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并联电容器在线监控装置的研究与设计 摘要 并联电容器是一种在电力系统、工业生产设备中应用十分广泛的电气元件， 主要用于补偿电力系统感性负载的无功功率，对于提高电能质量有着举足轻重的 作用，是保障电力系统经济安全运行的重要手段，它的安全运行和故障处理非常 重要。但在长期运行工作中，由于多种原因，电容器故障屡见不鲜，时有电容器 事故发生，为此而采取的策略是“时间基准维修”，以致出现了过多的不必要的停 机及维修，耽误无功补偿，甚至因拆卸、组装过多而出现过早损坏，同时也无法 及时发现带伤运行的电容器。因此，对电容器进行在线监控，既可提高电力系统 运行安全性，又可节省人力、物力，具有重要的现实意义。 本文设计了基于嵌入式处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、嵌入式操作系统“c o s i i 和 g p r s 无线通信技术，具有并联电容器故障在线监控功能和基于并联电容器无功补 偿控制功能的监测终端装置。在电容器故障检测方面，采用加汉宁窗插值的谐波 分析法，并对此进行了改进，使得算法更容易在d s p 芯片上实现；在无功控制方面， 提出了基于模糊最优思想的控制算法；远程通信采用g p r s 无线通信方式，以上传 电容器参数，为远程服务器分析电容器损坏的原因提供数据依据，当电容器出现 故障，以s m s 短信方式发送报警信息到相关人员的g s m 手机，通知相关人员。 其次，本文采用模块化设计方法设计了系统的硬件，详细给出了主控模块电、 数据检测模块、通信模块等功能部份的设计方案与硬件电路；深入分析了斗c o s i i 操作系统的特点，并将其移植到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片上，以管理多功能、多任务的 监控装置的系统资源；同时根据嵌入式系统多任务的划分原则，对整个监测终端 进行多任务的划分，介绍了整个监控装置各个任务的软件设计流程和具体实的现 方法。 最后，本文讨论了系统采用的调试手段和各种抗干扰措施，同时通过编写独 立的测试程序对各硬件模块进行测试，完成软件和硬件的部分功能调试。 关键词：并联电容器；嵌入式技术；模糊控制；汉宁窗；傅里叶变换；g p r s 通信 硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a l l e lc a p a c i t o r ，ae l e c t r i c a lc o n l p o n e n t ，i sw i d e l ya p p l i e di nt h ep o w e rs y s t e m a n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o ne q u i p m e n tm a i n l yt oc o m p e n s a t ef o rt h ep o w e rs y s t e m i n d u c t i v el o a dr e a c t i v ep o w e r ，p l a y i n gav i t a lr o l ef o ri m p r o v i n gp o w e rq u a l i t ya n dt h e s e c u r i t yo ft h ep o w e fs y s t e mo p e r a t i o n ，t h e r e f o r ei t ss a f eo p e r a t i o na n d f a u l th a n d l i n g i sv e r yi m p o r t a n t h o w e v e r ， t h e c a p a c i t o ra c c i d e n t0 f t e no c c u r r e da s ar e s u l t0 f c a p a c i t o rf a u l ta n dt h es t r a t e g ya d o p t e df 6 rt h i s i s ”t i m eb a s em a i n t e n a n c e ”，w h i c h r e s u l t si nt o om a n yu n n e c e s s a r yd o w n t i m ea n dm a i n t e n a n c e ，d e l a y i n g r e a c t i v e c o m p e n s a t i o n ， o re v e n p r e m a t u r ed a m a g ec a u s e db ya n e x c e s s i v ed e m o l i t i o na n d a s s e m b l y ，b u ta l s oc a nn o tf i n dam i n i - r u nc a p a c i t o r s t h e r e f o r e ，t h ec a p a c i t o ro n