CN103760402B

CN103760402B - 基于D_dot原理的三相电压互感器及三相影响电压补偿方法

Info

Publication number: CN103760402B
Application number: CN201410029535.1A
Authority: CN
Inventors: 汪金刚; 白云洁; 范禹邑; 朱丽云
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing Kang Feida Information Technology Co Ltd
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: CN103760402A

Abstract

本发明提供了一种基于D_dot原理的三相电压互感器及三相影响电压补偿方法，其中三相电压互感器包括环形电极I、环形电极II、绝缘支架和接地电容，绝缘支架包括半圆支架I、半圆支架II和支撑臂，支撑臂设置在半圆支架I、半圆支架II的侧壁上，且半圆支架I、半圆支架II同心设置形成用于供被测导体穿过的通孔，环形电极I、环形电极II同心设置，且分别嵌在半圆支架I和半圆支架II内，环形电极I、环形电极II通过导线与接地电容和地串联，本发明的三相电压互感器具有体积小、结构简单、绝缘性能好和测量安全等特点，本发明的三相影响电压补偿方法对测量时三相线路间的相互影响作出分析，以此获得接近真实情况的测量值。

Description

基于D_dot原理的三相电压互感器及三相影响电压补偿方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种基于D_dot原理的三相电压互感器及三相影响电压补偿方法。

背景技术

传统的电压互感器包括：电磁式电压互感器、电容式电压互感器和电子式传感器，等等。其中电磁式电压互感器存在绝缘难度大和易产生铁磁谐振等问题，其中电容式电压互感器由于带许多储能元件，瞬变响应特性差，需要在二次回路加装阻尼装置以改善瞬变响应特性，其中电子式传感器存在测量误差大等问题。

因此，基于D_dot原理的电压传感器（简称：D_dot传感器）由于采用电荷感应原理实现测量，而非能量传递，因此可以实现无接触测量，将其应用于高电压等级的变电站内时，可以使得二次侧几乎没有任何电流输出，实现二次侧安全检测的同时，保证对一次侧不造成影响，并且由于整个传感器不存在电感性的器件，避免了传感器产生的铁磁谐振的威胁，等等。

具体的，基于D_dot原理的电压传感器具体是采用电荷感应原理，通过测量与测量电极相连的接地匹配电阻上的输出电压，来测量与该输出电压积分量成正比的导体附近的电位移矢量，从而得到导体电压的时域波形，由于其输出电压与电位移矢量对时间的微分成正比，故称为基于原理的电压传感器。

但是，目前的D_dot传感器结构普遍存在结构复杂、绝缘性有待提高等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于D_dot原理的三相电压互感器及三相影响电压补偿方法，其中三相电压互感器具有体积小、结构简单、绝缘性能好和测量安全等特点，其中三相影响电压补偿方法对测量时三相线路间的相互影响作出分析，以此获得接近真实情况的测量值。

本发明提供一种基于D_dot原理的三相电压互感器，包括：环形电极I、环形电极II、绝缘支架、接地电容，所述绝缘支架包括：半圆支架I、半圆支架II和支撑臂，所述支撑臂设置在所述半圆支架I、半圆支架II的侧壁上，且所述半圆支架I、半圆支架II同心设置形成用于供被测导体穿过的通孔，所述环形电极I、环形电极II同心设置，且分别嵌在所述半圆支架I和半圆支架II内，所述环形电极I、环形电极II通过导线与所述接地电容和地串联，所述示波器和所述接地电容并联。

进一步，所述环形电极I、环形电极II为形状相同的金属铝环。

进一步，所述环形电极I、环形电极II的内径在60至70mm之间，外径在70至80mm之间。

进一步，还包括：设置在所述支撑臂上用于调节所述半圆支架II的调节旋钮，紧固螺钉的松紧程度可调节，螺钉松的时候，半圆支架II可上下移动，当达到合适位置的时候将螺钉旋紧。

