CN113702714B - 一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法 - Google Patents

一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法，属于直流输电工程技术领域。本发明方法，包括：将参考电容分压器高压臂电容器和参考电容分压器低压臂可调电容器串联，作为参考电容分压器；将参考电容分压器的中压端接入交流测差仪后接入直流电压互感器的中压端，并将参考电容分压器的高压端接入直流电压互感器高压臂的一次电压端子，构建交流平衡电桥；将交流激励电源输出的电压，同时接入直流电压互感器一次电压端子和参考电容分压器的高压端；调节平衡电桥，使平衡电桥达到电位平衡，并获取测量数据，根据测量数据确定直流电压互感器高压臂电容值。本发明提高了高压臂电容值测试的稳定度。

Description

一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法
技术领域
本发明涉及直流输电工程技术领域，并且更具体地，涉及一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法。
背景技术
直流电压互感器作为测量直流输电***电压的重要设备，其主要作用是在满足一定准确度的要求下，将需要测量的极线的一次直流高压按照一定比例转换成满足二次测量***和二次保护***要求的低压信号，保证直流输电***可靠、稳定、安全的运行。
直流电压互感器的一次本体一般采用阻容分压原理，其高压臂主要承受极线上的额定电压和暂态过电压，类似一只尺寸巨大的电阻器和电容器的组合，直流电压互感器依据不同的电压等级，其一次本体部分的高度尺寸从数米至十数米不等，准确测量直流电压互感器一次本体的阻容参数存在方法和能力上的困难。
目前，直流输电工程中，直流极线和中性线的一次电压均采用直流电压互感器进行测量。直流电压互感器的一次本体基于阻容分压器原理，实际上就是一只阻容分压器。一次的高电压和二次的中压电压均以低压臂的接地端作为电气参考点，是一种典型的分压型的高压测量设备。其中，其高压臂由若干高压电阻器和高压电容器串联和并联组成，一次高电压主要由高压臂承受。
并联电容器在直流电压互感器中有两种主要作用：
1.均衡电场，利用电容器在暂态过程中两端电压维持不变的特性，在一次暂态过程中，均衡直流电压互感器垂直方向的电场。
2.改善频率特性，阻容分压器具有从直流到高频的频率响应特性，主要依赖于阻容分压器高低压臂的阻抗特性的匹配，并联电容器在高低压臂阻抗匹配上起到非常重要的作用，直流电压互感器的上述特性有赖于高低压臂电阻器和电容器元件各项参数的准确测量，然而，直流电压互感器的高压臂电容值的准确测量至今仍是比较困难的问题，迄今未有有效可靠的测试方法和测试仪器对直流电压互感器的高压臂电容量进行准确测量。
主要问题有：
1.抗干扰问题。高压臂物理尺寸巨大，测试导线长，测试回路大，常规RLC电桥一般用于电子元器件等低电压参数测试，测试电平一般在伏级，测试电流一般在nA级～mA级，用于直流电压互感器的高压臂电容量测试时，易受电磁环境干扰，测量准确度不可信。
2.并联的电阻器对电容值测量的干扰问题。直流电压互感器高压臂电阻器和电容器由若干单元电阻器和电容器串并联构成，属于典型的无源RC网络，且物理上不可解开，高压臂电阻值的设计值一般在数百MΩ～GΩ之间，高压臂电容器的绝缘电阻在数十GΩ左右，两项电阻值参数的数量级的差异接近，在常规电容量测试方法中，将高压臂电阻值按照电容器的绝缘电阻处理，造成电容量测试结果的不准确。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法，包括：
将参考电容分压器高压臂电容器和参考电容分压器低压臂可调电容器串联，作为参考电容分压器；
将参考电容分压器的中压端接入交流测差仪后接入直流电压互感器的中压端，并将参考电容分压器的高压端接入直流电压互感器高压臂的一次电压端子，构建交流平衡电桥；
将交流激励电源输出的电压，同时接入直流电压互感器一次电压端子和参考电容分压器的高压端；
