CN104375112A - 一种基于sf6平行板电容的电压互感器在线校验系统 - Google Patents

Abstract

一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，包括一次电压传感单元、数字化采集单元、光信号处理单元和智能处理单元。其特征在于：一次电压传感单元采用SF₆平行板电容器作为电压传感单元，通过检测电容中的电流获取一次电压信号；一次传感单元通过升降平台接入或退出一次导线，实现高压信号的在线获取；一次电压传感单元的输出通过屏蔽电缆与数字化采集单元相连；数字化采集单元的输出为数字量光信号，通过光信号处理单元传输至低压侧的智能处理单元。本发明采用SF6平行板电容器作为标准互感器，实现高压信号的在线获取。其体积和重量随着电压等级的提高增长幅度不大，气体绝缘使得其非常轻便，适合变电站现场使用。

Description

一种基于SF6平行板电容的电压互感器在线校验系统

技术领域

本发明涉及一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，用于对变电站中电子式电压互感器或传统电压互感器在线路不停电的情况下进行实时准确度校验或运行状态监测。 

背景技术

作为电力系统中的关键测量设备之一，互感器的准确度和稳定性是电力系统安全稳定运行的保证。为了保证互感器的准确度，需要对互感器进行校验。 

目前无论是针对传统互感器，还是针对电子式互感器，校验方式主要采用离线校验方式，即：被校验互感器所在的线路停电，互感器从电网中退出运行，然后利用升压、升流装置对互感器施加激励，进行准确度的校验。这种校验方式周期长，每次校验时所需的操作十分复杂，需要开工作票、多个部门配合等，给供电公司和用户带来了很大的不便。另外，数字化变电站中电子式互感器的运用对校验技术提出了更高的要求。与传统互感器相比，电子式互感器在传感原理、光纤传输等方面具有很大的优势，应用越来越多。但由于是新兴的技术，运行过程中也出现了较多的问题，其中准确度问题占较大比重，突出表现在准确度超差现象严重、误差稳定性较差、准确度问题发生频率较高等方面。因此，需要缩短电子式互感器的校验周期。如果采用传统离线校验方式，校验周期缩短意味着频繁的停电，造成不便且停电损失大。因此，需要研究能在线路带电状态下对互感器进行在线校验的装置。 

目前对于电子式电压互感器在线校验技术的研究比较少，究其原因主要有以下几点：一是目前校验时的标准互感器一般为电磁式互感器，随着电压等级的提高体积非常笨重，不利于现场的使用。因此，体积小、重量轻、准确度高的新型传感技术成为研究的难点；二是如何在线路带电情况下在线获取一次电压信号，目前带电操作通常采用绝缘操作杆的形式，这种操作需要操作人员手持操作杆完成，在线路带电时存在安全隐患。因此，一次电压信号的安全采集技术是第二个研究难点。 

专利CN102645643A 提出了一种电子式电压互感器在线校验系统，采用传统电磁式电压互感器作为标准互感器。在电压等级较高（220kv以上）时，电磁式电压互感器的体积与重量急剧增大，因此不利于现场使用，且绝缘成本急剧攀升。另外，电磁式电压互感器作为感性设备，接入带电母线时有可能产生谐振过电压，存在一定的安全风险。专利CN102401889A和CN102313879A提出了针对电子式电流互感器的在线校验方法，但只能用于电流互感器的校验，不能用于电压互感器的校验。 

发明内容

针对目前电压互感器校验技术存在的不足，本发明研究了基于新型传感原理的标准电压互感器，提出了一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统。采用SF₆平行板电容作为电压传感单元，通过检测其中的电流信号获取一次电压信号，在同等电压等级下，大大降低了标准互感器的体积和重量，绝缘设计也变得简单，从而使在线校验的实现更为简单易行。由于电容中的电流与一次电压成微分关系，本发明采用改进的数字积分算法，在基于LabVIEW的软件平台中实现，可以准确的还原被测信号，克服了模拟积分器存在的零漂、温漂等问题。本发明中的在线校验系统，既适用于数字量输出的电子式电压互感器，也适用于模拟量输出的传统互感器。它可以在线路带电的状态下完成电压互感器的在线校验，缩短了校验周期，避免了停电带来的不便和损失。 

