便攜式電容電流測(cè)試裝置實(shí)施技術(shù)方案設(shè)計(jì)

摘" 要：在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電容電流的測(cè)量對(duì)于設(shè)備的正常運(yùn)行和維護(hù)至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的電容電流測(cè)試設(shè)備往往體積龐大，操作復(fù)雜，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)快速、準(zhǔn)確測(cè)量的需求。因此，開(kāi)發(fā)一種便攜式電容電流測(cè)試裝置，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。該文主要研討便攜式電容電流測(cè)試裝置實(shí)施技術(shù)方案，所得結(jié)論僅供參考。

關(guān)鍵詞：便攜式；電容電流測(cè)試裝置；實(shí)施技術(shù)；實(shí)施方案；變壓器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0149-04

Abstract： In industrial sites， the measurement of capacitive current is crucial to the normal operation and maintenance of equipment. However， traditional capacitive current testing equipment is often bulky and complex to operate， which cannot meet the needs of rapid and accurate measurement on site. Therefore， developing a portable capacitive current testing device has urgent practical significance. This paper mainly discusses the research and implementation technical plan of portable capacitive current testing device， and the conclusions obtained are for reference only.

Keywords： portable; capacitive current testing device; implementation technology; implementation plan; transformer

隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)備的微型化、智能化成為可能[1]。同時(shí)，紅外通信、按鍵控制等技術(shù)的應(yīng)用，也為便攜式電容電流測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持[2]。

1" 變壓器中性點(diǎn)異頻信號(hào)注入法研究

在實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示的情境下，我們引入了非標(biāo)準(zhǔn)頻率（非50 Hz）的電流源至電壓互感器（PT）的二次繞組，其目標(biāo)是排除常規(guī)工頻信號(hào)可能帶來(lái)的干擾。這一操作導(dǎo)致PT的高壓側(cè)A、B、C 3個(gè)端口產(chǎn)生了同步且方向一致的電流響應(yīng)，即所謂的零序電流。這種電流特性決定了它無(wú)法在供電系統(tǒng)或負(fù)載側(cè)流動(dòng)，僅能通過(guò)PT與地間存在電容耦合形成閉合回路。因此，圖1的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖2的簡(jiǎn)化模型。

基于圖2的直觀物理原理，可以構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)精確測(cè)量得到的信號(hào)，可以直接解算出三相對(duì)地的電容值，記作3C0。

基于公式I=3ωC0Uφ（其中U、φ代表被測(cè)系統(tǒng)相電壓）開(kāi)展電容及電流計(jì)算。該方法充分利用了物理現(xiàn)象與數(shù)學(xué)表達(dá)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電容參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估。

2" "配電網(wǎng)中PT接線方式及PT的變比研究

在電力分配網(wǎng)絡(luò)中，PT的連接配置及其變比會(huì)顯著影響測(cè)量?jī)x器得出的結(jié)果，錯(cuò)誤的選擇可能導(dǎo)致測(cè)量值偏離實(shí)際系統(tǒng)的電容電流真實(shí)值，誤差會(huì)是實(shí)際值與2個(gè)變比之積的平方[3]。因此，準(zhǔn)確地識(shí)別PT的接線模式和變比是獲取精確數(shù)據(jù)的前提。中國(guó)配電網(wǎng)中常見(jiàn)的PT接線模式如下。

2.1" PT接線方式

一為接地N型，另一為B相接地，具體示例如圖3和圖4所示。在這2種情況下，測(cè)試信號(hào)都是從N點(diǎn)到L端輸入。依據(jù)使用的PT類(lèi)型，又可分為3個(gè)子類(lèi)別。

