CN102636689A - 非接触式电力电压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式电力电压测量方法，包括判断电力线上的火线和零线，获取火线上电压信号的波形信息，产生与火线上同频同相且幅度相等的电压信号，通过变压器获取被测量的电力电压。这种测量方法实现了非接触式电力电压测量，能在不同环境中对高压电力线进行快速、准确测量，提高了测量安全性。

Description

非接触式电力电压测量方法

技术领域

本发明涉及电力测试领域的电压测量方法，具体涉及一种非接触式电力电压测量方法。

背景技术

随着信息时代的来临和经济持续快速增长，能源一直是经济增长的基础，而“电力”是推动经济发展的主要能源形式，电力测试技术是保持电力正常输送、高新技术设备和城市主体功能正常运行的一种重要的维护手段。

现有的电力电压测量主要是采用直接式测量，这种测量方法存在如下问题：一是无法对高压线路进行现场测量，电力线电压高而且电压范围宽，从普通民用的220V电压至几十千伏的高压电压，如果直接由操作人员拿着表笔去测量容易造成短路和触电事故；二是受到测试环境的限制，伴随着工厂、办公楼的增建，电力工程施工与改造，需要在工厂和办公楼未正式营业之前的短时间内完成，对工作效率和安全性有了更高的要求，而这种测试手段无法满足应用环境的要求；三是存在应用安全隐患，使用这种测量方法必须破坏外部的绝缘层才能让表笔接触到内部的导线进行测量，在破坏绝缘层的过程中必须断电才能保证操作人员的安全，输电线绝缘层一旦破坏，输电线就失去其完整性，形成安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式电力电压测量方法，以实现不同环境中对高压电力线的快速、准确测量，提高测量安全性。

根据电场理论，当两个金属极板之间的电动势不为零时，会有电场产生。如图3所示，若Ua>Ub，则Ua和Ub之间会产生如图所示的电场E。若Ua-Ub是不断变化的，则E也是不断变化的，如果在该电场中放置一个线圈，则线圈中会感生出电流；只有当Ua-Ub等于零（即Ua等于Ub）时，Ua和Ub之间才不会有电场E产生，放置在其中的线圈才不会感生出电流。

非接触式电力电压测量的原理为：不需将探头感应器接触到电力线金属触点，只需将探头感应器接触电力线绝缘层，探头感应器的金属极板与电力线之间会产生如图2所示的电容C；假设Ub为电力线上的电压，Ua为探头感应器上的电压，探头感应器的电流检测线圈位于电容C中（即电流检测线圈位于金属极板前侧），通过检测该电流检测线圈中是否有电流来测量电力线上的电压。

本发明所述的非接触式电力电压测量方法，包括如下步骤：

1）判断电力线上的火线和零线：将两个由电流检测线圈和金属极板构成的探头感应器分别靠近两条电力线，金属极板与电力线之间形成电容C，金属极板与壳体以及人体构成一个回路，从金属极板上引出电容C耦合的电压信号，将该电压信号衰减、放大、AD转换，送入DSP内判断，DSP判断后控制显示器显示；如果为火线，则送入DSP内的电压信号不为零，显示器显示L；如果为零线，则送入DSP内的电压信号为零，显示器显示N。

2)获取火线上电压信号的波形信息：将电容C耦合的火线上的电压信号衰减、放大、AD转换，形成数字信号，送入DSP内处理，DSP将该数字信号存储在存储器中，并通过傅氏变换（即傅里叶变换）获取该数字信号的频率、相位信息。由于火线上的正弦波并非是理想的正弦波，会有失真，且探头感应器的金属极板与火线之间的电容C很小，电容C不能将火线上的电压信号完全耦合，此处所获得的电压信号的幅度信息不能代表火线上的电压幅度，但是火线上的电压信号的频率、相位信息能够完整的存储在存储器中（即上述数字信号的频率、相位信息与火线上的电压信号的频率、相位信息相同，但幅度不同）。 

