無接觸式電壓測量裝置及無接觸式電壓測量方法

2023-06-23 16:43:16 1

專利名稱：無接觸式電壓測量裝置及無接觸式電壓測量方法
技術領域：
本發明涉及電力技術領域，特別涉及一種無接觸式電壓測量裝置及無接觸式電壓 測量方法。
背景技術：
在目前對高電壓信號的測量中，所採用的其中一種方式是採用高壓分壓器來進行 測量，高壓分壓器是電網過電壓檢測中常用的獲取高壓信號的裝置，主要有電阻分壓器、電 容分壓器和阻容分壓器等幾種結構形式，圖1是文獻《基於電容分壓的配電網過壓在線檢 測》一文中示出的電容分壓器的結構示意圖，圖示中C1為高壓部分，採用聚苯乙烯電容器， C2為低壓臂，採用多個脈衝電容構成，使用高壓分壓器配合採集卡能夠較準確地測量電網 中的電壓信號，但是存在著以下的局限性高壓、超高壓以及特高壓系統的分壓器價格昂 貴、體積巨大，需要長期並聯於電網運行，且存在直接的電的聯繫，對人身和測量設備而言 都存在著安全隱患，此外，已安裝在電網中的分壓器是電網測量電壓的主要設備，一般不允 許接入其他科研設備，例如過壓在線檢測裝置等等，使用不夠靈活方便。對高電壓信號測量的另外一種方式是採用電壓互感器(PT)和電容式電壓互感器 (CVT)，PT和CVT是高壓、超高壓及特高壓電網測量電壓的主要手段，也是各種二次設備獲 取電壓信號的主要方法，但是PT和CVT為了實現有效隔離，均含有電磁元件，在高頻條件 下極易飽和，因此在測量過電壓信號時，會出現波形削峰現象，從而不能準確地計算出過電 壓倍數。對高電壓信號的測量還有一種方式是採用光學電子式互感器來實現，其主要是採 用Pockets效應、Kerr效應和逆壓電效應等等，具有抗幹擾能力強、絕緣性好、頻帶寬、原理 直接和測量精度高等優點，是未來測量的發展方向，但是他們的實用化進程比較緩慢、價格 高，且存在由於溫度、震動等因素影響工作穩定性的問題。目前，無接觸式測量方法由於其 具有相互隔離(無直接電的聯繫)、頻率響應特性好(無電磁元件)、和安全(測量部分出 現問題不影響被測對象的工作)等優點，是測量手段的新趨勢，尤其是適合於對高壓、超高 壓以及特高壓點電網的電壓的測量，但是目前尚未有具體的採用無接觸式測量方式對電壓 等測量的方案出現。

發明內容
本發明的目的在於提供一種無接觸式電壓測量裝置及無接觸式電壓測量方法，其 可以提高對電壓信號測量的安全性，方便，安全可靠，且對系統的安全運行無影響。為達到上述目的，本發明採用以下技術方案一種無接觸式電壓測量裝置，包括平行設置在被檢測母線/導線下方且與被檢 測母線/導線數目相等的感應線、採集卡、以及電壓計算單元，所述採集卡採集各感應線上 的感應電壓，所述電壓計算單元根據各所述感應線上的感應電壓、以及多導線系統的電位 係數計算各所述被檢測母線/導線的電壓值，所述多導線系統包括各所述被檢測母線/導 線、各所述感應線。
一種無接觸式電壓測量方法，包括步驟測量平行設置被檢測母線/導線下方、且與被檢測母線/導線數目相等的各感應 線上的感應電壓；根據預定參數類型計算各所述被檢測母線/導線的電壓值，所述預定參數類型包 括各所述感應線上的感應電壓、以及多導線系統的電位係數，所述多導線系統包括各所述 被檢測母線/導線、各所述感應線。根據本發明的無接觸式電壓測量裝置及無接觸式電壓測量方法，其是在被檢測母 線/導線的下方平行設置有與被檢測母線/導線數目相等的感應線，即每一個被檢測母線/ 導線都對應有一條感應線，因此，在被檢測母線/導線上進行電力供應時，在下方的感應線 上形成感應電壓，並由此形成被檢測母線/導線與感應線上的感應電壓的對應轉換關係， 從而在採集到各感應線上的感應電壓之後，可以根據多導線系統的電位係數確定的轉換關 系以及各感應電壓計算出各被檢測母線/導線的電壓值，據此實現對各被檢測母線/導線 的電壓值的測量。這種對各被檢測母線/導線的電壓值的測量方式，無需與被檢測母線/導 線進行直接的電的聯繫即可實現對各被檢測母線/導線的電壓值的測量，方便，安全可靠， 可以提高對電壓信號測量的安全性，且對系統的安全運行無影響。