3PT：/；

3PT1：/100；

3PT2：/。

圖3和圖4描繪的系統(tǒng)操作模式是針對(duì)開(kāi)放三角測(cè)量系統(tǒng)評(píng)估容流所必需的配置。然而，普通的配電網(wǎng)絡(luò)并不總是按照這種模式運(yùn)行，例如，系統(tǒng)可能連接有消弧線圈，或者PT高壓側(cè)的中性點(diǎn)裝有高阻消諧器，又或者PT的開(kāi)口三角端裝有二次消諧設(shè)備。在這種情況下，必須將運(yùn)行模式切換至圖3或圖4顯示的狀態(tài)。通常，使用3PT接線法的配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)如圖5所示。

具體工作程序如下：①檢查PT高壓端的中性點(diǎn)處有無(wú)高電阻消除裝置，若有，應(yīng)暫時(shí)切斷它。在測(cè)試過(guò)程中，我們只要注意所選擇的PT線路，而不用去想其他PT的情況。有些PT安裝了消諧裝置，有些沒(méi)有安裝，則可以選擇沒(méi)有安裝消諧裝置的PT來(lái)測(cè)試，這樣就可以省去短路環(huán)節(jié)。②保證全部的消弧線圈都已經(jīng)全部切除。在被測(cè)的電網(wǎng)中，除被測(cè)試的變電所外，全部消弧線圈都應(yīng)該被禁用。比如，若變電所A的10 kV電網(wǎng)和變電所B的10 kV電網(wǎng)通過(guò)一條連接線連接，則在 A站設(shè)置了2個(gè)消弧線圈，而在B站設(shè)置了1個(gè)；因此，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，3個(gè)有電連接的消弧線圈必須全部停掉，不受35 kV電網(wǎng)的影響。③如果PT開(kāi)口三角上的消諧器不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生任何影響（需要現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)），那么就可以繼續(xù)工作。微機(jī)式消諧儀一般只在共振出現(xiàn)時(shí)工作，而不會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。④如果PT二次側(cè)是平行的（比較少見(jiàn)），則應(yīng)該將其轉(zhuǎn)換成單獨(dú)操作。⑤確保試驗(yàn)裝置的當(dāng)前輸出端子與敞開(kāi)的三角形N-L適當(dāng)?shù)叵噙B。二次終端一般標(biāo)有N600、L630等字樣。通過(guò)使用多功能萬(wàn)用表，可以在PT二次端檢測(cè)到一個(gè)開(kāi)放三角形的電壓，并比較其最大和最小的差值。如果二者相似，說(shuō)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了開(kāi)放的三角形末端。相反，若有明顯差別，則表示沒(méi)有正確地辨識(shí)出開(kāi)放三角形，或者PT開(kāi)放三角形的連線被破壞（在野外試驗(yàn)中，這樣的例子有好幾個(gè)）。⑥合理選取PT變壓器，也就是要選用適當(dāng)?shù)腜T連接方法。本文發(fā)明的一種便攜式電容電流試驗(yàn)裝置，采用PT接線形式，設(shè)置電網(wǎng)的工作電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的可變比的設(shè)置，使用更加簡(jiǎn)便。傳統(tǒng)的PT次級(jí)側(cè)繞組是100/3 V的開(kāi)放三角形結(jié)構(gòu)，但是在一些特別的場(chǎng)合，一些變電所的次級(jí)側(cè)繞組也使用100 V的次級(jí)側(cè)繞組形成一個(gè)開(kāi)放三角形。為了保證變壓比的精確性，可以通過(guò)對(duì)開(kāi)口處三角形線圈上各個(gè)線圈的電壓進(jìn)行測(cè)試。⑦當(dāng)以上程序進(jìn)行完畢時(shí)，就可以開(kāi)始便攜的電容式電流試驗(yàn)。

