基于高壓電器容量試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)性能的研究

0 引言

電力行業(yè)近些年發(fā)展迅速，電能傳輸與配送的安全與可靠也越來越受到很高的關(guān)注，高壓電器是否穩(wěn)定運(yùn)行也成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，高壓電器在正式入網(wǎng)使用前必須通過國(guó)家規(guī)定的型式試驗(yàn)，容量開斷試驗(yàn)是型式試驗(yàn)的最重要部分，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確與可靠性提出了很高的要求，所以試驗(yàn)室的試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于容量試驗(yàn)具有重要的意義。

近些年International Electrotechnical Commission(簡(jiǎn)稱IEC)標(biāo)準(zhǔn)和Short-Circuit Testing Liaison(簡(jiǎn)稱STL)技術(shù)導(dǎo)則的不斷修訂和完善，對(duì)容量試驗(yàn)的技術(shù)要求也越來越高.

試驗(yàn)需要測(cè)量的信號(hào)不僅數(shù)量多，而且幅值范圍大，頻率范圍寬，記錄的時(shí)間也長(zhǎng)短不一。電壓從幾伏到一千多千伏，電流從幾安到幾百安，電流測(cè)量頻率從直流到幾十千赫茲，并且試驗(yàn)信號(hào)都不是單頻而是混頻信號(hào)，持續(xù)時(shí)間從幾微秒到幾十秒等等。高壓試驗(yàn)同時(shí)測(cè)量的參量也很多，包括試驗(yàn)電壓，試驗(yàn)電流，負(fù)載電壓，分合閘線圈的電壓，試品的機(jī)械行程曲線，電弧電壓等等。為了滿足發(fā)展的要求，機(jī)械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心研制出完全符合其要求的容量試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。并很好的滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，運(yùn)行良好。

1.測(cè)量系統(tǒng)的組成方案

1.1 測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成部分

測(cè)量得到示波圖的核心硬件是波形記錄儀，本系統(tǒng)記錄儀采用了當(dāng)前世界上先進(jìn)的LDS Genesis波形記錄儀，并有匹配的測(cè)試軟件(軟件部分我們下部分介紹)。記錄儀我們采用了16個(gè)通道1MS/s的采集模塊，16bit,±1~±50V可調(diào)，模擬帶寬500kHZ(-3dB)。4個(gè)通道10MS/s的采集模塊，14bit,±0.02~±100V可調(diào)，模擬帶寬1MHZ(-3dB)。

在電流傳感器配置方面，因?yàn)闇y(cè)量電流頻帶寬，短路電流周期分量、非周期分量、頻率、相角、時(shí)間常數(shù)、主回路干擾等都是影響波形的因素，在電纜充電電流和線路充電電流中的合閘涌流、合成試驗(yàn)時(shí)延弧干擾等等也都對(duì)電流測(cè)量的準(zhǔn)確度產(chǎn)生很大影響。高壓試驗(yàn)電流測(cè)量現(xiàn)在主要有分流器，帶氣隙的電流互感器和羅斯線圈幾種，我們主要采用了帶氣隙的電流互感器，并參加了國(guó)際短路試驗(yàn)聯(lián)盟組織的，國(guó)內(nèi)有西高院牽頭的短路電流測(cè)量比對(duì),測(cè)量值偏差為0.4%.其測(cè)量電流的周期分量和非周期分量都很好。選用的電流互感器要滿足測(cè)量的要求，根據(jù)不同的電流值，選取了幾檔電流互感器，變比分別為100/5、2500/5、3000/5、20000/5、100000/5(單位A)的電流互感器，直接網(wǎng)路試驗(yàn)可以測(cè)量50KA,時(shí)間常數(shù)120ms,線性度小于5%,暫態(tài)誤差100ms內(nèi)小于1%,精度達(dá)到1級(jí)。

