吳冕之，林美玲，王瑞果

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550002；2. 貴州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

電力設(shè)備在制造、運(yùn)輸和安裝過程中難免會出現(xiàn)絕緣缺陷，并會在外施電壓作用下不斷發(fā)展進(jìn)而可能導(dǎo)致?lián)舸?，使設(shè)備失去絕緣性能[1-3]。因此，如何及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備內(nèi)部存在的絕緣缺陷，是狀態(tài)檢修的關(guān)鍵問題。近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)能力和商業(yè)發(fā)展空間的擴(kuò)大，供電網(wǎng)絡(luò)不斷增容擴(kuò)大，城市內(nèi)配網(wǎng)普遍使用電纜供電方式。電纜供電線路比架空網(wǎng)絡(luò)對地分布電容效應(yīng)顯著增大，電網(wǎng)分布電容電流也隨之增加。因單相接地故障，弧光過電壓容易引起設(shè)備絕緣擊穿事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電網(wǎng)的故障主要是由于線路單相接地時電容電流過大而無法自行息弧而引起的。因此，我國的電力規(guī)程規(guī)定，當(dāng)10 kV和35 kV系統(tǒng)電容電流分別大于30 A和10 A時，應(yīng)裝設(shè)消弧線圈補(bǔ)償電容電流。另外，配電網(wǎng)的對地電容和PT配合會產(chǎn)生PT鐵磁諧振過電壓。為了驗(yàn)證該配網(wǎng)系統(tǒng)是否會發(fā)生PT諧振及其他性質(zhì)的諧振，必須準(zhǔn)確測量配電網(wǎng)的對地電容電流[4-6]。

目前，在進(jìn)行中性點(diǎn)電容電流測量時，須由測試人員手持絕緣桿，使用分立儀表讀出測試數(shù)據(jù)。這種測試方法存在工作量大、儀表體積重量大、使用不便等問題。另外，試驗(yàn)過程中，測試人員與帶電部位僅通過絕緣桿隔離，存在很大的安全隱患。

在中性點(diǎn)外加電容法的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合近幾年電力電子元器件的最新發(fā)展成果，運(yùn)用新器件新方式研制了一套中性點(diǎn)電容電流測試裝置，并采用遙控機(jī)械臂遙控測試終端方式，實(shí)現(xiàn)了測試人員與帶電部分的電氣隔離。理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)證明，該裝置能夠顯著提高現(xiàn)場測量的方便性和安全性，并具有較高的測量精度，能在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時有效提供安全保護(hù)，保障被測配網(wǎng)系統(tǒng)的安全。

1 中性點(diǎn)電容電流測量原理

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電容電流測試儀測量采用間接測量法中的中性點(diǎn)外加電容法來測量配網(wǎng)的電容電流[7-8]，測量原理如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)外加電容法測量原理

圖1 中，CA、CB、CC分別為被測系統(tǒng)的三相對地電容。由于CA≠CB≠CC，所以主變壓器被測系統(tǒng)側(cè)的中性點(diǎn)對地必有一個不對稱電壓UHC存在。若將外加電容C0的一端接地，另一端接于主變壓器被測系統(tǒng)側(cè)的中性點(diǎn)，則按等效發(fā)電機(jī)原理，可簡化為如圖2所示的等效電路。

圖2 中性點(diǎn)接C0后的等效電路

測量標(biāo)準(zhǔn)電容器上的位移電壓U0，并通過式（1）計(jì)算出被測網(wǎng)絡(luò)的電容和電容電流值。

2 自動伸縮遙控接線臂

為降低測試人員搭接絕緣桿時的安全風(fēng)險(xiǎn)，本課題組研制了一套自動伸縮遙控接線臂[9-10]。該接線臂可安裝于伸縮絕緣桿上，由單人操作，靈活遙控鉗口的開合、旋轉(zhuǎn)、俯仰，以替代人工完成繁重的測試引線夾持、拆除等工作任務(wù)，減輕人員勞動強(qiáng)度、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。圖3為遙控機(jī)械臂的設(shè)計(jì)原理圖。當(dāng)機(jī)械臂接收到無線遙控器發(fā)出的信號時，能靈活地開合、旋轉(zhuǎn)和俯仰。

圖3 遙控機(jī)械臂的設(shè)計(jì)原理圖

圖3 中，1為固定基座，連接高空接線鉗并支撐機(jī)械臂；2為旋轉(zhuǎn)軸，內(nèi)置電池、控制電路、接收器、步進(jìn)電機(jī)，可360°旋轉(zhuǎn)；3為咬合鉗座，支撐咬合鉗并可180°旋轉(zhuǎn)；4為定位銷，定位咬合鉗口；5為咬合鉗A，在咬合座上滑動，最大咬合力100 N；6為滑動螺桿，為咬合鉗提供咬合動力；7為咬合鉗B，在咬合座上滑動，最大咬合力100 N。圖4為咬合鉗示意圖。

圖4 咬合鉗示意圖

將設(shè)計(jì)的機(jī)械臂連接測試線，并安裝在可自動伸縮的絕緣伸縮桿上，即可應(yīng)用在電容電流測試中。試驗(yàn)過程由測試人員遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行，有效降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動強(qiáng)度。圖5為自動伸縮遙控接線臂的實(shí)物圖。

圖5 自動伸縮遙控接線臂實(shí)物圖

3 測試裝置研制

3.1 測試主機(jī)

