan δ仅仅取决于材料的特性，与其他的因素没有关系。传统的介损测量方法是利用电桥平衡的原理通过正接线或反接线实现[14]，如图1中C11，C12的测量。
采用自激法是以CVT的中间变压器作为试验变压器，从二次侧施加电压对其进行激磁，在一次侧感应出高压作为电源来测量高压端的C1和低压端的C2的电容及介损[15]。以TYD220?0.01w3型CVT为例，其原理结构图如图2所示。
当测高压电容C1的电容值及其介损值时，标准电容Cn与低压端电容C2串接成电桥的的桥臂，串联后其大小可用等效电容表示：
在计算低压端电容C2的大小及其介损时，可采取上述方法，其等效电容可表示为：
由于串联后的等值电容，与Cn存在误差，其大小表示为：
通过式（1）和式（2）可分别求得，后，代入式（3）求得，判断其大小是否在工程允许的误差范围内[16]。
2 非接触式CVT介损测量平台
设计的非接触式CVT介损测量平台包括对分压电容C1，C2以及高压端子处的数据采集系统、数据处理、数据无线传输系统和基于LabVIEW软件的PC端。数据采集系统采用非接触式高压电流电压检测技术主要完成对分压电容相关数据的采集处理；数据处理系统主要对数据采集系统采集到的相关数据进行计算分析与处理，并实时地将数据发送至信号处理终端；数据无线传输系统将数据处理系统发出的电压电流信号及相应运行状况发送至PC端，经过LabVIEW软件计算分析，得出最终的介损参数值和CVT各部分电容值，其非接触式检测平台如图3所示。
2.1 数据采集与处理系统
如图4所示为数据采集及处理部分，电压数据测量采用的是D?dot电压传感器，其不仅实现了与高压侧的电气隔离测量，保证了人身安全，而且其测量精度较高，体积也较小，满足现如今智能电网的发展趋势和要求[17]。非接触电流测量将利用磁平衡式（闭环）电流传感器，进行信号采集，避免拆卸CVT的分压电容装置，对信号的采集将采用霍尔元件。采用1 mA直流电流检测技术是电力监控系统经常要对控制电路的电流进行测量，由于被测电路的电流是直流且为毫安数量级，甚至小于1 mA，所以对噪声抑制和抗干扰性能要求高[18]。传统的直检式霍尔电流传感器无法达到如此低的测量范围和响应速度，因此不予采用。磁平衡式（闭环）电流传感器则可以精确测量直流小电流（毫安级）或直流差流（漏电流）信号，实现隔离测量[19]。
数据处理系统主要由单片机C8051F020组成，它是整套系统的核心。主要负责分析和处理数据采集系统采集到的数据，并通过它实现远程数据通信[20]。它的输入端接数据采集系统的输出端，其输出端与远程通信系统连接。当需要进行介损测量时，启动数据处理系统，分析得出结果，将CVT所测得电压电流的各种信息一同发送至控终端，由无线WiFi系统自动将信号传输至PC端，使得工作人员实时了解CVT的运行状态。
2.2 无线传输系统
将采用WiFi无线通信单元来实现测量硬件电路与PC端软件程序之间的数据传输。测量硬件电路会将电压电流传感器输出的测量信号就地数字化，将数据通过无线WiFi网络传输至PC端电脑程序，完成通信。通过这种无线WiFi传输，不仅可以使得电力工作人员在安全距离外对电压电流进行测量和监控，隔离高压，而且可以利用无线网络和通信协议，建立范围更广的传感器检测网络，实现多个目标的同时测量。
本设计中的WiFi无线通信单元使用南京联创科技研制的WiFi数据传输模块WF?U?09T，其传输距离最大为50 m。该模块使用UART串口的数据接口，其波特率最高可至115 200 b/s，因此单片机可以直接通过UART串口将测量数据高速传输至WiFi模块中等待无线发送。并且，其内部集成了对ARP，UDP以及TCP/IP等诸多协议和WiFi驱动的支持，可以无障碍地实现与任意无线设备之间的数据通信[21]。
2.3 PC端程序设计