l i n e m o n i t o r i n g ，b e i n ga b l et op r e v e n ta c c i d e n t sa n db r i n ge c o n o m i cb e n e f i t s ，i so fg r e a t r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t h i s p a p e rd e s i g n s am o n i t o r i n gt e r m i n a lb a s e d0 ne m b e d d e dp r o c e s s o r t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c o sa n dg p r s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，w h i c hh a s0 n - l i n em o n i t o r i n gf h n c t i o n f b rp a r a l l e lc a p a c i t o ra n dt h e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o lf u n c t i o n f i r s t l y ，t h ep a p e ri m p r 0 v e sh a n n i n g i n t e r p o l a t i o nh a r m o n i ca n a l y s i su s e di nt h e c a p a c i t o rf a u l td e t e c t i o n ，w h i c hm a k e si te a s i e rt oa c h i e v ei n t h ed s pc h i p ，p r o p o s e s c o n t r o la 1 9 0 r i t h mb a s e do nf u z z y o p t i m a lt h i n k i n gf o rr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，a n d u s e sg p r sf o rr e m o t ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c hu p l o a d sc a p a c i t o rp a r a m e t e r sf o rt h e r e m o t es e r v e ra n di n f o r mr e l e v a n ts t a f fb ys e n d i n gt h e mm e s s a g e s s e c o n d l y jt h ep a p e re m p h a s i z e so nt h eh a r d w a r e r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h e d e v i c e ，g e t t i n gc l e a rc o n s t r u c t i o nb ya d o p t i n gm o d u l a ra n ds t r u c t u r e dp r o g r a m m i n g a p p r o a c h ，a n dg i v e ss o m eo fp r o j e c td e s i g na n dh a r d w a f ec i r c u i t s ，i n c l u d i n gc o n t r o l m o d u l e ，d a t ad e t e c t i o nm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e t h i t d l y ，a f t e ra n a l y z i n gt h epc o s i io p e r a t i n gs y s t e mf e a t u r e s ，t h ep a p e r t r a n s p l a n t sp c o s i i t ot m s 3 2 0 f 2 8 1 2c h i pi no r d e rt om a n a g em u l t i f u n c t i o n a l ， m u l t i t a s ks y s t e m r e s o u r c e s ，c o 棚 p l e t e s m 出0 t 勰kc i e s i g n i na c c o r d a n c ew i t h m u l t i t a s ks c h e d u l i n gp r i n c i p l ef o re m b e d d e ds y s t e m ，a n di n t r o d u c e ss o f t w a r ed e s i g