CN105092956A - 电力***功率因数测量装置、方法及其*** - Google Patents

电力***功率因数测量装置、方法及其*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于电力***的功率因数测量装置、测量方法及其短路试验***，电力***包括供电线、保护开关、电力变压器和短路开关，功率因数测量装置包括：电压互感器，电压互感器的一次侧连接在供电线上；电压测量装置，当保护开关处于闭合状态且短路开关处于断开状态时，用于同时获取电压互感器的二次侧的第一电压波形和电力变压器的二次侧的第二电压波形；电流测量装置，当保护开关处于闭合状态且短路开关处于闭合状态时，用于获取电力变压器的二次侧的电流波形，同时电压测量装置获取电压互感器的二次侧的第三电压波形；数据处理装置，用于计算功率因数。根据本发明的能够更加准确测量电力***短路时的功率因数。

Description

电力***功率因数测量装置、方法及其***
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种功率因数测量装置、测量方法及其试验***。
背景技术
随着用电负荷的增加和用电质量的提高，对低压大电流开关设备的安全方面的要求越来越高，因此需要对断路器和开关柜等成套开关设备进行出厂检验和型式试验。在低压大电流短路试验***中，除了要提供满足样品测试所需要的测试电压和测试电流外，还必须使得短路试验***所提供的功率因数满足要求，因此需要准确地测量和计算短路试验***的功率因数，即功率因数角。
目前在短路试验***中计算功率因数的方法有冲击系数法、直流分量法和相角差法，其中冲击系数法和直流分量法需要在线路合闸角为0°的情况下才能准确计算功率因数，当对提供三相交流电的短路试验***进行功率因数测量时，需要对三相电分别在合闸角为0°下进行测试和计算，这样增加了测试的时间和难度。
相角差法即是检测电压和电流信号同一位置时刻的相位差然后直接计算即可得到功率因数。中国专利公开号CN1621851A公开了一种功率因数测量装置及其测量方法，采用电压互感器测量电压信号，采用电流互感器测量电流信号，检测电压信号的上升沿和周期、电流信号的上升沿，最后计算得到信号的周期，电压和电流的相位差，以及功率因数。但是对低压大电流的测试样品进行测试的电流会很大，通常在65kA以上(甚至在120kA以上)，也就是说变压器的低压侧(二次侧)的电流值很大，变压器的二次侧的保护开关(低压断路器)在导通断开过程中不能承受如此大的电流产生的电弧，容易使得低压断路器损坏，因此相角差法并不能同时测量低压大电流的电压信号和电流信号，导致无法测量该短路试验***在短路时的功率因数。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的一个实施例提供了一种用于电力***的功率因数测量装置，所述电力***包括供电线、保护开关、电力变压器和短路开关，所述电力变压器的一次侧通过所述保护开关连接在所述供电线上，所述短路开关连接在所述电力变压器的二次侧上，所述功率因数测量装置包括：
电压互感器，所述电压互感器的一次侧连接在所述供电线上；
电压测量装置，当所述保护开关处于闭合状态且所述短路开关处于断开状态时，用于同时获取所述电压互感器的二次侧的第一电压波形和所述电力变压器的二次侧的第二电压波形；以及当所述保护开关处于闭合状态且所述短路开关处于闭合状态时，获取所述电压互感器的二次侧的第三电压波形；
电流测量装置，当所述保护开关处于闭合状态且所述短路开关处于闭合状态时，用于获取所述电力变压器的二次侧的电流波形；
数据处理装置，用于根据所述第一电压波形、所述第二电压波形、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。
本发明的功率因数测量装置能够同时获得电力变压器的二次侧的模拟电压波形和二次侧的电流波形，从而准确计算出功率因数。
优选的，所述数据处理装置用于根据所述第一电压波形和所述第二电压波形计算相位时间差，再根据所述相位时间差、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。数据处理装置通过计算第一电压波形和第二电压波形的相位偏移从而准确计算功率因数。
本发明的另一个方面还提供了测量电力***的功率因数的方法，所述电力***包括供电线、保护开关、电力变压器和短路开关，所述电力变压器的一次侧通过所述保护开关连接在所述供电线上，所述短路开关连接在所述电力变压器的二次侧上，包括下列步骤：
