CN103364604A - 适用于高电压谐波测量的电容式电压互感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高电压谐波测量的电容式电压互感器及测量方法。在电容式电压互感器的电容分压器的低压电容支路和中间变压器支路中分别串联一个电流互感器，本发明在传统电容式电压互感器中加入两个常规的电流互感器，利用这两个互感器测量得到的电流即可计算出高压***谐波电压的大小和相位。因此，本发明具有如下优点：结构简单，实现方便，测量电压谐波精度高，且不受电容式电压互感器负载大小的影响，在高电压谐波电压测量的场合具有很高的应用价值和市场推广前景。

Description

适用于高电压谐波测量的电容式电压互感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种电容式电压互感器及测量方法，尤其是涉及一种适用于高电压谐波测量的电容式电压互感器及测量方法。

背景技术

非线性负荷在电力***中的应用日益增多导致高压电力***的电压畸变问题越来越严重。供电部门和科研机构迫切需要对高压电力***的电压谐波进行测量，以了解高压***的电压谐波状况，制定出针对性的谐波治理措施。

但目前所采用的高压谐波测量方法和设备中，采用电阻器分压和电容器分压的方案需要采用专门的设备，且这些设备体积大，价格昂贵。电容式电压互感器因其体积小、重量轻、维护工作量少、电场强度裕度大、绝缘可靠性高的优点，且分压电容可兼作耦合电容器供高频载波通道使用，被广泛应用于110kV（甚至35kV）及以上高电压中性点直接接地***的电压测量、高频通讯和继电保护中。因而从实际情况来看，采用电容式电压互感器来进行高压谐波测量是最方便经济的方法，但由于电容式电压互感器在谐波条件下的内部谐振条件将被破坏，测量谐波将出现较大的误差，无法直接应用常规电容式电压互感器进行高压谐波测量。

目前也有研究分析了电容式电压互感器的频率响应特性，利用该频率响应特性对电容式电压互感器二次测量电压进行修正后，推导出高压侧的电压谐波。但这种方案需要离线分析各种不同类型电容式电压互感器的频率响应特性，需要知道电容式电压互感器的详细结构和组成元件参数，并且不同的负载条件下的频率响应特性也不同，因此这种方法实现较为复杂，限制了其应用推广。

因此，如果能对电容式电压互感器进行简单改造，设计出一种基于电容式电压互感器的适用于高压谐波测量的方案，能够在测量工频高电压的情况下同时提供高精度的高压谐波测量。从而为实现高压谐波电压测量提供一种性价比很高的方案，具有很大的实用价值和市场推广前景。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构简单，实现方便，测量电压谐波精度高，且不受电容式电压互感器负载大小的影响，在高电压谐波电压测量的场合具有很高的应用价值和市场推广前景的适用于高电压谐波测量的电容式电压互感器及测量方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种适用于高电压谐波测量的电容式电压互感器，其特征在于，在电容式电压互感器的电容分压器的低压电容支路和中间变压器支路中分别串联一个电流互感器，即：定义电容式电压互感器的电容分压器的高压电容为高压电容C_H且电容分压器的低压电容为低压电容C_L；电容式电压互感器的串联补偿电抗器为串联补偿电抗器L_f；电容式电压互感器的中间变压器为中间变压器T；其中低压电容C_L的支路中串联一电流互感器S1后接地，S2在中间变压器T的支路中串联一电流互感器S2后接地。

一种基于电容式电压互感器的高电压谐波测量方法，利用两个电流互感器S1和电流互感器S2测量得到的电流，以及电容分压器的高压电容C_H和电容分压器的低压电容C_L的电容值既能够得到电容式电压互感器高压侧的谐波电压。

在上述的一种基于电容式电压互感器的高电压谐波测量方法，具体的获取方法如下：

步骤1，根据电流互感器S1测量得到的二次电流及其变比获得低压电容C_L支路的电流i_CL；根据电流互感器S2测量得到的二次电流及其变比获得中间变压器T支路的电流i_CT

步骤2，基于i_CH=i_CL+i_CT，获得高压电容C_H支路的电流i_CH；

步骤3，基于傅里叶变换分解出电流i_CL和i_CH中的谐波电流分量，即：

$i_{\mathrm{CH}}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{CH}\left(h\right)}\·\sin (2\mathrm{\π}\·f\·h\·t+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}))$

$i_{\mathrm{CL}}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\·\sin (2\mathrm{\π}\·f\·h\·t+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}))$

其中：h为谐波次数，n为所关注的最高谐波次数；f为工频，；t为时间；I_CH(h)和θ_CH(h)分别为电流i_CH中第h次谐波的有效值和相位角；I_CL(h)和θ_CL(h)分别为电流i_CL中第h次谐波的有效值和相位角；

电流i_CH和i_CL中的第h次谐波分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}=I_{\mathrm{CH}\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}=I_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)};$

步骤4，基于步骤3得到的数据，能够获取

${\stackrel{\·}{U}}_{S\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\·\frac{1}{j\·2\mathrm{\π}\·f\·h\·C_L}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}\·\frac{1}{j\·2\mathrm{\π}\·f\·h\·C_H}$ 式一；

其中，C_H和C_L分别是电容分压器的高压电容C_H和电容分压器的低压电容C_L的电容值是低压和高压电容的值；

然后，对所有次谐波（h=1,2,…,n）均进行式一所示的计算，即可计算得出高压***电压u_S的各次谐波电压，这些电压即是进行谐波分析所需要的值。

因此，本发明具有如下优点：只需在传统电容式电压互感器中加入两个常规的电流互感器，利用这两个互感器测量得到的电流即可计算出高压***谐波电压的大小和相位。本发明结构简单，实现方便，测量电压谐波精度高，且不受电容式电压互感器负载大小的影响，在高电压谐波电压测量的场合具有很高的应用价值和市场推广前景。

