CN103675445A - 具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器，包括电容分压器和电磁单元，还包括串入电容器和电流互感器，高压电容器、低压电容器和串入电容器依次连接形成串联电路，补偿电抗器、中间变压器和电流互感器依次连接形成串联电路。本发明在常规电容式电压互感器的电容分压器的低压电容支路中串入电容器，在电磁单元支路中串入常规电流互感器，利用测量得到的串入电容上的电压和电磁单元支路的电流，结合电容分压器的高压和低压电容值和串入电容值，即可计算出高压系统电压的谐波含量。本发明能够在测量工频高电压的同时提供高精度的高压谐波测量，为分析高压系统谐波状况提供必要的数据支持。

Description

具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种电容式电压互感器，尤其涉及一种具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器。

背景技术

目前，非线性负荷在电力系统中的应用日益增多，导致高压电力系统的电压畸变问题越来越严重。供电部门和科研机构迫切需要对高压电力系统的电压谐波进行测量，以了解高压系统的电压谐波状况，制定出针对性的谐波治理措施。

在现有的高压谐波测量方法和设备中，采用电阻器分压和电容器分压的方案需要采用专门的设备，且这些设备体积大，价格昂贵。电容式电压互感器因其体积小、重量轻、维护工作量少、电场强度裕度大、绝缘可靠性高的优点，且分压电容可兼作耦合电容器供高频载波通道使用，被广泛应用于110kV（甚至35kV）及以上高电压中性点直接接地系统的电压测量、高频通讯和继电保护中。因而从实际情况来看，采用电容式电压互感器来进行高压谐波测量是最方便经济的方法。常规电容式电压互感器主要由电容分压器和电磁单元组成；电容分压器包括串联的高压电容和低压电容，高压电容和低压电容之间连接有电磁单元，电磁单元由补偿电抗器和中间变压器串联组成，中间变压器的二次侧连接有负载。由于常规电容式电压互感器在谐波条件下的内部谐振条件将被破坏，测量谐波将出现较大的误差，因此无法直接利用常规电容式电压互感器进行高压谐波测量。

目前也有研究分析了电容式电压互感器的频率响应特性，利用该频率响应特性对电容式电压互感器二次测量电压进行修正后，推导出高压侧的电压谐波。但这种方案需要离线分析各种不同类型电容式电压互感器的频率响应特性，需要知道电容式电压互感器的详细结构和组成元件参数，并且不同的负载条件下的频率响应特性也不同，因此这种方法实现较为复杂，限制了其应用推广。

因此，如果能对电容式电压互感器进行简单改造，设计出带有高压谐波测量功能的电容式电压互感器，能够在测量工频高电压的同时提供高精度的高压谐波测量。从而为实现高压谐波电压测量提供一种性价比很高的方案，具有很大的实用价值和市场推广前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器及测量方法，能够在测量工频高电压的同时提供高精度的高压谐波测量，为分析高压系统谐波状况提供必要的数据支持。

本发明采用下述技术方案：

一种具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器，包括电容分压器和电磁单元；电容分压器包括串联的高压电容器和低压电容器，高压电容器和低压电容器之间连接有电磁单元，电磁单元由补偿电抗器和中间变压器串联组成，中间变压器的二次侧连接有负载，其特征在于：还包括串入电容器和电流互感器，高压电容器、低压电容器和串入电容器依次连接形成串联电路，补偿电抗器、中间变压器和电流互感器依次连接形成串联电路。所述的电流互感器串入中间变压器T支路的接地点的位置。

一种利用权利要求1所述的电容式电压互感器进行高压谐波测量的方法，包括以下步骤：

A:测量串入电容器两端的电压值，并对测得的电压值利用傅里叶变化方法进行谐波电压分解，计算串入电容器上的各次谐波电压；再根据串入电容器的电容值，计算流过串入电容器的各次谐波电流；

B:测量补偿电抗器、中间变压器和电流互感器所组成的电磁单元支路的电流值，并对测得的电磁单元支路电流值利用傅里叶变化方法进行谐波电流分解；计算流过电磁单元支路的各次谐波电流；

C:根据步骤A中得到的流过串入电容的各次谐波电流以及步骤B中得到的流过电磁单元支路的各次谐波电流，计算流过低压电容器的各次谐波电流；

D:根据低压电容器的电容值以及步骤C中得到的流过低压电容器的各次谐波电流，计算低压电容器上的各次谐波电压；

E:由于流过串入电容器的各次谐波电流与流过高压电容器的各次谐波电流相等，根据高压器的电容值以及步骤A中得到的流过串入电容器的各次谐波电流，计算高压电容器上的各次谐波电压；

F:将高压电容器、低压电容器和串入电容器上的各次谐波电压进行相加，计算得出高压系统的各次谐波电压，进行高压系统谐波电压分析。

所述的步骤A中，串入电容器上的各次谐波电压的计算公式为

$u_{C3}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(U_{C3\left(h\right)}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{h}t+{\mathrm{\θ}}_{C3\left(h\right)}));$