用LabVIEW软件作为基础对PC端进行了程序设计。基于LabVIEW的系统软件优点明显，其人机交互界面非常实用、方便，并且可塑性强，虚拟仪器结合了图形化编程方式的高性能与灵活性；用于试验系统将会非常便利。由硬件测量电路采集到的电压电流数据经无线WiFi模块发送至PC端口，然后由LabVIEW软件编写的UDP数据接收模块进行数据的接收，再將数据输送至相应模块的分析、处理和计算；最后，采集数据的波形及相应的分析数据的结果将在可视化的界面上显示。通过LabVIEW开发软件设计的PC端程序的流程如图5所示。
程序的流程为：首先通过人机界面系统对UDP通信端、A/D采用频率和采样时间进行初始化设置，人机界面还可实现时域波形显示、相位角、基波频率显示、有效值显示等；在初始化设置完毕后，PC端对测量电路发出相关指令，进行工作；当检测到的电压电流信号通过单片机处理单元，模拟信号就变为离散的数字信号。离散的数字信号将按照UDP协议格式通过WiFi模块传送到PC端，把数字信号进行数/模转换后还原成被测电压波形，将波形进行处理后，利用波形显示模块进行显示，并且通过PC端计算出被测信号波形、频率、相位角等信息；最后通过PC端的寄存器对波形和数据进行储存。
3 介损试验
对系统进行了设计与研究之后，在实验室搭建了非接触式测量平台，根据实验室的条件进行了试验测试。在低压端施加电压，调整变压器的变比，使得在电容式电压互感器的高压端的试验电压为2 000 V左右。经过多次测试，CVT三相电容器的介损值和电容值如表1所示。
从表1可知，三相之间变化不大，C2电容值明显高于其余电容值，且介损值可以作为评判其绝缘状态的有效参数。
通过检测平台测量到的C2电压电流波形如图6所示，在可视化界面可以准确获得电压电流的各部分参数，便于进一步计算。
4 结 论
本文提出了基于自激法的非接触式CVT介损测量方法，并对非接触式CVT介损测量系统软硬件进行了设计和研究，最后搭建了非接触式CVT介损测量试验平台，对该系统进行了测试性实验。实验表明，非接触式CVT介损测量系统可对CVT的电压电流信号进行实时数字化采集，并通过无线WiFi通信将数据传输至PC端进行分析处理。由此，电力工作人员可及时了解电容式电压互感器的绝缘状态，对其进行评估，通过介损值判断其工作状态是否良好，从而保证电力检测时精度高、性能稳定，同时隔离高压可以实现更安全可靠的测量。
参考文献
[1] 王楠.电容型设备绝缘在线监测与故障诊断的研究[D].保定：華北电力大学，2004.
[2] 郑剑锋.高压容性设备介质损耗在线监测系统研究与实现[D].南京：南京理工大学，2011.
[3] 林国庆，陈桂龙.介质损耗数字化测量方法研究[J].计算机测量与控制，2002，10（4）：217?218.
[4] 王楠，律方成，梁英，等.基于高精度DFT的介损数字测量方法[J].高电压技术，2003，29（4）：3?5.
[5] 尚勇，杨敏巾，王晓蓉，等.谐波分析法介质损耗因数测量的误差分析[J].电工技术学报，2002，17（3）：67?71.
[6] 王楠，律方成，梁英.基于修正理想采样频率的谐波分析法在介损在线测量中的应用[J].电测与仪表，2003，40（7）：12?15.
[7] 金之俭，肖登明，王耀德.绝缘介质损耗角的数字化测量研究[J].高电压技术，1999，25（1）：49?50.
[8] AHMAD M. A simple scheme for loss angle measurement of a capacitor energy conversion [J]. IEEE transactions enevgy conversion， 2004， 19（1）： 228?229.
[9] NAKAYAMA T. On?line cable monitor developed in Japan [J]. IEEE transactions on power delivery， 1991， 6（3）： 1359?1365.
[10] 蔡国雄，胡兆明，王建民.介质损耗测量的过零点电压比较法[J].电网技术，1995，19（10）：1?5.
[11] 李涛，杜晓平，刘焕光.电容式电压互感器自激法的测试及误差分析[J].电力系统保护与控制，2009，37（5）：31?33.