本发明的技术方案如下： 

一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，包括一次电压传感单元、数字化采集单元、光信号处理单元和智能处理单元。一次电压传感单元采用SF₆平行板电容器作为电压传感单元，通过检测电容中的电流获取一次电压信号；一次传感单元通过升降平台接入或退出一次导线，实现高压信号的在线获取；一次电压传感单元的输出通过屏蔽电缆与数字化采集单元相连；数字化采集单元的输出为数字量光信号，通过光信号处理单元传输至低压侧的智能处理单元。

所述的一次传感单元，采用SF₆平行板电容器实现。SF₆平行板电容器包含有高压电极、低压电极和绝缘套管。高低压电极采用铝合金材料制成，重量轻且导电性能好。整个电容器是封闭的，内部充有SF₆绝缘气体或N₂和SF₆的混合气体，既可以保证电容器的绝缘性能，内部的这种环境又可以形成一种气体电容器。电容器高压电极上方含有均压环，电容器通过均压环与一次导线相连，均压环起到导线的作用，还可以使电容器周围的电场变得均匀，防止尖端放电干扰测试结果。 

气体电容器的电容量变化会影响测试结果，为了防止漏气等原因造成的气体电容量变化，在均压环下方装有气体监控装置，用于实时监测内部的气体压力。当气压小于某一数值时，提示操作人员进行充气，以保证测量结果的准确性。当在电容器高压电极中施加激励后，电容中会有电流信号产生，通过检测电流的大小并进行一定的运算，即可得出一次电压的大小。电容中的电流输出直接进入数字化采集单元，将电流信号转换为电压信号，并进行A/D转换后，通过FPGA进行数据的组帧处理。电流信号通过屏蔽电缆与数字化采集单元连接。 

所述的数字化采集单元位于电容器低压电极下方，其作用是将电容器中的电流转换为电压后，进行A/D转换变为数字量，然后经FPGA按一定的格式进行组帧处理，并通过光纤向下一级传输。数字化采集单元采用精密电阻实现电流/电压转换，并采用高精度的24位A/D转换器实现模拟信号的数字化，数字化信号直接进入FPGA进行处理和发送。 

所述的光信号处理单元，与数字化采集单元的连接方式为光纤，将数字化采集单元中的数据接收并进行格式转换后，传输给智能处理单元进行分析处理。 

所述的智能处理单元由计算机和其中的软件平台构成。由于电容器中的电流与一次电压成微分关系，需要进行积分还原。考虑到模拟积分器通常存在温漂、零漂等问题，而常用的数字积分算法如矩形积分、梯形积分和Simpson积分等其幅频特性和相频特性与理想积分之间存在一定的差距，本发明采用改进的数字积分算法，其幅频特性和相频特性均更接近理想积分器。数字积分算法在LabVIEW软件平台中实现，软件平台接收到数据之后，首先进行帧解码，获取需要的数据并进行数字积分运算，还原一次电压信号。同时，软件平台还需要同步接收被校验电压互感器的数据，对标准互感器的数据和被校验互感器的数据进行分析，计算出被校验互感器的误差状态，当存在异常时，提示工作人员进行处理。 

本发明中采用SF₆平行板电容器作为标准电压互感器，体积小、重量轻。随着线路电压等级的提高，其体积和重量变化不大，非常适合现场使用。例如220kV等级的电容器，其重量不超过10kg，而同等级的电磁式电压互感器，重量超过100kg。SF₆平行板电容器使用时固定在升降平台上，并固定在可移动的小推车上，形成一个整体，保证现场在线校验时的可移动性。现场操作时，首先将小推车推至被校验互感器所在导线的下方，将系统各个部分的线连接好。操作员在远处通过遥控器控制升降平台的起降，将电容器上方的均压环与一次导线相连，然后开始校验。完成校验后，遥控控制升降平台，将电容器退出一次导线。 

本发明中提到的电压互感器在线校验系统，可以在线路不停电的情况下完成电压互感器的在线校验，简化了校验流程，缩短了校验周期，避免了线路停电造成的损失。 

附图说明

图1为本发明基于SF₆平行板电容器的电压互感器在线校验系统的整体结构示意图。 

图2为本发明SF₆平行板电容器顶端的放大示意图。 

图3为本发明数字化采集单元与SF₆平行板电容器的连接示意图。 

具体实施方式

如图1所示， 本发明主要由SF₆平行板电容器、数字化采集单元6、升降平台7、小推车108、光信号处理单元11和智能处理单元13等部分构成。SF₆平行板电容器与数字化采集单元6之间通过屏蔽电缆相连；数字化采集单元6与光信号处理单元11之间通过光纤9相连；光信号处理单元11和智能处理单元13之间通过USB传输线12相连。 

