CN109901096A - 一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统和方法，包括同步采集卡、电压变换器、电容式电压互感器和电磁式电压互感器，电容式电压互感器和电磁式电压互感器一次侧均连接到高压母线，二次侧均通过二次电缆连接到电压变换器，两电压变换器连接到同步采集卡，同步采集卡上还连接有环境温度测量模块、环境湿度测量模块和泄露电流测量模块。本发明将电磁式电压互感器作为标准PT和电容式电压互感器分别同时采集电压信号，以标准PT的信号为标准，通过计算得到CVT获取的信号与标准信号之间的比差(幅值和相位)来判断CVT的运行状况，若是误差超过了所设定的允许范围，说明CVT出现问题，需要及时对CVT进行检修或者更换。

Description

一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统和方法

技术领域

本发明属于CVT试验设备技术领域，涉及一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统和方法。

背景技术

目前电容式电压互感器(CVT)由于其绝缘强度高、成本低等优点，广泛应用于高压电网中作为电压监测设备，其测量结果是二次计量、继电保护、监控设备的重要依据。但CVT的等效电路较传统PT更为复杂，增加了电容分压器、补偿电抗器等部件，因此其计量准确度会受到更多因素影响。电源频率、环境温度、二次负载、环境湿度和污秽、环境电场等因素都会影响CVT的电气等效参数，进而造成绝缘性能下降、误差超差、故障率高等问题。目前CVT周检时期长，不能及时发现CVT计量误差超差等问题，无法在线监测CVT的计量精度，并及时对出现故障CVT进行维修或者更换。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统和试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统，包括同步采集卡、电压变换器、电容式电压互感器和电磁式电压互感器，电容式电压互感器和电磁式电压互感器一次侧均连接到高压母线，二次侧均通过二次电缆连接到电压变换器，两电压变换器连接到同步采集卡，同步采集卡上还连接有环境温度测量模块、环境湿度测量模块和泄露电流测量模块。

同步采集卡还连接有差分放大器和增益相位信号调节模块，差分放大器连接到两电压变换器。

一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，该方法为：设高压母线上的电压信号为U₁(t)，通过隔离开关将电压信号输入给电容式电压互感器和电磁式电压互感器，经过电容式电压互感器、二次电缆和电磁式电压互感器、二次电缆后电压信号分别变为U₃(t)和U₃'(t)；使用同步采集卡同时采集U₃(t)和U₃'(t)，以及两者经过差分放大器后输出的电压信号，设通过电磁式电压互感器转换传输进入采集卡的电压信号幅值和相角分别为U_P、通过电容式电压互感器转换和传输进入高精度采集卡的电压信号幅值和相角分别为U_C、计算误差，以百分比表示，如下式所示：

如果ΔU和超过了所设定的阈值，则系统发出报警。

信号传输数据经过二次电缆和电压变换器的计算模型：

设U₁(t)、U₂(t)、U₃(t)、U₄(t)分别代表CVT高压侧、CVT低压侧(二次电缆首端)和二次电缆末端、电压变换器的时域电压信号，U₁(s)、U₂(s)、U₃(s)、U₄(s)分别是其各自对应的频域表达式，将二次电缆和电压变换器分别等效为二端口电路模型；

设T₁为二次电缆二端口网络的传输参数，T₂为电压变换器二端口网络的传输参数，其表达式如下：

设T为计量在线监测系统电容式电压互感器整体二端口网络的传输参数，结合上式可得：

其中：

A(s)＝A₁(s)*A₂(s)+B₁(s)*C₂(s)

B(s)＝A₁(s)*B₂(s)+B₁(s)*D₂(s)

C(s)＝C₁(s)*A₂(s)+D₁(s)*C₂(s)

D(s)＝C₁(s)*B₂(s)+D₁(s)*D₂(s)

A、A₁、A₂均表示二端口网络输出端开路时输入和输出端的电压比；

B、B₁、B₂均表示二端口网络短路时输入电压和输出电流之比；

C、C₁、C₂均表示二端口网络输出端开路时输入电流和输出电压之比；

D、D₁、D₂均表示二端口网络输出端短路时输入和输出电流之比；

A、A₁、A₂和D、D₁、D₂为无量纲系数；

B、B₁、B₂具有电阻量纲；

C、C₁、C₂具有电导量纲；

设T为电容式电压互感器支路二端口网络的传输参数、T'为电磁式电压互感器支路的二端口网络的传输参数，根据两传输参数的结果通过信号调节模块对差分放大器进行调节，使得差分放大器输出的相位误差和幅值误差均为零。

