CN112415341B - 一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法及系统，包括电磁式电压互感器，所述方法包括以下步骤：将一次侧绕组的电压升高一预设比例；采集一次侧绕组的电流波形信号i₁；对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量；根据谐波分量，计算二次侧绕组的补偿电流；根据补偿电流对二次侧绕组进行电流补偿；判断一次侧绕组的电压是否达到预设值；若是，则可以抑制一次侧绕组的电流畸变；若否，则进入S1，重复S1至S6。通过在二次侧绕组处注入补偿电流，可以对一次侧绕组电流波形的畸变与谐波分量进行抑制，从而降低试验电源所需的容量，能够提高电磁式电压互感器交流耐压试验的可靠性与安全性。

Description

一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法以及系统

技术领域

本发明涉及耐压试验技术领域，具体涉及一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法以及系统。

背景技术

随着电力系统电压等级的不断提高，对于系统内各设备的绝缘要求也逐渐提高。电磁式电压互感器(PT)是电力系统中的关键部件，其运行状况对电力系统安全运行有着重大影响，而绝缘性能是决定电磁式电压互感器能否长期安全稳定运行的关键。耐压试验是考核电磁式电压互感器绝缘性能的有效方式，必须定期对电磁式电压互感器进行耐压试验，以保障电力系统的可靠供电与安全运行。

试验电源中的电流产生的谐波分量是电磁式电压互感器感应耐压试验中必须面对的一个问题：当向电磁式电压互感器端口施加试验电压时，电磁式电压互感器铁心将会进入磁饱和乃至深度磁饱和状态，这会使一次侧电流产生“尖顶波”的畸变，进而产生高次谐波分量。这对试验人员与设备安全造成了威胁。由于耐压试验电压等级较高，电磁式电压互感器铁心往往会进入深度饱和状态，此时试验电源电流畸变严重，被试绕组两端电压的微小变化将引发较大的电流波动，为电源可靠供电增加了压力。

目前，电磁式电压互感器设备的耐压试验主要有工频耐压试验与倍频感应耐压试验，分别对电磁式电压互感器设备的主绝缘与纵绝缘进行考核。由于耐压试验的试验电压一般为设备额定电压的2-3倍，将会使铁心严重饱和，同时令试验电源侧电流产生严重畸变。为了降低铁心磁通，一种常用的方法是提高试验电压的频率。根据感应电动势公式E＝4.44·f·N·Φ可得，在电源幅值不变的情况下，当电源频率上升时，铁心磁通将会随之降低，从而达到抑制磁通的目的。但倍频耐压试验也存在其问题，倍频电源造价较高、电源体积大且对并联电抗器要求高，这使得倍频耐压试验需要消耗更多的人力物力，增加了试验难度。因而有必要提出一种更加合理的电磁式电压互感器耐压试验方案。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法及系统，可以对一次侧绕组电流波形的畸变与谐波分量进行抑制，从而降低试验电源所需的容量，提高电磁式电压互感器交流耐压试验的可靠性与安全性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，包括电磁式电压互感器，所述方法包括以下步骤：

S1、将电磁式电压互感器的一次侧绕组的电压升高一预设比例；

S2、采集一次侧绕组的电流波形信号i₁；

S3、对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量；

S4、根据谐波分量，计算电磁式电压互感器的二次侧绕组的补偿电流，补偿电流计算公式为：

其中，一次侧绕组的数量为1个，匝数为N₁，二次侧绕组的数量为n-1个每个二次侧绕组的匝数为N_k，其中k＝2,3...n，式中i_k为各二次侧绕组的补偿电流，k＝2,3...n,i_h3、i_h5、i_h7分别为三次谐波分量，五次谐波分量，七次谐波分量，各系数k_ij均为正数，且满足：

