CN101696984A - 配电网电容电流的单相测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网电容电流的单相测量方法，其实施步骤如下：采集配电网中任一单相线路在未接入偏置电容(C_f)前的第一相电压U_φ；在上述单相线路上接入偏置电容(C_f)，采集接入偏置电容(C_f)后的第二相电压U′_φ以及流经偏置电容(C_f)的电流I′_C；将前述步骤得到的第一相电压U_φ、第二相电压U′_φ以及电流I′_C代入

中得到配电网中的电容电流I_C；本发明还公开了使用该方法的测量装置，它包括偏置电容(C_f)、电压采集单元(1)、电流采集单元(2)、处理单元(4)和开关单元(7)。本发明具有操作简单方便、测量准确、智能度高、测量迅速快捷、抗干扰能力强、体积小、方便携带、适用范围广、适合于现场操作的优点。

Description

配电网电容电流的单相测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力安全领域，具体涉及一种配电网电容电流的单相测量方法及装置。

背景技术

电容性电流又叫位移电流，它不同于电荷定向移动形成的电流，它并没有真的从故障点流向大地，而是由于电容充放电引起的等效电流，对于交流配电网来说，因为电流是不断变化的，这种配电网的电容电流也就始终存在。实际经验证明，电容电流如果大于11.4A，配电网就不能可靠地熄弧，从而产生电弧接地过电压并可能导致相间短路，造成停电和设备损坏事故，因此准确、方便地测量系统电容电流，并在电容电流超标是触发相应安全措施，对于配电网的安全具有重要的意义。

目前测定配电网电容电流的方法主要有：直接接地法、附加电容法和信号注入法。

直接接地法直接将配电网的单相直接接地进行来检测电容电流，由于需要使配电网认为承受一次较高过电压的威胁，特别是在绝缘较薄弱的配电网中采用此方法尤其危险；附加电容法测量系统的电容电流，是在系统无补偿的情况下，在变压器的中性点对地接入适当的电容量，测量中性点的对地电压，然后用计算系统的电容电流，但是对于没有中性点的配电线路来说，没法应用此方法测量配电网电容电流；信号注入法是从电压互感器二次侧注入恒流变频信号，改变注入信号的频率，使系统中发生谐振来测量电网单相接地电容电流。对于中性点经消弧线圈接地的配电网，通过改变注入信号频率使系统中电感(由消弧线圈容量决定)和对地电容发生并联谐振，即找到系统的谐振频率和谐振角频率，而后根据消弧线圈电感则可以求得电网对地电容即电网的单相接地电容电流；对于中性点不接地的配电网，从配电网二次侧开口三角端注入变频恒流信号，在配电网一次侧感应出零序电流，此电流通过配电网绕组的漏电阻和漏电抗(配电网励磁阻抗可以忽略不计)及配电网对地电容形成一个RLC串联谐振回路。改变注入信号的频率，找到系统的串联谐振频率，此时回路阻抗最小。当电网的不对称度很小时，可通过注入信号电流和电压的值求出回路阻抗；将信号频率增加一倍，则容抗减半而感抗加倍，再测量一次回路阻抗，就可求出电网对地电容即电网的单相接地电容电流。该方法测量时需要附加恒流变频设备，且操作过于麻烦，针对配电网中性点运行方式的不同其测量过程也不同，此外测试时间较长，若实际电网的不平衡度较大时将会给测量带来困难，注入恒流变频信号的频率选取对测量的准确度影响也较大。这些配电网的电容电流测量方法具有上述缺点，这些方法所使用的配电网电容电流中性点测量装置也必然局限于其所使用的方法。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺点，提供一种操作简单方便、测量准确、智能度高、测量迅速快捷、抗干扰能力强、体积小、方便携带、适用范围广、适合于现场操作的配电网电容电流单相测量方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种配电网电容电流单相测量方法，其实施步骤如下：

1)采集配电网中任一单相线路在未接入偏置电容C_f前的第一相电压U_φ；

2)在上述单相线路上接入偏置电容C_f，采集接入偏置电容C_f后的第二相电压U′_φ以及流经偏置电容C_f的电流I′_C；

3)将步骤1)和步骤2)中得到的第一相电压U_φ、第二相电压U′_φ以及电流I′_C代入到下式(1)中得到配电网中的电容电流I_C：

$I_C={I^{\′}}_C\frac{U_{\mathrm{\φ}}}{U_{\mathrm{\φ}}-{U^{\′}}_{\mathrm{\φ}}}---\left(1\right).$

