CN105044469A - 一种干式空心电抗器损耗检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干式空心电抗器损耗检测方法及其检测装置，包括以下步骤：采集干式空心电抗器一相的端电压和相电流；得到该相的端电压为u(t)，相电流为i(t)，u(t)，i(t)表达式；采用傅立叶算法，定义中间变量A、B、C和D；得到干式空心电抗器的基波端电压和基波相电流的表达式；计算干式空心电抗器该相的基波损耗P_有的公式；将A、B、C和D代入P_有的公式，获得干式空心电抗器该相的基波损耗。本发明采用傅立叶算法对电压、电流基波进行提取，计算基波损耗，消除了不同成分的谐波对电抗器损耗测量的不确定性，避免了电源的谐波与频率波动导致电抗器损耗测量的不确定性，保证了损耗测量的正确性。

Description

一种干式空心电抗器损耗检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及电抗器检测技术，特别是涉及一种干式空心电抗器损耗检测方法，还涉及使用上述干式空心电抗器损耗检测方法的检测装置。

背景技术

电抗器作为电力系统的重要组成部分，在提高供电质量方面起着重要作用。现有电抗器损耗检测方法是采用电抗器损耗测量设备对电抗器的耗损进行测量，在电抗器行业，国际公认的电抗器损耗测量设备是美国凤凰公司生产的9901A电桥，但是在检测时其存在以下不足之处：

⑴电抗器的损耗通常占其额定容量的3‰～2％，且要求对电压、电流的量程达到额定，电压和电流值直接从仪表上读出，由于仪表读数存在误差，而损耗一般属于仪表测量误差范围内，因此会影响损耗测量的正确性。

⑵电抗器的损耗与外施电压有关，当电源存在电压抖动时，无法从仪表上正确读取电压值，且损耗与电压的平方成正比，电压误差越大，所得损耗的误差就越大。

⑶电源的谐波与频率波动都会导致电抗器损耗测量的不确定性，从而影响损耗的准确测量。

采用现有电抗器损耗检测方法测量电抗器损耗，由于电抗器功率因数过低，损耗占容量比例过小，而现有的电抗器损耗测量设备没有足够的精度，因此无法满足电抗器耗损测量要求。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种使用方便、检测精度高的干式空心电抗器损耗检测方法。

本发明的第二个目的在于提供一种使用上述干式空心电抗器损耗检测方法的检测装置。

本发明的第一个目的通过如下的技术方案来实现：一种干式空心电抗器损耗检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步骤，采集干式空心电抗器一相的端电压和相电流；

第二步骤，该相的端电压为u(t)，相电流为i(t)，u(t)，i(t)表达式为：

$u\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_{k}sin(k\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_k)=U_{1}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_1)+u_{h}k$ 公式⑴

$i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{I}_k\sin (k\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_k)=I_1\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_1)+i_h$ 公式⑵

式中，k代表第k次谐波，ω为端电压基波角频率，t为时间，u(t)为端电压，U_k为第k次谐波电压幅值，为第k次谐波电压相角，U₁为基波电压的幅值，u_h为其余谐波电压总和，i(t)为相电流，I_k为第k次谐波电流幅值，为第k次谐波电流相角，I₁为基波相电流的幅值，i_h为其余谐波电流总和；

第三步骤，定义中间变量A和B：

$A=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\·sin\mathrm{\ω}tdt=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}u\left(k\right)\·sin\left(\frac{2\mathrm{\π}k}{n}\right)=\frac{1}{2}{U}_1{\mathrm{cos\φ}}_{1}nT$ 公式⑶

公式⑷

公式(3)和公式(4)中：T为端电压基波的周期，ω为端电压基波的角频率，n代表对u(t)在0到T之间进行n点等间隔采样，u(k)为第k个点所采到得u(t)的电压值，为端电压基波的相位，U₁为端电压基波的幅值。

A、B可依据公式⑶、⑷积分获得。

由公式⑶、⑷得到该相的基波端电压的表达式为：

公式⑸

公式⑹

第四步骤，定义中间变量C和D：

$C=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}i\left(t\right)\·\sin \mathrm{\ω}tdt=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}i\left(k\right)\·\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}k}{n}\right)=\frac{1}{2}{I}_1{\mathrm{cos\φ}}_1$ 公式⑺