2.2" PT連接方式

在眾多變電站配置的四相電壓互感器（4PT）連接模式中，主要有2種典型布局，如圖6和圖7所示。圖6中的設(shè)計(jì)策略是將構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)的3個(gè)電壓互感器的開(kāi)口三角端通過(guò)電氣鏈接相連，而系統(tǒng)的零序電壓則通過(guò)額外的第四組測(cè)量繞組來(lái)獲取。各相電壓的測(cè)量點(diǎn)分別設(shè)在A-N、B-N和C-N接口。在這種特定接線情況下，當(dāng)電力系統(tǒng)遭遇單相接地故障時(shí)，N-L之間的電壓讀數(shù)固定在57.7 V這一標(biāo)準(zhǔn)值上。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的對(duì)比中，圖6與圖7的關(guān)鍵差異在于，在N-L端額外引入了第四個(gè)PT的33 V二次線圈。這種創(chuàng)新使得當(dāng)系統(tǒng)遭遇單相接地時(shí)，N-L之間的電壓顯著升高至184.7 V（即57.7 V基礎(chǔ)加上33.3 V額外貢獻(xiàn)）。這個(gè)配置的目的是增強(qiáng)對(duì)異常情況的敏感度。在測(cè)量策略上，無(wú)論是圖6還是圖7，信號(hào)都源于N-L連接點(diǎn)。然而，圖6的零序電壓互感器（第四個(gè)PT）采用了獨(dú)特的ox-oa繞組，其典型輸出電壓為（V），這對(duì)應(yīng)于變比設(shè)定下的“4PT”模式。執(zhí)行測(cè)量之前，測(cè)試設(shè)備的“PT方式”應(yīng)調(diào)整為這一特定設(shè)置，以確保準(zhǔn)確讀取。相比之下，圖7的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。零序電壓互感器的二次繞組由主繞組ox-oa（電壓為（V））和副繞組oxo-oao（輸出為100/3 V）串聯(lián)構(gòu)成。此時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)的線路電壓（例如6 kV、10 kV或35 kV）來(lái)進(jìn)行變率的運(yùn)算，取值/+，相應(yīng)于試驗(yàn)裝置的“4PT1”接線模式。這就表示，當(dāng)采用圖7所示的線路時(shí)，為了這個(gè)特定的聯(lián)接，必須調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定。

圖8展示了另一種獨(dú)特的4PT連接配置，盡管相對(duì)罕見(jiàn)，但在實(shí)際系統(tǒng)中仍然占據(jù)一席之地。在這個(gè)配置中，3個(gè)三相PT的二次輔助繞組，1ao-1xo、2ao-2xo和3ao-3xo，聯(lián)合形成了一個(gè)非常規(guī)的三角形路徑L601-L602。同時(shí)，oa-ox和oao-oxo構(gòu)成了零序PT的雙繞組結(jié)構(gòu)，它們與這個(gè)三角形路徑共同構(gòu)建了一個(gè)龐大的零序網(wǎng)絡(luò)N600-L601。相電壓則通過(guò)a、b、c線與中心節(jié)點(diǎn)N600進(jìn)行讀取。針對(duì)此特定接線，當(dāng)需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只需將L601和L602進(jìn)行臨時(shí)并聯(lián)，然后在N600和L601端口導(dǎo)入測(cè)試電流。在這種情況下，應(yīng)選擇“PT模式”中的“4PT1”選項(xiàng)來(lái)進(jìn)行操作。

3" 從變壓器中性點(diǎn)測(cè)量配網(wǎng)電容電流的方法

3.1" 測(cè)量方法說(shuō)明及測(cè)量特點(diǎn)

采用這種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)中點(diǎn)異步信號(hào)的注入，其工作機(jī)理與對(duì)電容進(jìn)行了補(bǔ)償，具有共同的特點(diǎn)[4]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器零位異步信號(hào)的注入，必須配置一臺(tái)單獨(dú)的單相電磁電壓互感器。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議使用一種可調(diào)變的高精度變壓器（UL是變壓器的額定高電壓），數(shù)值設(shè)定為/。在試驗(yàn)裝置的參數(shù)設(shè)置中，應(yīng)該選擇“1PT”作為“PT模式”。