-在所述供电线上连接电压互感器；
-使得所述短路开关处于断开状态，使得所述保护开关处于闭合状态，同时获取所述电压互感器的二次侧的第一电压波形和所述电力变压器的二次侧的第二电压波形；
-使得所述保护开关处于断开状态，使得所述短路开关处于闭合状态，使得所述保护开关处于闭合状态，同时获取所述电力变压器的二次侧的电流波形和所述电压互感器的二次侧的第三电压波形；
-根据所述第一电压波形、所述第二电压波形、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。
本发明的测量方法同时获得电力变压器的二次侧的模拟电压波形和二次侧的电流波形，从而准确计算出功率因数。
优选的，根据所述第一电压波形和所述第二电压波形计算相位时间差，再根据所述相位时间差、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。通过计算第一电压波形和第二电压波形的相位偏移从而准确计算功率因数。
本发明的还一个方面提供了一种短路试验***，包括：
如上所述的功率因数测试装置。
本发明的短路测试***能够给测试样品提供一低电压和大电流，并且能够获取该低电压和大电流的波形。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1是本发明第一个实施例的短路试验***的电路结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的电压互感器的二次侧的相电压和电力变压器的二次侧的相电压的波形图的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的电力变压器的二次侧的实际电压的模拟波形图和电力变压器的二次侧的电流回路中的电流的波形图的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的短路试验***的电路结构示意图。
主要装置符号说明
1供电线
2电压互感器
3电力变压器
4保护开关
5合闸开关
6可调负载
7保护开关
8测试样品
9电压测量装置
10电流测量装置
11数据处理装置
12功率因数测量装置
13短路开关
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明第一个实施例的短路试验***的电路结构示意图。如图1所示，电力***包括供电线1、保护开关4、短路开关13和电力变压器3，供电线1是一个提供三相交流电的电源线，电力变压器3的一次侧通过保护开关4连接在供电线1上，在电力变压器3的二次侧还连接有短路开关13。本实施例的功率因数测量装置12包括电压互感器2、电压测量装置9、电流测量装置10和数据处理装置11。电压互感器2的一次侧连接在供电线1上，电压测量装置9测量电压互感器2的二次侧的相电压为U1’、U2’和U3’。当短路开关13断开，并闭合保护开关4时，此时电压测量装置9用于测量电力变压器3的二次侧的相电压U1、U2和U3。
下面结合图1，详细描述根据本发明的一个实施例的测量电力***功率因数的方法。如图1，电力***包括供电线1、保护开关4、电力变压器3和短路开关13以及测试样品8，电力变压器3的一次侧通过保护开关4连接在供电线1上，短路开关13连接在电力变压器3的二次侧上，在供电线1上连接电压互感器2；然后依次断开短路开关13，闭合保护开关4，同时获取电压互感器2的二次侧的第一电压波形和电力变压器3的二次侧的第二电压波形，分别标记为U1’U2’U3’和U1U2U3；然后依次断开保护开关4，闭合短路开关13，闭合保护开关4，同时获取电力变压器3的二次侧的电流波形和电压互感器2的二次侧的第三电压波形，分别标记为I1I2I3和UU’UV’UW’(图1中未示出)；最后根据上述所获的第一电压波形、第二电压波形、电流波形和第三电压波形计算电力***的功率因数。
更具体地，结合图2和图3说明根据本发明的一个实施例的测量装置及方法。图2是根据本发明的一个实施例的电压互感器2的二次侧的相电压和电力变压器3的二次侧的相电压的波形图的示意图。图2的上三个电压波形图分别是相电压U1’、相电压U2’和相电压U3’，下三个电压波形图分别是相电压U1、相电压U2和相电压U3，数据处理装置11分别计算相电压U1’与相电压U1的相位差、相电压U2’与相电压U2的相位差，以及相电压U3’与相电压U3的相位差。为了计算的更加准确，例如，选取相电压U1’的下降沿过零点的时刻减去相电压U1的下降沿过零点的时刻即得到相位时间差T1，当然也可以通过选取相电压U1’的上升沿过零点的时刻减去相电压U1的上升沿过零点的时刻即得到相位时间差T1。同理计算出相电压U2’与相电压U2的相位时间差T2，相电压U3’与相电压U3的相位时间差T3。理论上相位时间差T1、T2和T3都相等。