n p r o c e s sa n ds p e c i f i ci m p l e m e n t a i o nm e t h o d s f i n a l l y ， t h i s p a p e r d i s c u s s e st h es y s t e m d e b u g g i n g m e t h o d sa n dv a r i o u s a n t i j a m m i n gm e a s u r e s ，t e s t sv a r i o u sh a r 1 w a r e m o d u l e st h r o u g hi n d e p e n d e n t t e 8 t i n gp r o c e d u r e s ，a n dp a r t l yc o m p l e l e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e b u g m 并联电容器在线监控装置的研究与设计 k e y w o r d s ： p a r a l l e l c a p a c i t o r ；e m b e d d e d r e c h n o l o g y ；f u z z yc o n t r o l ；h a n n i n g ； f o u “e rt r a n s f o r m ：g p r sc o m m u n i c a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 目期：删年r 月渺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：愉 导师签名： 尚它b 日期：蝴年厂月砧日 日期：乙矿年，月z z 日 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 并联电容器是一种在电力系统中应用十分广泛的电气元件，主要用于补偿电 力系统感性负载的无功功率，占整个补偿装置容量的首位乜1 ，其安全运行对于整个 电力系统的稳定、正常供电起着非常重要的作用。在各种无功补偿设备中，并联 电容器的单位容量费用最低，有功功率损耗最小( 约为额定容量的o 3 0 5 ) 。它 可根据需要由若干电容器串、并联组成，容量可大可小，即可以集中使用、又可 以分散安装在用户处或靠近负荷中心的地点，实现无功功率就地补偿，且可分相 补偿，可随时分组投切，具有运行灵活，维护方便。此外，改变容量方便，还可 以根据需要分散拆迁到其他地点。据统计口1 ，截止1 9 9 9 年底，全国电网总装机容量 为2 9 8 7 7 g w ，其中容性补偿装置占1 5 6 5 9 g v a r ，约5 2 4 ，其中并联电容器补偿容 量占容性补偿装置总量的9 8 0 3 。补偿装置主要按照负载的潮流进行装设，因此 各省( 市) 电网的补偿率根据电源点的配置和负载的需求有很大差异，如主要由外 地电网供电的北京电网装机容量为4 9 2 g w ，而容性补偿总容量5 7 3 g v a r ，补偿率 高达1 1 6 6 0 。 但目前在线运行的电容器时有故障发生，甚至发生爆炸、火灾事故，每年都 有大量损坏陆1 。其损坏的原因虽然分析有谐波的影响、有过电压的问题，但一直没 有得到准确的验证，同时也一直不清楚究竟是何种原因起主导作用及如何作用的。 表1 1 表1 2 分别是我国1 9 9 7 年2 0 0 3 年的电容器年故障率和2 0 0 3 年电容器 各种类型故障的分布情况h 1 。 表1 11 9 9 7 2 0 0 3 的电容器年故障率 年份 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 年故障率 1 2 71 4 81 5 l1 3 91 6 31 9 11 1 3 表1 22 0 0 2 年电容器各种类型故障的分布情况 故障类型绝缘不良鼓肚漏油电容超标爆裂闪络其他 故障比例1 3 3 2 0 7 3 0 11 9 23 69 53 6 此外，电容器组保护跳闸动作较多，除了少部分是电容器内部故障引起外， 大部分是因错误接线，保护整定不合理，检修维护测试不到位所致。对此的通常 做法是派工程人员去现场对电容器进行试验检查，这既花费大量的人力物力，同 时又增加了工作人员误触电的可能性。当然更不可取的做法是强行投运，有的甚 并联电容器在线监控装置的研究与设计 至是退出继电保护强行投运，从而导致事故的扩大甚至发生火灾。当电容器是好 的时，就会耽误无功补偿，导致功率因数降低、线损增加。所以，这一问题是电 力系统中亟待解决的问题。 1 2 电容型设备在线监测技术发展状况及趋势 电容型设备占电力设备的多数，除了电力电容器外，属于这类设备的有电容 式高压套管、电容式互感器、耦合电容器等。通过检测其介损辔6 、电流值i 电容 值c ，可以发现尚处于于比较早期发展阶段的缺陷。电容器的损耗是衡量电容器 品质优劣的一个重要指标。损耗愈大，发热愈大，工作能力愈差，危险愈大。高 压并联电容器在工频交流额定电压下，2 0 时损耗角正切值应符合下列值：纸膜 复合介质的电容器应不大于0 0 8 ；全膜介质的电容器中，有放电电阻和内熔丝 的应不大于0 0 5 ，无放电电阻和内熔丝的应不大于0 0 3 。