CN101769966A - 直流系统对地电容的测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流系统对地电容的测量方法与装置，通过电容耦合的方式在母线与地之间注入交流信号，根据交流信号的电压电流的幅值与相位差及信号频率计算对地电容的大小，相比电容电桥法需要直流系统停电下测量与放电法需要模拟直流系统接地故障进行测量，注入信号法能够在不影响直流系统正常运行的情况下，准确测量直流电源系统对地电容，为带电测量已运行的直流系统对地电容提供了有效的手段和方法。

Description

直流系统对地电容的测量方法与装置

技术领域

本发明涉及直流电源系统检测技术领域，特别涉及一种直流系统对地电容的测量方法与装置。

背景技术

直流系统对地电容主要由抗干扰电容、开关电源对地滤波电容及屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层构成的电容组成，变电站规模越大，区域越大，对地电容也会越大。直流电源系统母线对地电容在接地时的充放电是直流电源系统一点接地引起保护误动的关键因素之一。对现有运行的电厂和变电站的直流系统的对地电容进行全面系统的测量，可以充分了解对地电容大小与变电站电压等级、规模及发电机组的关系，可以准确分析直流系统母线对地电容造成一点接地引起保护误动的过程，据此提出直流系统接地故障引起保护误动的防护措施，尽量减少甚至杜绝一点接地故障引起保护误动造成的停电事故，有效提高电力系统安全运行水平，对提高电力系统供电可靠性，具有重要的现实意义和经济效益。

目前，测量直流系统对地电容主要采用电容电桥法与放电法：

1、电容电桥法，如图5所示，测量步骤如下：

将充电机、蓄电池从母线退出，再将所有负荷开关都合上；

用LCR数字电容电桥分别测量正负极对地电容C1、C2。

电容电桥法能分别测量直流电源系统正负母线对地电容C1和C2，但该方法必须将直流电源系统的工作电源即充电机和蓄电池从直流母线退出，也就是只能在停电的条件下测量，无法用于运行中直流电源系统对地电容的测量。

2、放电法，如图6所示，步骤如下：

将充电机、蓄电池及所有负荷开关都接入直流母线；

开关K断开时，测量V_R3(0)；

合上开关K后，用记忆示波器录下图6中的放电波形，读取t1时刻的电压V_R3(t1)；

电压稳定后，测量V_R3(∞)；

计算电容值C＝C1+C2，计算公式如下：

V_R3(t1)＝V_R3(∞)+(V_R3(0)-V_R3(∞))e^-t1/τ..............................(1)

τ＝(R1//R2//R3)*(C1+C2)..............................................(2)

该方法采用外接记忆示波器记录放电电阻R3的放电曲线，读取某一时刻t1电阻R3两端的电压V_R3(t1)，通过公式(1)、(2)，计算出直流电源系统母线对地电容C1+C2。该方法最为明显的不足是，需要在直流电源系统母线与地之间接入电阻R3，使直流系统产生人为的接地故障，给系统带来安全隐患，计算结果也容易受到人为读数误差的影响，造成测量结果不准确。

由于这两种测量方法的局限性，使之未能在运行中的变电站直流电源系统广泛应用，对运行中直流电源系统母线对地电容的大小，至今没有准确的了解，导致直流系统一点接地故障引起保护误动的现象时有发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流系统对地电容的测量方法与装置，以准确测量运行中直流系统的对地电容。

本发明的直流系统对地电容的测量方法采用以下方案：

通过电容耦合的方式将交流信号注入直流系统母线与地之间；

根据交流信号的电压幅值、电流幅值、信号频率、电流与电压的相位差和耦合电容计算对地电容的大小。

本发明的直流系统对地电容的测量装置，包括信号发生模块、耦合电容、电压电流测量模块、主控回路和工作电源模块，所述信号发生模块分别与所述主控回路、电压电流测量模块和地相连，所述耦合电容为2只，分别与母线正极和负极相连，2只电容的接点与所述电压电流测量模块相连，所述电压电流测量模块分别与所述主控回路和地相连，所述工作电源模块串接于母线正负极之间，将直流电源经DC/DC变换后输出给主控回路、信号发生模块和电压电流测量模块，所述主控回路用于控制信号发生模块发出信号，根据测量结果计算对地电容，所述信号发生模块接受主控回路的控制发出交流信号，将交流信号通过所述耦合电容注入到母线与地之间，所述电压电流模块用于测量交流信号的电压和电流的幅值及相位差，将测量结果发给主控回路。

