CN107525976B - 一种电力电容器噪声激励电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电容器噪声激励电路及方法，包括试验电容器、直流电压源和交流电压源，直流电压源通过保护电阻连接在试验电容器的两端之间，交流电压源通过隔直电容连接在试验电容器的两端之间，且试验电容器的两端并联有电压测量设备。本发明能够施加预设激励，产生单频或多频噪声，再利用电容器噪声功率与电压的关系以及不同频率正弦量的正交性计算得出全电流施加时的总噪声功率。

Description

一种电力电容器噪声激励电路及方法

技术领域

本发明涉及电力电容器领域，具体涉及一种电力电容器噪声激励电路及方法。

背景技术

随着超高压、特高压直流输电工程越来越多，在超高压、特高压直流输电系统在交、直流变换过程中，产生大量谐波。谐波电流通过交流并联、滤波电容器和直流滤波电容器时，电容器会产生较大的噪声，对周围居民的工作、生活产生不利影响。

为了测量电容器噪声的大小，需要在实验室对电容器施加激励以使之产生噪声，目前使用的激励方法是将实际的电流波形直接施加于电容器单元。由于电容器在交流电压下会流过较大的电流，因此该方法需要容量很大的试验变压器和谐波源并需要并联电抗器补偿容性电流，体积大、造价高、技术难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力电容器噪声激励电路及方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明能够施加预设激励，产生单频或多频噪声，再利用电容器噪声功率与电压的关系以及不同频率正弦量的正交性计算得出全电流施加时的总噪声功率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力电容器噪声激励电路，包括试验电容器、直流电压源和交流电压源，直流电压源与保护电阻串联后，并联在试验电容器的两端，交流电压源与隔直电容串联后，并联在试验电容器的两端，且试验电容器的两端并联有电压测量设备。

进一步地，交流电压源为频率和幅值可调的单频电源或多次谐波共同加载的多频电源。

进一步地，直流电压源为电压可调的直流电压源或电流可调的直流电压源。

一种基于上述电力电容器噪声激励电路的电力电容器噪声激励方法，包括以下步骤：

步骤一：根据试验电容器的电容量及谐波电流计算不同噪声角频率的参考电压幅值U_ref；

步骤二：在同时施加交流电压源和直流电压源的情况下，根据不同噪声频率的参考电压幅值计算直流电压与各次交流电压的关系，并结合试验电容器的电容量确定直流电压和各次交流电流的大小，使谐波功率在交流电压源的额定容量范围内；

步骤三：升高直流电压至设置值，然后给试验电容器注入交流电流至设置值，并通过电压测量设备观察电压是否与设置值相符，如不相符应重复步骤一和步骤二进行验算，如相符即进行噪声测量。

进一步地，还包括以下步骤：

步骤四：测量结束后，先降低交流电流的注入至零并关闭交流电压源，再关闭直流电压源，让试验电容器通过保护电阻进行放电，并用电压测量设备观察试验电容器的剩余电压；

步骤五：当试验电容器剩余电压降低至零或者允许的放电电压时，用接地棒接触试验电容器高压接线端子，使试验电容器彻底放电。

进一步地，步骤一中噪声角频率为ω_n的参考电压幅值U_ref按如下公式计算：

其中，U_j表示角频率为ω_j的电压幅值，U_k表示角频率为ω_k的电压幅值，i为虚数单位，j,k,n均为正整数，表示频率谐波次数，且满足条件j±k＝n，参考电压幅值为U_ref，参考电压的角频率ω_ref＝ω_n/2。

进一步地，步骤二中参考电压、直流电压和交流电压满足如下关系式：

其中，U_dc为直流电压幅值，U_ac为交流电压幅值，交流电压的频率f_ac＝2f_ref，f_ref为参考电压的频率，升高直流电压U_dc，使U_dc>10U_ac，若交流源的容量不满足试验需求，则继续增加直流电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的噪声激励电路能够施加预设激励，产生单频或多频噪声，再利用电容器噪声功率与电压的关系以及不同频率正弦量的正交性计算得出全电流施加时的总噪声功率。