作为本发明配电网电容电流单相测量方法的进一步改进：所述偏置电容C_f与所述单相线路之间设有用于控制偏置电容C_f接入的开关单元，当步骤1)完成后，所述开关单元将偏置电容C_f接入到所述单相线路中。

本发明还提供一种配电网电容电流的单相测量装置，它包括偏置电容C_f、电压采集单元、电流采集单元、处理单元和开关单元，所述电压采集单元与配电网中任一单相线路相连，所述电压采集单元用于采集所述单相线路未接入偏置电容C_f前的第一相电压U_φ和接入偏置电容C_f后的第二相电压U′_φ，所述偏置电容C_f通过开关单元与单相线路连接，所述开关单元用于将偏置电容C_f接入到所述单相线路中，所述电流采集单元与偏置电容C_f连接，所述电流采集单元用于采集所述单相线路接入偏置电容C_f后的电流I′_C，所述处理单元分别与所述电压采集单元和电流采集单元连接，所述处理单元用于根据输入的第一相电压U_φ、第二相电压U′_φ和电流I′_C计算配电网中的电容电流I_C。

作为本发明中配电网电容电流的单相测量装置的进一步改进：

所述电压采集单元由两级电压互感器和交流电压-直流电压转换单元构成，所述两级电压互感器一侧与所述单相线路连接，另一侧与交流电压-直流电压转换单元连接，所述交流电压-直流电压转换单元用于将两级电压互感器采集的交流电压信号转换为直流电压信号后输出至处理单元；所述电流采集单元由电流互感器和交流电流-直流电压转换单元构成，所述电流互感器一端与偏置电容C_f连接，另一端与交流电流-直流电压转换单元相连，所述交流电流-直流电压转换单元用于将电流互感器采集的电流信号转换为直流电压信号后输出至处理单元；

所述开关单元由晶闸管单元和晶闸管触发单元组成，所述晶闸管触发单元的输入端与处理单元连接，晶闸管触发单元的输出端与晶闸管单元的控制端相连，晶闸管单元的工作端连接于电流采集单元与所述单相线路之间；所述晶闸管单元由两组以上的晶闸管组串联而成，所述晶闸管组由两只反向并联的晶闸管组成；所述晶闸管组并联有电容电阻均压电路，所述电容电阻均压电路由电阻和电容串联而成；

所述处理单元与用于显示计算结果的显示单元相连，所述处理单元与用于控制开关单元的输入单元相连。

本发明具有下述优点：本发明测量配电网的电容电流的时候只需连接到一根单相线路即可，测量时不需要使用中性点，可以在配电网中任意位置进行测量，因此本发明具有操作简单方便、适用范围广的优点。通过单片机进行自动智能测量配电网电容电流，测量装置操作端为弱电系统，因此带电操作少，更加安全，而且具有测量准确、智能度高、测量迅速快捷的优点，测量装置可远离配电网的输电线路，和输电线路的电场相距较远，可以有效降低电场干扰，还具有抗干扰能力强的优点，而且装置主要为电子元件构成，体积小、方便携带、适合于现场操作。由于采用了开关单元控制偏置电容的接入，因此相对于传统的采用手工切换的方法更加快捷、安全，而本发明中通过反向并联的晶闸管组的方式可以有效保持电流的双向导通，而在晶闸管组上并联电容电阻均压电路，可以有效保持对于晶闸管组的同步触发，可以提高晶闸管的使用寿命。由于在6KV～10KV配电网中一般都安装有小电流接地选线装置，而且这些选线装置大部分都是以配电网单相接地的零序电压、零序电流的大小来作为选线的依据，因此本发明的电容电流智能测量装置特别适用于6KV～10KV的配电网。

附图说明

图1为本发明的配电网电容电流的单相测量方法流程图；

图2为本发明实施例的电路框图；

图3为本发明实施例的处理单元及其外围单元的电路图；

图4为本发明实施例的交流电压-直流电压转换模块电路图；

图5为本发明实施例的交流电流-直流电压转换模块电路图；

图6为本发明实施例的开关单元的电路图。

具体实施方式

在一种配电网中，配电网有三相线路A、B、C，本发明通过在三相线路的任一相(例如A相)接入偏置电容C_f的方法来测量电容电流，如图1所示，本发明的配电网电容电流单相测量方法的实施步骤如下：