其中j＝1,2,3；

S5、根据补偿电流对二次侧绕组进行电流补偿；

S6、判断一次侧绕组的电压是否达到预设值；

若是，则可以抑制一次侧绕组的电流畸变；

若否，则进入S1，重复S1至S6。

可选的，S1、将一次侧绕组的电压升高一预设比例，所述预设比例为3％-7％。

可选的，S5、根据补偿电流对二次侧绕组进行电流补偿，包括：通过PWM调制的方法在各个二次侧绕组上注入含有多次谐波的电流来进行补偿。

可选的，S3、对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量，所述谐波分量为奇次谐波分量。

可选的，S4、根据谐波分量，计算二次侧绕组的补偿电流，包括根据电流奇次谐波分量，计算二次侧绕组的补偿电流。

可选的，S6、对二次侧绕组进行电流补偿后，采集一次侧电流波信号i'₁，判断i'₁的波形是否畸变，所述判断i'₁的波形是否畸变为判断i'₁的波形是否为标准正弦电流波形。

本发明还提供一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验系统，包括：

供电模块，用于提供电磁式电压互感器的一次侧绕组所需要的电压以及补偿电磁式电压互感器的二次侧绕组所需要的补偿电流；

采集模块，用于采集一次侧绕组的电流波形信号；

控制模块，与采集模块相连，用于计算二次侧绕组的补偿电流，控制供电模块对二次侧绕组进行电流补偿，补偿电流计算公式为：

其中，一次侧绕组的数量为1个，匝数为N₁，二次侧绕组的数量为n-1个，每个二次侧绕组的匝数为N_k，其中k＝2,3...n，式中i_k为各二次侧绕组的补偿电流，k＝2,3...n,i_h3、i_h5、i_h7分别为三次谐波分量，五次谐波分量，七次谐波分量，各系数k_ij均为正数，且满足：

其中j＝1,2,3。

可选的，电流波形信号包括对二次侧绕组进行电流补偿前的电流波形信号i₁和对二次侧绕组进行电流补偿后，采集一次侧绕组电流波信号i'₁；所述控制模块对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量，根据谐波分量，计算二次侧绕组的补偿电流。

由于采用了上述技术方案，本发明的基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法具有如下的优点：通过在二次侧绕组处注入补偿电流，可以对一次侧绕组电流波形的畸变与谐波分量进行抑制，从而降低试验电源所需的容量，能够提高电磁式电压互感器交流耐压试验的可靠性与安全性。

附图说明

图1是本发明第一实施例基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法的流程图；

图2是本发明第一实施例的电磁式电压互感器示意图；

图3是本发明第一实施例的PWM原理图；

图4为本发明第二实施例基于谐波补偿原理的交流耐压试验系统的示意图；

图中标记为：

电磁式电压互感器100，一次侧绕组1，二次侧绕组2，供电模块3，采集模块4，控制模块5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例一：

如图1至图3所示，一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，包括电磁式电压互感器100，所述方法包括以下步骤：

S1、将电磁式电压互感器100的一次侧绕组1的电压升高一预设比例；

S2、采集一次侧绕组1的电流波形信号i₁；

S3、对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量；

S4、根据谐波分量，计算电磁式电压互感器100的二次侧绕组2的补偿电流；

S5、根据补偿电流对二次侧绕组2进行电流补偿；

S6、判断一次侧绕组1的电压是否达到预设值；

若是，则可以抑制一次侧绕组1的电流畸变；

若否，则进入S1，重复S1至S6。

具体的，S1、将一次侧绕组1的电压升高一预设比例，所述预设比例为3％-7％。作为本发明的优选实施例，所述预设比例为5％，当然，在本发明的其他可替换实施方式中，所述预设比例还可以是其他数值，如3％、4％、6％、7％等。S6中，可以是对所述二次侧绕组2进行电流补偿后，采集所述一次侧绕组1的电流波信号i'₁，确认可以抑制一次侧绕组1的电流畸变。

所述电磁式电压互感器100的一次侧绕组1的数量为1个，匝数为N₁；二次侧绕组2的数量为n-1个，每个二次侧绕组2的匝数为N_k，其中k＝2,3...n。所述一次侧绕组1流过的电流为i₁,电压为u₁，所述二次侧绕组2为谐波补偿绕组，通入补偿电流进行谐波补偿，分别记为i₂、i₃…i_n。该电磁式电压互感器100的电磁关系如下：

