一种电容式电压互感器仿真模型及仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种电容式电压互感器仿真模型及仿真方法，建立考虑多外界影响因素的电容式电压互感器仿真模型，对多个影响电容式电压互感器的外界因素进行分析，获得外界影响因素对电容式电压互感器测量准确度的影响规律，为现场运行的电容式电压互感器误差大、绝缘失效的原因提供理论依据，解决了当前仅对电容式电压互感器暂态性能进行仿真，缺少对多个外界因素影响电容式电压互感器测量准确度的稳态性能进行仿真的问题。
【专利说明】
一种电容式电压互感器仿真模型及仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力设备性能监测技术领域，具体涉及一种电容式电压互感器仿真模 型及仿真方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力系统的不断发展，电容式电压互感器由于其绝缘强度高、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。但由于电容式电压互感器的特殊原理，以及其所应用环境的复杂性，导致电容式 电压互感器在使用过程中存在误差大、绝缘失效等问题。为了探索导致电容式电压互感器 产生误差的因素及相关因素对其测量准确度的影响，目前通常采用建立电容式电压互感器 仿真模型的方法，对其性能进行仿真，从而获得外界影响因素对电容式电压互感器测量准 确度的影响规律。
[0003] 目前，对于电容式电压互感器的仿真模型主要是对铁芯动态磁化过程的数学描 述。但由宽频、剩磁等引起的铁芯非线性，使描述铁芯动态磁化特性变得困难。根据对磁化 特性曲线描述的不同，电容式电压互感器的仿真模型主要有三种：只考虑铁芯饱和引起非 线性的静态模型、基于暂态磁化特性曲线的动态模型和用几个电路元件分别模拟造成互感 器非线性因素的非线性时域等效电路模型。长期以来，多项研究致力于电容式电压互感器 暂态性能仿真的研究，但主要集中于应用EMTP(电磁暂态计算程序)对电容式电压互感器暂 态进行数值计算。虽然EMTP具有良好的计算精度，但其计算量大，在考核继电保护装置时不 利于实时仿真系统的实时运行。另外，目前的多数研究主要针对电容式电压互感器的暂态 性能仿真，对多个影响计量准确度因素的稳态仿真较少，关于多个影响因素的电容式电压 互感器准确度仿真模型的建立及仿真方法仍需进一步探索。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是建立了考虑多外界影响因素的电容式电压互感器 仿真模型，对多个影响电容式电压互感器的外界因素进行分析，获得外界影响因素对电容 式电压互感器测量准确度的影响规律，为现场运行的电容式电压互感器误差大、绝缘失效 的原因提供理论依据，目的在于提供一种电容式电压互感器仿真模型及仿真方法，解决当 前仅对电容式电压互感器暂态性能进行仿真，缺少对多个外界因素影响电容式电压互感器 测量准确度的稳态性能进行仿真的问题。
[0005] 本发明通过下述技术方案实现：
[0006] -种电容式电压互感器仿真模型，包括外部环境表征电路和电压互感器等效电 路，所述外部环境表征电路外接电压输入端，同时与电压互感器等效电路电连接，用于模拟 外界影响因素的变化进而影响电压互感器等效电路的输出电压;所述电压互感器等效电路 外接电压输出端，同时与外部环境表征电路电连接，用于等效电压互感器电路。
[0007] 特别地，所述外部环境表征电路具体包括:第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电 阻、第三电容、第四电容，其中，串联的第一电阻与第二电阻、串联的第三电阻与第四电阻均 设置于第一外部电压输入端和地之间，第三电容设置于第二外部电压输入端和电压互感器 等效电路之间，第四电容设置于电压互感器等效电路和地之间。
[0008] 特别地，所述电压互感器等效电路具体包括:第一电容、第二电容、第四电容、第五 电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、 第九电阻，其中，串联的第一电容与第二电容设置于第一外部电压输入端和地之间，第一电 容与第二电容的公共端连接第三电容，第一电感、第五电阻和第四电容串联后设置于第三 电阻和第四电阻的公共端与地之间，第六电阻与第二电感并联后设置于第四电容的两侧， 第三电感和第八电阻串联后与第五电容并联，再串联第七电阻后设置于第四电容的两侧， 第九电阻与第四电感串联后设置于第四电容的两侧。