本发明的噪声激励方法中试验电容器在直流电压下呈高阻态，同时，升高直流电压可相应降低谐波电压而保持总激励效果不变，因此设备总容量降低；且该方法产生频率明确的噪声信号，在测量时可滤除其他频率信号，由于背景白噪声为宽频信号，在单个频率点的能量很小，因此利用该方法激励电容器使之产生噪声，可降低对试验环境的要求。

附图说明

图1为本发明的电力电容器噪声激励电路图；

图2为等效电压800V时交流电压与直流电压的关系。

其中，1、直流电压源，2、交流电压源，3、隔直电容，4、电压测量设备，5、保护电阻，6、试验电容器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，一种电力电容器噪声激励电路，包括试验电容器6、直流电压源1和交流电压源2，直流电压源1的作用是提高激励水平，交流电压源2的作用是施加扰动，使试验电容器6产生相应频率的噪声，直流电压源1通过保护电阻5连接在试验电容器6的两端之间，交流电压源2通过隔直电容3连接在试验电容器6的两端之间，且试验电容器6的两端并联有电压测量设备4。

交流电压源2为频率和幅值可调的单频电源或多次谐波共同加载的多频电源，直流电压源1为电压可调的直流电压源或电流可调的直流电压源，激励效果与试验电容器6上的直流电压和交流电压的乘积有关。

一种电力电容器噪声激励方法，包括以下步骤：

步骤一：根据试验电容器6的电容量及客户标准中要求注入谐波电流计算各次谐波电压的幅值，计算公式为其中，I_i为角频率为ω_i的电流幅值，U_i为角频率为ω_i的电压幅值，若电压由多个谐波叠加而成，其时域波形表示为式中，为角频率为ω_i的电压的相位，t为时间，角频率为ω_n的参考电压幅值为式中，U_ref为参考电压的幅值，参考电压的角频率ω_ref＝ω_n/2，U_j为角频率为ω_j的电压幅值，U_k为角频率为ω_k的电压幅值，i为虚数单位。

步骤二：在同时施加交流电压源2和直流电压源1的情况下，参考电压的幅值U_ref、直流电压幅值U_dc以及交流电压幅值U_ac满足关系式交流电压的频率f_ac通过参考电压的频率f_ref进行计算，公式为f_ac＝2f_ref，升高直流电压U_dc，使U_dc>10U_ac，若交流源的容量不满足试验需求，可继续增加直流电压。

步骤三：按电路图连接好试验电路，升高直流电压至设置值，然后给试验电容器6注入交流电流至设置值，并通过电压测量设备4观察电压是否与预设值相符，如不相符应重复步骤一和步骤二进行验算，如相符即进行噪声测量。

步骤四：测量结束后，先降低交流电流的注入至零并关闭交流电压源2，再关闭直流电压源1，让试验电容器6通过保护电阻5进行放电，并用电压测量设备4观察试验电容器6的剩余电压；

步骤五：当试验电容器6剩余电压降低至零或者允许的放电电压时，用接地棒接触试验电容器6高压接线端子，使试验电容器6彻底放电。

步骤六：用粗导线将试验电容器6两端短路后，拆除连接线。

下面对本发明的应用原理做详细描述：

电容器心子在交变电压下产生的振动并进一步产生机械波，该机械波到达电容器箱壳后，使箱壳发生振动从而产生噪声。

电容器心子振动的功率与施加的电压有确定的数学关系，同时，由于箱壳振动的幅值很小，其振动过程为线性过程，因此箱壳对心子传来的机械波的耦合系数只与频率有关且外壳振动频率与心子振动频率相同；而不同频率的正弦量相互正交，因此可以先产生并测量单次或多次频率，然后将所有频率叠加的方法计算出全频率下电容器的总噪声水平。