运行中电容器内部 的有功功率损耗由介质损耗和导体电阻损失两部分组成，而介质损失占电容器总 有功功率损失的9 8 以上。 统计表明，电力设备运行中的7 0 左右的故障是由绝缘故障引起的呻1 。为确保 运行安全，须对设备进行检修，早期曾采用的是事后维修制，后来改用定期检修， 正向状态检修发展h 吨1 ： 1 事后维修 事后维修是设备发生故障或性能降低到合格水平以下时，所进行的工作计划 性修理，或称为故障修理。早期技术及管理水平都很低，即使再重要的设备也只 能在发生事故后进行修理。但电力设备发生故障后，往往给社会经济生活造成巨 大损失，也会给维修工作造成被动和困难。随着电力系统的不断扩大，设备故障 所造成的停电损失也越来越大，事后维修无法满足系统对运行稳定性的需求。 2 定期检修 定期检修是一种以时间为基准的维修方式。事先确定维修间隔周期、修理类 别、修理工作量和所需的备件。定期维修制是目前我国电力系统运行和维护工作 的主要方式，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。在我国已有5 0 年的使用 经验，对减少和防止事故的发生起到了很好的作甩 但定期维修制也有它的种种弊端： ( 1 ) 经济性差 大修1 2 万k v a 的变压器需投入3 0 0 多个工作人日，耗费资金1 0 万元。大修3 0 万 k v a 的发电机需要大约3 个月的时间，耗费资金近1 0 0 万元。 ( 2 ) 增大不安全因素 发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的7 7 8 。 硕士学位论文 ( 3 ) 过度维修 对1 1 0 台高压变压器进行的1 6 2 台次定期大修结果进行统计。共发现缺陷2 4 项， 其中一般性缺陷2 3 项，危及安全运行的仅1 项。对1 1 0 k v 及以上油开关大修统计表 明，9 5 以上未发现部件损坏。 ( 4 ) 维修不足 由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引起的偶发事故。设备仍 能在试验间隔期间内由于微小缺陷的持续发展导致发生故障。 因此，目前兴起以状态监测( 通常是在线监测) 和故障诊断为基础的状态维修。 3 状态维修 状态维修是根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体 制。状态维修的目的是只有出现了需要的明显征兆时才进行维修，由于这种维修 方式对设备适时地，有针对性地进行维修，不但能保证设备经常处于完好状态， 减少虚警和不必要的维修，而且能充分利用零件的寿命，因此比定期维修更加合 理。其基本原理可简述为：绝缘的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展的速 度也有快慢，但大多具有一定的发展期，在这期间，会有各种前期征兆，表现为 其电气、物理、化学等特性有少量渐进的变化。随着电子技术、计算机技术、光 电技术、信号处理技术和各种传感技术的发展，可以对电力设备进行在线的状态 监测，及时取得各种即使是很微弱的信息，对这些信息进行处理和综合分析后， 根据其数值的大小及变化趋势，可对绝缘的可靠性随时做出判断和对绝缘的剩余 寿命做出预测，从而能及早发现潜伏的故障，必要时可提出预警或规定的操作。 状态监测( 在线监测) 与故障诊断技术的特点是可以对电力设备在运行状态下进行 连续或随时监测与判断，因此可避免上述预防性试验的缺点。 1 2 1 电容型设备在线监测技术发展状况 国外在绝电容型设备缘监测技术方面的研究始予6 0 年代初期，直到8 0 年代， 随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展与引用，才开始进入了以状态监测为 基础的预知检修时代。例如，日本在这个时期对该项技术的研究与应用进展很快， 积累了大量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的方法，有以温度特性、 局部放电、纸的抗拉度、聚合度、c o + c 0 2 等来预测变压器剩余寿命的诊断等； 美国、加拿大、日本、前苏联等国陆续研制了油中溶解气体，变压器等的局部放一 电、电容型绝缘的介质损耗因数，交链聚乙烯电缆的泄漏电流等特性。到了9 0 年 代初，随着高性能微处理器的大量出现，绝缘在线监测技术才真正得到迅速发展。 例如澳大利亚高压测试研究所开发了1 1 0 k v 变电站设备在线监测系统，主要测试 电容型设备的介质损耗、等值电容和电流幅值等参数；美国于1 9 9 5 年颁布过“电 气设备绝缘诊断方法导则 ，已转向以绝缘在线监测为主，所采取的技术有：油 并联电容器在线监控装置的研究与设计 中溶解气体分析、超声波探测、局部放电检测、红外测温、振动分析等，并制定 出有关标准；对试验数据的处理运用了模糊逻辑，通过分析判断能够对问题缺陷 提出处理建议，并给出建议的置信度；目前已应用的在线监测装置有：变压器油中 氢气浓度在线监测分析，发电机工况在线监测分析，光纤红外技术监测变压器内 部温度变化，变压器、c t 、电缆中局部放电监测等。