CN210376503U

CN210376503U - 一种电容分压器低压测量电路

Info

Publication number: CN210376503U
Application number: CN201921236241.0U
Authority: CN
Inventors: 谢荣斌
Original assignee: Guizhou Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guizhou Power Grid Co Ltd
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2029-08-01

Abstract

本实用新型公开了一种电容分压器低压测量电路，它包括：电容分压器，所述电容分压器由高压臂C1和低压臂C2串联构成，可调电阻R1一端连接C1和C2的交点，另一端连接电缆的缆芯，对应侧的电缆缆皮接地；另一侧电缆缆芯接可调电阻R2和电阻R3；可调电阻R2另一端接可调电容C3、开关K1一端和开关K2一端，开关K1另一端接电容C4一端、开关K2另一端接电容C5一端；电阻R3的另一端与可调电阻R4相连，R4与可调电容C3、C4和C5的另一端相连；示波器CRO与可调电阻R4并联；解决了现有技术的电容分压器低压测试电路在分压比和幅值上都可能会存在较大的误差等技术问题。

Description

一种电容分压器低压测量电路

技术领域

本实用新型属于电能表计量领域，尤其涉及一种电容分压器低压测量电路。

背景技术

过电压会危及电网的安全运行，使输电线路或变电设备上承受的超过正常运行的电压波形，危及设备和线路的绝缘安全，从而对电网生产带来极大威胁。电力***的过电压分成雷电过电压和内部过电压两大类。雷电过电压与气象条件有关，是电网外部原因造成的；内部过电压是由电力***内部能量的传递或转化引起的，与电力***内部结构、参数、运行状态、停送电操作、事故发生等多种因素有关。外部和内部过电压又可划分为十余种过电压类型。这些过电压在幅值和波形上有很大区别，即使是不同原因引起的内部过电压，其过电压数值大小、波形、频率、延续时间长短也并不完全相同。这就为准确获取过电压波形带来了很大困难。

分压器是测量过电压最常用的仪器，主要分为电阻分压器、电容分压器和阻容分压器。其中电阻分压器因电阻损耗，不适用于测量持续时间较长的操作冲击电压和谐振过电压。而与电阻分压器相比，电容分压器具有无相角误差的优点，分布式电容分压器的电压表达式表示如下：

u(t)≈U₀(X/l)[1-C/6K]

式中K为电容分压器的本体电容，C为电容分压器的对地杂散电容。可以发现一个不考虑电感的电容分压器输出电压与频率无关，即只包含幅值误差而无波形误差。在实际工程中，电容分压器的低压臂应采用低电感结构、低介质损耗的电容器。出于安全性和可靠性的考虑，采集单元(或示波器)和分压器之间往往都会存在较长距离，因此需要用同轴电缆来进行连接，而同轴电缆具有一定的波阻抗，波阻抗的存在会导致波在传播过程中发生折反射，从而对测量结果造成干扰，因此就需要在首端加上一个大小与波阻抗相等的电阻R₁。最后在电缆尾端再连接示波器或采集装置，构成了目前比较常用的电容分压器低压测量回路如图1所示，图1中：C₁、C₂为分压器电容；R₁为匹配电阻；DL为电缆；CRO为示波器。

由于电缆在传播高频信号时需考虑电缆的波阻抗，如果和电缆连接器件的电阻与波阻抗不匹配，将会发生波的折反射现象。在传播低频信号时，电缆仅起连接作用。由于电缆在不同频率信号下的特性差异，将导致测量***在不同频率下，分压比可能是不同的，从而造成测量波形的畸变。过电压的波头部分频率高，波尾部分频率低，采用电容分压器测量冲击过电压可能造成波头波尾的分压比差异，测量波形畸变。

在初始状态(波头)时候有：

稳态(波尾)时候则有：

在首段匹配的情况下可以发现k₀≠k_∞，分压比误差为

对于较高电压的分压器C₂比较大，不太长的电缆，其等值电容C_c又都比较小，在一般情况下误差可以忽略不计。若分压器电容比较小，电缆又比较长，此时C_c和C₂相比就不能忽略，误差就会比较大。