3）产生与火线上同频同相且幅度相等的电压信号：DSP检测靠近火线的探头感应器中的电流检测线圈中是否有电流；如果有电流，DSP采用DDS（即直接数字式频率合成器，既可以合成频率，又可以合成相位）技术合成与存储器中数字信号的频率、相位相同的数字信号，采用SPWM(即在PWM的基础上改变调制脉冲方式，使脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列)技术调制该数字信号的占空比使电流检测线圈中的电流为零，当电流为零时，DSP将该调制后的数字信号输出；输出的数字信号经DC-AC转换为交流方波信号，经滤波形成与火线上的电压信号的频率、相位及幅度相同的交流正弦波信号； 

4）通过变压器获取被测量的电力电压：将上述交流正弦波信号加在变压器一侧的线圈N1上；同时，DSP采集变压器另一侧的线圈N3上的电压，并通过线圈N3上的电压计算位于线圈N3同一侧且两端分别连接两金属极板的线圈N2上的电压，线圈N2上的电压即为被测量的电力电压；由于线圈N2和N3的匝数已知，获取线圈N3上的电压就能获取线圈N2上的电压。

进一步，所述电容C耦合的火线上的电压信号的获取、电流检测线圈中是否有电流的检测以及线圈N3上的电压的采集，三个动作的变换通过DSP控制开关切换实现。

本发明根据探头感应器与火线之间的电容效应，获取火线上电压信号的频率、相位信息等参数，借助DSP产生与火线上同频同相且幅度相等的电压信号，并通过变压器获取被测量的电力电压，实现了非接触式电力电压测量，这种测量方法能在不同环境中对高压电力线进行快速、准确测量，提高了测量安全性。

附图说明

图1为非接触式电力电压测量仪表的原理框图。

图2为本发明中非接触式电力电压测量的原理图。

图3为电场示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，非接触式电力电压测量仪表由第一探头感应器1、第二探头感应器2和主体处理电路3构成，第一、第二探头感应器均由电流检测线圈4和金属极板5封装构成，电流检测线圈4位于金属极板5前侧。

主体处理电路3包括处理数据并控制相应操作的DSP（即数字信号处理器），衰减信号的衰减器，放大信号的放大器，将模拟信号转换为数字信号的AD转换器，存储数据的存储器，显示火线或零线或电压值的显示器，将数字信号转换为交流方波信号的DC-AC模块，将交流方波信号变为交流正弦波信号的滤波器， DSP采集相应信号时切换的开关A、开关B、开关D（均采用单刀双掷开关），由线圈N1、N2、N3构成的用于获取被测量的电力电压的变压器，给主体处理电路供电的电源，打开或关闭DSP的按键；其中，DSP连接并控制衰减器、放大器、AD转换器、存储器、显示器、DC-AC模块以及开关A、开关B、开关D；开关A具有不动触点a、b，开关B具有不动触点c，并共用不动触点b，开关D具有不动触点d、e；衰减器连接放大器，放大器连接AD转换器，DC-AC模块连接滤波器，滤波器连接变压器一侧的线圈N1，变压器另一侧的线圈N2的一端连接开关A的不动触点a，开关A的动触点连接在第一探头感应器1的金属极板5的后侧，线圈N2的另一端连接第二探头感应器2的金属极板5（以零线为参考点），与线圈N2在同一侧的线圈N3一端接地，另一端接开关B的不动触点c，开关B的动触点和开关D的动触点连接在一起并与衰减器连接，第一探头感应器1的电流检测线圈4连接开关D的不动触点e（此处假设图1中第一探头感应器1靠近的电力线为火线，第二探头感应器2靠近的电力线为零线；如果相反则增加开关来切换即可）。 

非接触式电力电压测量仪表也可以采用日本日置公司生产的非接触式电压测试仪3258 。

如图1、图2所示，采用上述测量仪表进行非接触式电力电压测量的方法，包括如下步骤：

1）判断电力线上的火线和零线：将两个由电流检测线圈4和金属极板5构成的探头感应器分别靠近两条电力线，金属极板5与电力线之间形成电容C，金属极板5与壳体以及人体构成一个回路，DSP控制开关A与不动触点b接触，开关B与不动触点b接触，开关D与不动触点d接触，从金属极板5上引出电容C耦合的电压信号，并将该电压信号衰减、放大、AD转换，送入DSP内判断，DSP判断后控制显示器显示，如果为火线，则送入DSP内的电压信号不为零，显示器显示L；如果为零线，则送入DSP内的电压信号为零，显示器显示N。