近年来，国外厂商如美国a v o 公司、澳大利亚红相( r e d p h a s e ) 公司、德国的l d i c 公司也相继推出了各自电容 型设备的在线监测产品。 8 0 年代以来我国的在线监测技术也得到了迅速发展，特别是各省电力部门， 如安徽、吉林、河北、内蒙、广东、湖南等地都研制了电容型设备的监测装置， 主要监测介质损耗、电容值、三相不平衡电流。电力部电力科学研究院、武汉高 压研究所、东北电力试验研究院等单位还研制了各种类型的局部放电监测系统。 电力科学研究院、西安交通大学和重庆大学结合油中气体分析开展了用于绝缘诊 断的专家系统的研究工作。运行实践表明，利用绝缘在线监测系统或装置可以有 效地发现某些早期绝缘故障。如1 9 9 6 年6 月在鄂州供电局2 2 0 k v 郎家畈变电站， z j 0 1 型在线监测系统曾发现变压器2 2 0 k v 侧a 相m o a 放电记数器严重受潮故障 一起。 近年来，国内外学术界对电容型设备在线监测信号提取n 0 “1 、数字化测量方 法n 5 驯、分析诊断乜1 2 朝和测量有效性乜6 2 钉这四方面进行了大量的研究工作。 1 2 2 电容型设备在线监测技术发展趋势 现有电容型设备绝缘在线监测终端大多以单片机、低速d s p 处理器为计算核 心，计算速度低，不能满足绝缘测量的实时性和连续性处理要求：并且保护、测 量、监控、远动等硬件资源相互独立，往往造成二次设备重复投资、接线复杂更 增加了电力系统的复杂性。随着微电子、计算机技术、数字信号处理技术以及通 信技术的发展，传统继电保护技术上的不足和缺陷正得到改进和克服。目前继电 保护发展的趋势主要以下几个方面n 0 1 。 1 数字信号处理器( d s p ) 在微机保护硬件系统中广泛应用 由于d s p 具有的先进的内核结构、高速运算能力以及与实时信号处理相适应的 寻址方式等许多方面的优良特性，使许多过去由于c p u 性能等因素而无法实现的 继电保护算法可以通过d s p 来轻松完成。 一 2 与综合自动化系统的接口成为微机保护中必不可少的部分 随着微机保护在电力系统广泛应用，微机保护已经从过去仅仅承担传统保护 的任务扩展到提供事故追忆、故障记录数据库的维护以及保护装置的远方整定和 维护功能。这些功能的实现更多的是依赖通信，网络通信的构成形式多样，实现 方法各异。本课题中使用r s 2 3 2 c 和g p r s 远程通信。 硕士学位论文 3 集多种功能于一体的智能保护单元 随着配网自动化和变电站综合自动化在电力系统的推广应用，过去的保护、 测量和监控方式已经不能满足综合自动化的需要。新一代的智能保护单元是集保 护、测量、控制、远动等多种功能于一体的综合化智能保护，适应电站综合自动 化的需要。 4 g p s 同步时钟应用于继电保护 g p s ( 全球卫星定位系统) 卫星可以2 4 h 连续提供位置信息、速度和时间信息。 其时钟信号与国际标准时间( u t c ) 保持相对同步，可为地面用户提供高精度的时钟 信号源。 综上所述，研制新一代集保护、测量、控制、远动等多功能于一体的综合智 能化监控装置是解决电容器有效、安全运行的有力手段。 1 3 本文的主要研究工作 本文以湖南省某电业局提出的“并联电容器在线监测装置 课题为研究背景， 结合灵活、高效的g p r s 无线通信技术，研究并设置了一种基于嵌入式处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和实时操作系统pc o s i i 的并联电容器在线监测装置。该装置集 保护、测量、控制、远动等多功能于一体。本论文主要围绕以下几个方面的工作 展开： 1 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上实现uc o s i i 的移植和裁减。 2 改进加汉宁窗的f f t 算法，用以求电容器介损、电容值，并在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上实现了该算法。 3 在无功控制方面提出了基于模糊最优控制思想的控制算法。 4 以g r 4 7 为远程通信模块，实现检测数据的上传，且在电容器出现故障时， 以手机短信形式报知维修人员。 5 详细介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和l lc o s i i 嵌入式系统的硬件设计和软件 设计。 并联电容器在线监控装置的研究与设计 第2 章并联电容器在线监控装置的工作原理 2 1 引言 1 系统功能概述 电容器在线监控装置为变电站自动化系统的一个终端，其监控的对象为用于 无功补偿的并联电容器，该终端负责电容器故障在线监测、无功优化判决和实时 投切( 故障保护投切、无功投切和用户指令投切) ，同时把一些实时参数，如电 容器电容值、介损、电容器电压与电流、电网频率、电网功率因数等传给子站服 务器，并且通过g p r s 通信，以手机短信服务方式把电容器故障信息发给维修管 理人员，以及时排除故障。子站服务器接收保存数据，供监视终端查询、调用， 同时与其他终端和上一级服务器通讯。