1)采集配电网中单相线路A在未接入偏置电容C_f前的第一相电压U_φ；

2)在上述单相线路A上接入偏置电容C_f，采集接入偏置电容C_f后的第二相电压U′_φ以及流经偏置电容C_f的电流I′_C；

3)将步骤1)和步骤2)中得到的第一相电压U_φ、第二相电压U′_φ以及电流I′_C代入到下式(1)中得到配电网中的电容电流I_C：

$I_C={I^{\′}}_C\frac{U_{\mathrm{\φ}}}{U_{\mathrm{\φ}}-{U^{\′}}_{\mathrm{\φ}}}---\left(1\right)$

因为三相对地电容：

$3C_0=C_A+C_B+C_C=\frac{U_{\mathrm{\φ}}^{\′}{C}_f}{U_{\mathrm{\φ}}-U_{\mathrm{\φ}}^{\′}}$

其中U_φ为加偏置电容前的电压，U′_φ为加偏置电容后的电压。从而可得出电容电流的计算公式：

由于流经偏置电容C_f的电流I′_C＝2πfU′_φC_f，所以即可推导出：

$I_C={I^{\′}}_C\frac{U_{\mathrm{\φ}}}{U_{\mathrm{\φ}}-{U^{\′}}_{\mathrm{\φ}}}.$

式中I′_C＝2πfU′_φC_f，即流过偏置电容的电流，根据此原理，我们只要分别测出加偏置电容前后的电压U_φ和U′_φ，以及流过偏置电容的电流I′_C即可计算出电容电流的大小。

为了实现快速测量，在偏置电容C_f与所述单相线路之间设有用于控制偏置电容C_f接入的开关单元7，当步骤1)完成后，所述开关单元7将偏置电容C_f接入到所述单相线路中。为了保证装置的安全，在步骤2)采集到第二相电压U′_φ和流经偏置电容C_f的电流I′_C后，开关单元7自动关闭。

如图2所示，本发明实施例中，配电网电容电流的单相测量装置包括偏置电容C_f、电压采集单元1、电流采集单元2、A/D转换单元3、处理单元4、输入单元5、显示单元6和开关单元7。电压采集单元1直接与单相线路A相连，电压采集单元1用于采集所述单相线路未接入偏置电容C_f前的第一相电压U_φ和接入偏置电容C_f后的第二相电压U′_φ。单相线路A与开关单元7连接，开关单元7与偏置电容C_f连接，开关单元7用于将偏置电容C_f接入到所述单相线路中，电流采集单元2与偏置电容C_f连接，电流采集单元2用于采集所述单相线路接入偏置电容C_f后的电流I′_C。电压采集单元1与A/D转换单元3相连，电压采集单元1依次将采集第一相电压U_φ和第二相电压U′_φ输入到A/D转换单元3中；电流采集单元2也与A/D转换单元3相连，电流采集单元2江采集到的接入偏置电容C_f后的电流I′_C输入到A/D转换单元3中。A/D转换单元3与处理单元4相连，A/D转换单元3用于模拟数字信号转换，A/D转换单元3将输入的模拟信号转换为数字信号后输入给处理单元4。所述处理单元4用于根据输入的第一相电压U_φ、第二相电压U′_φ和电流I′_C计算配电网中的电容电流I_C，处理单元4与用于显示计算结果的显示单元6相连，处理单元4与用于控制开关单元7的输入单元5相连。