本发明直流系统对地电容的测量方法与装置，将交流信号通过电容耦合的方式注入母线与地之间，既可防止直流电源系统对测量装置产生冲击，又能避免测量装置引起接地故障，因而该测量装置不会影响直流系统的正常运行，使之能够带电测量运行中的直流系统母线对地电容，且测量结果不会有人为误差。

附图说明

图1是本发明直流系统对地电容的测量方法实施例一的流程示意图；

图2是本发明直流系统对地电容的测量装置实施例六的原理框图；

图3是本发明直流系统对地电容的测量装置中信号隔离放大电路和电压电流采样电路的具体电路图；

图4是本发明直流系统对地电容的测量装置工作电源模块的示意图；

图5是现有的电容电桥法测量对地电容的示意图；

图6是现有的放电法测量对地电容的示意图；

图7是本发明直流系统对地电容的测量方法带电测量对地电容和绝缘电阻的原理图。

具体实施方式

本发明的直流系统对地电容的测量方法，在母线与地之间注入交流信号，根据交流信号的电压幅值、电流幅值、信号频率和电流与电压的相位差及耦合电容计算对地电容的大小，下面结合附图详细解释本方法。

实施例一：

图1所示是本发明直流系统对地电容的测量方法实施例一的流程示意图：

步骤101：将交流信号通过电容耦合的方式注入直流系统正负母线和地之间；

步骤102：测量交流信号的电压幅值、电流幅值和电压电流的相位差；

步骤103：根据公式(3)计算直流系统对地电容，根据公式(4)计算直流系统对地绝缘电阻。

$C_{+}+C_{-}=\frac{\sqrt{R_1^2+X_1^2}}{2*\mathrm{\π}*f*X_1}---\left(3\right)$

$R_{+}//R_{-}=\frac{\sqrt{R_1^2+X_1^2}}{R_1}---\left(4\right)$

$R_1=\frac{V\cos \mathrm{\Φ}}{I}---\left(5\right)$

$X_1=\frac{V\sin \mathrm{\Φ}}{I}-X_2---\left(6\right)$

$X_2=-\frac{1}{2*\mathrm{\π}*f*2C}---\left(7\right)$

如图7所示，C₊和C_-分别代表母线正极对地电容和母线负极对地电容，C₊+C_-代表母线正负极对地电容的并联值，2C代表2只耦合电容相等时的等效电容，当2只耦合电容不相等时，将2C替换为2只耦合电容的并联值，R₊代表母线正极对地绝缘电阻，R_-代表母线负极对地绝缘电阻，R₊/R_-代表母线正负极对地绝缘电阻的并联值，V代表交流信号的电压幅值，I代表交流信号的电流幅值，Φ代表交流信号电压与电流的相位差，f是交流信号的频率，变量R₁、X₁和X₂的表达式分别如(5)、(6)、(7)式所示。

实施例二：

本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例分别在实施例一步骤101、步骤102中增加了信号隔离的步骤，本实施例步骤101中交流信号经信号隔离后通过耦合电容注入母线与地之间，本实施例步骤102中对测量出的交流信号的电压幅值、电流幅值和电压电流的相位差进行信号隔离处理。

实施例二中的其它技术特征与实施例一中的相同，在此不予赘述。

实施例三：

本实施例与实施例二的不同之处在于，本实施例分别在实施例二步骤101、步骤102中增加了信号放大的步骤，本实施例步骤101中交流信号经信号隔离放大后通过耦合电容注入母线与地之间，本实施例步骤102中对测量出的交流信号的电压幅值、电流幅值和电压电流的相位差进行信号隔离放大处理。

实施例三中的其它技术特征与实施例二中的相同，在此不予赘述。

实施例四：

本实施例与实施例三的不同之处在于，本实施例对实施例三中的交流信号做了进一步限定，本实施例中的交流信号由正弦波信号来实现，为了保证测量精度，正弦波的谐波含量小于0.5％。

实施例四中的其它技术特征与实施例三中的相同，在此不予赘述。

本发明的直流系统对地电容的测量装置采用信号发生模块和耦合电容，信号发生模块将交流信号通过耦合电容注入母线与地之间，通过测量信号的电压电流的幅值和相位差计算对地电容，下面结合附图详细解释本装置。

实施例一：

本发明的直流系统对地电容的测量装置，包括信号发生模块、耦合电容、电压电流测量模块、主控回路和工作电源模块，所述信号发生模块分别与所述主控回路、电压电流测量模块和地相连，所述耦合电容为2只，分别与母线正极和负极相连，2只电容的接点与所述电压电流测量模块相连，所述电压电流测量模块分别与所述主控回路和地相连，所述工作电源模块串接于母线正负极之间，将直流电源经DC/DC变换后输出给主控回路、信号发生模块和电压电流测量模块，所述主控回路用于控制信号发生模块发出信号，根据测量结果计算对地电容，所述信号发生模块接受主控回路的控制发出交流信号，将交流信号通过所述耦合电容注入到母线与地之间，所述电压电流模块用于测量交流信号的电压和电流的幅值及相位差，将测量结果发给主控回路。