圖1是電容分壓器的結構示意圖；圖2是本發明的無接觸式電壓測量方法實施例一的流程示意圖；圖3是兩條導線之間的對地鏡像示意圖；圖4是三相無接觸電壓測量方式下的模型示意圖；圖5是本發明的無接觸式電壓測量方法實施例二的流程示意圖；圖6是並聯補償電容後的三相無接觸電壓測量裝置的模型示意圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明方案進行詳細說明。本發明方案在實現對各被檢測母線/導線的電壓值的測量時，為了保證測量時的 安全性和電力供應的穩定性，是在被檢測母線/導線的下方平行放置與被檢測母線/導線 相同數目的感應線，結合無接觸多導體耦合技術，在測得各感應線上的感應電壓之後，根據 各感應電壓的電壓值，以及各感應電壓與各被檢測母線/導線的電壓之間的轉換關係來推 導得出各被檢測母線/導線的電壓值。本發明方案的無接觸式電壓測量裝置，是在被檢測母線/導線下方平行設置有與 被檢測母線/導線數目相等的感應線，並設置有一個採集卡，通過採集卡採集各感應線上 的感應電壓，然後通過電壓計算單元來根據各採集卡所採集的各感應線上的感應電壓、以 及多導線系統的電位係數計算出各所述被檢測母線/導線的電壓值，這裡的多導線系統包 括上述各被檢測母線/導線、以及上述各感應線。這裡的電壓計算單元可以是設置在電網 中心的計算機，採集卡可以是通過總線等方式來與電壓計算單元相連接，將採集到的各感 應電壓通過總線傳輸給電壓計算單元。根據實際應用需要，這裡的電壓計算單元也可以是 由其他的設備來實現，在計算得到各被檢測母線/導線的電壓之後再將計算得到的電壓傳輸給計算機進行應用，各採集卡也可以是採用其他方式與電壓計算單元相連接，在此不予 贅述。在將感應線設置在被檢測母線/導線的下方時，可以是通過絕緣支架來進行支 撐，絕緣支架的高度可以是固定的，也可以是採用高度可調的絕緣支架，各感應線下方可分 別設置一個絕緣支架。此外，該感應線也可以是通過懸掛的方式分別懸掛在各被檢測母線 /導線的下方，各被檢測母線/導線的下方可分別懸掛一條感應線。此外，考慮到在採用採集卡來測量感應線上的感應電壓時，由於採集卡內阻相對 於感應線對地電容來說非常小，可能破壞整個裝置的電容矩陣分壓模型，導致整個測量的 不準確。據此，本發明方案還在採集卡兩端並聯一個一定大小的電容，稱之為補償電容，以 此減少感應線對地電容，平衡被檢測母線/導線與感應線之間的電壓。圖6中示出了並聯 補償電容後的三相無接觸電壓測量裝置的模型。補償電容的電容值的選擇，可以是根據採 集卡的最大採集範圍來確定，也可以是結合其他因素進行綜合考慮。以三相電壓為例，綜合 多種因素考慮，在本發明方案的一個實際應用中，將該補償電容的電容值設置為0. lyF。在並聯設置了補償電容之後，電壓計算單元在計算被檢測母線/導線的電壓值 時，除了考慮上述各感應電壓、多導線系統的電壓係數之外，還同時根據各補償電容的電容 值來計算。結合上述本發明的無接觸式電壓測量裝置，本發明還提供無接觸式電壓測量方 法，以下就未並聯補償電容與並聯了補償電容這兩種情況分別進行說明。參見圖2所示，是本發明的無接觸式電壓測量方法實施例一的流程示意圖，在本 實施例中，未在採集卡兩端並聯補償電容，其包括步驟步驟S101 測量平行設置被檢測母線/導線下方、且與被檢測母線/導線數目相 等的各感應線上的感應電壓，進入步驟S102 ；步驟S102 根據預定參數類型計算各所述被檢測母線/導線的電壓值，所述預定 參數類型包括各所述感應線上的感應電壓、以及多導線系統的電位係數，這裡的多導線系 統包括各所述被檢測母線/導線、各所述感應線。根據無接觸多導體耦合技術，假設在n條平行無損多導線系統中，第k條導線的對 地電位為uk，導線電荷為qk，從而根據靜電方程可以得到