进一步，所述半圆支架I、II之间的调节距离范围在0至50mm之间。

本发明还提供了一种基于D_dot原理的三相影响电压补偿方法，包括如下步骤：

将三相电压的其中一相电压V₁接入如上所述的基于D_dot原理的三相电压互感器；

采用示波器测量所述三相电压互感器的接地电容两端的电压V_out；

采用公式：

{\overset{\cdot}{V}}_{out} = \overset{\cdot}{Z} * [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \end{matrix}] * {[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{Z}}_{a} & 0 & 0 & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} \\ {\overset{\cdot}{Z}}_{a} + r & - {\overset{\cdot}{Z}}_{b} - r & - r & r \\ \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} + r & {\overset{\cdot}{Z}}_{c} + \overset{\cdot}{Z} + r & \overset{\cdot}{Z} \\ - \overset{\cdot}{Z} - r & - \overset{\cdot}{Z} & - \overset{\cdot}{Z} & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} - \overset{\cdot}{Z} - r \end{matrix}]}^{- 1} * \{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{V}}_{1} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\}

计算V₁;

其中，与分别为电容C₁₄和C₁₅，为C₂₅与C₃₅并联值，为C₂₄与C₃₄的并联电容，r为连接电极的同轴导线上的电阻，为C_m,C_p,R₀,R_p,C₀构成的综合参数，其中C_ij表示i号电线与j号电极的电容，C_m为接地电容，R_P和C_P分别为接入示波器时引入的测量探头引入的电阻、电容，R_o和C₀分别为接入示波器引入的电阻、电容。

本发明的有益效果：

本发明的基于D_dot原理的三相电压互感器主要由环形电极、绝缘支架和接地电容等少数几个部件构成，其具有体积小、结构简单等特性，尤其是环形的电极可以降低最高电场强度以达到提高绝缘水平的目的，具有良好的动态范围和暂态特征，同时保证测量安全性。

同时，本发明对测量时三相线路间的相互影响作分析，由此提出一种补偿方法，对示波器测量结果加以修正，获得接近真实情况的测量值，能够较为准确地反映电缆上电压波形变化情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是D_dot传感器原理示意图。

图2是基于D_dot原理的三相电压互感器的结构示意图。

图3是基于D_dot原理的三相电压互感器的检测简图。

图4是不考虑邻相影响时的D_dot传感器测量等效电路图。

图5是考虑邻相影响时的D_dot传感器测量等效电路图。

图6是考虑邻相影响时的某一相D_dot传感器测量等效电路图。

图7是试验装置图。

具体实施方式：

如图1所示，是D_dot传感器的原理示意图，其将具有高电导率的金属导体1封入绝缘体2中构成最简单的D_dot传感器，其中为被测量点的电场强度，在金属导体表面做一闭合高斯面4，并对其使用高斯定理可以得到：

(公式1)。

公式（1）中q为闭合高斯面4内即金属导体1上的感应电荷，A_eq为传感器的等效面积，其与传感器中金属导体1的形状结构以及高斯面与电场强度矢量方向的夹角有关。

当金属导体1通过电缆3与接地匹配电阻R连接后，金属导体1中电荷移动形成电流并在接地匹配电阻R上产生压降：

V_{0} = ϵ_{0} A_{eq} R \frac{d}{dt} \overset{&RightArrow;}{E}

(公式2)。

因此，D_dot传感器输出V₀与被测量点的电场强度对时间的导数呈线性关系，因此该D_dot传感器可以用于电场测量。

由于D_dot传感器的测量是通过电荷耦合检测被测电压，其与通过能量传递实现测量的CVT(CapacitorVoltageTransformer,电容式电压互感器)不同，其可以实现无接触测量，因此将其应用于高电压等级的变电站内时，可以使得二次侧几乎没有任何电流输出，实现二次侧安全检测的同时，保证对一次侧不造成影响，并且由于整个传感器不存在电感性的器件，避免了传感器产生的铁磁谐振的威胁。

如图2和3所示，本发明提供的基于D_dot原理的三相电压互感器包括：环形电极I1、环形电极II2、绝缘支架和接地电容4。

其中，绝缘支架包括：半圆支架I31、半圆支架II32和支撑臂33，支撑臂33设置在半圆支架I31和半圆支架II32的侧壁上，且半圆支架I31、半圆支架II32同心设置形成用于供被测导体6穿过的通孔，该通孔的大小在12至16mm之间。