之后依次断开保护开关4，闭合短路开关13，再次闭合保护开关4并持续一定的时间(例如持续150毫秒-500毫秒)，此时电流测量装置10测量电力变压器3的二次侧中的相电流I1、I2和I3。同时在该时间段内，电压测量装置9测量电压互感器2的二次侧的相电压UU’、UV’和UW’。在相电流I1、I2和I3，以及相电压UU’、UV’和UW’测量结束后，切断保护开关4，由于电力变压器3的一次侧的电流比二次侧的电流小很多，因此切断保护开关4的过程中，不会因为产生较大的电弧而击穿空气或损坏保护开关4。
图3是根据本发明的一个实施例的电力变压器3的二次侧的实际电压的模拟波形图和电力变压器3的二次侧的电流回路中的电流的波形图的示意图。如图3所示，相电压U1’’、U2’’和U3’’是电压互感器2的二次侧的相电压UU’、UV’和UW’经过相位偏移后得到的电力变压器3的二次侧的电压的模拟波形图。相电压U1’’、U2’’和U3’’与相电压UU’、UV’和UW’相比延迟的相位时间差分别是T1、T2和T3。同样，为了计算的更加准确，例如选取相电流I1的下降沿过零点的时刻减去相电压U1’’的下降沿过零点的时刻，即得到该相电流和电压的相位时间差△T1，然后根据相位时间和相位角的关系，即可算出相位角(功率因数角)θ1＝△T1×(2π/周期)，最后计算出该相的功率因数为cosθ1，同样可计算出其他两相的功率因数cosθ2和cosθ3，最后计算出cosθ1、cosθ2和cosθ3的平均功率因数，以便判断是否满足低压开关设备和控制设备国际标准IEC60947-1和国家标准GB14048.1。
由于功率因数的函数是一个余弦函数，因此，在选取相电压和相电流的下降沿过零点的时刻时，并不限于某一个具体的波形的下降沿。同样，在选取相电压和相电流的上升沿过零点的时刻时，并不限于某一个具体的波形的上升沿。选取电压和电流波形稳定之后的过零点即可。
图4是根据本发明的一个实施例的短路试验***的电路结构示意图。其与图1基本相同，区别在于该短路试验***还包括合闸开关5、可调负载6、保护开关7。合闸开关5和可调负载6依次连接在保护开关4和电力变压器3的一次侧之间。在其他的实施例中，还可以不具有合闸开关5，此时可调负载6连接在保护开关4和电力变压器3的一次侧之间。保护开关7连接在电力变压器3的二次侧和短路开关13之间，即保护开关7连接在测试样品8的前端。可调负载6用于调节试验***的功率因数值，从而满足测试样品8型式试验所需要的测试参数。
在测量电力变压器3的二次侧的电压波形过程中，将保护开关7断开，且保护开关4闭合、合闸开关5闭合。电压测量结束后，断开保护开关4。在测量电力变压器3的二次侧的电流波形过程中，以下将分如下几种情况分别予以介绍：(1)不接测试样品8，首先将短路开关13和保护开关7导通，之后依次将电力变压器3的一次侧的保护开关4和合闸开关5导通。电流测量结束后，依次断开保护开关4和合闸开关5。(2)接上测试样品8，首先将短路开关13断开，然后使得保护开关7和测试样品8处于导通状态，最后依次使得电力变压器3的一次侧的保护开关4和合闸开关5处于导通状态，电流测量结束后，通过测试样品8断开电力变压器3的二次侧的电流回路，最后依次断开保护开关4和合闸开关5。(3)接上处于断开状态的测试样品8，首先将短路开关13断开，然后使得保护开关7处于导通状态，再使得电力变压器3的一次侧的保护开关4和合闸开关5处于导通状态，最后使得测试样品8处于导通状态，电流测量结束后，通过测试样品8断开电力变压器3的二次侧的回路，最后依次断开保护开关4和合闸开关5。在本实施例中，测试样品可以是断路器、接触器、开关柜等开关装置，在连接测试样品进行功率因数测量过程中，根据需要对方法(2)或(3)进行试验以确保测试样品是否满足国际或国家标准。
在本发明的其他实施例中，也可以不具有保护开关7。当短路试验***用于提供一个较小电流时，可调负载6还可以连接在电力变压器3的二次侧，且连接在保护开关7和测试样品8之间(即连接在测试样品8的前端)。本发明中的短路开关13可以采用阻抗能够忽略的铜导线来实现。
由于功率因数的函数是一个余弦函数，因此，在选取相电压和相电流的下降沿过零点的时刻时，并不限于某一个具体的波形的下降沿。同样，在选取相电压和相电流的上升沿过零点的时刻时，并不限于某一个具体的波形的上升沿。选取电压和电流波形稳定之后的过零点即可。
