电力电容器在线测量仪的设计

周燕秋，张崇明，李传江

（上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200000）

检测与监控

电力电容器在线测量仪的设计

周燕秋，张崇明，李传江

（上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200000）

设计了一种基于C8051F020单片机的电力电容器在线测量仪。该设计主要包含四部分：单片机模块、直流电源电路模块、信号调理电路模块和数据运算模块。创新点是将标准电容比对电路作为该测量仪的前置检测输入单元，采用同步采样技术，使得测量的电容容值不受电源电压波动的影响。该电力电容器可在线测量、精度高，具有很好的实用价值。

电力电容器；在线测量；标准电容比对；同步采样

0 引言

电力电容器在电力系统中用途广泛，是电力系统中最重要的工作元件之一。电力电容器故障原因通常是在运行过程中长时间承受高频电压、内外过电压、物理化学等作用老化而导致绝缘击穿[1]。

电力电容器的在线监测，即利用传感技术和微电子技术、对运行中的电容器进行监控，预测电容器可能发生的状况，指导电容器的最佳维修时机[2]。目前在线监测技术主要分为电量和非电量的在线监测。电量监测主要包括：对局放信号、电压电流、电容量、泄漏电流等的监测。非电量监测主要包括：油气在线分析、设备噪音、振动、环境温度等的监测[3]。

本文设计的电力电容器在线测量方案属于电量监测。鉴于电力设备在线监测技术的理论分析和现状调查统计表明，电容器的损毁主要取决于电压、电流和它们的梯度，因此监测电容器电压、电流对判断电容器状况至关重要。本文的创新点在于使用电流互感器，对标准电容器、被测电容器采用同步采样技术，通过计算待测电容和标准电容两端的电压比值，可以准确的得到待测电容的容值。可以规避因电容的泄露导致的危险。

1 系统概述

1.1 总体设计方案

电力电容器在线测量仪的方案框图如图1所示，电网电源同时施加在被测电容器和标准电容器上，一方面外部采用电流传感器检测流经被测电容器的电流，由传感器输出的电信号经信号调理电路处理后，形成正比于流经被测电容器电流的电压信号，把该电压信号送入处理单元;在标准电容上应用如上的方法。最后在单片机处理单元内，对上述两路信号进行比对、显示。

图1 总体设计方案

1.2 原理推导

设待测电容两端的交流电压为U，频率为f，待测电容的容值为Cx，电流互感器的增益为kCT，电气隔离传感器的增益为ke，转换电阻为Re流经待测电容的电流为。则电气传感器的输出电压为

设标准电容的容值为Cs，流经标准电容的电流为Is。标准电阻的阻抗为Rs，信号调理电路的增益为k。

则信号调理电路的输入电压为：

当标准电阻的阻抗远远小于标准电容的容抗时：

依次经信号调理电路进行放大、整流、滤波，得到输出电压为：

综上所述：

其中kCT、ke、Re、k、Rs、Cs均已知，所以只要测得Us和Ux，便能得到待测电容的容值。因为标准电容器、被测试电容器采用同步采样技术，所以不受电源电压波动的影响，环境引入的干扰或误差在比对处理运算时可以相互抵消[4]。

1.3 实物展示

图2 工作中的电力电容在线测量仪

图3 测量电容器容值的显示界面

2 硬件设计

2.1 单片机模块

单片机模块由实时时钟电路，存储器电路，液晶显示电路，行列式键盘电路，晶体振荡器及复位电路和JTAG接口电路组成。

其中实时时钟电路采用DS1302芯片、存储器电路模块采用的是24LC256芯片，液晶显示模块采用的是CA240128A。晶体振荡器及复位电路为单片机提供一个精确的内部时钟。JTAG接口用来和IDE连接烧录程序。

2.2 信号调理电路模块

图4 信号调理电路原理图

如图4所示，Cs为标准电容，Rs为标准电阻，当外接交流测试电源后，将标准电阻两端产生的电压经过二级放大处理，经过整流电路整流，退耦滤波电路滤波后，形成一个直流电压信号，该电压信号反映了标准电容容值的大小。

J800外接用来测量被测电容的传感器，由于标准电容器、被测试电容器采用同一交流测试电源，所以不受电源电压波动的影响，这样处理后可以减小测量误差。其中图5为测量待测电容和标准电容的电流传感器。

图5 电流传感器实物图

2.3 直流电源电路模块

电源电路是整个测量系统正常工作的基础，电源电路的稳定性也直接影响了整个测量系统能否正常稳定工作。根据测量系统的实际需求，本设计采用多路供电的设计方案。方案可为本测量仪提供+12V、-12V、+5V与+3.3V四种电压的需求，供电关系如表1所示。

表1 电源电路供电关系

电流传感器与集成运放需要的+12V和-12V两种电压由稳压器7812和稳压器7912提供，显示屏需要的+5V电压由TPS7250提供，单片机以及其他外围电路需要的+3.3V电压由TPS7233提供。

3 系统软件设计

3.1 主体程序设计思路

本设计的主体部分程序工作情况如下：调用菜单显示程序，进行键值读取（电容测量、数据调阅、数据删除），选择执行上一步骤之后的键值（重新测量、保存数据、退出）。程序流程图如图6所示。

3.2 电容计算程序设计思路

电容值测量流程图如图7所示。被测电容的测量值需要和标准电容进行比对，为了能够得到更精确的测量值，需要进行多次测量，求其平均值。

图6 键盘程序设计流程图

图7 电容计算程序设计流程图

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3.3 键盘程序设计思路

键盘工作流程如图8所示。由于按键的延时性，需要对按键延时进行识别，如果在误差允许的范围内，再进一步判别按键的详细信息；若延时在允许范围之外，则要进行重新按键。通过对行列式键盘按键的分类，可以规避按键带来的误差。

图8 键盘工作流程图

4 结束语

本文设计的电力电容器在线测量仪可以在正常工作情况下对设备进行监测。实时测出待测电容两端和标准电容两端的电压之比，间接的反应出待测电容的容值大小，能够规避因电容泄漏、高压击穿等造成的事故，保障电力系统的良好运行。同时由于在待测电容和标准电容两端采用同步采样技术，使得他们在电源电压波动、环境的干扰上的误差相互抵消，有较好的测量精度。

为了实现对电容器的在线测量，应该注意以下两个问题：1）电力电容器监测系统必须要能够对电容器当前电流、电压及梯度变化状况等参数进行详细的记录，这是电力电容器的故障分析的重要依据[5]。2）电力系统处于运行的状态下，会产生较高的电磁场，影响数据采集的准确性。所以应该采取较好的电磁场干扰防护措施保证采集数据结果不会因干扰出现错误[6]。

[1] 潘佩明.电力电容器安全运行分析与在线监测技术研究[D].(北京)华北电力大学,2015.

[2] 张鹏.电力电容器在线监测技术研究[D].华南理工大学,2012.

[3] 滕锦芬.电容型设备绝缘在线监测系统的研究与设计[D].华东交通大学,2012.

[4] 何卫国.电力电容器运行状态在线监测装置[D].苏州大学,2012.

[5] 张鹏. 电力电容器在线监测技术研究[D].华南理工大学,2012.

[6] 顾军,周立,黄擎,廖来新,王志远.电力电容器在线监测技术[J].电源技术应用,2014,(3):180-181.

Design of on-line electric power capacitor detector

ZHOU Yan-qiu, ZHANG Chong-ming, LI Chuan-jiang

TP216

A

1009-0134(2017)04-0056-03

2016-12-18

周燕秋（1993 -），女，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为智能检测与控制、嵌入式系统开发。