一种新的低压无功功率补偿装置放电试验测试仪的研发

郑立新

(福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002)

1 引言

低压无功功率补偿装置在供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，降低电网电压波动，提高供电效率，改善供电环境，对实现节约型社会具有重要的作用。本文中的一种新的低压无功功率补偿装置放电试验测试仪通过将传感器、电子元件、采集卡、计算机、虚拟仪器等技术结合起来，研发出一套便携式放电试验测试仪，从而提高检测效率和检测精度，为电器企业提供更好的检测服务。

2 传统电容器放电试验检测设备的主要缺陷分析

目前，国内采用的低压无功功率补偿装置放电试验测试设备主要存在如下几个缺陷：（1）测量功能单一；（2）多是采用系统集成，设备固定，整套设备不便移动；（3）电容放电测试不能实时测试波形（采用先描点后绘图），检测方法不够规范化、检测数据不直观，效率低下；（4）主电路和采样电路没有电气隔离，安全性有待于提高；（5）价格贵，软件升级维护等费用需要继续投入。若采用国外测试系统性能指标好、测试功能完善，但价格昂贵，其大多是通用型的测试设备产品，并未根据实际测试特点专门设计。因此，系统设置、操作使用、参数计算、报表生成等均比较复杂，实际应用受到一定制约。

随着科学技术水平的不断提高，对低压无功功率补偿装置的测试要求越来越高，测试手段要求越来越先进，而且要求设备便捷化。因此，研发一套满足检测机构试验要求的、功能完善的、便捷式的、具有自主知识产权的电容器放电试验检测设备具有很实用的价值。

3 便捷式无功功率补偿装置放电试验测试仪的设计

本文将传感器、电子元件、采集卡、计算机、虚拟仪器结合起来，并采用LabVIEW来实现上位机软件编程，通过软件滤波、波形分析、游标跟踪、后台计算、报表设计、数据库等方法形成一套便捷式低压无功功率补偿装置放电试验测试仪。测试仪的整体框架如图1所示。

注：所谓的信号调理是将待测信号通过放大、衰减、隔离、滤波等数字信号调理操作来实现信号的最佳可测性。因为在试验中，传感器二次侧得到的信号可能会很微弱，或者含有大量的噪声，或者是具有非线性等特点，所以这些信号在送入采集卡之前必须先经过信号调理。

3.1 测试仪的硬件设计

硬件原理设计图如图2所示，本放电试验检测仪主要由信号检测模块、电源模块、信号采集与处理模块与上位机模块组成。

图2 系统硬件原理图

如图2所示，AC-DC电源模块将市电220V转换成直流±15V输出，供电给霍尔电压传感器，霍尔电压传感器用于检测电容放电模拟电压，通过数据采集卡的信号处理转换输出成数字信号，再通过USB数据线上传到上位机直接显示出采集的电压波形。数据采集卡通过USB数据线由上位机直接供电，无需另外再加电源。

3.1.1 信号检测模块设计

信号检测模块主要处理的是系统的模拟信号，将模拟高电压信号通过霍尔传感器输出为二次侧低电压信号。

霍尔传感器的基本原理是[1]：当有电流流过导体时，根据电磁感应原理在其周围会有磁场产生，磁场的大小与流过导体的电流成正比，磁场可以通过软磁材料聚集，然后用霍尔器件来检测，由于磁场与霍尔器件输出有很好的线性关系，因此利用霍尔器件测得的信号大小可以直接反映出一次侧信号的大小。

在传统电压信号的采样上，大多是通过分压器或直接用电压表来实现的。分压器的缺点是本体对地的杂散电容将使它产生畸变，而且一次和二次侧在电气上没有隔离，将对采样系统产生干扰和影响[2]。本测试仪采用的霍尔电压传感器将普通互感器与霍尔器件、电子电路有机结合起来，不但可以测量任意波形的电压，如交流、直流等，而且线性度好、测量精度高、响应速度快。传感器一次和二次侧有电气隔离，可以保护二次设备和人身的安全。

3.1.2 信号采集与处理模块设计

信号采集与处理模块，就是把模拟信号转换成数字信号,实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线（1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash等总线接入个人计算机。

本测试仪采用的数据采集卡，具有如下特点：（1）四个通道同步采集功能；（2）采样率20kS/s，分辨率为16位，最大电压范围为-10v～10v，精度范围5.6mV；（3）USB总线数据传输，可将采集卡方便地插在电脑USB插槽里面，使信号同上位机进行通信，这种安装方式相当便捷牢固；（4）采集卡附带有驱动程序，可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作。

3.2 测试仪的软件设计

本软件设计采用图形化编程语言LabVIEW 8.6来实现上位机软件编程。它是一个开放式的虚拟仪器开发系统软件，用它设计的虚拟仪器可以脱离开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板，具有优秀的人机互动界面，可以十分直观的对数据进行分析处理[2]。针对低压无功功率补偿装置放电试验的要求，软件的开发设计流程如图3所示，主操作界面如图4所示。

本测试仪的参数计算功能具有许多常规试验装置所不具备的优点，比如两光标之间的参数自动计算、自动定位功能等，能实现放电试验时一根游标定位在初始放电时刻T1，另一根游标实时跟踪放电趋势T2(T2是变化的)，等放电结束后自动定位到50V位置，接着程序自动计算出两游标之间的时间差，即放电时间T＝T2-T1。同时，在T1时刻同时计算放电电压初始值，并实时显示T2时刻电压值，实现精确测量。

本测试仪的软件设计主要还具有如下几个特点：

（1）具有瞬时和实时采集功能，能长时间采集存储波形。

（2）人性化的参数设置，只要导入相应的设置文件即可对测量的相关参数进行设置。

（3）具有消除噪声的数据处理功能，采用LabVIEW软件中数字滤波器模块强大的功能进行软件滤波处理，不需花费昂贵的硬件成本，通过设计和编程实现有效的消噪功能。

（4）方便快捷生成测试报表，采用LabVIEW与DIAdem 10.2结合开发测试报表软件，测试仪采集放电试验波形后自动导入到报表中，只需填入简单的测试信息后就可直接打印报表或生成.pdf格式的报表。

（5）本测试仪终端界面具有丰富的波形显示、展放功能，能对波形的任何一部分进行X方向或Y方向的展放；对波形的任意区域进行X方向和Y方向的同时扩展。

3.3 测试现场及样品展示

目前，无功功率补偿装置放电试验检测仪已设计完成，测试现场如图4所示。测量电压值经与计量过的电压表及数字多用表比较后，精度符合检测要求。测试仪的主操作界面如图5所示。

图4 测试现场

图5 软件操作界面

4 结语

本设计通过将传感器、电子元件、采集卡、计算机、虚拟仪器结合起来，采用便携式设计，研发出一套便携式低压无功功率补偿装置放电试验测试仪，实现试验参数自动分析计算，满足GB/T 15576-2008标准中放电试验的检测要求，提高检测机构的检测水平和检测精度，为电器企业提供更好的检测服务。将来还可以在放电试验测试基础上加入动态响应测试和过电压测试模块，构成一套低压无功功率补偿装置综合测试仪。因此，本文对开发和设计性能优良的低压无功功率补偿装置产品具有重大的意义。

[1]李靖，黄绍平，张深基.LEM传感器在电气参数测试中的应用[N].湖南工程学院报，2004，14（2）:12-15.

[2]陆俭国，张乃宽，李奎.低压电器的试验与检测[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3]零点工作室,刘刚,王立香，等.LabVIEW 8.20中文版编程及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.