(1)其中，式中的011、022、&33、知、、等分別表示導線1、導線2、導線3、導線k、導線 n之間的自電位係數，式中的a12等表示導線1與導線2間的互電位係數，其他的以此類推。根據圖3中所示的兩條導線之間的對地鏡像示意圖，以這兩條導線為導線1、導線 2為例，假設導線1的高度為h、導線2的高度為h2，導線1與導線2之間的距離為d12，導線 1至導線2的對地鏡像電荷的距離為d' 12，由於導線1、導線2各自的對地鏡像電荷與地面的距離分別等於導線1、導線2的高度，因此，電位係數a n、a12可以寫為 其中rd表示導線半徑，％表示真空介電常數，對於分裂導線而言，這裡的導線半 徑可以是取幾何均距。結合上述無接觸多導體耦合技術，假設測量的是三相電壓，圖4中給出了三相無 接觸電壓測量方式下的模型示意圖，其中，圖示中的導線1、2、3表示模擬三相架空線，為被 檢測母線/導線，高度為hp，導線4、5、6為平行架設在該三相架空線下方的感應線，高度為 hd根據上述式(1)，可以得到這六根導線的靜電方程為
(3) 式中Ul、u2、u3分別表示三根三相被檢測母線/導線上的電壓，u4、u5、u6分別表示 三根感應線上的電壓，qi、q2、q3分別表示三根被檢測母線/導線上的電流，q4、q5、q6分別表 示三根感應線上的感應電荷，由於感應線上沒有感應電荷，因此q4 = q5 = q6 = 0，因而有 從而得到

V札
則上式可以表示為
對其進行變換，將qi、q2、q3的變量予以消除，從而可以得到被檢測母線/導線上的母線電壓與感應線上的感應電壓的矩陣變換關係為
即 記
，將Z稱之為轉換矩陣，因此，只要
三相被檢測母線/導線電壓是確定的，三根感應線上的電壓也就確定了，同理，只要檢測出 三根感應線上的感應電壓，就可以根據該感應電壓結合上述轉換矩陣推導得出被檢測母線 /導線上的電壓UpU^iv其中，上述對各導線之間的自電位係數、互電位係數等的計算確定方式可如上述 式(2)中進行，且各感應線的高度可以相同，也可以是互不相同，為了計算簡便的需要，可 以是將各感應線的高度設置為相同。參見圖5所示，是本發明的無接觸式電壓測量方法實施例二的流程示意圖，在本 實施例中，與上述實施例一中的方法的不同之處主要在於，本實施例中的方案還在各感應 線的採集卡兩端並聯補償電容，以減少感應線的對地電容，平衡被檢測導線與感應線之間 的電壓。此時，以三相電壓為例，對應的變換矩陣可能也需要做相應的改變。如圖5所示，本實施例中的無接觸式電壓測量方法包括步驟步驟S201 測量平行設置被檢測母線/導線下方、且與被檢測母線/導線數目相 等的各感應線上的感應電壓，進入步驟S202 ；步驟S202 根據預定參數類型計算各所述被檢測母線/導線的電壓值，所述預定 參數類型包括各所述感應線上的感應電壓、多導線系統的電位係數、以及補償電容，這裡的 多導線系統包括各所述被檢測母線/導線、各所述感應線。在本實施例的方案中，考慮到在採用採集卡來測量感應線上的感應電壓時，由於 採集卡內阻相對於感應線對地電容來說非常小，可能破壞整個裝置的電容矩陣分壓模型，
導致整個測量的不準確。據此，本實施例的方案還在採集卡兩端並聯-
-定大小的電容，
稱之為補償電容，以此減少感應線對地電容，平衡被檢測母線/導線與感應線之間的電壓。 圖6中示出了並聯補償電容後的三相無接觸電壓測量方式的模型。補償電容的電容值的選擇，可以是根據採集卡的最大採集範圍來確定，也可以是 結合其他因素進行綜合考慮。以三相電壓為例，綜合多種因素考慮，在本發明方案的一個實 際應用中，可以是將該補償電容的電容值設置為0. 1 y F。由於並聯了補償電容，因此，如果繼續使用前述的變換矩陣來計算被檢測母線/ 導線上的電壓，會導致所得結果的不準確，因而需要重新對變換矩陣進行確定。對上述式(3)中的電位係數矩陣求逆，從而可以得到由電容矩陣所表示的方程
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由於在採集卡兩端並聯了補償電容，從而可以得到一個新的電容矩陣，記新並聯 的補償電容的電容值為C(l，從而有 對上述電容矩陣C求逆矩陣，從而可以得到新的電位係數轉換矩陣以及新的電壓 轉換關係 從而最後可以得到
