基于虚拟仪器的电容器组在线监测系统设计

林繁　李长元　王永强

摘要：电力电容器组是电力系统中极为重要的无功补偿设备，加上电容器组内部结构复杂、精密和不可修复性。文章针对电容器组的局部放电性故障进行设计一套集高精度的双探头超声波传感器、Zigbee无线数据传输模块以及局部放电数据处理算法于一体的电容器组在线监测系统。最后，结合虚拟仪器开发平台完成软件界面的设计、数据的分析与调用等。

关键词：电容器组；超声波法；局部放电；虚拟仪器

1 概述

电力电容器是一种在电力系统中应用十分广泛的电气元件之一，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，其安全运行对整个电力系统的稳定和正常供电起着非常重要的作用[1，2]。电力电容器采用浸渍纸、浸渍薄膜以及浸渍纸和薄膜组合的绝缘结构。因此最常见的绝缘性故障是局部放电放电故障，电力电容器的重要特点是介质的工作场强特别高，由于局部放电使电容膨胀，早期损坏以及发生爆炸的现象早已引起制造部门和运行部门的重视。因此对电容器组监测中局部放电故障是最重要的检测点之一。

文章采用超声波法对电容器组的局部放电故障进行实时监测，并采用双探头形式的传感器，摆脱了传统的单个探头监测局部放电带来的不确定与不精准性。另外文章还设计了无线传输装置与利用虚拟仪器（virtual instrument，LABVIEW）设计的上位机监测软件，使得系统稳定、有效、便捷地实现电容器组的局部放电监测。

2 电容器故障分析

电力电容器组的各个电容单元表面都是封闭式的结构，通过出线端子与母线三相连接。内部由绝缘纸、铝泊和电容器油构成电容元件，内部结构外部观测不到。由于长期运行导致的绝缘损坏、过电压的损害、温度过高或者物理化学反应均导致绝缘性故障。然后绝缘性故障中非常重要的就是局部放电故障。

电容器是由几种介质串联的组合绝缘，在交流电压下，电压分配与各层的电容量成反比，在直流电压下，电压分配与各层的绝缘电阻成正比，因此组合绝缘的耐电强度与各成分的耐电强度和搭配情况有关。局部放电包括绝缘结构内气隙中的放电和浸渍剂中的局部放电。局部放电可以发生在电容器极下面的绝缘层中，即均匀电场部分所包含的气隙中，也可以发生在极板边缘电场集中处。

3 系统结构与功能设计

文章课题设计的电容器组在线监测系统，分别包括就地检测层和上位机监控层。就地检测层主要由电容器组每个单元附近安装双探头的非接触式超声波传感器以及就地检测层终端的zigbee数据发送单元[3，4]。就地检测层负责检测电容器组的局部放电状况并负责传送数据至上位机监控层的数据接收端。上位机监控层主要由通过zigbee数据接收端接收的数据传送至工控机，监控主机对局局部放电数据进行实时的处理，并对局部放电数据进行实时的监控。

文章设计的基于虚拟仪器技术的电容器组监测系统具有如下几个功能：

（1）利用超声波法对局部放电进行实时检测；（2）以具有较强特性的虚拟仪器为平台开发了监测软件；（3）设计的基于小波包分析

的局部放电信号去噪算法并在软件上实现；（4）实时检测采集的局

部放电信号并实时保存于调用；（5）界面具有较强的人机互动性。

4 上位机软件系统设计

为了能够很好地监测电容器组的绝缘故障情况，结合虚拟仪器技术进行检测系统的设计，利用LABVIEW进行系统设计具有操作简便，算法实现简便等特点[5-8]。根据对系统功能的要求，文章监测系统采用NI公司的LABVIEW 2014作为软件开发平台。通过zigbee数据接收端接收的数据传送至工控机，监控主机对局部放电数据进行实时的处理，并对局部放电数据进行实时的监控。监测界面如图1所示。

5 结束语

文章所设计的电容器组监测系统主要针对电容器局部放电故障进行检测，结合zigbee无线传输特性与超声波检测局部放电的方法对电容器组的局部放电故障进行实时监测。首先分析了电容器组的最主要故障—局部放电故障，并对监测系统的结构与功能进行了设计，最后结合虚拟仪器开发平台完成软件界面的设计、数据的分析与调用等。

参考文献

[1]严璋，朱德恒.高电压绝缘技术（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：清华大学出版社，2006：100-201.

[3]高守玮，吴灿阳.zigbee技术实践教程[M].北京航空航天大学出版社，2009：1-419.

[4]李文仲，段朝玉.zigbee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京航空航天大学出版社，2009：1-310.

[5]卢铁兵，魏金祥.局部放电超高频在线监测系统的研究[D].保定：华北电力大学，2008.

[6]任先文，薛磊，宋阳，等.基于分形特征的最小二乘支持向量机局部放电模式识别[J].电力系统保护与控制，2011，39（14）：143-147.

[7]SatishL，Zaengl W S.Can fractal features be used for recognizing 3-d partial discharge patterns [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2（3）：350-358.

[8]KrivdaA，GulskiE.The use of fractal features for recognition of 3-D dischargenpatterns[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2（5）：889-892.