[12] 常美生，郝立俊.电容式电压互感器电容和介损试验的分析[J].电力学报，2009，24（1）：28?30.
[13] 丁庆辉.电压互感器高压侧熔断器一相熔断误判分析[J].四川电力技术，1999（4）：56?57.
[14] 周洁莲，吴少珍.防止电压互感器的铁磁谐振过电压的有效措施[J].高电压技术2001，27（z1）：53?55.
[15] MARUVAKA P S. Development of field?mill instruments for ground?level and above?ground electric field measurement under HVDC transmission lines [J]. IEEE transactions on power applied systems， 1983， 102（3）： 738?784.
[16] EVANS W H. The measurement of electric fields in clouds [J]. Pure and applied geophysis， 1965， 62（3）： 191?197.
[17] 陈天翔.电气试验[M].北京：中国电力出版社，2008.
[18] 姜鸣岐.数字式介质损耗测量仪的研究与开发[D].沈阳：沈阳工业大学，2013.
[19] 罗睿希.基于电场耦合原理的电压测量装置设计研究[D].重庆：重庆大学2014.
[20] 王亚平，岳永刚.CVT自激法测试原理及其试验电压的选取[J].内蒙古电力技术，2010，28（6）：17?20.
[21] 陈淑芳.基于51单片机的教学实验系统的设计与开发[D].青岛：中国海洋大学，2011.
摘 要： CVT能否正常可靠运行直接影响到整个电力系统的稳定性，为实时监测CVT的绝缘状态，提出了基于自激法的非接触式CVT介损测量系统。通过非接触式测量平台对电压电流波形同步采样，并由无线WiFi模块将所测得电参量传输至PC端，在LabVIEW软件平台上用谐波分析法进行电压电流信号的处理并计算得出介质损耗参数tan δ。该方法可以有效测出CVT各部分电容器的介损值和电容值，同时能够可视化电压电流参量，用于长期监测CVT绝缘状态，在实际的介损测试中可以隔离高压，有较高的安全性和可靠性。
关键词： 在线检测； 介质损耗测量； 电容式电压互感器； 非接触式测量装置
中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0183?04
Abstract： The normal operation of CVT affects the stability of the whole power system directly. A CVT dielectric loss measuring system based on self?excitation with non?contact mode is presented in this paper. CVT′s voltage and current waveforms are sampled synchronously by non?contact measuring platform. The wireless WiFi module is used to transmit the measured electrical parameters to the PC side. The harmonic analysis method is adopted to process the voltage and current signals on LabVIEW software platform， and the dielectric loss parameter （tanδ） is obtained by calculation. The test result shows that this method can effectively detect the dielectric loss and capacitance values of each capacitor in the CVT， display the voltage and current parameters， and can be used to measure the long?term insulating state of CVT. It can isolate the high voltage in the actual dielectric loss measurement， and has high safety and reliability.