其中，h为谐波次数，n为所关注的最高谐波次数；ω_h=2πhf为h次谐波角频率，f为工频频率；t为时间；U_C3(h)和θ_C3(h)分别为电压u_C3中第h次谐波的有效值和相位角；

流过串入电容器的各次谐波电流的计算公式为

${\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}\·j{\mathrm{\ω}}_h{C}_3;$

其中，为u_C3中的第h次谐波电压的相量形式， ${\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}=U_{C3\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{C3\left(h\right)}.$

所述的步骤B中，电磁单元支路的各次谐波电流的计算公式为

$i_{\mathrm{CT}}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{CT}\left(h\right)}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{h}t+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)}));$

其中，i_CT(h)和θ_CT(h)分别为电流i_CT中第h次谐波的有效值和相位角。

所述的步骤C中，流过低压电容器的各次谐波电流的计算公式为

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)};$

其中，

为i_CT中的第h次谐波电流的相量形式， ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)}=I_{\mathrm{CT}\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)},$

为流过串入电容器的第h次谐波电流。

所述的步骤D中，低压电容器上的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\·\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_h{C}_L};$

其中，

为u_CL中的第h次谐波电压的相量形式。

所述的步骤E中，高压电容器上的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}\·\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_h{C}_H};$

其中，

为u_CH中的第h次谐波电压的相量形式。

所述的步骤F中，高压系统的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{S\left(h\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}.$

本发明在常规电容式电压互感器的电容分压器的低压电容支路中串入电容器，在电磁单元支路中串入常规电流互感器，利用测量得到的串入电容上的电压和电磁单元支路的电流，结合电容分压器的高压和低压电容值和串入电容值，即可计算出高压系统电压的谐波含量。本发明的基于电容式电压互感器的高电压谐波测量方案仅需在常规电容式电压互感器的基础上进行简单的改进，实现简单，能够在测量工频高电压的同时提供高精度的高压谐波测量，为分析高压系统谐波状况提供必要的数据支持，具有很高的实用价值和广阔的市场推广应用前景。

附图说明

图1为本发明所述具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器的原理示意图；

图2为本发明所述高压谐波测量方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器包括电容分压器和电磁单元；电容分压器包括串联的高压电容器C_H和低压电容器C_L，高压电容器C_H和低压电容器C_L之间连接有电磁单元，电磁单元由补偿电抗器L_f和中间变压器T串联组成，中间变压器T的二次侧连接有负载Z_L，负载Z_L不属于电容式电压互感器的组成部分。本发明还增设了串入电容器C₃和电流互感器S₁，高压电容器C_H、低压电容器C_L和串入电容器C₃依次连接形成串联电路，补偿电抗器L_f、中间变压器T和电流互感器S₁依次连接形成串联电路。为了降低对电流互感器S₁的绝缘要求，电流互感器S₁串入中间变压器T支路的接地点位置。

如图2所示，在利用上述电容式电压互感器进行高压谐波测量时，包括以下步骤：

A:测量串入电容器C₃两端的电压值，并对测得的电压值利用傅里叶变化方法进行谐波电压分解，计算串入电容器C₃上的各次谐波电压；再根据串入电容器C₃的电容值，计算流过串入电容器C₃的各次谐波电流。串入电容器C₃上的各次谐波电压的计算公式为

$u_{C3}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(U_{C3\left(h\right)}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{h}t+{\mathrm{\θ}}_{C3\left(h\right)}));$

其中，h为谐波次数，n为所关注的最高谐波次数；ω_h=2πhf为h次谐波角频率，f为工频频率，我国为50Hz；t为时间；U_C3(h)和θ_C3(h)分别为电压u_C3中第h次谐波的有效值和相位角；

流过串入电容器C₃的各次谐波电流的计算公式为

${\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}\·j{\mathrm{\ω}}_h{C}_3;$

其中，

为u_C3中的第h次谐波电压的相量形式， ${\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}=U_{C3\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{C3\left(h\right)}.$

B:测量补偿电抗器L_f、中间变压器T和电流互感器S₁所组成的电磁单元支路的电流值，并对测得的电磁单元支路电流值利用傅里叶变化方法进行谐波电流分解；计算流过电磁单元支路的各次谐波电流。电磁单元支路的各次谐波电流的计算公式为

$i_{\mathrm{CT}}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{CT}\left(h\right)}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{h}t+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)}));$

其中，i_CT(h)和θ_CT(h)分别为电流i_CT中第h次谐波的有效值和相位角。

C:根据步骤A中得到的流过串入电容C₃的各次谐波电流以及步骤B中得到的流过电磁单元支路的各次谐波电流，计算流过低压电容器C_L的各次谐波电流。流过低压电容器C_L的各次谐波电流的计算公式为

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)};$

其中，

为i_CT中的第h次谐波电流的相量形式， ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)}=I_{\mathrm{CT}\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)},$

为流过串入电容器C₃的第h次谐波电流。

D:根据低压电容器的电容值以及步骤C中得到的流过低压电容器的各次谐波电流，计算低压电容器C_L上的各次谐波电压。低压电容器C_L上的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\·\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_h{C}_L};$