调节交流平衡电桥，使交流平衡电桥达到电位平衡，并获取测量数据，根据测量数据确定直流电压互感器高压臂电容值。
可选的，获取测量数据，具体包括：
测量直流电压互感器低压臂的电容值C2；
计算参考电容分压器低压臂可调电容器的预置电容值Cn2；
确定交流激励电源的最佳工作频率，控制交流激励电源根据最佳工作频率输出测试电压，调节参考电容分压器低压臂可调电容器的电容值Cn2，直至交流测差仪的示值趋向零，记录参考电容分压器低压臂可调电容器的电容值Cn2；
根据C2、Cn1及Cn2确定直流电压互感器高压臂电容值C1。
可选的，C1＝(C2×Cn1)/Cn2。
可选的，Cn2的预置值＝Cn1×K，其中K为直流电压互感器分压比的设计值。
可选的，确定交流激励电源的最佳工作频率，具体包括：
根据直流电压互感器高压臂电阻值的设计值，和直流电压互感器高压臂电容值的设计值，计算直流电压互感器高压臂的阻抗值Z和容抗值XC，根据预设条件、阻抗值Z和容抗值XC计算交流激励电源的最佳工作频率。
可选的，预设条件为Z≈XC。
可选的，直流电压互感器的中压端，参考电容分压器的中压端和交流测差仪构成测差回路。
可选的，测试电压，包括：不同幅值和频率的交流测试电压。
本发明提高了高压臂电容值测试的稳定度，实现了直流电压互感器高压臂电容值的精密测量。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明实施例中典型的直流电压互感器一次本体结构示意图；
图3为本发明实施例中典型的直流电压互感器一次本体电路原理图；
图4为本发明实施例中直流电压互感器一次本体高压臂电容值测试原理图；
图5为本发明实施例中±800kV直流电压互感器实例原理图；
图6为本发明实施例中±800kV直流电压互感器一次本体高压臂电容值测试实例接线图；
其中，1为直流电压互感器一次本体，2为直流电压互感器高压臂电阻器，3为直流电压互感器低压臂电阻器，4为直流电压互感器高压臂电容器，5为直流电压互感器低压臂电容器，6为直流电压互感器中压端，7为直流电压互感器低压臂电阻支路接地端，8为直流电压互感器低压臂电容支路接地端，9为参考电容分压器，10为参考电容分压器高压臂电容器，11为参考电容分压器低压臂可调电容器，12为交流测差仪，13为交流激励电源。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法，如图1所示，包括：
将参考电容分压器高压臂电容器和参考电容分压器低压臂可调电容器串联，作为参考电容分压器；
将参考电容分压器的中压端接入交流测差仪后接入直流电压互感器的中压端，并将参考电容分压器的高压端接入直流电压互感器高压臂的一次电压端子，构建交流平衡电桥；
将交流激励电源输出的电压，同时接入直流电压互感器一次电压端子和参考电容分压器的高压端；
调节交流平衡电桥，使交流平衡电桥达到电位平衡，并获取测量数据，根据测量数据确定直流电压互感器高压臂电容值。
其中，获取测量数据，具体包括：
测量直流电压互感器低压臂的电容值C2；
计算参考电容分压器低压臂可调电容器的预置电容值Cn2；
确定交流激励电源的最佳工作频率，控制交流激励电源根据最佳工作频率输出测试电压，调节参考电容分压器低压臂可调电容器的电容值Cn2，直至交流测差仪的示值趋向零，记录参考电容分压器低压臂可调电容器的电容值Cn2；
根据C2、Cn1及Cn2确定直流电压互感器高压臂电容值C1。
其中，C1＝(C2×Cn1)/Cn2。
其中，Cn2的预置值＝Cn1×K，其中K为直流电压互感器分压比的设计值。
其中，确定交流激励电源的最佳工作频率，具体包括：
根据直流电压互感器高压臂电阻值的设计值，和直流电压互感器高压臂电容值的设计值，计算直流电压互感器高压臂的阻抗值Z和容抗值XC，根据预设条件、阻抗值Z和容抗值XC计算交流激励电源的最佳工作频率。
其中，预设条件为Z≈XC。
其中，直流电压互感器的中压端，参考电容分压器的中压端和交流测差仪构成测差回路。
其中，测试电压，包括：不同幅值和频率的交流测试电压。
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：