從而得到新的轉換矩陣 即 其中， 本實施例方法中的其他技術特徵與上述實施例一中的相同，在此不予贅述。以上所述的本發明實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範 圍之內。
權利要求
一種無接觸式電壓測量裝置，其特徵在於，包括平行設置在被檢測母線/導線下方且與被檢測母線/導線數目相等的感應線、採集卡、以及電壓計算單元，所述採集卡採集各感應線上的感應電壓，所述電壓計算單元根據各所述感應線上的感應電壓、以及多導線系統的電位係數計算各所述被檢測母線/導線的電壓值，所述多導線系統包括各所述被檢測母線/導線、各所述感應線。
2.根據權利要求1所述的無接觸式電壓測量裝置，其特徵在於，還包括並聯在所述採 集卡兩端的補償電容；所述電壓計算單元，還同時根據所述補償電容的電容值計算各所述被檢測母線/導線 的電壓值。
3.根據權利要求2所述的無接觸式電壓測量裝置，其特徵在於，所述補償電容的電容 值為 0. liiF。
4.根據權利要求1或2或3所述的無接觸式電壓測量裝置，其特徵在於還包括設置在感應線下方的絕緣支架，各所述感應線分別平行設置在各絕緣支架上；或者各所述感應線分別平行懸掛於所各述被檢測母線/導線的下方；或者各所述感應線的高度相同或者不相同。
5.一種無接觸式電壓測量方法，其特徵在於，包括步驟測量平行設置被檢測母線/導線下方、且與被檢測母線/導線數目相等的各感應線上 的感應電壓；根據預定參數類型計算各所述被檢測母線/導線的電壓值，所述預定參數類型包括各 所述感應線上的感應電壓、以及多導線系統的電位係數，所述多導線系統包括各所述被檢 測母線/導線、各所述感應線。
6.根據權利要求5所述的無接觸式電壓測量方法，其特徵在於，當所述被檢測母線/導 線具有三條時，採用下式計算各所述被檢測母線/導線的電壓值 其中，Ul、U2、U3分別表示各被檢測母線/導線的電壓值，U4、u5、u6分別表示各感應線的 感應電壓，a n表示導線1的自電位係數，a 12表示導線1與導線2之間的互電位係數。
7.根據權利要求5所述的無接觸式電壓測量方法，其特徵在於，所述預定參數類型還 包括並聯在採集卡兩端的補償電容。
8.根據權利要求7所述的無接觸式電壓測量方法，其特徵在於，當所述被檢測母線/導線具有三條時，採用下式計算確定出各被檢測母線/導線的電壓值 f 『 其中， Ul、u2、u3分別表示各被檢測母線/導線的電壓值，u4、u5、u6分別表示各感應線的感應 電壓，(^表示所述補償電容的電容值，a n表示導線1的自電位係數，a12表示導線1與導 線2之間的互電位係數。
9.根據權利要求8所述的無接觸式電壓測量方法，其特徵在於，所述補償電容的電容 值為 0. liiF。
10.根據權利要求5至9任意一項所述的無接觸式電壓測量方法，其特徵在於，所述電 位係數的確定方式為 其中，a 表示導線i的自電位係數，比表示導線i的高度，rd表示導線半徑，a u表示 導線i與導線j之間的互電位係數，表示導線i與導線j之間的距離，d'。_表示導線i 與導線j的對地鏡像電荷的距離，￡ o表示真空介電常數。
全文摘要
一種無接觸式電壓測量裝置及方法，其是在被檢測母線/導線的下方平行設置有與被檢測母線/導線數目相等的感應線，即每一個被檢測母線/導線都對應有一條感應線，因此，在被檢測母線/導線進行電力供應時，在下方的感應線上形成感應電壓，並由此形成被檢測母線/導線與感應線上的感應電壓的對應轉換關係，從而在測得各感應線上的感應電壓之後，根據該轉換關係以及各感應電壓計算出各被檢測母線/導線的電壓值，據此實現對各被檢測母線/導線的電壓值的測量。這種對各被檢測母線/導線的電壓值的測量方式，無需與被檢測母線/導線進行直接的電的聯繫，方便，安全可靠，可以提高對電壓信號測量的安全性，且對系統的安全運行無影響。
文檔編號G01R15/18GK101852823SQ20101011200
公開日2010年10月6日 申請日期2010年2月8日 優先權日2010年2月8日
發明者姚森敬, 常安, 張前雄, 徐曉剛, 楊楚明, 田翠華, 白堯, 袁佳歆, 陳曉國, 陳松波, 陳柏超 申請人:廣東電網公司電力科學研究院