$D=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}i\left(t\right)\·cos\mathrm{\ω}tdt=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}i\left(k\right)\·cos\left(\frac{2\mathrm{\π}k}{n}\right)=\frac{1}{2}{I}_1{\mathrm{sin\φ}}_1$ 公式⑻

公式(7)和公式(8)中，φ₁为相电流基波的相位，I₁为相电流基波的幅值C、D可依据公式⑺、⑻积分获得。

由公式⑺、⑻得到该相的基波相电流的表达式为：

I₁cosφ₁＝2C公式⑼

I₁sinφ₁＝2D公式⑽

第五步骤，干式空心电抗器的基波端电压和基波相电流分别为：

$U_1=\sqrt{4A^2+4B^2}$ 公式⑾

$I_1=\sqrt{4C^2+4D^2}$ 公式⑿

干式空心电抗器的基波端电压和基波相电流之间的相位差为：

公式⒀

计算干式空心电抗器该相的基波损耗P_有的公式为：

公式⒁

P^有＝2(AC+BD)公式⒂

第六步骤，将公式⑾、⑿和⒀代入公式⒁中，得到公式⒂，将第三、四步骤计算获得的A、B、C和D代入公式⒂，即可获得干式空心电抗器该相的基波损耗。

本发明采用傅立叶算法对电压、电流基波进行提取，从而计算出基波损耗，消除了不同成分的谐波造成对电抗器损耗测量的不确定性，避免了电源的谐波与频率波动导致电抗器损耗测量的不确定性，同时也避免了由于电抗器损耗属于现有仪表读取误差范围内和电源存在电压抖动而造成的损耗测量不准的缺陷，从而保证了损耗测量的正确性。

本发明计算干式空心电抗器三相的基波损耗的公式为：

公式⒃

式中：U_A、U_B、U_C分别为3相端电压；I_A、I_B、I_C是3相的相电流；则为3相端电压与相电流的相角。

本发明的第二个目的通过如下的技术方案来实现：一种使用上述干式空心电抗器损耗检测方法的检测装置，其特征在于：它包括用于安装在干式空心电抗器的星架上采集端电压信号的阻容分压器、用于供电的取电线圈、用于采集相电流信号的电流互感器、采样电路、计算电路和无线传输电路，所述采样电路、计算电路、无线传输电路依次连接，所述阻容分压器、电流互感器和取电线圈分别通过导线将端电压信号、相电流信号和电力传输至采样电路，所述采样电路接收信号进行处理后，再将信号传送至计算电路，所述计算电路计算得到干式空心电抗器的基波损耗，并将基波损耗信息通过无线传输电路发送至外部的接收电路，以便由接收电路传送给显示器显示或经网线通报上位机。

本发明的接收电路可接收电抗器的损耗、温度、运行状态信息(是否存在匝间短路、断线)，还可接收电抗器的运行状况信息。

本发明所述采样电路采用AD芯片MAX1324，所述计算电路采用DSP28335芯片，AD芯片MAX1324接收电抗器的A、B、C三相采集的端电压信号和相电流信号，经过AD芯片MAX1324模数转换后，将转换后的数字信号输送到DSP28335芯片进行处理，计算得到干式空心电抗器的基波损耗。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

本发明采用傅立叶算法对电压、电流基波进行提取，从而计算出基波损耗，消除了不同成分的谐波造成对电抗器损耗测量的不确定性，避免了电源的谐波与频率波动导致电抗器损耗测量的不确定性，同时也避免了损耗属于现有仪表读取误差范围内及电源存在电压抖动而造成的损耗测量不准的缺陷，从而保证了损耗测量的正确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明检测装置安装在电抗器上的示意图；

