基于高压电器容量试验测量系统性能的研究

0 引言

电力行业近些年发展迅速，电能传输与配送的安全与可靠也越来越受到很高的关注，高压电器是否稳定运行也成为行业内关注的焦点，高压电器在正式入网使用前必须通过国家规定的型式试验，容量开断试验是型式试验的最重要部分，对试验数据的精确与可靠性提出了很高的要求，所以试验室的试验测量系统对于容量试验具有重要的意义。

近些年International Electrotechnical Commission(简称IEC)标准和Short-Circuit Testing Liaison(简称STL)技术导则的不断修订和完善，对容量试验的技术要求也越来越高.

试验需要测量的信号不仅数量多，而且幅值范围大，频率范围宽，记录的时间也长短不一。电压从几伏到一千多千伏，电流从几安到几百安，电流测量频率从直流到几十千赫兹，并且试验信号都不是单频而是混频信号，持续时间从几微秒到几十秒等等。高压试验同时测量的参量也很多，包括试验电压，试验电流，负载电压，分合闸线圈的电压，试品的机械行程曲线，电弧电压等等。为了满足发展的要求，机械工业高压电器产品质量检测中心研制出完全符合其要求的容量试验测量系统。并很好的满足试验标准的要求，运行良好。

1.测量系统的组成方案

1.1 测量系统的硬件组成部分

测量得到示波图的核心硬件是波形记录仪，本系统记录仪采用了当前世界上先进的LDS Genesis波形记录仪，并有匹配的测试软件(软件部分我们下部分介绍)。记录仪我们采用了16个通道1MS/s的采集模块，16bit,±1~±50V可调，模拟带宽500kHZ(-3dB)。4个通道10MS/s的采集模块，14bit,±0.02~±100V可调，模拟带宽1MHZ(-3dB)。

在电流传感器配置方面，因为测量电流频带宽，短路电流周期分量、非周期分量、频率、相角、时间常数、主回路干扰等都是影响波形的因素，在电缆充电电流和线路充电电流中的合闸涌流、合成试验时延弧干扰等等也都对电流测量的准确度产生很大影响。高压试验电流测量现在主要有分流器，带气隙的电流互感器和罗斯线圈几种，我们主要采用了带气隙的电流互感器，并参加了国际短路试验联盟组织的，国内有西高院牵头的短路电流测量比对,测量值偏差为0.4%.其测量电流的周期分量和非周期分量都很好。选用的电流互感器要满足测量的要求，根据不同的电流值，选取了几档电流互感器，变比分别为100/5、2500/5、3000/5、20000/5、100000/5(单位A)的电流互感器，直接网路试验可以测量50KA,时间常数120ms,线性度小于5%,暂态误差100ms内小于1%,精度达到1级。

在电压传感器的配置方面，高压电器试验在电压工频阶段频率比较稳定，但是在开断后的恢复阶段频率不是单一的，而是混频信号，持续的时间比较短，一般只有几微秒，需要运用2参数或者4参数法测量恢复电压的TRV等参量。在恢复电压之后有几多达几秒的工频稳态电压或者直流恢复电压。本系统选用了最新的RC-70阻容分压器来测量电压信号，阻容分压器具有频带很宽的特点，可以测量信号的频率范围从直流到500KHz信号。分压器可测量70kV电压，完全满足三相直接试验的使用，测量精度达到1级。选用的分压器可以单独测量各点得对地电压，也可以两个一对测量点与点之间的线电压，对测量的准确性有很多的帮助。

在信号传输方面，由于高压电器容量试验时一个干扰多，强电磁的环境，信号传输要抵抗这些干扰问题，本测量系统采用光纤传输信号并且与之匹配的是数字光纤隔离模块，数字光纤模块的误差达到0.5%满量程，模拟宽带20MHz(-3dB)，在传输前端EMC屏蔽，单独的电池供电，电池是可更换的，简单方便，使用寿命长。数字隔离模块抗干扰能力强，可以放在复杂的环境中，包括试验小室内，采集的数据再用光纤传到试验室，进入记录仪进行显示和处理。