直流电压互感器的结构及原理如图2和3所示，其中一次直流电压施加于直流电压互感器一次本体1的高压端子。直流电压互感器的高压臂由直流电压互感器高压臂电阻器2和直流电压互感器高压臂电容器3串并联组成。直流电压互感器的低压臂由直流电压互感器低压臂电阻器4和直流电压互感器低压臂电容器5并联组成。高压臂和低压臂串联组成直流电压互感器一次本体1。一次直流电压经过高低压臂串联分压后产生中压电压，中压电压由直流电压互感器中压端6输出。直流电压互感器低压臂电阻支路接地端7和直流电压互感器低压臂电容支路接地端8从直流电压互感器底部法兰引出并接地。如图1和图2所示，直流电压互感器一次本体本质上就是一个无源阻容分压网络。
如图4所示为直流电压互感器一次本体高压臂电容值测试原理图。本发明采用直流电压互感器一次本体1、参考电容分压器9、交流测差仪12和交流激励电源13构成一套完整的交流平衡电桥，交流测差仪12连接于直流电压互感器中压端6和参考电容分压器9的中压端，构成测差回路。交流激励电源13连接于直流电压互感器一次本体1和参考电容分压器9的高压端，并为交流平衡电桥提供激励交流电压。调节参考电容分压器低压臂11的电容值，使该交流平衡电桥达到电位平衡，通过计算方法得到直流电压互感器高压臂电容值。
如图4所示，直流电压互感器高压臂电阻器2和直流电压互感器高压臂电容器3属于并联阻容网络，直流电压互感器高压臂的阻抗值由公式：
其中：R为直流电压互感器高压臂电阻器2的直流电阻值；XC为直流电压互感器高压臂电容器3的容抗值；
且
f为交流激励电源13的工作频率，C为直流电压互感器高压臂电容器3的电容值。
本发明为最大限度排除直流电压互感器高压臂电阻器2的电阻值R对直流电压互感器高压臂电容器3电容值C测量的影响，通过调整交流激励电源13的工作频率，降低直流电压互感器高压臂阻抗值Z中的容抗值XC与电阻值R的比值，直至Z≈XC，此时交流平衡电桥等效为纯电容平衡电桥，达到将直流电压互感器高压臂电阻器2的电阻值R对直流电压互感器高压臂电容器3电容值C测量的影响降到可接受范围，完成直流电压互感器高压臂电容值的精密测量。
本发明正常测试时直流电压互感器低压臂电阻支路接地端7开路悬空，直流电压互感器低压臂电容支路接地端8接地。
根据直流电压互感器一次本体高压臂电容值测试原理图，测试过程如下：
1.断开直流电压互感器低压臂电容支路接地端8的接地；
2.使用电容计，测量直流电压互感器低压臂电容器5的电容值C2；
3.恢复直流电压互感器低压臂电容支路接地端8的接地；
4.按照图3连接直流电压互感器一次本体1、参考电容分压器9、交流测差仪12和交流激励电源13；
5.参考直流电压互感器试品的分压比K的设计值和参考电容分压器高压臂电容器10的电容值Cn1，计算出参考电容分压器低压臂可调电容器11的预置电容值Cn2，计算公式为：Cn2＝Cn1×直流电压互感器分压比K的设计值；
6.根据直流电压互感器高压臂电阻器2的电阻值R的设计值，和直流电压互感器高压臂电容器3电容值的设计值，计算直流电压互感器高压臂的阻抗值Z、容抗值XC，按照Z≈XC的条件，推算出交流激励电源13的最佳工作频率，并由交流激励电源13输出测试电压，根据交流测差仪12的示值电压，调节参考电容分压器低压臂可调电容器11的电容值Cn2，直至交流测差仪12的示值趋向零，并记录电容值Cn2；
7.根据公式C1＝(C2×Cn1)/Cn2，计算对应测试电压和频率下的直流电压互感器高压臂电容器3的电容值C1；
8.重复第6步和第7步，依次完成不同幅值测试电压下的直流电压互感器高压臂电容器3的电容值C1的测试；
本发明用于±800kV直流电压互感器样机实例，±800kV直流电压互感器样机高低压臂各参数设计值如下：高压臂电阻值400MΩ，高压臂电容器电容值412.5pF，低压臂电阻值100kΩ，低压臂电容器电容值1.65uF,设计分压比K：4000，设计中压电压200V，各项参数如图6所示。
参考分压器的高压臂电容器的参数如下：电容值200pF，容差0.02％。
参考分压器的低压臂可调电容器的参数如下：型号：RX7-0十进制电容箱，容差0.02％，电容值调节范围：(0-10)×(0.0001+0.001+0.1+0.001+0.1)μF；型号：RX7-7十进制电容箱，容差0.02％，电容值调节范围：(0-10)×0.1μF。