2)获取火线上电压信号的波形信息：DSP控制开关A与不动触点b接触，开关B与不动触点b接触，开关D与不动触点d接触，将电容C耦合的火线上的电压信号衰减、放大、AD转换，形成数字信号，送入DSP内处理，DSP将该数字信号存储在存储器中，并通过傅氏变换（即傅里叶变换）获取该数字信号的频率、相位信息。由于火线上的正弦波并非是理想的正弦波，会有失真，且探头感应器的金属极板与火线之间的电容C很小，电容C不能将火线上的电压信号完全耦合，此处所获得的电压信号的幅度信息不能代表火线上的电压幅度，但是火线上的电压信号的频率、相位信息能够完整的存储在存储器中（即上述数字信号的频率、相位信息与火线上的电压信号的频率、相位信息相同，但幅度不同）。 

3）产生与火线上同频同相且幅度相等的电压信号：DSP控制开关A与不动触点a接触，开关B与不动触点b接触，开关D与不动触点e接触，DSP检测第一探头感应器1中的电流检测线圈4中是否有电流；如果有电流，DSP采用DDS技术合成与存储器中数字信号的频率、相位相同的数字信号，采用SPWM技术调制该数字信号的占空比使第一探头感应器1的电流检测线圈4中的电流为零，当电流为零时，DSP将该调制后的数字信号输出；输出的数字信号经DC-AC转换为交流方波信号，经滤波形成与火线上的电压信号的频率、相位及幅度相同的交流正弦波信号；

4）通过变压器获取被测量的电力电压：将上述交流正弦波信号加在变压器一侧的线圈N1上；DSP控制开关A与不动触点a接触，开关B与不动触点c接触，开关D与不动触点d接触，DSP采集变压器另一侧的线圈N3上的电压，并通过线圈N3上的电压计算线圈N2上的电压，线圈N2上的电压即为被测量的电力电压。由于线圈N2和N3的匝数已知，且位于同一侧，获取线圈N3上的电压就能获取线圈N2上的电压。

5）重复上述1-4的步骤多次测量，得到火线上电压的准确值。

Claims (2)

1.一种非接触式电力电压测量方法，包括如下步骤：

1）判断电力线上的火线和零线：将两个由电流检测线圈和金属极板构成的探头感应器分别靠近两条电力线，金属极板与电力线之间形成电容C，从金属极板上引出电容C耦合的电压信号，将该电压信号衰减、放大、AD转换，送入DSP内判断，DSP判断后控制显示器显示火线或零线；

2)获取火线上电压信号的波形信息：将电容C耦合的火线上的电压信号衰减、放大、AD转换，形成数字信号，送入DSP内处理，DSP将该数字信号存储在存储器中，并通过傅氏变换获取该数字信号的频率、相位信息；

3）产生与火线上同频同相且幅度相等的电压信号：DSP检测靠近火线的探头感应器中的电流检测线圈中是否有电流；如果有电流，DSP采用DDS技术合成与存储器中数字信号的频率、相位相同的数字信号，采用SPWM技术调制该数字信号的占空比使电流检测线圈中的电流为零，当电流为零时，DSP将该调制后的数字信号输出；输出的数字信号经DC-AC转换为交流方波信号，经滤波形成与火线上的电压信号的频率、相位以及幅度相同的交流正弦波信号；

4）通过变压器获取被测量的电力电压：将上述交流正弦波信号加在变压器一侧的线圈N1上；同时，DSP采集变压器另一侧的线圈N3上的电压，并通过线圈N3上的电压计算位于线圈N3同一侧且两端分别连接两金属极板的线圈N2上的电压，线圈N2上的电压即为被测量的电力电压。

2.根据权利要求1所述的非接触式电力电压测量方法，其特征是：所述电容C耦合的火线上的电压信号的获取、电流检测线圈中是否有电流的检测以及线圈N3上的电压的采集，三个动作的变换通过DSP控制开关切换实现。

Images