測試主機(jī)通過高壓電容連接到中性點(diǎn)，主機(jī)的測量對象（中性點(diǎn)）是帶電的，中性點(diǎn)電壓最高可超過1.5%的系統(tǒng)相電壓，對于35 kV系統(tǒng)電壓為100～300 V。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地并上升到系統(tǒng)相電壓時，對于一次設(shè)備集中、空間狹小的工作區(qū)域，需要保證人員不碰觸帶電設(shè)備，并測量主機(jī)的絕緣電壓等級達(dá)到系統(tǒng)相電壓。測量主機(jī)要求全絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并提供高壓熔斷保護(hù)機(jī)制，主機(jī)內(nèi)部帶鋰電池組，不用外接電源，利用無線通信手段連接手持終端，保證測試人員與高壓電的安全距離。

測試主機(jī)主要由微處理器、電壓信號處理單元、標(biāo)準(zhǔn)電容器組、高壓熔斷器、無線模塊、存儲器、顯示器和電源部分組成。

微處理器使用意法半導(dǎo)體（ST）公司出品的32位ARM微控制器，內(nèi)核是Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz，主要完成信號的采集（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、計(jì)算結(jié)果的存儲，顯示、信號傳輸?shù)裙δ堋?/p>

電壓（電流）信號放大單元使用美國ADI公司的OP213運(yùn)算放大器，采用4～36 V單電源供電，可以維持低噪聲和精密性能。典型增益帶寬積為3.4 MHz、壓擺率超過1 V/μs、噪聲密度極低，為4.7 nV/√Hz。不僅可保證輸入失調(diào)電壓性能，而且能保證失調(diào)電壓漂移低于 0.8 μV/℃。

無線模塊采用挪威Nordic公司的nRF905無線芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM頻段，能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，不需要昂貴的高速M(fèi)CU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋，降低了MCU存儲器需求。

存儲器采用美國ATMEL公司的AT45DB161D閃存芯片，大大減少了可用引腳數(shù)量，同時提高了系統(tǒng)可靠性，降低了開關(guān)噪聲，縮小了封裝體積。芯片有充足的存儲空間，可以保存大量數(shù)據(jù)。

顯示器為手持終端顯示器，采用帶觸摸的3.5寸工業(yè)串口屏，可適應(yīng)惡劣環(huán)境、強(qiáng)磁干擾和戶外等工作場合。

電源部分為內(nèi)部供電電源，使用大容量鋰聚合物電池，一次充電可連續(xù)工作3 h左右。采用ASM1117穩(wěn)壓器，提供完善的過流保護(hù)和過熱保護(hù)功能，輸出電壓和參考源精度為±1%。

3.2 手持測試終端

通過無線通信技術(shù)與測量主機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)遙控主機(jī)測量，接收存儲測量結(jié)果，設(shè)定主機(jī)測量參數(shù)等。在變電站內(nèi)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，可靠通信距離大于30 m，改變了以往需人員直接操作主機(jī)測試的模式，增加了人員的工作安全性。

3.3 軟件及算法

波形采樣率為10 kHz/s，即每個信號波形1 s采樣10 000個點(diǎn)，每周期200個點(diǎn)，并通過FFT技術(shù)分離出實(shí)測波形的基波分量和各次諧波分量。

通過阻容濾波電路，對經(jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換器后得到的離散化數(shù)字信號序列f(n)進(jìn)行濾波，并根據(jù)截止頻率與電路電阻、電容的數(shù)值關(guān)系計(jì)算RC值帶入差分方程，最終得到經(jīng)低通濾波的信號序列。

3.4 自動伸縮遙控接線臂

傳統(tǒng)測量時，測試人員需手持絕緣棒連接高壓電纜，將其金屬頭碰觸中性點(diǎn)母線，以測量三相對地不對稱電壓UHC和位移電壓Uo。整個測量過程中，人員一直在測試位置附近，有一定的危險(xiǎn)性。使用伸縮遙控接線臂后，整個作業(yè)過程均通過操作人員遠(yuǎn)程遙控完成，不需要通過絕緣工器具接觸帶電位置即可完成測試工作，有效保障了工作人員的人身安全。

3.5 裝置結(jié)構(gòu)及工作流程

測試系統(tǒng)主要由測量主機(jī)、接收終端和遙控接線臂組成。測試人員開啟主機(jī)電源，接好低壓線路后即可離開測試區(qū)，然后通過操作遙控接線臂接好測試線，操作手持終端遙控主機(jī)，主機(jī)自動采集電壓信號并處理，最終測試結(jié)果經(jīng)過無線發(fā)射模塊傳送到接收終端。測試人員可以操作手持終端控制主機(jī)復(fù)測，讀取數(shù)據(jù)并結(jié)束測試，如圖6所示。

經(jīng)過模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，該中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流測量裝置有較高的測量精度，不僅能準(zhǔn)確測量待測電流，還有效實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員與帶電母線的電氣隔離，顯著提高了該作業(yè)項(xiàng)目的工作效率和安全性。

4 結(jié) 論

本文研制了一套中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流測量裝置，通過模塊化集成，有效解決了原來使用分立儀表接線的體積大、重量大、使用不便的問題。通過伸縮遙控接線臂和手持終端遠(yuǎn)程控制的方式，解決了高電壓隔離的問題。測試人員遠(yuǎn)離高壓測試區(qū)，操作遙控終端接線即可完成測試工作，不需要通過絕緣工器具接觸帶電部位，有效保障了現(xiàn)場人員的人身安全。

圖6 裝置整體結(jié)構(gòu)及接線示意圖