此外，在实际工程中，分压器安装在现场，采集单元安装在主控室，因此，具有较长的同轴电缆连接。但由于不同变电站结构和电压等级差异较大，用于连接示波器和电容分压器的电缆长度有极大的差异，从而无法对是否可以忽略C_c的影响进行准确的判断，并且随着电缆长度的增加所造成的误差也会不断增大。同时，在测量时往往会直接将一个电气设备等效为电容C₁，然后通过串联电容C₂来构成电容分压器进行测量，这时的分压比是不确定的，直接经过一次分压后测量的数据在幅值上可能会存在较大的误差。

综合上述分析，传统的分压器测量回路在分压比和幅值上都可能会存在较大的误差。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题：提供一种电容分压器低压测量电路，以解决现有技术的电容分压器低压测试电路在分压比和幅值上都可能会存在较大的误差等技术问题。

本实用新型的技术方案：

一种电容分压器低压测量电路，它包括：电容分压器，所述电容分压器由高压臂C1和低压臂C2串联构成，其特征在于：可调电阻R1一端连接C1和C2的交点，另一端连接电缆的缆芯，对应侧的电缆缆皮接地；另一侧电缆缆芯接可调电阻R2和电阻R3；可调电阻R2另一端接可调电容C3、开关K1一端和开关K2一端，开关K1另一端接电容C4一端、开关K2另一端接电容C5一端；电阻R3的另一端与可调电阻R4相连，R4与可调电容C3、C4和C5的另一端相连；示波器CRO与可调电阻R4并联。

所述的一种电容分压器低压测量电路的测量方法，它包括：

步骤1、电缆的波阻抗有50欧姆和75欧姆两种规格，调节电阻R₁和R₂阻值，使电缆首末两端波阻抗匹配；加入模拟方波信号，调节至首末两端的波形一致，消除折射波和反射波的干扰；

步骤2、将可调电容C₃调至最小值，闭合K1，投入一个调节电容C₄，测量初始状态下的被测电压U₁和一次分压U₂，计算初始分压比k₀；稳定后再次测量被测电压U₁和一次分压U₂，计算最终分压比k_∞；

步骤3、比较k₀和k_∞的大小，当k₀＜k_∞时，表明电容投入过大，此时断开开关K1，通过调节电容C₃来使初始分压比和最终分压比一致；当k₀＞k_∞时，表明电容投入还不足，断开K1，闭合另外一个开关K2将电容C₅投入使用，重复步骤②测量电压，然后重复步骤③再次比较k₀和k_∞的大小，直到将电容调节至k₀＝k_∞；

步骤4、利用调节后的测量回路测量过电压。

所述一次分压U₂的计算为：

在初始状态时有：

在稳态时有：

本实用新型的有益效果：

本实用新型在电容分压器低压测试回路中，将常用的单端匹配改为双端匹配方法。通过对原有低压臂测量回路的改进，增加可变的电阻和电容，通过选择适当的电容值，确保在不同电缆长度、不同分压比情况下，使得初始分压比和最终分压比能够保持一致，达到了准确测量过电压幅值的目的。

此外，通过增加二次分压电路，既可保证传播中信号幅值大，提高信号传输过程的信噪比。又可降低进入采集装置的信号幅值，满足不同采集装置输入量程的需求。

本实用新型提出了一种改进后的过电压测量电路，改进后的电路可以确保分压器的分压比在初始状态和最终状态保持一致，并减小在幅值上的误差，从而保证测量结果的准确性；解决了现有技术的电容分压器低压测试电路在分压比和幅值上都可能会存在较大的误差等技术问题。

附图说明

图1为本实用新型现有技术电容分压器低压测试电路结构示意图；

图2为本实用新型结构示意图。

具体实施方式

电容分压器应采用低电感结构、低介质损耗，例如可以采用独石式云母电容器。而为了避免高压试验区对测量仪器的电磁场和静电场的影响，同时也为了安全的缘故，测量仪器和分压器需要相隔一段距离，一般需要几米到几十米的距离。通常是用射频同轴电缆把分压器和示波器连接起来。为了减小耦合阻抗值及提高抗干扰性，可以采用双层屏蔽层的同轴电缆。