如图3所示，本实施例中，处理单元4由单片机AT89S52及其相关电路构成，处理单元4采用X5045芯片作为复位电路，X5045的CS引脚、SO引脚、SI引脚、SCK引脚分别和AT89S52的引脚(P2.3～P2.6)相连。显示单元6为LED数码管，该单元分别与单片机的P1.0～P1.7及P2.1、P2.2相连，P2.1、P2.2经过晶体管Q1、Q2放大后用作LED数码管的片选端口，P1.0～P1.7用于向LED数码管输出显示内容，P1.0～P1.7分别对应八段LED数码管的a～h输入端口。A/D转换单元3采用AD0809芯片，其IN0与电流采集单元2相连、IN1引脚与电压采集单元1的的输出引脚相连，AD0809的地址输入线ADDA与单片机的P2.0相连，用于选通相应的模拟量输入通道，当P2.0为0时，选通通道IN0，处理单元可读取电流采集单元2采集的电流I′_C；当P2.0置1时，选通通道IN1，处理单元可读取电压采集单元1采集的第一相电压U_φ和第二相电压U′_φ。AD0809的输出引脚D0～D7分别连接至AT89S52的P0.0～P0.7口，用于将转换后的数字信号送入处理单元4进行处理。因为AD0809内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，AD0809通常使用频率为500KHZ，而AT89S52的输出频率为晶振频率的1/6(2MHZ)，故AD0809不能直接采用AT89S52的时钟，而是采用独立的时钟发生器SUN7474，由SUN7474提供AD0809的工作时钟。输入单元5为连接到处理器AT89S52的INT1引脚上的开关S1，闭合开关S1，则AT89S52会产生的一个内部中断，并在P2.7引脚输出一个控制信号将开关单元7导通。

如图4所示，电压采集单元1由两级电压互感器11和交流电压-直流电压转换单元12构成，两级电压互感器一侧与所述单相线路A连接，另一侧与交流电压-直流电压转换单元12连接，所述交流电压-直流电压转换单元用于将两级电压互感器采集的交流电压信号转换为直流电压信号后输出至处理单元。在本实施例中，电压互感器11由两级电压互感器组成，第一级电压互感器111的变比为10000∶100，第二级电压互感器112的变比为100∶5，因此电压互感器11的总变比为10000∶5，通过本电压互感器，配电网的高电压可以转换成可以适用于处理单元处理的低直流电压信号，本实施例中配电网的电压为10KV，则单相线路A的电压为5773伏左右，则经过电压互感器后的输出电压为2.88V左右。交流电压-直流电压转换单元12为采用运算放大器的全波整流和电容滤波的电路，该单元接收来自电压互感器的交流电压信号，A1是10倍交流放大器，倍数为1+R11/R10，A2为负输出半波整流电路，与输入信号相加成全波整流电路，C13为滤波电容，其容量的选取应兼顾纹波与响应速度的矛盾关系，经转换后该单元输出信号到A/D转换单元3的IN1端口。

如图5所示，电流采集单元2由电流互感器21和交流电流-直流电压转换单元22构成，电流互感器一端与偏置电容C_f连接，另一端与交流电流-直流电压转换单元相连，交流电流-直流电压转换单元用于将电流互感器采集的电流信号转换为直流电压信号后输出至处理单元。电流互感器21的变比为5∶1，用于将偏置电容的大电流转换成可以用于弱电系统使用的低直流电压信号。偏置电容C_f一端连接到配电网的单相A，另一端则与交流电流-直流电压转换单元22的输入端相连，交流电流-直流电压转换单元22利用R2将交流电流转化为交流电压，由C6、R3、R4、D1、D2、IC3A将交流电压转化为直流电压，为了使转化所得到的信号满足要求，将直流电压再经IC3B进行放大，输出信号到A/D转换单元3的IN0端口。

如图6所示，开关单元7由晶闸管单元71和晶闸管触发单元72组成。晶闸管触发单元72的输入端与处理单元4连接、输出端与晶闸管单元71的控制端相连，晶闸管单元71的两个工作端连接于单相线路A和偏置电容C_f之间、控制偏置电容C_f的接入状态。为了实现交流信号的双向导通，晶闸管单元71由两个晶闸管组711串联而成，每个晶闸管组711由两个同型号的晶闸管反向并联而成。当晶闸管串联使用时，由于触发电路可能存在的一定程度上的不同步性，这个不同步的时间差在高压下可能造成某些晶闸管上出现瞬间的过高电压、损坏晶闸管的内部结构，从而造成晶闸管的永久性损坏。因此本发明通过外加电容电阻均压电路712来抑制电压不平衡、克服触发电路的不同步性。电容电阻均压电路712由一个电阻和一个电容串联而成，将每一个并联晶闸管组与电容电阻均压电路712并联。由于晶闸管单元71含有多个晶闸管，因此为了实现同步控制，AT89S52的P2.7端口作为晶闸管触发单元72的控制输入信号，晶闸管触发单元72上分别设有4个输出引脚，依次连接到晶闸管单元71中各个晶闸管的控制端。触发开关S1后，处理单元4就会产生一个中断，因此AT89S52的P2.7引脚会产生一个信号，这个信号经过晶闸管触发单元72，触发晶闸管单元71，晶闸管单元71导通单相线路A和偏置电容C_f，从而实现偏置电容C_f的自动接入。