系统功能示意图如图2 1 所示： 辨 图2 1 系统示意图 2 电容器在线监控装置要实现的功能 为了描述的方便，这里把8 个工频周期内的电容器上实时采集计算得出的电 压和电流有效值、电压和电流的峰峰值、1 9 次谐波电压和电流、电容器介损和 电容值称为实时数据。把连续计量到的8 个实时数据的平均值称为历史数据。 电容器在线监控装置的主要功能如下： ( 1 ) 能测量装置安装处的母线电压、电流。 ( 2 ) 能根据采集到的母线电压、电流计算电网参数，及时做出无功投切决策。 ( 3 能采集电容器上的电压、电流、频率并进行数据分析，得出电容器电压 硕士学位论文 和电流的有效值、峰峰值、谐波电压与电流、电容值c 和介损增6 。 ( 4 )能根据得到的c 和姆6 对电容器的状态进行在线判断。若发现异常，直 接切断电容器，并在终端装置上进行声光报警，向维修人员发送相关短信息。 ( 5 ) 7 2 个工频周期能够主动上传一次数据，这次数据包括终端上每个电容 器的电压和电流的有效值、峰峰值、频率、电容值、介质损耗角、1 9 次谐波电 压和电流，这次的数据是8 个实时数据的平均值，同时传送一次最新测量到的电 网参数：母线电压、电流，有功功率、无功功率和功率因数。 ( 6 ) 能接收服务器的指令，并进行相应的动作，动作包括上传服务器所需的 数据、保存服务器传过来整定的参数、根据服务器的指令进行相应的动作等。 ( 7 ) 能保存每个电容器的实时数据，以f i f o 的方式存储1 0 0 0 个最新实时数 据，历史数据即时上传。 ( 8 )终端和服务器通过g p r s 无线通信方式进行通信。 ( 1 0 ) 按键输入，按键可以更改设定好的标称值、电容投切状态表、电容故障 状态表、电容器命令投切以及对显示进行操作。 2 2 电容器故障判别 2 2 1 并联电容器使用技术条件 高压( 超过1 k v ) 并联电容器行标( d l t 8 4 0 2 0 0 3 ) 中关于高压并联电容器 的故障诊断标准规定： 1 损耗角正切值 电容器在工频交流额定电压下，2 0 时损耗角正切值应符合下列值： 纸膜复合介质的电容器应不大于o 0 8 ；全膜介质的电容器：有放电电阻和内熔丝 的应不大于o 0 5 ；无放电电阻和内熔丝的应不大于0 0 3 。 2 电容值 单台电容器的实测电容值与额定值之差不超过额定值的3 。+ 5 在单台三 相电容器中任何两线路端子间隔测得的最大与最小电容值之比：2 0 0 k v a r 及以下不 大于1 0 5 ，2 0 0 k v a r 以上不大于1 0 2 。电容器组实测总电容量与各电容器额定值 总和之差不超过0 5 。 3 稳态过电压 电网电压一般应低于电容器本身的额定电压，最高不得超过其额定电压1 0 ， 电容器的稳态过电压和相应的运行时间应符合表2 1 所示。 4 过渡过电压 电容器应能承受第一个峰值电压不超过2 彬。，持续1 2 周波的过渡过电压。 并联电容器在线监控装置的研究与设计 5 稳态工作过电流 电容器应能在有效值为1 3 0 ，。的稳定过电流下运行，但这种过电流是由于高 次谐波和稳态过电压引起的，对于电容量有最大正偏差的电容器，这种过电流允 许达到1 3 7 ，。 表2 1 稳态电压与运行时间的关系 工频过电压倍数持续时间说明 1 0 5 连续 1 1 0 每2 4 h 中8 h 1 1 5 每2 4 h 中3 0 m i n系统电压调整和波动 1 2 05 m i n 轻负荷时电压升高，总共 1 3 01 m i n 不超过2 0 0 次 2 2 2 电容器常见故障和检测方法 1 电容器常见故障 ( 1 ) 电容器漏油 漏油现象主要是密封不严或不牢固造成的，电容器是全密封装置，如密封不 严，空气和水分以及杂质都可能进入油箱内部，造成绝缘受损，危害极大，因此 电容器是不允许渗漏油的，需加强焊接工艺。 ( 2 ) 绝缘不良 这主要有两种情况： 一是电容值过高。长期加热电压的寿命试验中，电容值的变化是很小的。 电容值的突然增高，只能认为是部分电容元件击穿短路，因为电容器是油多段元 件串联组成的，串联段数减少，电容才会增高。如果部分元件发生断线，电容值 将会减少。 另一种是介质损失角过大所致。长期运行的电容器介质损失角会略有增 加，但是成倍增长却是不正常现象。由于只有发生局部放电和局部过热才会发生 介质损失角过大的问题，因此我们对这些产品只能进行更换。 除此之外，还有过压、过流、谐波及老化等因素造成电容器损坏，其损坏过 程将表现为介损和电容值的渐变过程。 2 常见电容器检测方法 近年来，国内外学术界对电容器的检测方法、故障诊断和实际开发方面进行 了大量的研究，主要有以下几种： ( 1 ) 红外诊断法 电力系统的绝大多数设备故障和异常，最初都伴随着局部或整体的过热或温 度分布相对异常。红外热成像诊断技术通过非接触方式检测设备温升，能通过热 硕士学位论文 像分布准确判断缺陷具体部位，消灭事故隐患于萌芽中。 对于电气设备外部缺陷，由于有明显的发热中心，该技术能对其进行有效判 断。但要精确测量，必须注意到设备的温度不是直接测量而得到的，而是红外线 辐射能投射到热像仪上，这种辐射能与设备温度之问有函数关系，所以设备表面 的温度是从测量到的红外线辐射能计算出来的。但在实际的测量中，红外线检测 器接收到的辐射能，不仅来自所测设备，也有来自设备周围环境、大气层及热像 仪本身等原因。这样会使得测量结果产生误判断，或者使测试工作根本无法进行 下去。 ( 2 ) 局部放电法 电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘 中普遍存在的问题，电容器的绝缘介质在运行过程中由于受到电腐蚀、振动磨损 开裂、热裂解、受潮等各种原因都可能引发局部放电。局部放电法用于测量变压 器内部局部放电情况，是一种灵敏度高而又非破坏性地检查绝缘中微小缺陷的有 效方法。通过分析电气设备的交流局部放电及其发展趋势，可有效判断绝缘内部 的缺陷类型。 局部放电测试作为一项重要的预防性试验手段在许多电力设备的出产、大修 试验中被广泛采用是一种考核产品能否在工作电压下长期安全运行的检验方法， 是预防变压器绝缘突发事故的最有效手段。但尚未用于电容器的在线监测，且无 统一的试验方法、操作规则和绝缘状况判断标准。 ( 3 ) 介质损耗角正切值法 介质损耗是掌握电气设备的绝缘状况的重要参数，能准确的反应电气设备的 绝缘性能，能宏观的评价绝缘的基本状况。所以，介质损耗的测量是高压电气设 备绝缘检测的一项重要内容，是判断电力设备绝缘受潮、老化等程度的常规性试 验朗，是电力系统正常可靠运行的一项必不可少的也是非常重要的检测指标。因 此，搞好介质损耗的测量对发现电气设备绝缘方面的缺陷，保证维修和操作人员 的安全，保证电力系统的安全运行等具有重要意义。 目前，国外的介质损耗测量仪与同期国内产品相比，其产品相对来说较为成 熟，在抗干扰、可靠性、测试精度等方面都优于国内同类产品。其典型产品有： 美国的d e l t a 2 0 0 0 ( 1 0 k va u t o m a t e di n s u l a t i o nt e s ts e t ) 和m 4 0 0 0 全自动绝 缘测试仪；德国的l e m k ed i a g n o s t i c s 公司研制开发的l d v 一5 型精密测量仪。虽然 这些国外产品的质量要好一些，但是它们的价格却很昂贵，如奥地利保尔公司的 一套介损自动测试系统，就售价约4 0 万人民币，非常不适合我国国情。 目前国内普遍使用的介质损耗测量仪主要分为两类：传统的电桥测量仪和处 于发展阶段的自动测量仪。传统的电桥测量仪以q s l 型西林电桥为代表，停电后通 过电桥监测增6 、i 和c 的接线简单且测量结果稳定。但在线监测的要求比停电监测 并联电容器在线监控装置的研究与设计 的要求高，条件差异大，因而实现在线监测难度大，而且测量结果具有一定的分 散性。至于国内研制的自动测量仪各有优缺点，加上我国对介质损耗测量还没有 出台一个可供参考的规范，这就导致了国内自动测量仪器正处于不断发展优化的 阶段。 2 2 3 电容器介损与电容值的测量 介质损耗角正切( 鲫6 ，简称介损) 是电容型设备绝缘在线监测的重要内容之 一。如图2 2 所示，流过电容型设备绝缘的电流i 比绝缘两端的电压u 超前了一个 相角妒，6 = 等一妒。 i r r i ： c 夕 。i lr。 图2 2电容型设备绝缘的并联等值电路与相量图 介损测量是判断介质受潮、老化等整体劣化状况的一种有效的预防性试验。 通常根据试验结果决定电气设备的绝缘系统在下一次投入运行前是否进行必要的 维修。介损测量试验的根据是电力部颁发的电气设备预防性试验规程。测量 介质损耗角正切辔6 是电力绝缘试验的一项灵敏度很高的试验项目，它可以发现电 气设备绝缘整体受潮、劣化变质以及小体积被试设备贯通或未贯通的局部缺陷， 故介质损耗测量在电工制造及电气设备的交接和预防性试验中得到广泛的应用， 是一项不可缺少的试验项目。 介损瑶6 的测量具有较高的灵敏度，在一些电气试验中往往更具优越性。例如 对绝缘油，一般耐压试验中，好油的击穿场强可达2 5 0 k v c m ，而坏油击穿场强低 于2 5 k v c m ，好油和坏油的击穿场强在数值上的比值为1 0 ：1 ；但测量增6 时，好油 的姆6 约为0 0 0 0 1 ，坏油的细6 约为0 1 ，两者的数值之比为1 ：1 0 0 0 ，其灵敏度比 耐压试验提高了1 0 0 倍e _ 。通过测量介质损耗角的正切值即坦6 可以反映出一系列 的绝缘缺陷，如绝缘受潮、浸渍物脏污、劣质变化或气隙放电等。 测量电容器的电容量c 有时对于判断介质绝缘状况也是有价值的，如果c 明 显增加，常表示电容器内部电容层有短路现象，或是有水分进入1 。 1 介损测量方法的比较与选择 由于电容型设备介质损耗角是一个微小值，现场的偏移和谐波干扰很容易影响 它，甚至淹没它实值，必须寻找高性能的抗干扰算法。基于传统的测量介质损耗角正 硕士学位论文 切的方法如电桥法具有测试程序复杂，操作上作量大，测试范围有限，精度低等 缺点。在介损测量技术中，自动平衡电桥发展最快，是较有前途的介损测量仪， 但系统构成比较复杂，小型方便程度不够，成本较高。 随着计算机技术和微电子技术的巨大发展和广泛应用，介损测量技术有了新 的发展。同时，介损检测技术也日益受到重视，逐渐开发出多种不同的检测方法， 并且在所测得的数字信号进行处理和分析方面形成了两大分支。其一是主要靠硬 件的实现方法，以过零点时的相位比较法( 也称为脉冲计数法) 为代表，此外还 有一些其它办法，如改进的西林电桥法，但是这类方法普遍存在着抗干扰性较差 等问题而得不到广泛的应用：第二种是主要靠软件分析来实现的检测方法，其典 型代表是谐波分析法和高阶正弦拟合法。