其中，在支撑臂33上设置有用于调节半圆支架II位置的调节旋钮，且半圆支架I、II之间的调节距离范围在0至50mm之间。具体的，调节旋钮可以为紧固螺钉，其松紧程度可调节，螺钉松的时候，半圆支架II可上下移动，当达到合适位置的时候将螺钉旋紧。

其中，环形电极I1、环形电极II2同心设置，且分别嵌在半圆支架I31和半圆支架II32内，环形电极I1、环形电极II2通过导线（例如：同轴导线）与接地电容4和地串联。

其中，环形电极I1、环形电极II2为形状相同的金属铝环。

其中，环形电极I1、环形电极II2的内径在60至70mm之间，外径在70至80mm之间。

图3中环形电极I1、II2和导体6之间为绝缘材料制成的绝缘环，用于钳紧和固定导体6（例如：铜棒），另外图3中的A_eq为电线上电压。

另外，测量时，如图3所示，将示波器5与接地电容4并联，即可以测三相电压互感器输出的电压。

本实施例，主要由环形电极、绝缘支架和接地电容等少数几个部件构成，其具有体积小、结构简单等特性，尤其是环形的电极可以降低最高电场强度以达到提高绝缘水平的目的，具有良好的动态范围和暂态特征，同时保证测量安全性。

将图3中接地电容4两端输出的电压接入示波器，可观测输出电压波形。同时由图3可知，电压互感器上电极的输出电压可表示为：

V_{out} = \frac{C_{1}}{C_{1} + C_{2}} V_{pow}

(公式3)

其中C₁为图3所示上下两电极（即电极I、电极II）之间的电容，C₂为图3所示输出端电容（即接地电容）。

本发明对测量时三相线路间的相互影响作分析，由此提出一种补偿方法，对示波器测量结果加以修正，获得接近真实情况的测量值，较为准确地反映电缆线上电压波形变化情况。

具体流程如下：

若考虑同轴导线上电阻、示波器等测量装置的影响，可得输出电压U_o(s)：

U_{o} (s) = \frac{Z_{2} (s)}{Z_{1} (s) + Z_{2} (s)} U_{i} (s) = \frac{\frac{Z_{sc}}{1 + Z_{sc} C_{m} s}}{\frac{s^{2} R_{1} R_{2} C_{1} C_{2} + s (R_{1} C_{1} + R_{2} C_{2}) + 1}{s^{2} C_{1} C_{2} (R_{1} + R_{2}) + s (C_{1} + C_{2})}} U_{i} (s)

即：

U_{o} (s) = Z_{sc} \cdot \frac{s^{2} C_{1} C_{2} (R_{1} + R_{2}) + s (C_{1} + C_{2})}{(1 + Z_{sc} C_{m} s) (s^{2} R_{1} R_{2} C_{1} C_{2} + s (R_{1} C_{1} + R_{2} C_{2}) + 1)} U_{i} (s)

(公式4)

如图4，其中C₁、C₂为上下半圆金属环与导线的电容，R₁、R₂为连接上下半圆金属环的同轴导线上的电阻，C_m为电压互感器与地之间的电容，同时也是用于测量输出电压的测量电容，Z_sc为测量用示波器的等效阻抗，它与C_m并联用于测量。

若再考虑三相线路上其他两相对电压互感器的影响，可得测量电路图5。

将A、B、C电缆线进行编号为1,2,3，各层电极分别编号为4,5,6,7,8,9，电路中的V₁、V₂、V₃分别为各相电缆线上的实际电压，C_ij表示i号电缆线与j号电极的电容，例如：C₁₄表示1号电缆线与4号电极的电容，C_m为传感器测量中输出电压上的电容元件，R_P和C_P分别为10倍探头（接入示波器时连接了扩大10倍波形的测量探头）引入的电阻、电容，R_o和C₀分别为接入示波器引入的电阻、电容，由此考虑邻相线路与该相上传感器的电极之间的互电容，并对此作分析，通过修正示波器测量结果，可进行补偿，获得接近真实情况的电压波形。