其工作过程为：

信号发生模块接受主控回路的控制产生交流信号并将交流信号通过耦合电容注入母线与地之间，电压电流测量模块测量交流信号的电压电流的幅值和相位差，主控回路根据测量结果计算对地电容和绝缘电阻，对地电容与绝缘电阻的计算公式参考本发明的直流系统对地电容的测量方法实施例一中的计算公式。

实施例二：

本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例对实施例一中的电压电流测量模块做了进一步限定，本实施例中的电压电流测量模块由信号电压采样电路、信号电流采样电路、第一测量信号隔离电路、第二测量信号隔离电路和A/D采样电路来实现，信号电压采样电路分别与信号发生模块、耦合电容、第一测量信号隔离电路和地相连，信号电流采样电路分别与耦合电容、第二测量信号隔离电路和地相连，第一和第二测量信号隔离电路均与工作电源模块相连并经A/D采样电路与主控回路相连，电压电流测量模块对测量出的电压电流的幅值和相位差进行信号隔离和模数转换处理。

实施例二中的其它技术特征与实施例一中的相同，在此不予赘述。

实施例三：

本实施例与实施例二的不同之处在于，本实施例对实施例二中的信号发生模块做了进一步限定，本实施例中的信号发生模块由信号发生器和信号隔离电路来实现，信号发生器串接于主控回路和信号隔离电路之间，信号隔离电路分别与工作电源模块、信号电压采样电路和地相连，信号发生器接收主控回路的控制产生交流信号，将交流信号隔离后经耦合电容注入母线与地之间。

实施例三中的其它技术特征与实施例二中的相同，在此不予赘述。

实施例四：

本实施例与实施例三的不同之处在于，本实施例对实施例三中的信号隔离电路和测量信号隔离电路做了进一步限定，本实施例中的信号隔离电路由信号隔离放大电路来实现，本实施例中的测量信号隔离电路由测量信号隔离放大电路来实现。

实施例四中的其它技术特征与实施例三中的相同，在此不予赘述。

实施例五：

本实施例与实施例四的不同之处在于，本实施例对实施例四中的信号发生器做了进一步限定，本实施例中的信号发生器由正弦波信号发生器来实现，为了保证测量精度，正弦波的谐波含量小于0.5％。

实施例五中的其它技术特征与实施例四中的相同，在此不予赘述。

实施例六：

本实施例与实施例五的不同之处在于，本实施例对实施例五中的主控回路和工作电源模块做了进一步限定，本实施例中的主控回路由CPU来实现，本实施例中的工作电源模块由DC/DC变换和隔离电源来实现，本实施例还增加了显示电路，用于显示主控回路的计算结果。如图2所示是本发明的直流系统对地电容的测量装置实施例六的示意图，本发明的直流系统对地电容的测量装置包括CPU1、正弦波发生器2、A/D采样电路3、液晶显示电路4、正弦波信号隔离放大电路5、信号电压取样电路6、信号电流取样电路7、测量信号隔离放大电路8、工作电源模块9、接线端子10和耦合电容11。CPU1分别与正弦波发生器2、A/D采样电路3和显示电路4相连，正弦波发生器2与正弦波信号隔离放大电路5相连，正弦波信号隔离放大电路5与信号电压取样电路和地相连，第一测量信号隔离放大电路8分别与信号电压取样电路6、A/D采样电路3和地连接，第二测量信号隔离放大电路8分别与信号电流取样电路7、A/D采样电路3和地连接，信号电压取样电路6和信号电流取样电路7共接于两只耦合电容11的接点，两只耦合电容11分别接于母线正极和负极，工作电源模块9串接于母线正负极之间，如图4所示，工作电源模块9包括DC/DC变换(9-1)、隔离电源1(9-2)、隔离电源2(9-3)和隔离电源3(9-4)，工作电源模块的正极接母线正极，负极接母线负极，隔离电源1(9-2)接正弦波信号隔离放大电路5，隔离电源2(9-3)接第一测量信号隔离放大电路8，隔离电源3(9-4)接第二测量信号隔离放大电路8，正弦波信号隔离放大电路5、信号电压取样电路6、信号电流取样电路7和测量信号隔离放大电路8的具体电路图如图3所示。