一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，还包括环境温度测量模块测量温度和电容式电压互感器的电容量的变化，获得电容式电压互感器的电容量与温度间的变化曲线。

一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，还包括环境湿度测量模块测量的湿度和泄露电流测量模块测得的泄露电流，根据湿度和泄露电流获得电容式电压互感器的外绝缘污秽程度，具体计算公式为：

其中，R_w0为确定非饱和湿润下瓷套表面单位面积等效直流电阻，R_H相对湿度，两者之间呈指数函数关系，_ρESDD为盐密，与R_w0之间呈幂函数的关系，其中K，a，b为与瓷套表面等效直流电阻相关的系数。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明将电磁式电压互感器作为标准PT和电容式电压互感器CVT分别同时采集电压信号，以标准PT采得的信号为标准，通过计算得到CVT获取的信号与标准信号之间的比差(幅值和相位)，以此来判断CVT的运行状况，若是误差超过了所设定的允许范围，说明CVT出现问题，需要及时对CVT进行检修或者更换，该监测系统能够有效、实时反映出CVT的计量状况。

附图说明

图1为CVT计量精度在线监测系统结构图；

图2为CVT计量精度在线监测设备二端口网络图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图2所示，一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统，包括高精度的同步采集卡、高精度的电压变换器、电容式电压互感器和电磁式电压互感器，电容式电压互感器和电磁式电压互感器一次侧均连接到高压母线，二次侧均通过二次电缆连接到高精度的电压变换器，两电压变换器连接到同步采集卡，同步采集卡上还连接有环境温度测量模块、环境湿度测量模块和泄露电流测量模块。

同步采集卡还连接有差分放大器和增益相位信号调节模块，差分放大器连接到两电压变换器。

实施例2：一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，该方法为：设高压母线上的电压信号为U₁(t)，通过隔离开关将电压信号输入给电容式电压互感器和电磁式电压互感器，经过电容式电压互感器、二次电缆和电磁式电压互感器、二次电缆后电压信号分别变为U₃(t)和U₃'(t)；使用同步采集卡同时采集U₃(t)和U₃'(t)，以及两者经过差分放大器后输出的电压信号，设通过电磁式电压互感器转换传输进入采集卡的电压信号幅值和相角分别为U_P、通过电容式电压互感器转换和传输进入高精度采集卡的电压信号幅值和相角分别为U_C、计算误差，以百分比表示，如下式所示：

如果ΔU和超过了所设定的阈值，则系统发出报警。

信号传输数据经过二次电缆和电压变换器的计算模型：

设U₁(t)、U₂(t)、U₃(t)、U₄(t)分别代表CVT高压侧、CVT低压侧(二次电缆首端)和二次电缆末端、电压变换器的时域电压信号，U₁(s)、U₂(s)、U₃(s)、U₄(s)分别是其各自对应的频域表达式，将二次电缆和电压变换器分别等效为二端口电路模型；

设T₁为二次电缆二端口网络的传输参数，T₂为电压变换器二端口网络的传输参数，其表达式如下：

设T为计量在线监测系统电容式电压互感器整体二端口网络的传输参数，结合上式可得：

其中：

A(s)＝A₁(s)*A₂(s)+B₁(s)*C₂(s)

B(s)＝A₁(s)*B₂(s)+B₁(s)*D₂(s)

C(s)＝C₁(s)*A₂(s)+D₁(s)*C₂(s)

D(s)＝C₁(s)*B₂(s)+D₁(s)*D₂(s)

A、A₁、A₂均表示二端口网络输出端开路时输入和输出端的电压比；

B、B₁、B₂均表示二端口网络短路时输入电压和输出电流之比；

C、C₁、C₂均表示二端口网络输出端开路时输入电流和输出电压之比；

D、D₁、D₂均表示二端口网络输出端短路时输入和输出电流之比；

A、A₁、A₂和D、D₁、D₂为无量纲系数；

B、B₁、B₂具有电阻量纲；

C、C₁、C₂具有电导量纲；

设T为电容式电压互感器支路二端口网络的传输参数、T'为电磁式电压互感器支路的二端口网络的传输参数，因为设备差异以及其它影响因素，两者的传输参数矩阵不可能完全相同，因此，根据两传输参数的结果通过信号调节模块对差分放大器进行调节，使得差分放大器输出的相位误差和幅值误差均为零。

一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，还包括环境温度测量模块测量温度和电容式电压互感器的电容量的变化，获得电容式电压互感器的电容量与温度间的变化曲线。