交流测差仪采用台式万用表的交流电压档，型号：DMM7510，分辨率712位，输入阻抗：10MΩ//150pF,准确级：0.06％(10Hz～20kHz)，最小测量范围：0.1uV～100mV。
交流激励电源：型号ATG-2161，差分最大输出电压1600Vp-p(±800Vp)，工作频率DC～150kHz(-3dB)。
测试过程：
1.断开低压臂电阻支路的接地端；
2.使用台式万用表的DMM7510的电容测量功能，测量低压臂电容器的电容值C2，实测值为1.6358uF；
3.按照图6连接测试回路；
4.根据直流电压互感器试品的分压比K的设计值和参考电容分压器高压臂电容器10的电容值Cn1，计算出参考电容分压器低压臂可调电容器11的预置电容值Cn2为800nF；
5.根据直流电压互感器试品的高压臂电阻值的设计值400MΩ，和直流电压互感器高压臂电容值的设计值412.5pF，计算并设置交流激励电源ATG-2161的输出频率为1000Hz。
6.设置交流激励电源ATG-2161的输出测试电压为100V，调节参考电容分压器低压臂可调电容器箱RX7电容值Cn2，直至交流测差仪的示值＜10uV，并记录电容值Cn2；
7.根据公式C1＝(C2×Cn1)/Cn2，计算对应测试电压和频率下的高压臂电容器的电容值C1；
8.重复第6步和第7步，依次完成不同幅值测试电压下的高压臂电容器的电容值C1的测试；测试数据如表1所示。
表1
本发明提高了高压臂电容值测试的稳定度，实现了直流电压互感器高压臂电容值的精密测量。
本发明采用交流平衡电桥原理，构建高稳定度的高压交流平衡电桥。利用交流平衡电桥的直接测差原理，测试结果只与交流平衡电桥的桥臂电压差值和相位相关，极大地降低共模干扰，提高了高压臂电容值测试的稳定度。
本发明采用交流平衡电桥原理，构建高稳定度的高压交流平衡电桥，通过调整交流激励电源的输出频率，降低直流电压互感器高压臂阻抗值中的容抗值与电阻值的比值，直至阻抗值约等于容抗值，使交流平衡电桥近似等效为纯电容平衡电桥，达到将直流电压互感器高压臂电阻值对高压臂电容值测量的影响降到可接受范围，实现了直流电压互感器高压臂电容值的精密测量。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种用于测量直流电压互感器高压臂电容值的方法，所述方法包括：
将参考电容分压器高压臂电容器和参考电容分压器低压臂可调电容器串联，作为参考电容分压器；
将参考电容分压器的中压端接入交流测差仪后接入直流电压互感器的中压端，并将参考电容分压器的高压端接入直流电压互感器高压臂的一次电压端子，构建交流平衡电桥；
将交流激励电源输出的电压，同时接入直流电压互感器一次电压端子和参考电容分压器的高压端；
调节交流平衡电桥，使交流平衡电桥达到电位平衡，并获取测量数据，根据测量数据确定直流电压互感器高压臂电容值；
所述获取测量数据，具体包括：
测量直流电压互感器低压臂的电容值C2；
计算参考电容分压器低压臂可调电容器的预置电容值Cn2；
确定交流激励电源的最佳工作频率，控制交流激励电源根据最佳工作频率输出测试电压，调节参考电容分压器低压臂可调电容器的电容值Cn2，直至交流测差仪的示值趋向零，记录参考电容分压器低压臂可调电容器的电容值Cn2；
根据C2、Cn1及交流测差仪示值趋向零时记录的Cn2确定直流电压互感器高压臂电容值C1；
所述C1＝(C2×Cn1)/Cn2。
2.根据权利要求1所述的方法，所述Cn2的预置值＝Cn1×K，其中K为直流电压互感器分压比的设计值。
3.根据权利要求1所述的方法，所述确定交流激励电源的最佳工作频率，具体包括：
根据直流电压互感器高压臂电阻值的设计值，和直流电压互感器高压臂电容值的设计值，计算直流电压互感器高压臂的阻抗值Z和容抗值XC，根据预设条件、阻抗值Z和容抗值XC计算交流激励电源的最佳工作频率。
4.根据权利要求3所述的方法，所述预设条件为Z≈XC。
5.根据权利要求1所述的方法，所述测试电压，包括：不同幅值和频率的交流测试电压。
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