谐波分析法介损测量方法就是通过装置 分别测量运行电压和流过试验品的电流，再将获得的模拟信号转化为数字信号， 然后采用数字频谱分析的方法求出这两个信号的基波，进而通过相位比较求出 介质损耗角6 。高阶正弦拟合法以信号的基波频率、谐波幅值和相角作为变量对 信号进行拟合，该法能有效减轻谐波存在和频率波动的影响，精确测量电气设备的 介损角，实际上通过迭代计算，使各次谐波之和逼近实际信号，从而得到相关参 数。 目前一般采用数字化测量方法求取介损角，即对电压、电流信号进行数字化 采样后再通过一定的算法求出介损角阳引。加窗谐波分析法和高阶正弦拟合法是介 损角测量的两种有效算法，信号频率在正常范围内波动时两种算法能达到很高的 精确度，但前者对采样时间长度要求较高、计算量较小；后者对采样时间长度要 求不高，计算量较大口引。 高阶正弦拟合法 高阶正弦拟合法是非同步采样条件下测量6 的算法，它采用高阶正弦函数作 为信号模型，将电网频率作为未知数参与计算，并使用最小二乘算法抑制噪声干扰 口。设被测量信号由直流、基波和谐波分量组成，构造如下数学模型： m a ( f ) 一a + 罗as i n ( 七耐+ 吼) ( 2 1 ) 镯 其中a 为直流分量，a ，暖分别为基波频率、幅值、初相角，a ，铱分别为k 1 次谐波的幅值和初相角。当采样频率为时j 对信号采样后得到n + t 点离散序列 二f ， 只一厂o t ) ，刀。0 ，1 ，则拟合的目标函数为： j i ， a ( f ) 一a o + 罗a is i n ( 七甜+ 妒i ) ( 2 2 ) 镯 数据拟合可以在某一拟合优度下进行，一般用数据点差值的范数来衡量，即寻找 户t ( ，式，4 ，箕，萌，戎，瓦) r ，使满足： 并联电容器在线监控装置的研究与设计 ，7 ( 卢。) 一薹慨一凡一善a 二s i n ( 七o + 莜) 0 。”“ 肼 “口 ( 2 3 ) f 、一v 7 一n l i n 善1 1 ) ，一a 一善气s i i l ( 七耐，+ 铱) 0 其中a 1 ，2 ，。对这一无约束优化问题，通常根据其偏导数为零： 粤。o ( 2 4 ) 祁 。 一7 的条件来求解。这样，就得到了2 m + 2 个方程，由于未知，上式中的变量无法 解藕，因此，这是一个非线性方程组，从物理意义来看，此方程组的解必定存在。 可以使用牛顿迭代法来求解此非线性方程组，为减少计算时间，可采用两种措施： 一是基于目标是获得基波信息，因此用上限频率较低的低通滤波器滤除高次谐波， 以降低谐波次数，减少运算量；二是频率初值选为5 0 h z ，对幅值和初相角则以傅 立叶分析法得到的数值作为迭代初值。 高阶正弦拟合法能适应电网频率波动的变化，一定程度上解决了数据采样频 率与电网频率不同步的问题。但当频率偏离5 0 h z 较多时，傅立叶变换结果与谐波 分析的真实值相差较大，将其作为初值的最小二乘法计算量大，影响了高阶正弦 拟合法的实时性。文献n 8 1 提出了用加h a n n i n g 窗插值的高阶正弦拟合法测介损角， 在一定程度上减少了介损角的计算时间，提高了介损角测量的实时性。 高阶正弦拟合法实际上是一种迭代的数值计算方法，即使进行简化该算法的 计算量仍然很大，只适用于在工控机上完成计算，而无法用于单片机或d s p 。 加汉宁窗谐波分析法 谐波分析法( 又称傅氏算法d f i ) ，该算法能有效抑制直流偏移和谐波干扰， 且计算速度快，是介损角测量中的典型算法。实际工频信号的频率是变化的，根 据前一时刻的周期计算得到的采样间隔在此时已不再是同步采样间隔了，从而很 难实现真正的同步采样。当电压、电流信号周期不是采样间隔的整数倍( 即非同 步采样) 时，d f r 算法会产生频谱泄漏和栅栏效应，影响介损角测量的准确性， 其导致的误差必须加以限制。于是提出了改进算法，主要有修正理想采样频率算 法、基波相位分离的算法口5 、根据频率修正d f t 计算所得介损角的算法d 8 3 钔、 频谱对消算法引、准同步采样算法用于介损角测量9 1 、加汉宁窗插值和加布莱克 曼哈里斯窗插值h 2 1 的谐波分析法用于介损角测量，这些算法均能提高介损角测量 的准确性，其中加窗插值算法具有无需使用其他方式获得信号频率的优点，能高 精度获得介损角，具有较高的应用价值。 加汉宁( h a n n i n g ) 窗插值谐波分析法和加布莱克曼哈里斯( b l a c k m a n 2 h a h i s ) 窗 插值谐波分析法两种算法达到基本的精度时要求采样时间至少为3 5 个工频周期 左右，采样频率不小于5 0 0 h z 即可；在一定范围内，前者计算所得介损角的精确 硕士学位论文 度对采样时间较敏感，前者的精确度对采样频率不敏感，后者的精确度对采样时 间和采样频率都较敏感，但对于两种算法，保证精确度要求时未必要使采样时间和 采样频率均具有较大值，且容易过多增加计算量，因此并不可取h 副。在准确获得信 号时这两种方法均能准确测定介损角、且受频率波动和谐波变化的影响小，相比 之下，加汉宁( h a n n i n g ) 窗插值谐波分析法实现容易、计算量较小h 6 1 。本设计中选 用汉宁( h a n n i n g ) 窗插值谐波分析法，采样时间为8 个工频周期，采样频