图2是本发明电抗器损耗测量方法原理图；

图3是本发明检测装置的组成结构及工作原理框图。

具体实施方式

本发明一种干式空心电抗器损耗检测方法，包括以下步骤：

第一步骤，分别采集干式空心电抗器的A、B、C三相的端电压和相电流；

第二步骤，为了消除不同成分的谐波造成对电抗器损耗测量的不确定性，采用傅立叶算法对电压、电流基波进行提取，从而计算出基波损耗。

以干式空心电抗器其中一相为例，设端电压为u(t)，相电流为i(t)，由于实际采样过来的电压中含有各次谐波，则u(t)，i(t)表达式为：

公式⑴

$i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{I}_k\sin (k\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_k)=I_1\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_1)+i_h$ 公式⑵

式中，k代表第k次谐波，ω为端电压基波角频率，t为时间，u(t)为端电压，U_k为第k次谐波电压幅值，为第k次谐波电压相角，U₁为基波电压的幅值，u_h为其余谐波电压总和，i(t)为相电流，I_k为第k次谐波电流幅值，为第k次谐波电流相角，I₁为基波相电流的幅值，i_h为其余谐波电流总和；

第三步骤，采用傅立叶算法定义中间变量A和B：

公式⑶

公式⑷

式中，T为端电压基波的周期，ω为端电压基波的角频率，n代表对u(t)在0到T之间进行n点等间隔采样，u(k)为第k个点所采到得u(t)的电压值，为端电压基波的相位，U₁为端电压基波的幅值；

由公式⑶、⑷得到干式空心电抗器基波端电压的表达式：

公式⑸

公式⑹

第四步骤、采用傅立叶算法定义中间变量C和D：

$C=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}i\left(t\right)\·\sin \mathrm{\ω}tdt=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}i\left(k\right)\·\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}k}{n}\right)=\frac{1}{2}{I}_1{\mathrm{cos\φ}}_1$ 公式⑺

$D=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}i\left(t\right)\·cos\mathrm{\ω}tdt=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}i\left(k\right)\·cos\left(\frac{2\mathrm{\π}k}{n}\right)=\frac{1}{2}{I}_1{\mathrm{sin\φ}}_1$ 公式⑻

式中，φ₁为相电流基波的相位，I₁为相电流基波的幅值；

由公式⑺、⑻得到干式空心电抗器基波相电流的表达式：

I₁cosφ₁＝2C公式⑼

I₁sinφ₁＝2D公式⑽

第五步骤，干式空心电抗器的基波端电压和基波相电流分别为：

$U_1=\sqrt{4A^2+4B^2}$ 公式⑾

$I_1=\sqrt{4C^2+4D^2}$ 公式⑿

干式空心电抗器的基波端电压和基波相电流之间的相位差为：

公式⒀

计算干式空心电抗器该相的基波损耗P_有的公式为：

公式⒁

P^有＝2(AC+BD)公式⒂

第六步骤，将公式⑾、⑿和⒀代入公式⒁中，得到公式⒂，将第三、四步骤计算获得的A、B、C和D代入公式⒂，即可获得干式空心电抗器该相的基波损耗。

由公式⑾～⒁可分别计算出电抗器的基波端电压、基波相电流和基波损耗，从而去除谐波对基波损耗测量的影响。一个基波周期的采样点数可通过过零比较获得，由于标准基波是根据采样点预先设定的，而实测波最终都要归结成标准的正弦与余弦，归结后的正弦余弦之和在过零点可在相邻两个采样点间任意位置，故不受采样点影响。

当电网频率存在波动，有基波周期可能不能被采样周期整除，会存在1个采样点的抖动。由于电压信号、电流信号都归结到统一的基波周期采样点数，因而在归结成标准波时两者都会产生同向误差，其误差近似于计算结果的(1/n)²，仿真结果表明该误差小于0.1％。

如图1～3所示，是使用上述电抗器损耗检测方法的检测装置，它包括用于安装在干式空心电抗器2的星架4上采集端电压信号的阻容分压器5、用于供电的取电线圈1、用于采集相电流信号的电流互感器、采样电路、计算电路和无线传输电路，采样电路、计算电路、无线传输电路依次连接，阻容分压器5、电流互感器和取电线圈1分别通过导线3将端电压信号、相电流信号和电力传输至采样电路，采样电路接收信号进行处理后，再将信号传送至计算电路，计算电路计算得到干式空心电抗器的基波损耗，并将基波损耗信息通过无线传输电路发送至外部的接收电路，以便由接收电路传送给显示器显示或经网线通报上位机。