Claims (8)

1.一种配电网电容电流的单相测量方法，其特征在于其实施步骤如下：

1)采集配电网中任一单相线路在未接入偏置电容(C_f)时的第一相电压U_φ；

2)在上述单相线路上接入偏置电容(C_f)，采集接入偏置电容(C_f)后的第二相电压U′_φ以及流经偏置电容(C_f)的电流I′_C；

3)将步骤1)和步骤2)中得到的第一相电压U_φ、第二相电压U′_φ以及电流I′_C代入到下式(1)中得到配电网的电容电流I_C：

$I_C=I_C^{\′}\frac{U_{\mathrm{\φ}}}{U_{\mathrm{\φ}}-{U^{\′}}_{\mathrm{\φ}}}---\left(1\right).$

2.根据权利要求1所述的配电网电容电流的单相测量方法，其特征在于：所述偏置电容(C_f)与所述单相线路之间设有用于控制偏置电容(C_f)接入的开关单元(7)，当步骤1)完成后，所述开关单元(7)将偏置电容(C_f)接入到所述单相线路中。

3.一种配电网电容电流的单相测量装置，其特征在于：它包括偏置电容(C_f)、电压采集单元(1)、电流采集单元(2)、处理单元(4)和开关单元(7)，所述电压采集单元(1)与配电网中任一单相线路相连，所述电压采集单元(1)用于采集所述单相线路未接入偏置电容(C_f)时的第一相电压U_φ和接入偏置电容(C_f)后的第二相电压U′_φ，所述偏置电容(C_f)通过开关单元(7)与所述单相线路相连，所述开关单元(7)用于将偏置电容(C_f)接入到所述单相线路中，所述电流采集单元(2)与偏置电容(C_f)连接，所述电流采集单元(2)用于采集所述单相线路接入偏置电容(C_f)后的电流I′_C，所述处理单元(4)分别与所述电压采集单元(1)和电流采集单元(2)连接，所述处理单元(4)用于根据输入的第一相电压U_φ、第二相电压U′_φ和电流I′_C计算配电网中的电容电流I_C。

4.根据权利要求3所述的配电网电容电流的单相测量装置，其特征在于：所述电压采集单元(1)由两级电压互感器(11)和交流电压-直流电压转换单元(12)构成，所述两级电压互感器(11)一侧与所述单相线路连接，另一侧与交流电压-直流电压转换单元(12)连接，所述交流电压-直流电压转换单元(12)用于将两级电压互感器(11)采集的交流电压信号转换为直流电压信号后输出至处理单元(4)；所述电流采集单元(2)由电流互感器(21)和交流电流-直流电压转换单元(22)构成，所述电流互感器(21)一端与偏置电容(C_f)连接，另一端与交流电流-直流电压转换单元(22)相连，所述交流电流-直流电压转换单元(22)用于将电流互感器(21)采集的电流信号转换为直流电压信号后输出至处理单元(4)。

5.根据权利要求3或4所述的配电网电容电流的单相测量装置，其特征在于：所述开关单元(7)由晶闸管单元(71)和晶闸管触发单元(72)组成，所述晶闸管触发单元(72)的输入端与处理单元(4)连接，晶闸管触发单元(72)的输出端与晶闸管单元(71)的控制端相连，晶闸管单元(71)的工作端连接于电流采集单元(2)与所述单相线路之间。

6.根据权利要求5所述的配电网电容电流的单相测量装置，其特征在于：所述晶闸管单元(71)由两组以上的晶闸管组(711)串联而成，所述晶闸管组(711)由两只反向并联的晶闸管组成。

7.根据权利要求6所述的配电网电容电流的单相测量装置，其特征在于：所述晶闸管组(711)并联有电容电阻均压电路(712)，所述电容电阻均压电路(712)由电阻和电容串联而成。

8.根据权利要求3所述的配电网电容电流的单相测量装置，其特征在于：所述处理单元(4)与用于显示计算结果的显示单元(6)相连，所述处理单元(4)与用于控制开关单元(7)的输入单元(5)相连。

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