上述电路中各电极与导体的互电容均为固有参数，可通过对电场进行有限元分析求解得到，且测量装置示波器参数已知，故最终能够对电压互感器的测量结果进行修正，并通过补偿测量值使得结果接近真实情况。

实验中，我们利用电磁场分析软件构建模型，求解出各电极与导体之间的互电容，其等效电路如图5所示。

若取A相线路（对应电压为V₁）进行分析（令B、C两相输入电压源为0），其等效电路如附图6，将有如下关系：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{Z}}_{a} & 0 & 0 & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} \\ {\overset{\cdot}{Z}}_{a} + r & - {\overset{\cdot}{Z}}_{b} - r & - r & r \\ \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} + r & {\overset{\cdot}{Z}}_{c} + \overset{\cdot}{Z} + r & \overset{\cdot}{Z} \\ - \overset{\cdot}{Z} - r & - \overset{\cdot}{Z} & - \overset{\cdot}{Z} & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} - \overset{\cdot}{Z} - r \end{matrix}] \{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{2} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{3} \\ - {\overset{\cdot}{I}}_{4} \end{matrix}\} = \{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{V}}_{1} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\}

(公式5)

V_{out} = Z^{\cdot} ({I^{\cdot}}_{1} + {I^{\cdot}}_{2} + {I^{\cdot}}_{3} - {I^{\cdot}}_{4})

(公式6)

即：

\begin{matrix} {\overset{\cdot}{V}}_{out} = [\begin{matrix} \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} \end{matrix}] * [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{2} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{3} \\ {- \overset{\cdot}{I}}_{4} \end{matrix}] \\ = \overset{\cdot}{Z} * [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \end{matrix}] * {[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{Z}}_{a} & 0 & 0 & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} \\ {\overset{\cdot}{Z}}_{a} + r & - {\overset{\cdot}{Z}}_{b} - r & - r & r \\ \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} + r & {\overset{\cdot}{Z}}_{c} + \overset{\cdot}{Z} + r & \overset{\cdot}{Z} \\ - \overset{\cdot}{Z} - r & - \overset{\cdot}{Z} & - \overset{\cdot}{Z} & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} - \overset{\cdot}{Z} - r \end{matrix}]}^{- 1} * \{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{V}}_{1} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\} \end{matrix}

(公式7)

式中与分别为图5中的电容C₁₄和C₁₅，为C₂₅与C₃₅并联值，为C₂₄与C₃₄的并联电容，为C_m,C_p,R₀,R_p,C₀构成的综合参数。

由此可看出V_out与V₁存在固定的关系，可表示成传递函数的形式，该传递函数与r有关，若已知这些参数，可知V₁与V_out的关系。

为了使式子得到简化，若三相线路位置对称，即令图中那么

\begin{matrix} {\overset{\cdot}{V}}_{out} = \overset{\cdot}{Z} * [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \end{matrix}] * {[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{Z}}_{a} & 0 & 0 & - {\overset{\cdot}{Z}}_{c} \\ {\overset{\cdot}{Z}}_{a} + r & - {\overset{\cdot}{Z}}_{a} - r & - r & r \\ \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} + r & {\overset{\cdot}{Z}}_{c} + \overset{\cdot}{Z} + r & \overset{\cdot}{Z} \\ - \overset{\cdot}{Z} - r & - \overset{\cdot}{Z} & - \overset{\cdot}{Z} & - {\overset{\cdot}{Z}}_{c} - \overset{\cdot}{Z} - r \end{matrix}]}^{- 1} \\ = {\overset{\cdot}{V}}_{1} \cdot \frac{1}{(\frac{{\overset{\cdot}{Z}}_{a}}{{\overset{\cdot}{Z}}_{c}} + 1) (\frac{r}{2 \overset{\cdot}{Z}} + 1)} \end{matrix} * \{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{V}}_{1} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\}

(公式8)