Keywords： on?line detection； dielectric loss measurement； CVT； non?contact measuring device
0 引 言
随着我国进入“十三五”进程，电力工业也将打破垄断，向着市场化转变[1?2]，这已成为不可逆转的大趋势。市场化的转变必将驱使电力行业进行技术进步和革新。用于高压电能计量、继电保护、载波通信的电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformers，CVT），在测量精度、互感器成本、体积等方面具有电磁式电压互感器不可比拟的优势[3]，也在逐渐取代电磁式电压互感器（PT）。如今在35～500 kV的变电站的线路侧和母线上，CVT都有着广泛的应用[4]。为了保證CVT能够安全、稳定、可靠运行，开展对CVT此类重要的输变电设备的绝缘在线监测与故障诊断，对于全面实现状态维修具有十分重要的现实意义[5?6]。
介质损耗因素tan δ是衡量电容型高压电气设备绝缘特性的主要参数，可反映出被测电气设备的绝缘问题[7]，例如设备中的气隙放电、劣化变质等[8]。本文提出了基于自激法的非接触式CVT介损测量方法，并设计出了一种CVT介损测量系统。这种装置将无线通信技术、计算机技术以及电能量测量技术和非接触式CVT介损测量技术结合在一起，采用C8051F120单片机为核心，通过非接触式测量CVT分压电容的电压电流波形，获得有效的介损计算参数，最终实现实时介损测量。该系统实现了非接触式CVT介损测量，系统的实施既避免了高压侧拆接线的危险，又可以大量节约人力、物力，有效降低工作时间，实现快速、高效实时CVT介损测量。
1 CVT结构和测量原理
1.1 CVT结构
如图1所示，CVT是由电磁单元部分和分压器单元部分组成[9]。其中分压器部分由高压电容C1（由C11，C12和C13分节电容串联而成）和低压电容C2串联而成。T为电磁部分的中间变压器，它和阻尼电阻Z、补偿电抗器L又构成电容分压器[10?11]。
电力人员在对CVT进行预实定检时，按照《实验规程》[12] ，将对CVT的高压电容C1和低压电容C2的电容值及其介损参数tan δ进行测量。
1.2 自激法测量CVT介损
当设备中的绝缘介质在交流电压下，其总电流由阻性电流分量和电容电流分量两个分量组成[13]，绝缘介质会出现一些能量的损耗，介损角正切因数（tan δ），简称为介损，它可以反映出设备的损耗。tan δ仅仅取决于材料的特性，与其他的因素没有关系。传统的介损测量方法是利用电桥平衡的原理通过正接线或反接线实现[14]，如图1中C11，C12的测量。
采用自激法是以CVT的中间变压器作为试验变压器，从二次侧施加电压对其进行激磁，在一次侧感应出高压作为电源来测量高压端的C1和低压端的C2的电容及介损[15]。以TYD220?0.01w3型CVT为例，其原理结构图如图2所示。
当测高压电容C1的电容值及其介损值时，标准电容Cn与低压端电容C2串接成电桥的的桥臂，串联后其大小可用等效电容表示：
在计算低压端电容C2的大小及其介损时，可采取上述方法，其等效电容可表示为：
由于串联后的等值电容，与Cn存在误差，其大小表示为：
通过式（1）和式（2）可分别求得，后，代入式（3）求得，判断其大小是否在工程允许的误差范围内[16]。
2 非接触式CVT介损测量平台
设计的非接触式CVT介损测量平台包括对分压电容C1，C2以及高压端子处的数据采集系统、数据处理、数据无线传输系统和基于LabVIEW软件的PC端。数据采集系统采用非接触式高压电流电压检测技术主要完成对分压电容相关数据的采集处理；数据处理系统主要对数据采集系统采集到的相关数据进行计算分析与处理，并实时地将数据发送至信号处理终端；数据无线传输系统将数据处理系统发出的电压电流信号及相应运行状况发送至PC端，经过LabVIEW软件计算分析，得出最终的介损参数值和CVT各部分电容值，其非接触式检测平台如图3所示。
2.1 数据采集与处理系统
如图4所示为数据采集及处理部分，电压数据测量采用的是D?dot电压传感器，其不仅实现了与高压侧的电气隔离测量，保证了人身安全，而且其测量精度较高，体积也较小，满足现如今智能电网的发展趋势和要求[17]。非接触电流测量将利用磁平衡式（闭环）电流传感器，进行信号采集，避免拆卸CVT的分压电容装置，对信号的采集将采用霍尔元件。采用1 mA直流电流检测技术是电力监控系统经常要对控制电路的电流进行测量，由于被测电路的电流是直流且为毫安数量级，甚至小于1 mA，所以对噪声抑制和抗干扰性能要求高[18]。传统的直检式霍尔电流传感器无法达到如此低的测量范围和响应速度，因此不予采用。磁平衡式（闭环）电流传感器则可以精确测量直流小电流（毫安级）或直流差流（漏电流）信号，实现隔离测量[19]。