在電壓傳感器的配置方面，高壓電器試驗(yàn)在電壓工頻階段頻率比較穩(wěn)定，但是在開斷后的恢復(fù)階段頻率不是單一的，而是混頻信號(hào)，持續(xù)的時(shí)間比較短，一般只有幾微秒，需要運(yùn)用2參數(shù)或者4參數(shù)法測(cè)量恢復(fù)電壓的TRV等參量。在恢復(fù)電壓之后有幾多達(dá)幾秒的工頻穩(wěn)態(tài)電壓或者直流恢復(fù)電壓。本系統(tǒng)選用了最新的RC-70阻容分壓器來測(cè)量電壓信號(hào)，阻容分壓器具有頻帶很寬的特點(diǎn)，可以測(cè)量信號(hào)的頻率范圍從直流到500KHz信號(hào)。分壓器可測(cè)量70kV電壓，完全滿足三相直接試驗(yàn)的使用，測(cè)量精度達(dá)到1級(jí)。選用的分壓器可以單獨(dú)測(cè)量各點(diǎn)得對(duì)地電壓，也可以兩個(gè)一對(duì)測(cè)量點(diǎn)與點(diǎn)之間的線電壓，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性有很多的幫助。

在信號(hào)傳輸方面，由于高壓電器容量試驗(yàn)時(shí)一個(gè)干擾多，強(qiáng)電磁的環(huán)境，信號(hào)傳輸要抵抗這些干擾問題，本測(cè)量系統(tǒng)采用光纖傳輸信號(hào)并且與之匹配的是數(shù)字光纖隔離模塊，數(shù)字光纖模塊的誤差達(dá)到0.5%滿量程，模擬寬帶20MHz(-3dB)，在傳輸前端EMC屏蔽，單獨(dú)的電池供電，電池是可更換的，簡(jiǎn)單方便，使用壽命長(zhǎng)。數(shù)字隔離模塊抗干擾能力強(qiáng)，可以放在復(fù)雜的環(huán)境中，包括試驗(yàn)小室內(nèi)，采集的數(shù)據(jù)再用光纖傳到試驗(yàn)室，進(jìn)入記錄儀進(jìn)行顯示和處理。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)的軟件組成部分

與采集數(shù)據(jù)記錄儀匹配的是專門為高精密測(cè)量而開發(fā)的Perception軟件，在整個(gè)測(cè)量的系統(tǒng)中，軟件處理是在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行的，處于測(cè)量系統(tǒng)的后端，如圖1所示。

測(cè)系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用功能，具有專門為高壓電器試驗(yàn)而打造的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，具備控制采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、調(diào)閱數(shù)據(jù)、函數(shù)編輯、報(bào)告生成等很多功能，尤其是其函數(shù)編輯功能具有高的靈活性，可根據(jù)自身的需要進(jìn)行編輯。還具有擴(kuò)展功能如CSI功能，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行更具有人性化的界面編輯如圖2所示。在數(shù)據(jù)處理模塊中具有按照標(biāo)準(zhǔn)和STL導(dǎo)則要求而研制的函數(shù)分析庫，使用者根據(jù)不同是試驗(yàn)項(xiàng)目來編譯合適的函數(shù)計(jì)算程序。STL提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)生器(TDG)來檢查測(cè)試軟件的算法精度，從公布的國(guó)外試驗(yàn)室短路電流數(shù)據(jù)處理的平均結(jié)果來看：短路電流有效值測(cè)量不確定度≤0.4%,非對(duì)稱短路電流直流分量的測(cè)量不確定度≤2%,非對(duì)稱短路電流峰值測(cè)量不確定度≤0.2%.本系統(tǒng)采用編譯的函數(shù)后采用TDG提供的波形進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試的結(jié)果是：短路電流有效值測(cè)量不確定度≤0.42%,非對(duì)稱短路電流直流分量的測(cè)量不確定度≤1.86%,非對(duì)稱短路電流峰值測(cè)量不確定度≤0.186%,測(cè)試結(jié)果證明，短路電流數(shù)據(jù)滿足STL技術(shù)文件關(guān)于軟件的技術(shù)指標(biāo)。