式中，H为电磁式电压互感器100铁心的磁场强度，B为铁心中的磁感应强度，Φ为铁心中流过的磁通，dS为磁通对铁心横截面积的积分量，该式阐述了进行耐压试验以及谐波补偿时电磁式电压互感器100中的电磁关系。

进行常规交流耐压试验时，给电磁式电压互感器100的一次侧绕组1施加交流耐压试验电压，二次侧绕组2开路，令电流为零。由于交流耐压试验电压一般为电磁式电压互感器100额定电压的2-3倍，此时电磁式电压互感器100铁心将会进入深度饱和状态，一侧次绕组1电流将会产生尖顶波的畸变，幅值远远超过非饱和状态时的电流。这会给提供交流耐压试验电压的试验电源带来压力，并直接影响试验的安全进行。该基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法通过在所述二次侧绕组2中注入补偿电流的方式抑制一次侧绕组1的电流波形畸变，使得测试过程更加安全稳定，保障了人员与设备的安全。

具体的，S3、对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量，作为本发明的优选实施例，所述谐波分量为高次谐波分量，且具体可以为奇次谐波分量，包括电流基波分量、三次谐波分量、五次谐波分量、七次谐波分量等，分别将电流基波分量、三次谐波分量、五次谐波分量、七次谐波分量等记为i_h1、i_h3、i_h5、i_h7，则有：i₁＝i_h1+i_h3+i_h5+i_h7+…。

分别对三次谐波、五次谐波、七次谐波等进行补偿，一般地，可以根据所述二次侧绕组2各个绕组的容量，灵活设置各个绕组的补偿电流大小，以满足各个绕组容量限制要求。

结合图3所示，优选的，S5根据补偿电流对二次侧绕组2进行电流补偿，包括：通过PWM调制的方法在各个二次侧绕组2上注入含有多次谐波的电流来进行补偿。PWM(PulseWidth Modulation)控制就是通过对输出脉冲宽度的调制，获取期望得到的波形。脉宽调制的理论基础是冲量定理：冲量相同而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。谐波补偿的控制电路由电力电子元件组成，采用电力电子元件装置进行谐波补偿，可以采用现有的SPWM(Sinusoidal PWM)技术，研究多电平拓扑结构电流补偿方法，设计主电路及控制电路；SPWM法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。

根据PWM控制的基本原理，若已知逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲宽度和间隔即可准确计算，按照计算结果控制电力电子元件中开关器件的通断，即可得到SPWM波形，此方法称为计算法。但是计算法非常繁琐，当需要输出的正弦波参数改变时结果就要变化，所以采用一种与计算法相对应的调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的SPWM波。

所述二次侧绕组2的补偿电流计算公式为：

其中各系数k_ij均为正数，且满足：

其中j＝1,2,3。

对二次侧绕组2的各个绕组进行电流补偿后，根据补偿方式，联立公式，由于电源电压u₁的波形没有发生变化，所以Φ的波形不会变化。设补偿后的一次侧电流为i₁′，则有：

i₁′＝i_h1+i_h9+i_h11+…

由于七次以上的电流谐波可以忽略不记，则可视为：i₁′＝i_h1。

此时的i₁′可视为仅保留了未补偿前一次侧绕组1电流的基波分量，波形为标准正弦电流波形，其幅值将处于正常范围内，不会对供电设备造成危害。

本发明的基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，通过在二次侧绕组2处注入补偿电流，可以对一次侧绕组1电流波形的畸变与谐波分量进行抑制，从而降低试验电源所需的容量，增加电磁式电压互感器100交流耐压试验的可靠性与安全性；同时，能够在满足各个二次侧绕组2容量要求的情况下获得更高的试验电压，充分满足了对于绝缘的检验要求。