数据处理系统主要由单片机C8051F020组成，它是整套系统的核心。主要负责分析和处理数据采集系统采集到的数据，并通过它实现远程数据通信[20]。它的输入端接数据采集系统的输出端，其输出端与远程通信系统连接。当需要进行介损测量时，启动数据处理系统，分析得出结果，将CVT所测得电压电流的各种信息一同发送至控终端，由无线WiFi系统自动将信号传输至PC端，使得工作人员实时了解CVT的运行状态。
2.2 无线传输系统
将采用WiFi无线通信单元来实现测量硬件电路与PC端软件程序之间的数据传输。测量硬件电路会将电压电流传感器输出的测量信号就地数字化，将数据通过无线WiFi网络传输至PC端电脑程序，完成通信。通过这种无线WiFi传输，不仅可以使得电力工作人员在安全距离外对电压电流进行测量和监控，隔离高压，而且可以利用无线网络和通信协议，建立范围更广的传感器检测网络，实现多个目标的同时测量。
本设计中的WiFi无线通信单元使用南京联创科技研制的WiFi数据传输模块WF?U?09T，其传输距离最大为50 m。该模块使用UART串口的数据接口，其波特率最高可至115 200 b/s，因此单片机可以直接通过UART串口将测量数据高速传输至WiFi模块中等待无线发送。并且，其内部集成了对ARP，UDP以及TCP/IP等诸多协议和WiFi驱动的支持，可以无障碍地实现与任意无线设备之间的数据通信[21]。
2.3 PC端程序设计
用LabVIEW软件作为基础对PC端进行了程序设计。基于LabVIEW的系统软件优点明显，其人机交互界面非常实用、方便，并且可塑性强，虚拟仪器结合了图形化编程方式的高性能与灵活性；用于试验系统将会非常便利。由硬件测量电路采集到的电压电流数据经无线WiFi模块发送至PC端口，然后由LabVIEW软件编写的UDP数据接收模块进行数据的接收，再將数据输送至相应模块的分析、处理和计算；最后，采集数据的波形及相应的分析数据的结果将在可视化的界面上显示。通过LabVIEW开发软件设计的PC端程序的流程如图5所示。
程序的流程为：首先通过人机界面系统对UDP通信端、A/D采用频率和采样时间进行初始化设置，人机界面还可实现时域波形显示、相位角、基波频率显示、有效值显示等；在初始化设置完毕后，PC端对测量电路发出相关指令，进行工作；当检测到的电压电流信号通过单片机处理单元，模拟信号就变为离散的数字信号。离散的数字信号将按照UDP协议格式通过WiFi模块传送到PC端，把数字信号进行数/模转换后还原成被测电压波形，将波形进行处理后，利用波形显示模块进行显示，并且通过PC端计算出被测信号波形、频率、相位角等信息；最后通过PC端的寄存器对波形和数据进行储存。
3 介损试验
对系统进行了设计与研究之后，在实验室搭建了非接触式测量平台，根据实验室的条件进行了试验测试。在低压端施加电压，调整变压器的变比，使得在电容式电压互感器的高压端的试验电压为2 000 V左右。经过多次测试，CVT三相电容器的介损值和电容值如表1所示。
从表1可知，三相之间变化不大，C2电容值明显高于其余电容值，且介损值可以作为评判其绝缘状态的有效参数。
通过检测平台测量到的C2电压电流波形如图6所示，在可视化界面可以准确获得电压电流的各部分参数，便于进一步计算。
4 结 论
本文提出了基于自激法的非接触式CVT介损测量方法，并对非接触式CVT介损测量系统软硬件进行了设计和研究，最后搭建了非接触式CVT介损测量试验平台，对该系统进行了测试性实验。实验表明，非接触式CVT介损测量系统可对CVT的电压电流信号进行实时数字化采集，并通过无线WiFi通信将数据传输至PC端进行分析处理。由此，电力工作人员可及时了解电容式电压互感器的绝缘状态，对其进行评估，通过介损值判断其工作状态是否良好，从而保证电力检测时精度高、性能稳定，同时隔离高压可以实现更安全可靠的测量。
参考文献
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[5] 尚勇，杨敏巾，王晓蓉，等.谐波分析法介质损耗因数测量的误差分析[J].电工技术学报，2002，17（3）：67?71.
[6] 王楠，律方成，梁英.基于修正理想采样频率的谐波分析法在介损在线测量中的应用[J].电测与仪表，2003，40（7）：12?15.
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[13] 丁庆辉.电压互感器高压侧熔断器一相熔断误判分析[J].四川电力技术，1999（4）：56?57.
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