本发明中的电压测量装置9和电流测量装置10可以选用任意能够获取电压和电流波形的测量装置。在本发明的其他实施例中，可以不具有数据处理装置11，而是直接根据电压测量装置9测量的三组电压波形和电流测量装置10测量的一组电流波形进行计算得到功率因数。本发明的数据处理装置11可以采用可编程逻辑器件、单片机等装置实现。
在本发明的其他实施例中，合闸开关5还可以连接在电力变压器3的二次侧上，例如连接在电力变压器3的二次侧和测试样品8之间。
在本发明的其他实施例中，电压互感器2可以为任意的变压器，只要能够安全测量其二次侧的电压波形即可。
采用本发明的测量方法，通过切断电力变压器3的一次侧的保护开关4来切断电力变压器3的二次侧的电流回路，有效保护了整个短路试验***并且避免保护开关7损坏，因此保护开关7可以选择分断能力一般、价格便宜的空气断路器，而不必选择价格昂贵的真空断路器。另外在测量电流的波形时，同时获取电压互感器2的相电压波形，并根据电压互感器2和电力变压器3的相电压的相位时间是固定值，间接地得到了短路试验***在低压、大电流条件下的电压和电流的相位角，从而得到了大电流短路试验***的准确的功率因数，为测试样品提供了准确的测试条件。
另外，冲击系数法和直流分量法都需要在电压合闸角为0°时分别测量每一相的功率因数，而本发明能够同时获得三相电中的每一相的功率因数，节省了测试时间，使得功率因数的测量便利。
在本发明的其他实施例中，电压和电流并不限于三相电，还可以是单相电。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种用于电力***的功率因数测量装置，所述电力***包括供电线(1)、保护开关(4)、电力变压器(3)和短路开关(13)，所述电力变压器(3)的一次侧通过所述保护开关(4)连接在所述供电线(1)上，所述短路开关(13)连接在所述电力变压器(3)的二次侧上，其特征在于，所述功率因数测量装置(12)包括：
电压互感器(2)，所述电压互感器(2)的一次侧连接在所述供电线(1)上；
电压测量装置(9)，当所述保护开关(4)处于闭合状态且所述短路开关(13)处于断开状态时，用于同时获取所述电压互感器(2)的二次侧的第一电压波形和所述电力变压器(3)的二次侧的第二电压波形；以及当所述保护开关(4)处于闭合状态且所述短路开关(13)处于闭合状态时，获取所述电压互感器(2)的二次侧的第三电压波形；
电流测量装置(10)，当所述保护开关(4)处于闭合状态且所述短路开关(13)处于闭合状态时，用于获取所述电力变压器(3)的二次侧的电流波形；
数据处理装置(11)，用于根据所述第一电压波形、所述第二电压波形、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。
2.根据权利要求1所述的用于电力***的功率因数测量装置，其特征在于，所述数据处理装置(11)用于根据所述第一电压波形和所述第二电压波形计算相位时间差，再根据所述相位时间差、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。
3.一种测量电力***的功率因数的方法，所述电力***包括供电线(1)、保护开关(4)、电力变压器(3)和短路开关(13)，所述电力变压器(3)的一次侧通过所述保护开关(4)连接在所述供电线(1)上，所述短路开关(13)连接在所述电力变压器(3)的二次侧上，其特征在于，包括下列步骤：
-在所述供电线(1)上连接电压互感器(2)；
-使得所述短路开关(13)处于断开状态，使得所述保护开关(4)处于闭合状态，同时获取所述电压互感器(2)的二次侧的第一电压波形和所述电力变压器(3)的二次侧的第二电压波形；
-使得所述保护开关(4)处于断开状态，使得所述短路开关(13)处于闭合状态，使得所述保护开关(4)处于闭合状态，同时获取所述电力变压器(3)的二次侧的电流波形和所述电压互感器(2)的二次侧的第三电压波形；
-根据所述第一电压波形、所述第二电压波形、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。
4.根据权利要求3所述的测量电力***的功率因数的方法，其特征在于，根据所述第一电压波形和所述第二电压波形计算相位时间差，再根据所述相位时间差、所述电流波形和所述第三电压波形计算功率因数。
5.一种短路试验***，其特征在于，包括：
如权利要求1或2所述的功率因数测试装置(12)。
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