其中，

为u_CL中的第h次谐波电压的相量形式。

E:由于流过串入电容器C₃的各次谐波电流与流过高压电容器C_H的各次谐波电流相等，根据高压电容器C_H的电容值以及步骤A中得到的流过串入电容器C₃的各次谐波电流，计算高压电容器C_H上的各次谐波电压。高压电容器C_H上的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}\·\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_h{C}_H};$

其中，

为u_CH中的第h次谐波电压的相量形式。

F:将高压电容器C_H、低压电容器C_L和串入电容器C₃上的各次谐波电压进行相加，计算得出高压系统的各次谐波电压，进行高压系统谐波电压分析。高压系统的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{S\left(h\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}.$

本发明中，对所有次谐波（h=1,2,…,n）均进行上述计算，即可计算得出高压系统电压u_S的各次谐波电压，这些谐波电压即是进行谐波分析所需要的数据，能够为分析高压系统谐波状况提供必要的数据支持。

Claims (9)

1.一种具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器，包括电容分压器和电磁单元；电容分压器包括串联的高压电容器和低压电容器，高压电容器和低压电容器之间连接有电磁单元，电磁单元由补偿电抗器和中间变压器串联组成，其特征在于：还包括串入电容器和电流互感器，高压电容器、低压电容器和串入电容器依次连接形成串联电路，补偿电抗器、中间变压器和电流互感器依次连接形成串联电路。

2.根据权利要求1所述的具有高压谐波测量功能的电容式电压互感器，其特征在于：所述的电流互感器串入中间变压器T支路的接地点的位置。

3.一种利用权利要求1所述的电容式电压互感器进行高压谐波测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

A:测量串入电容器两端的电压值，并对测得的电压值利用傅里叶变化方法进行谐波电压分解，计算串入电容器上的各次谐波电压；再根据串入电容器的电容值，计算流过串入电容器的各次谐波电流；

B:测量补偿电抗器、中间变压器和电流互感器所组成的电磁单元支路的电流值，并对测得的电磁单元支路电流值利用傅里叶变化方法进行谐波电流分解；计算流过电磁单元支路的各次谐波电流；

C:根据步骤A中得到的流过串入电容的各次谐波电流以及步骤B中得到的流过电磁单元支路的各次谐波电流，计算流过低压电容器的各次谐波电流；

D:根据低压电容器的电容值以及步骤C中得到的流过低压电容器的各次谐波电流，计算低压电容器上的各次谐波电压；

E:由于流过串入电容器的各次谐波电流与流过高压电容器的各次谐波电流相等，根据高压器的电容值以及步骤A中得到的流过串入电容器的各次谐波电流，计算高压电容器上的各次谐波电压；

F:将高压电容器、低压电容器和串入电容器上的各次谐波电压进行相加，计算得出高压系统的各次谐波电压，进行高压系统谐波电压分析。

4.根据权利要求3所述的高压谐波测量的方法，其特征在于：所述的步骤A中，串入电容器上的各次谐波电压的计算公式为

$u_{C3}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(U_{C3\left(h\right)}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{h}t+{\mathrm{\θ}}_{C3\left(h\right)}));$

其中，h为谐波次数，n为所关注的最高谐波次数；ω_h=2πhf为h次谐波角频率，f为工频频率；t为时间；U_C3(h)和θ_C3(h)分别为电压u_C3中第h次谐波的有效值和相位角；

流过串入电容器的各次谐波电流的计算公式为

${\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}\·j{\mathrm{\ω}}_h{C}_3;$

其中，为u_C3中的第h次谐波电压的相量形式， ${\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}=U_{C3\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{C3\left(h\right)}.$

5.根据权利要求4所述的高压谐波测量的方法，其特征在于：所述的步骤B中，电磁单元支路的各次谐波电流的计算公式为

$i_{\mathrm{CT}}=\sqrt{2}\·\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{CT}\left(h\right)}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{h}t+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)}));$

其中，i_CT(h)和θ_CT(h)分别为电流i_CT中第h次谐波的有效值和相位角。

6.根据权利要求5所述的高压谐波测量的方法，其特征在于：所述的步骤C中，流过低压电容器的各次谐波电流的计算公式为

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)};$

其中，

为i_CT中的第h次谐波电流的相量形式， ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)}=I_{\mathrm{CT}\left(h\right)}\∠{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CT}\left(h\right)},$

为流过串入电容器的第h次谐波电流。

7.根据权利要求6所述的高压谐波测量的方法，其特征在于：所述的步骤D中，低压电容器上的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}\·\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_h{C}_L};$

其中，

为u_CL中的第h次谐波电压的相量形式。

8.根据权利要求7所述的高压谐波测量的方法，其特征在于：所述的步骤E中，高压电容器上的各次谐波电压的计算公式为

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{C3\left(h\right)}\·\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_h{C}_H};$

其中，

为u_CH中的第h次谐波电压的相量形式。

9.根据权利要求8所述的高压谐波测量的方法，其特征在于：所述的步骤F中，高压系统的各次谐波电压的计算公式为 ${\stackrel{\·}{U}}_{S\left(h\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{C3\left(h\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CL}\left(h\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CH}\left(h\right)}.$

Images