其工作过程为：

CPU1控制正弦波发生器2产生正弦波信号，通过正弦波信号隔离放大电路5，将正弦波信号放大并与主控电路1的电源隔离，隔离放大后的正弦波信号源再经耦合电容11和接线端子10，注入到直流电源系统正负极与大地之间，信号电压取样电路6和信号电流取样电路7对注入的正弦波信号电压与电流进行取样，并由测量信号隔离放大电路8对取样的信号电压和电流放大、隔离后，送给A/D采样电路3，A/D采样电路将结果输出给CPU1，CPU1将计算结果输出到显示电路4以显示测量的对地电容和对地绝缘电阻，工作电源模块9经DC/DC变换(9-1)，将直流电源系统转换为工作电源1(9-2)、2(9-3)、3(9-4)，分别给CPU1和隔离放大电路5、8供电。

CPU1根据信号电压电流取样电路测量的结果计算对地电容，计算方法与实施例一的计算方法相同。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流系统对地电容的测量方法，其特征在于，包括步骤：

通过电容耦合的方式将交流信号注入直流系统母线与地之间；

根据交流信号的电压幅值、电流幅值、信号频率、电流与电压的相位差和耦合电容计算对地电容的大小。

2.根据权利要求1所述的直流系统对地电容的测量方法，其特征在于，

所述交流信号为正弦波信号；

和/或

所述交流信号的谐波含量小于0.5％；

和/或

根据交流信号的电压幅值、电流幅值、信号频率和电流与电压的相位差及耦合电容计算母线对地绝缘电阻。

3.根据权利要求1或2所述的直流系统对地电容的测量方法，其特征在于，

所述交流信号为经过信号隔离的交流信号；

和/或

所述电流幅值、电压幅值和电压电流相位差为经过信号隔离和模数转换的电流幅值、电压幅值和电压电流相位差。

4.根据权利要求3所述的直流系统对地电容的测量方法，其特征在于，所述信号隔离还包括放大。

5.一种直流系统对地电容的测量装置，其特征在于，包括信号发生模块、耦合电容、电压电流测量模块、主控回路和工作电源模块，所述信号发生模块分别与所述主控回路、电压电流测量模块和地相连，所述耦合电容为2只，分别与母线正极和负极相连，2只电容的接点与所述电压电流测量模块相连，所述电压电流测量模块分别与所述主控回路和地相连，所述工作电源模块串接于母线正负极之间，将直流电源经DC/DC变换后输出给主控回路、信号发生模块和电压电流测量模块，所述主控回路用于控制信号发生模块产生信号，根据电压电流测量模块的测量结果计算对地电容，所述信号发生模块产生交流信号，将交流信号通过所述耦合电容注入到母线与地之间，所述电压电流模块用于测量交流信号的电压和电流的幅值及相位差，将测量结果发给主控回路。

6.根据权利要求5所述的直流系统对地电容的测量装置，其特征在于，所述电压电流测量模块包括信号电压采样电路、信号电流采样电路、第一测量信号隔离电路、第二测量信号隔离电路和A/D采样电路，所述信号电压采样电路分别与所述信号发生模块、耦合电容、第一测量信号隔离电路和地相连，所述信号电流采样电路分别与所述耦合电容、第二测量信号隔离电路和地相连，所述第一、二测量信号隔离电路与所述工作电源模块相连并经A/D采样电路与所述主控回路相连，所述电压电流测量模块对测量出的电压和电流的幅值及相位差进行信号隔离和模数转换处理。

7.根据权利要求6所述的直流系统对地电容的测量装置，其特征在于，所述测量信号隔离电路还包括放大电路。

8.根据权利要求5或6或7所述的直流系统对地电容的测量装置，其特征在于，

还包括显示电路，所述显示电路与所述主控回路相连，用于显示所述主控回路的计算结果；

和/或

所述主控回路还用于根据测量结果计算母线对地绝缘电阻。

9.根据权利要求5所述的直流系统对地电容的测量装置，其特征在于，所述信号发生模块包括信号发生器和信号隔离电路，所述信号发生器串接于主控回路和所述信号隔离电路之间，所述信号隔离电路分别与所述电压电流测量模块、工作电源模块和地相连，所述信号发生模块将交流信号经过隔离后通过耦合电容注入母线与地之间。

10.根据权利要求9所述的直流系统对地电容的测量装置，其特征在于，

所述信号发生器为正弦波发生器；

和/或

所述信号发生器发出信号的谐波含量小于0.5％；

和/或

所述信号隔离电路还包括放大电路。

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