所述的SF₆平行板电容器主要由高压电极3、绝缘套筒4和低压电极5构成，内部充有SF₆气体或SF₆气体混合物。高压电极3上方为气压监控装置2和均压环1。均压环1和高压电极3整体构成一个金属笼，对处于内部的气压监控装置2起到较好的屏蔽作用，保证其可以准确的对气压进行监控，如图2所示。SF₆平行板电容器放置于升降平台和小推车10上，升降平台可根据现场线路高度的不同进行调节，因而可用于多种电压等级的电压互感器的在线校验。现场操作时，首先将小推车10推至被校验互感器所在导线的下方，将系统各个部分的线连接好。操作员在远处通过遥控器控制升降平台的起降，将电容器上方的均压环与一次导线相连，然后开始校验。校验完成后，遥控控制升降平台，将电容器退出一次导线。 

数字化采集单元6位于低压电极5下方，通过屏蔽电缆与之相连。数字化采集单元6与光信号处理单元11之间的连接光纤有两根，分别为同步光纤和数据光纤。智能处理单元13控制光信号处理单元11对数字化采集单元6发出同步采样信号，数字化采集单元6接收到同步信号后，对来自SF₆平行板电容器的信号进行高精度的同步采样。 

光信号处理单元11将数字化采集单元6传输的光信号进行一定的处理，并转换为适合USB传输线传输的电信号，通过USB传输至智能处理单元13。智能处理单元13主要作用是对标准互感器和被校验互感器的数据进行分析计算。对标准互感器的数据处理主要是数字积分运算、幅值和相位运算、频率分析等。对被校验互感器的数据处理主要是帧解码、幅值和相位运算、误差分析、稳定性分析等。其中数字积分运算的准确性关系到整个校验过程的准确度。电容器中的电流与一次电压成微分关系，需要进行积分还原。常用的模拟积分器存在温漂、零漂等问题，而常用的数字积分算法如矩形积分、梯形积分和Simpson积分等其幅频特性和相频特性与理想积分之间存在一定的差距，本发明采用改进的数字积分算法，其幅频特性和相频特性均更接近理想积分器，误差更小，相对于0.05级的准确度，数字积分算法的误差小于0.004%，可以忽略。 

本发明基于SF₆平行板电容器的电压互感器在线校验系统，由于采用SF₆平行板电容器作为电压传感单元，具有原理和结构简单、体积小、重量轻等优点，非常适合现场在线校验使用。同时，基于SF₆平行板电容器的标准电压互感器，其测量频带较传统电磁式电压互感器要宽的多，除了可以对电压互感器的基本准确度进行校验外，还可以对其进行谐波测量准确度的校验。 

Claims (6)

1.一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，包括一次电压传感单元、数字化采集单元、光信号处理单元和智能处理单元，其特征在于，一次电压传感单元采用SF₆平行板电容器作为电压传感单元，通过检测电容中的电流获取一次电压信号；SF₆平行板电容器装有气压监控装置，用于监测电容器中气体压力的变化，判断是否漏气，当气压不足时，提示操作员进行补气；一次电压传感单元的输出通过屏蔽电缆与数字化采集单元相连。

2.根据权利要求1所述一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，其特征在于，一次传感单元中装有均压环，使得电容器高压端子周围的电场均匀分布，防止尖端放电并起到一定的抗干扰作用；一次传感单元通过升降平台接入或退出一次导线，实现高压信号的在线获取；升降平台通过遥控装置在远处遥控，控制平台的起降。

3.根据权利要求1所述一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，其特征在于，数字化采集单元的输出为数字量光信号，通过光信号处理单元传输至低压侧的智能处理单元。

4.根据权利要求1所述一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，其特征在于，智能处理单元基于台式计算机或者笔记本，其软件平台基于LabVIEW软件环境编写而成；采用改进的数字积分算法对一次传感单元的信号进行还原，进而对数据进行分析处理。

5.根据权利要求1所述一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，其特征在于，SF₆平行板电容器包含有高压电极、低压电极和绝缘套管，高低压电极采用铝合金材料制成，整个电容器是封闭的，内部充有SF₆绝缘气体或N₂和SF₆的混合气体，高压电极上方含有均压环，电容器通过均压环与一次导线相连。

6.根据权利要求5所述一种基于SF₆平行板电容的电压互感器在线校验系统，其特征在于，均压环和高压电极整体构成一个金属笼。