干式空心电抗器损耗测量原理如图2所示。通过测量电网侧三相端电压，与流经干式空心电抗器的三相的相电流，则三相基波损耗为：

公式⒃

式中，U_A、U_B、U_C分别为三相端电压；I_A、I_B、I_C是三相的相电流；则为三相端电压与相电流的相角。

如图3所示，从干式空心电抗器的A、B、C三相采集的端电压和相电流信号(每相有两路信号)经过信号调理电路后进入相应的AD芯片MAX1324，由AD芯片MAX1324转换成数字信号，再将转换后的数字信号传送到DSP28335中进行处理，计算得到干式空心电抗器的基波损耗，最终将计算的结果经过显示电路进行显示。其中，整流稳压电路、晶振和复位电路为常规电路。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种干式空心电抗器损耗检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步骤，采集干式空心电抗器一相的端电压和相电流；

第二步骤，该相的端电压为u(t)，相电流为i(t)，u(t)，i(t)表达式为：

公式⑴

公式⑵

式中，k代表第k次谐波，ω为端电压基波角频率，t为时间，u(t)为端电压，U_k为第k次谐波电压幅值，为第k次谐波电压相角，U₁为基波电压的幅值，u_h为其余谐波电压总和，i(t)为相电流，I_k为第k次谐波电流幅值，为第k次谐波电流相角，I₁为基波相电流的幅值，i_h为其余谐波电流总和；

第三步骤，定义中间变量A和B：

公式⑶

公式⑷

式中，T为端电压基波的周期，ω为端电压基波的角频率，n代表对u(t)在0到T之间进行n点等间隔采样，u(k)为第k个点所采到得u(t)的电压值，为端电压基波的相位，U₁为端电压基波的幅值；

由公式⑶、⑷得到该相的基波端电压的表达式为：

公式⑸

公式⑹

第四步骤，定义中间变量C和D：

公式⑺

公式⑻

式中，φ₁为相电流基波的相位，I₁为相电流基波的幅值；

由公式⑺、⑻得到该相的基波相电流的表达式为：

I₁cosφ₁＝2C公式⑼

I₁sinφ₁＝2D公式⑽

第五步骤，干式空心电抗器的基波端电压和基波相电流分别为：

公式⑾

公式⑿

干式空心电抗器的基波端电压和基波相电流之间的相位差为：

公式⒀

计算干式空心电抗器该相的基波损耗P_有的公式为：

公式⒁

P_有＝2(AC+BD)公式⒂

第六步骤，将公式⑾、⑿和⒀代入公式⒁中，得到公式⒂，将第三、四步骤计算获得的A、B、C和D代入公式⒂，即可获得干式空心电抗器该相的基波损耗。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：计算干式空心电抗器三相的基波损耗的公式为：

公式⒃

式中：U_A、U_B、U_C分别为3相端电压；I_A、I_B、I_C是3相的相电流； 则为3相端电压与相电流的相角。

3.一种使用权利要求1所述干式空心电抗器损耗检测方法的检测装置，其特征在于：它包括用于安装在干式空心电抗器的星架上采集端电压信号的阻容分压器、用于供电的取电线圈、用于采集相电流信号的电流互感器、采样电路、计算电路和无线传输电路，所述采样电路、计算电路、无线传输电路依次连接，所述阻容分压器、电流互感器和取电线圈分别通过导线将端电压信号、相电流信号和电力传输至采样电路，所述采样电路接收信号进行处理后，再将信号传送至计算电路，所述计算电路计算得到干式空心电抗器的基波损耗，并将基波损耗信息通过无线传输电路发送至外部的接收电路，以便由接收电路传送给显示器显示或经网线通报上位机。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于：所述采样电路采用AD芯片MAX1324，所述计算电路采用DSP28335芯片，AD芯片MAX1324接收电抗器的A、B、C三相采集的端电压信号和相电流信号，经过AD芯片MAX1324模数转换后，将转换后的数字信号输送到DSP28335芯片进行处理，计算得到干式空心电抗器的基波损耗。