一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，还包括环境湿度测量模块测量的湿度和泄露电流测量模块测得的泄露电流，环境湿度增加和外部污秽沉积，会造成CVT外绝缘泄漏电流增加，表面电阻减小。该过程会改变CVT的等值电路参数，尤其是当多节CVT在污秽严重区域运行时，流过上节电容器表面的阻性电流会通过连接金具流入下节电容器内部，与电容电流一起流入分压回路，引起测量误差，根据湿度和泄露电流获得电容式电压互感器的外绝缘污秽程度，具体计算公式为：

其中，R_w0为确定非饱和湿润下瓷套表面单位面积等效直流电阻，R_H相对湿度，两者之间呈指数函数关系，ρ_ESDD为盐密，与R_w0之间呈幂函数的关系，其中K，a，b为与瓷套表面等效直流电阻相关的系数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统，其特征在于：包括同步采集卡、电压变换器、电容式电压互感器和电磁式电压互感器，电容式电压互感器和电磁式电压互感器一次侧均连接到高压母线，二次侧均通过二次电缆连接到电压变换器，两电压变换器连接到同步采集卡，同步采集卡上还连接有环境温度测量模块、环境湿度测量模块和泄露电流测量模块。

2.根据权利要求1所述的一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统，其特征在于：同步采集卡还连接有差分放大器和增益相位信号调节模块，差分放大器连接到两电压变换器。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，其特征在于：该方法为：设高压母线上的电压信号为U₁(t)，通过隔离开关将电压信号输入给电容式电压互感器和电磁式电压互感器，经过电容式电压互感器、二次电缆和电磁式电压互感器、二次电缆后电压信号分别变为U₃(t)和U₃'(t)；使用同步采集卡同时采集U₃(t)和U₃'(t)，以及两者经过差分放大器后输出的电压信号，设通过电磁式电压互感器转换传输进入采集卡的电压信号幅值和相角分别为U_P、通过电容式电压互感器转换和传输进入高精度采集卡的电压信号幅值和相角分别为U_C、计算误差，以百分比表示，如下式所示：

如果ΔU和超过了所设定的阈值，则系统发出报警。

4.根据权利要求3所述的一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，其特征在于：信号传输数据经过二次电缆和电压变换器的计算模型：

设U₁(t)、U₂(t)、U₃(t)、U₄(t)分别代表CVT高压侧、CVT低压侧和二次电缆末端、电压变换器的时域电压信号，U₁(s)、U₂(s)、U₃(s)、U₄(s)分别是其各自对应的频域表达式，将二次电缆和电压变换器分别等效为二端口电路模型；

设T₁为二次电缆二端口网络的传输参数，T₂为电压变换器二端口网络的传输参数，其表达式如下：

设T为计量在线监测系统电容式电压互感器整体二端口网络的传输参数，结合上式可得：

其中：

A(s)＝A₁(s)*A₂(s)+B₁(s)*C₂(s)

B(s)＝A₁(s)*B₂(s)+B₁(s)*D₂(s)

C(s)＝C₁(s)*A₂(s)+D₁(s)*C₂(s)

D(s)＝C₁(s)*B₂(s)+D₁(s)*D₂(s)

A、A₁、A₂均表示二端口网络输出端开路时输入和输出端的电压比；

B、B₁、B₂均表示二端口网络短路时输入电压和输出电流之比；

C、C₁、C₂均表示二端口网络输出端开路时输入电流和输出电压之比；

D、D₁、D₂均表示二端口网络输出端短路时输入和输出电流之比；

A、A₁、A₂和D、D₁、D₂为无量纲系数；

B、B₁、B₂具有电阻量纲；

C、C₁、C₂具有电导量纲；

设T为电容式电压互感器支路二端口网络的传输参数、T'为电磁式电压互感器支路的二端口网络的传输参数，根据两传输参数的结果通过信号调节模块对差分放大器进行调节，使得差分放大器输出的相位误差和幅值误差均为零。

5.根据权利要求3所述的一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，其特征在于：还包括环境温度测量模块测量温度和电容式电压互感器的电容量的变化，获得电容式电压互感器的电容量与温度间的变化曲线。

6.根据权利要求1所述的一种电容式电压互感器计量精度在线监测系统的监测方法，其特征在于：还包括环境湿度测量模块测量的湿度和泄露电流测量模块测得的泄露电流，根据湿度和泄露电流获得电容式电压互感器的外绝缘污秽程度，具体计算公式为：

其中，R_w0为确定非饱和湿润下瓷套表面单位面积等效直流电阻，R_H相对湿度，两者之间呈指数函数关系，ρ_ESDD为盐密，与R_w0之间呈幂函数的关系，其中K，a，b为与瓷套表面等效直流电阻相关的系数。