1.2 测量系统的软件组成部分

与采集数据记录仪匹配的是专门为高精密测量而开发的Perception软件，在整个测量的系统中，软件处理是在计算机中进行的，处于测量系统的后端，如图1所示。

测系统具有很高的应用功能，具有专门为高压电器试验而打造的数据处理平台，具备控制采集、存储数据、显示数据、调阅数据、函数编辑、报告生成等很多功能，尤其是其函数编辑功能具有高的灵活性，可根据自身的需要进行编辑。还具有扩展功能如CSI功能，可根据用户的需求进行更具有人性化的界面编辑如图2所示。在数据处理模块中具有按照标准和STL导则要求而研制的函数分析库，使用者根据不同是试验项目来编译合适的函数计算程序。STL提供了试验数据发生器(TDG)来检查测试软件的算法精度，从公布的国外试验室短路电流数据处理的平均结果来看：短路电流有效值测量不确定度≤0.4%,非对称短路电流直流分量的测量不确定度≤2%,非对称短路电流峰值测量不确定度≤0.2%.本系统采用编译的函数后采用TDG提供的波形进行验证，测试的结果是：短路电流有效值测量不确定度≤0.42%,非对称短路电流直流分量的测量不确定度≤1.86%,非对称短路电流峰值测量不确定度≤0.186%,测试结果证明，短路电流数据满足STL技术文件关于软件的技术指标。 [p]

处理后的试验波形和数据自动进入报告编辑器中，显示在报告页面上，在报告页面可以根据使用者的目的和标准要求，随意的进行添加和舍弃试验的信息，报告还可以和计算的数据源进行关联，也可以和外接的CSI进行关联。

报告中所包含的基本的试验数据包括电压与电流参量、行程曲线的位置参量、合分信号参量、机构操作电压参量和试品的本身试验编号等等。在机械工业高压电器产品质量检测中心所出具最新的试验报告中，我们添加了中英文对照的信息，如图3所示。最终生成的报告通过打印机打印成纸质报告，也可生成电子版记录进行存档。

2.测量系统的校准

容量试验测量系统是一个测量链的组成，本系统主要有传感器、传输系统、数据采集仪、数据处理系统组成，系统校准两种基本方法，第一种是对每一部分分别进行校准，整体分别校准法。第二种是对整个测量系统进行校准，整体校准法。我们这套测量系统采用的方法是对系统的整体进行校准。测量信号的输出采用了先进的信号发生标准源，本源通过了国家计量中心的校准认证。通过源发出一系列的信号，试验电压与负载电压的测量精度1%.试验电流的测量精度1%.相应时间0.01ms.0~20KHz的频响误差4%.最后测得的结果完全的满足IEC及GB1984-2003《交流高压断路器》对测量系统的要求，而且可以说精度达到了很高的结果。

3.测量系统的运行情况

本测量系统建立后完成了大量的断路器，负荷开关等高压电器产品的试验任务，精确的测量结果和稳定运行得到了试验人员和试验厂家的高度肯定，该系统是国内高压电器试验领域建立起来的第一套高标准的测量系统，具有很重要的示范意义，克服了以前测量系统抗干扰能力差和高频测量不精确的弊病。数据采集界面清晰，方便即刻测量试验数据，如图4所示。数据采集与处理系统完全满足标准所注明的偏差要求，软件系统通过TDG的对测试软件的测量结果证明了其很高的技术指标。可以得出结论测量系统的设计完全符合STL于国家标准的要求，最终的良好的报告效果和优异的数据交互效果提高了试验的效率并更好的服务试验厂家。

4.结语

本文所介绍的一套高压电器试验测量系统，该系统通过配置性能先进的波形记录仪，高性能的传感器与性能符合STL标准的测量软件来达到对试验的精确测量。系统设计符合STL的技术指标，并且完成了系统对试验参量测量偏差的评定。证实了该测量系统运行稳定效果很好。