针对实际工程中电缆长度及型号不定的情况，在低压测量回路的首末两端接入了可变电阻R₁和R₂，通过调节可变电阻阻值，使其等于电缆的波阻抗大小，从而避免了波的折反射给测量带来的误差；考虑到实际工程中某电气设备等效电容而未知的情况，在测量回路中增加二次分压电路，通过电阻分压器进一步分压，在测量端降低电压幅值，保证示波器的量程满足测量要求。此外在传播途径中还应该让电压幅值足够大，确保较大的信噪比从而降低干扰信号的影响；最后考虑到频率对电缆电容的影响以及初末分压比不一致的问题，在可调电阻支路中串联可调电容C₃以及可投切电容C₄、C₅，通过调节电容来保证分压比的一致性。

经过上述分析后，最终得到的测量电路图2所示。

电容分压器有高压臂C1和低压臂C2串联构成，可调电阻R1一端连接C1和C2的交点，另一端连接电缆的缆芯，对应侧的电缆缆皮接地。另一侧电缆缆芯接可调电阻R2和R3，其中R2另一端接电容C3、开关K1一端和开关K2一端，开关K1另一端接电容C4一端、开关K2另一端接电容C5一端。R3的另一端与可调电阻R4相连，R4与电容C3、C4和C5的另一端相连，且不接地。示波器CRO与可调电阻R4并联。

可调电阻R₁和R₂实现不同电缆波阻抗的匹配。

上图所示电路图中，U₁为被测电压，U₂和U₃分别是经过一次分压以及二次分压后的电压。

对于上述电路图，在初始状态时有：

在稳态时有：

为保证初始分压比和最终分压比一致，令C₁+C₂＝C_C+C₃。即可以根据调节C₃的大小从而达到初始分压比和最终分压比相等的目的。同样C₄和C₅也可以用于调节，不同的是C₄、C₅用于粗调，可以通过开关的闭合选择是否投入使用。C₃用于微调，可以确保测量精度进一步提高，Z为电缆波阻抗。

C5>C4>C3，C3的最大值＝C5-C4。通过开关控制，等值电容在C4～C4+C3,C5～C5+C3范围变化。理论上最小电容值为C4，最大电容值为C3+C4+C5。

实际工程中的操作步骤如下：

电缆型号未定，电缆长度与现场分压器和采集单元的实际距离有关。

①电缆的波阻抗有50欧姆和75欧姆两种规格，调节电阻R₁和R₂阻值，使电缆首末两端波阻抗匹配。加入模拟方波信号，调节至首末两端的波形一致，消除折射波和反射波的干扰；

②将可调电容C₃归零，投入一个调节电容C₄，测量初始状态下的U₁和U₂，计算初始分压比k₀；足够长时间稳定后再次测量U₁和U₂，计算最终分压比k_∞；

③比较k₀和k_∞的大小。当k₀＜k_∞时，表明电容投入过多，此时断开开关K1，通过调节电容C₃来使初始分压比和最终分压比一致；当k₀＞k_∞时，表明电容投入还不足，闭合另外一个开关K2将电容C₅投入使用，电容量仍小时，K1和和K2都可闭合，投入C4和C5；重复步骤②测量电压，然后重复步骤③再次比较k₀和k_∞的大小，直到将电容调节至k₀＝k_∞；

④利用调节后的测量回路测量过电压。

最终示波器上得到的电压为

Claims

1.一种电容分压器低压测量电路，它包括：电容分压器，所述电容分压器由高压臂C1和低压臂C2串联构成，其特征在于：可调电阻R1一端连接C1和C2的交点，另一端连接电缆的缆芯，对应侧的电缆缆皮接地；另一侧电缆缆芯接可调电阻R2和电阻R3；可调电阻R2另一端接可调电容C3、开关K1一端和开关K2一端，开关K1另一端接电容C4一端、开关K2另一端接电容C5一端；电阻R3的另一端与可调电阻R4相连，R4与可调电容C3、C4和C5的另一端相连；示波器CRO与可调电阻R4并联。