3.2" 測(cè)量原理

如圖9所示：PT表示外部單相電磁變壓器。Tr表示35 kV一側(cè)的變壓器線圈，或10 kV的線路，以O(shè)表示。Ca、Cb、Cc為三相接地電容。A、X、a、x表示變壓器初級(jí)線圈、次級(jí)線圈。

3.3" 測(cè)量步驟

①檢查了不接地裝置的接線模式及操作模式，該裝置各線路都已經(jīng)開(kāi)通。②對(duì)于在工程中安裝了消弧線圈的，應(yīng)按其安裝方法及操作方法，將全部與被測(cè)量對(duì)象有電連接的消弧線圈全部切除。③外部的單相變壓器放在一個(gè)隔離板上，高壓端，低壓端，殼體各一點(diǎn)地。④在單相變壓器次級(jí)線圈上連接有電容式電流檢測(cè)裝置的電流輸出端子。將儀表放置在一塊隔離板上，并與變壓器相距2 m（10 kV）、3 m（35 kV）。⑤將單個(gè)耐壓線的一端連接到外部的單相變壓器的高電壓端子上。采用一種新的控制方式，將一根導(dǎo)線連接到中間點(diǎn)的中間點(diǎn)。對(duì)于不帶零線斷路器的變壓器，在使用其他便利條件下，可以將配線與零線連接起來(lái)。接頭必須有牢固的接觸。⑥在單相變壓器四周設(shè)有一道防護(hù)柵欄，柵欄與變壓器之間間隔不得低于0.7 m（10 kV），1 m（35 kV），并在外側(cè)懸掛“停止，高壓危險(xiǎn)”標(biāo)志。⑦試驗(yàn)者站在隔離板上，以啟動(dòng)試驗(yàn)。

4" 操作使用設(shè)計(jì)

所有測(cè)試線接好以后，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，儀器初始化后進(jìn)入“開(kāi)機(jī)界面”屏。

4.1" 參數(shù)設(shè)置

接線方式可以設(shè)置為1PT、3PT、3PT1、3PT2、4PT、4PT1 6個(gè)中的一個(gè)。電壓等級(jí)設(shè)置位線路的電壓等級(jí)如10 kV、35 kV等。試品編號(hào)設(shè)置實(shí)驗(yàn)標(biāo)記，方便以后將歷史數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的變電站。按上下左右鍵選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)入所選功能。設(shè)置完成按“啟動(dòng)/停止”，進(jìn)行測(cè)試。

4.2" 數(shù)據(jù)測(cè)試

黑框中顯示的測(cè)試電容為配網(wǎng)線路三相對(duì)地電容的總和，電容電流為此對(duì)地電容值折算到額定電壓下的電容電流值。下面顯示的開(kāi)口三角電壓，為實(shí)際上開(kāi)口三角處的工頻電壓值，這個(gè)電壓值過(guò)高會(huì)影響測(cè)量精度。U1，U2，I1，I2，A1，A2這些值為測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)。

4.3" 歷史數(shù)據(jù)

按“記錄”切換到“歷史記錄”屏幕。按上下鍵切換顯示的歷史數(shù)據(jù)，按存儲(chǔ)鍵將數(shù)據(jù)保存到U盤(pán)。

4.4" 實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置

點(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕，可以在下面圖表中的參數(shù)設(shè)定畫(huà)面中顯示。使用者可以透過(guò)這個(gè)接口設(shè)定背景光的強(qiáng)度，也可以設(shè)定電力的顯示模式（電壓值/百分?jǐn)?shù)）[5]。完成了設(shè)定的時(shí)間后，必須先確定再儲(chǔ)存。“語(yǔ)言選擇”選項(xiàng)可以切換到中文與英文2種選項(xiàng)，更改后必須重新啟動(dòng)裝置，使其充分發(fā)揮作用。

5" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該方案旨在結(jié)合單片機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可靠的電池供電的電源方案，實(shí)現(xiàn)電容電流的準(zhǔn)確、快速測(cè)量。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的操作便捷性和測(cè)量精度，以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)際需求。

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