实施例二：

结合图4所示，本发明还提供一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验系统，包括：

供电模块3，用于提供一次侧绕组1所需要的电压以及补偿二次侧绕组2所需要的补偿电流；

采集模块4，用于采集一次侧绕组1的电流波形信号；

控制模块5，与采集模块4相连，用于计算二次侧绕组2的补偿电流，控制供电模块3对二次侧绕组2进行电流补偿。

具体的，采集一次侧绕组1的电流波形信号包括：采集对二次侧绕组2进行电流补偿前的电流波形信号i₁，和采集对二次侧绕组2进行电流补偿后一次侧绕组1的电流波信号i'₁；所述控制模块5对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量，根据谐波分量，计算二次侧绕组2的补偿电流。

该基于谐波补偿原理的交流耐压试验系统，在对电磁式电压互感器100进行交流耐压试验时，通过在二次侧绕组2处注入补偿电流，可以对一次侧绕组1电流波形的畸变与谐波分量进行抑制，从而降低试验电源所需的容量，增加电磁式电压互感器100交流耐压试验的可靠性与安全性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，包括电磁式电压互感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将电磁式电压互感器的一次侧绕组的电压升高一预设比例；

S2、采集一次侧绕组的电流波形信号i₁；

S3、对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量；

S4、根据谐波分量，计算电磁式电压互感器的二次侧绕组的补偿电流，补偿电流计算公式为：

其中，一次侧绕组的数量为1个，匝数为N₁，二次侧绕组的数量为n-1个每个二次侧绕组的匝数为N_k，其中k＝2,3...n，式中i_k为各二次侧绕组的补偿电流，k＝2,3...n,i_h3、i_h5、i_h7分别为三次谐波分量，五次谐波分量，七次谐波分量，各系数k_ij均为正数，且满足：

其中j＝1,2,3；

S5、根据补偿电流对二次侧绕组进行电流补偿；

S6、判断一次侧绕组的电压是否达到预设值；

若是，则可以抑制一次侧绕组的电流畸变；

若否，则进入S1，重复S1至S6。

2.如权利要求1所述的基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，其特征在于，S1、将一次侧绕组的电压升高一预设比例，所述预设比例为3％-7％。

3.如权利要求1所述的基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，其特征在于，S5根据补偿电流对二次侧绕组进行电流补偿，包括：通过PWM调制的方法在各个二次侧绕组上注入含有多次谐波的电流来进行补偿。

4.如权利要求1所述的基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，其特征在于，S3、对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量，所述谐波分量为奇次谐波分量。

5.如权利要求4所述的基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，其特征在于，S4、根据谐波分量，计算二次侧绕组的补偿电流，包括根据电流奇次谐波分量，计算二次侧绕组的补偿电流。

6.如权利要求5所述的基于谐波补偿原理的交流耐压试验方法，其特征在于，S6、对二次侧绕组进行电流补偿后，采集一次侧电流波信号i'₁，判断i'₁的波形是否畸变，所述判断i'₁的波形是否畸变为判断i'₁的波形是否为标准正弦电流波形。

7.一种基于谐波补偿原理的交流耐压试验系统，其特征在于，包括：

供电模块，用于提供电磁式电压互感器的一次侧绕组所需要的电压以及补偿电磁式电压互感器的二次侧绕组所需要的补偿电流；

采集模块，用于采集一次侧绕组的电流波形信号；

控制模块，与采集模块相连，用于计算二次侧绕组的补偿电流，控制供电模块对二次侧绕组进行电流补偿，补偿电流计算公式为：

其中，一次侧绕组的数量为1个，匝数为N₁，二次侧绕组的数量为n-1个，每个二次侧绕组的匝数为N_k，其中k＝2,3...n，式中i_k为各二次侧绕组的补偿电流，k＝2,3...n,i_h3、i_h5、i_h7分别为三次谐波分量，五次谐波分量，七次谐波分量，各系数k_ij均为正数，且满足：

其中j＝1,2,3。

8.如权利要求7所述的基于谐波补偿原理的交流耐压试验系统，其特征在于，所述电流波形信号包括对二次侧绕组进行电流补偿前的电流波形信号i₁和对二次侧绕组进行电流补偿后，采集一次侧绕组电流波信号i'₁；所述控制模块对i₁进行傅里叶分解，获取其谐波分量，根据谐波分量，计算二次侧绕组的补偿电流。

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