噪声激励方法理论推导如下：

电容器极板所受电动力的大小如下式所示：

式中

U—电容器两端电压

C—电容量

x—介质厚度

若U为直流电压与正弦电压的叠加，则电容器极板的受力如下式所示：

式中

U_dc—直流电压

U_i—角频率为ω_i的电压的幅值

—角频率为ω_i的电压的相位

其中，C为电容器的电容量，x为电容器介质厚度；

上式中产生噪声的分量为V’_dc、V’_p以及V’_m，若直流电压远大于各次谐波电压，上式可化简为：

产生的噪声大小由U_dc决定，频率等于谐波电压的频率。

若某频率参考电压幅值为U_ref，频率为f_ref，试验直流电压幅值为U_dc，试验交流电压幅值为U_ac，频率为f_ac，则有下面关系：

f_ref＝f_ac/2

若U_ref＝800V，交流电压与直流电压的关系如图2所示，可取U_ac＝60V，则U_dc＝2700V，若试验电容器容量为10μF，要产生5000Hz噪声，按照直接加压的方式，谐波电源的最小容量为100kVA；若使用直流叠加法，谐波电源的容量仅为1.2kVA，整个激励源的制造难度和成本都将大幅度降低。

Claims (4)

1.一种电力电容器噪声激励方法，其特征在于，基于电力电容器噪声激励电路，所述电力电容器噪声激励电路包括试验电容器(6)、直流电压源(1)和交流电压源(2)，直流电压源(1)与保护电阻(5)串联后，并联在试验电容器(6)的两端，交流电压源(2)与隔直电容(3)串联后，并联在试验电容器(6)的两端，且试验电容器(6)的两端并联有电压测量设备(4)；

具体包括以下步骤：

步骤一：根据试验电容器(6)的电容量及谐波电流计算不同噪声角频率的参考电压幅值U_ref；

步骤二：在同时施加交流电压源(2)和直流电压源(1)的情况下，根据不同噪声频率的参考电压幅值计算直流电压与各次交流电压的关系，并结合试验电容器(6)的电容量确定直流电压和各次交流电流的大小，使谐波功率在交流电压源(2)的额定容量范围内；

步骤三：升高直流电压至设置值，然后给试验电容器(6)注入交流电流至设置值，并通过电压测量设备(4)观察电压是否与设置值相符，如不相符应重复步骤一和步骤二进行验算，如相符即进行噪声测量。

2.根据权利要求1所述的一种电力电容器噪声激励方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤四：测量结束后，先降低交流电流的注入至零并关闭交流电压源(2)，再关闭直流电压源(1)，让试验电容器(6)通过保护电阻(5)进行放电，并用电压测量设备(4)观察试验电容器(6)的剩余电压；

步骤五：当试验电容器(6)剩余电压降低至零或者允许的放电电压时，用接地棒接触试验电容器(6)高压接线端子，使试验电容器(6)彻底放电。

3.根据权利要求1所述的一种电力电容器噪声激励方法，其特征在于，步骤一中噪声角频率为ω_n的参考电压幅值U_ref按如下公式计算：

其中，U_j表示角频率为ω_j的电压幅值，U_k表示角频率为ω_k的电压幅值，i为虚数单位，j,k,n均为正整数，表示频率谐波次数，且满足条件j±k＝n，参考电压幅值为U_ref，参考电压的角频率ω_ref＝ω_n/2。

4.根据权利要求1所述的一种电力电容器噪声激励方法，其特征在于，步骤二中参考电压、直流电压和交流电压满足如下关系式：

其中，U_dc为直流电压幅值，U_ac为交流电压幅值，交流电压的频率f_ac＝2f_ref，f_ref为参考电压的频率，升高直流电压U_dc，使U_dc>10U_ac，若交流源的容量不满足试验需求，则继续增加直流电压。