附图说明

图1是本发明的一种基于电容式电压互感器的高电压谐波测量电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

附图1为一种基于电容式电压互感器的高电压谐波测量方案的结构图。图中C_H和C_L分别为常规电容式电压互感器的电容分压器的高压电容和低压电容；L_f为常规电容式电压互感器的串联补偿电抗器；T为常规电容式电压互感器的中间变压器；Z_L为电容式电压互感器的负载（不是电容式电压互感器的组成部分）。S1和S2分别为本发明所加入的常规串联电流互感器，其中S1串联在低压电容C_L的支路中，S2串联在中间变压器T的支路中。同时需注意的是为了降低对电流互感器S1和S2的绝缘要求，电流互感器S1和S2需分别靠近低压电容C_L支路和中间变压器T支路的接地点。在这里，需要注意的是：S1和S2串联在支路中原则上是任意位置，不会影响测量电流的大小，但是如果考虑绝缘要求，S1和S2串联在不同点的电压是不同的，因此，将S1串联在中间变压器的一次侧与接地点之间，S2串联在低压电容与接地点之间。

根据电流互感器S1测量得到的二次电流及其变比即可计算出低压电容C_L支路的电流i_CL；根据电流互感器S2测量得到的二次电流及其变比即可计算出中间变压器T支路的电流i_CT；根据基尔霍夫电流定律，高压电容C_H支路的电流i_CH满足：

i_CH=i_CL+i_CT  （1）

利用成熟的傅里叶变换技术，可分别分解出电流i_CL和i_CH中的谐波电流分量：

$i_{\mathrm{CH}}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{CH}\left(h\right)}\·\sin (2\mathrm{\π}\·f\·h\·t+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}))---\left(2\right)$

$i_{\mathrm{CL}}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\·\sin (2\mathrm{\π}\·f\·h\·t+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}))---\left(3\right)$

其中：h为谐波次数，n为所关注的最高谐波次数（一般取40次足够）；f为工频，我国为50Hz；t为时间；I_CH(h)和θ_CH(h)分别为电流i_CH中第h次谐波的有效值和相位角；I_CL(h)和θ_CL(h)分别为电流i_CL中第h次谐波的有效值和相位角。

将电流i_CH和i_CL中的第h次谐波分别写为相量形式：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}=I_{\mathrm{CH}\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}=I_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}---\left(5\right)$

需要测量的高压***电压u_S的第h次谐波可通过下式计算得到：

${\stackrel{\·}{U}}_{S\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\·\frac{1}{j\·2\mathrm{\π}\·f\·h\·C_L}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}\·\frac{1}{j\·2\mathrm{\π}\·f\·h\·C_H}---\left(6\right)$

对所有次谐波（h=1,2,…,n）均进行式(6)所示的计算，即可计算得出高压***电压u_S的各次谐波电压，这些电压即是进行谐波分析所需要的值。

本发明在常规电容式电压互感器的电容分压器的低压电容支路和中间变压器支路中分别串入常规电流互感器，利用测量得到的低压电容支路和中间变压器支路的电流，结合电容分压器的高压和低压电容值，即可计算出高压***电压的谐波含量。本发明的基于电容式电压互感器的高电压谐波测量方案仅需在常规电容式电压互感器的基础上进行简单的改进，实现简单，为实现高压谐波电压的精确测量提供了重要的技术手段，具有很高的实用价值和广阔的市场推广应用前景。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种适用于高电压谐波测量的电容式电压互感器，其特征在于，在电容式电压互感器的电容分压器的低压电容支路和中间变压器支路中分别串联一个电流互感器，即：定义电容式电压互感器的电容分压器的高压电容为高压电容C_H且电容分压器的低压电容为低压电容C_L；电容式电压互感器的串联补偿电抗器为串联补偿电抗器L_f；电容式电压互感器的中间变压器为中间变压器T；在低压电容C_L的支路中串联一电流互感器S1后接地，在中间变压器T的支路中串联一电流互感器S2后接地。 

2.一种基于权利要求1所述的电容式电压互感器的高电压谐波测量方法，其特征在于，利用两个电流互感器S1和电流互感器S2测量得到的电流，以及电容分压器的高压电容C_H和电容分压器的低压电容C_L的电容值既能够得到电容式电压互感器高压侧的谐波电压。 

3.根据权利要求2所述的一种基于电容式电压互感器的高电压谐波测量方法，其特征在于，具体的获取方法如下： 

步骤1，根据电流互感器S1测量得到的二次电流及其变比获得低压电容C_L支路的电流i_CL；根据电流互感器S2测量得到的二次电流及其变比获得中间变压器T支路的电流i_CT

步骤2，基于i_CH=i_CL+i_CT，获得高压电容C_H支路的电流i_CH； 

步骤3，基于傅里叶变换分解出电流i_CL和i_CH中的谐波电流分量，即： 

其中：h为谐波次数，n为所关注的最高谐波次数；f为工频，；t为时间；I_CH(h)和θ_CH(h)分别为电流i_CH中第h次谐波的有效值和相位角；I_CL(h)和θ_CL(h)分别为电流i_CL中第h次谐波的有效值和相位角； 

电流i_CH和i_CL中的第h次谐波分别为： 

步骤4，基于步骤3得到的数据，能够获取 

式一； 

其中，C_H和C_L分别是电容分压器的高压电容C_H和电容分压器的低压电容C_L的电容值是低压和高压电容的值； 

然后，对所有次谐波（h=1,2,…,n）均进行式一所示的计算，即可计算得出高压***电压u_S的各次谐波电压，这些电压即是进行谐波分析所需要的值。 

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