由以上的分析，本发明提供了一种基于D_dot原理的三相影响电压补偿方法，其包括如下步骤：

步骤1、将三相电压的其中一相电压V₁接入如上所述的基于D_dot原理的三相电压互感器。

步骤2、采用示波器测量所述三相电压互感器的接地电容两端的电压V_out。

步骤3、采用公式（7）或（8）计算V₁，即所测相的电压。

下面举一示例，对该过程进行说明：

如附图7所示试验装置中，由安装在三相电线上的三个电压传感器和地面与架空线的避雷装置构成。其中三条水平放置的电线距离地面有10米远，电缆导体上电压幅值约5.78KV，频率50Hz，每相自左向右分别为A,B,C。

仿真试验中，我们使用X1000高压探头测量三相线路上的电压值以及相位，测量结果V₁如表1所示。

表一：

通过多次仿真和试验，我们得到当电线上和电极间（包括电极I、电极II与三条电线电容的综合参数，可通过戴维宁定理求得）构成的电容C₁₀与传感器制造厂商耐压试验得到的电容C_1M（即接地电容）满足如下关系时：

C_1M=0.17C₁₀(公式8)

此时，三相电压互感器输出电压在示波器上显示如下：

表二：

通过公式7的V₁与V_out的关系，计算得到电极上的电压V₁'的电压值与相位偏移量，如下：

表三：

对比表一与表三得到的数据可知，按上述方法,计算传感器输出V_out对应的V₁'，与实际值V₁相比较，电压值与相位偏移量相差很小，提高了传感器的测量精度。由此能够较为准确地反映电缆线上电压波形的变化情况。

本发明，通过改善D_dot传感器结构并考虑分析三相线路上邻相电场以及测量装置对测量电路的影响，由此提出一种补偿方法，对示波器测量结果进行修正，由此得到接近真实情况的数值，有利于继保***中跟踪电压变化以及故障诊断与在线监测和捕捉到高频的过电压波形，对电网电压测量具有重大的意义。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于D_dot原理的三相电压互感器，其特征在于：包括：环形电极I、环形电极II、绝缘支架和接地电容，所述绝缘支架包括：半圆支架I、半圆支架II和支撑臂，所述支撑臂设置在所述半圆支架I、半圆支架II的侧壁上，且所述半圆支架I、半圆支架II同心设置形成用于供被测导体穿过的通孔，所述环形电极I、环形电极II同心设置，且分别嵌在所述半圆支架I和半圆支架II内，所述环形电极I、环形电极II通过导线与所述接地电容和地串联；

还包括：设置在所述支撑臂上用于调节所述半圆支架II位置的调节旋钮。

2.如权利要求1所述的基于D_dot原理的三相电压互感器，其特征在于：所述环形电极I、环形电极II为形状相同的金属铝环。

3.如权利要求2所述的基于D_dot原理的三相电压互感器，其特征在于：所述环形电极I、环形电极II的内径在60至70mm之间，外径在70至80mm之间。

4.如权利要求1所述的基于D_dot原理的三相电压互感器，其特征在于：所述半圆支架I、II之间的调节距离范围在0至50mm之间。

5.一种基于D_dot原理的三相影响电压补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：

将三相电压的其中一相电压V₁接入如权利要求1至4中任一项所述的基于D_dot原理的三相电压互感器；

采用公式：

{\overset{\cdot}{V}}_{o u t} = \overset{\cdot}{Z} * [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \end{matrix}] * {[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{Z}}_{a} & 0 & 0 & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} \\ {\overset{\cdot}{Z}}_{a} + r & - {\overset{\cdot}{Z}}_{b} - r & - r & r \\ \overset{\cdot}{Z} & \overset{\cdot}{Z} + r & {\overset{\cdot}{Z}}_{c} + \overset{\cdot}{Z} + r & \overset{\cdot}{Z} \\ - \overset{\cdot}{Z} - r & - \overset{\cdot}{Z} & - \overset{\cdot}{Z} & - {\overset{\cdot}{Z}}_{d} - \overset{\cdot}{Z} - r \end{matrix}]}^{- 1} * \{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{V}}_{1} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\}

计算V₁；