[0009] 特别地，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第九电阻、第一电容、第二 电容、第三电容和第四电感大小均可调。
[0010] 一种电容式电压互感器仿真方法，包括建立上述电压互感器仿真模型，通过实验 获得外界影响因素与电压互感器电子元件参数的对应关系，进而修改电压互感器电子元件 参数，等效表征外界影响因素的变化，仿真电压互感器输出电压的变化，从而获得外界影响 因素对电压互感器的影响规律。
[0011] 特别地，所述外接影响因素包括:环境温度、环境湿度、污秽、外部电场和二次负荷
[0012] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0013] 本发明所述一种电容式电压互感器仿真模型及仿真方法，能够建立考虑多外界影 响因素的电容式电压互感器仿真模型，对多个影响电容式电压互感器的外界因素进行分 析，获得外界影响因素对电容式电压互感器测量准确度的影响规律，为现场运行的电容式 电压互感器误差大、绝缘失效的原因提供理论依据，解决了当前仅对电容式电压互感器暂 态性能进行仿真，缺少对多个外界因素影响电容式电压互感器测量准确度的稳态性能进行 仿真的问题。
【附图说明】
[0014] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0015] 图1为本发明实施例1提供的电容式电压互感器等效电路图。
[0016] 图2为本发明实施例1提供的电容式电压互感器仿真模型。
【具体实施方式】
[0017] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本 发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作 为对本发明的限定。
[0018] 实施例1
[0019] 如图1所示，图1为本发明实施例1提供的电容式电压互感器等效电路图。
[0020] 本实施例中，为了得到电容式电压互感器电路的计算模型，结合其电路的基本结 构，一次侧电源采用工频电压源，将图1中端子1-2左侧的线路用戴维南定理做等效电路计 算，并将各参数都折算到一次侧，所得的电容式电压互感器等值电路如图1所示。
[0021] 其中，Lk、Rk为电容式电压互感器补偿电抗器及中间变压器的电感和电阻;Lm、R mS 电容式电压互感器中间变压器的激磁支路电感和电阻;l2、r2S电容式电压互感器折算到一 次侧负荷的电感和电阻;〇￡、1^、1^、^为电容式电压互感器阻尼器的电容、电阻、电感、小电 阻；为电容式电压互感器流过L m、Rm的电流之和；ihif、。为电容式电压互感器流过RK、Rf、 R2的电流;u2为电容式电压互感器折算后的二次侧输出电压。
[0022]折算后的一次侧输入电压m及等效电容Ce如式(2-1)所示，其中，(^为电容式电压 互感器高压电容，C2为电容式电压互感器低压电容，Ce为电容式电压互感器高压电容与低压 电容的并联值。
[0023]
[0024] 列出电路的如卜状态万程：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 上述公式（2-2)中的W为电容式电压互感器中间变压器的原边匝数；Γ(φηυ为中间 变压器的励磁特性。在正弦稳态情况下，上述方程组可以由1组向量方程代替，即ul、u2成比 例对应关系。但是当电容式电压互感器一次侧输入电压ul发生突变时，其二次侧输出电压 u2与ul对应关系则需要通过求解上述的约束方程组而得到。
[0029]在建立传统电容式电压互感器数学模型的基础上，着重考虑各个特殊运行环境对 于互感器测量误差的影响，结合环境温度、环境湿度与污秽、外部电场、二次负荷等多个因 素，完成考虑多影响因素的电容式电压互感器仿真模型的搭建。如图2所示，图2为本发明实 施例1提供的电容式电压互感器仿真模型。
[0030] 所述电容式电压互感器仿真模型具体包括外部环境表征电路和电压互感器等效 电路。
[0031] 所述外部环境表征电路外接电压输入端，同时与电压互感器等效电路电连接，用 于模拟外界影响因素的变化进而影响电压互感器等效电路的输出电压。具体包括:第一电 阻R21、第二电阻R22、第三电阻R23、第四电阻R24、第三电容C23、第四电容C24,其中，串联的 第一电阻R21与第二电阻R22、串联的第三电阻R23与第四电阻R24均设置于第一外部电压输 入端和地之间，第三电容C23设置于第二外部电压输入端和电压互感器等效电路之间，第四 电容C24设置于电压互感器等效电路和地之间。
[0032]所述电压互感器等效电路外接电压输出端，同时与外部环境表征电路电连接，用 于等效电压互感器电路。具体包括：第一电容C21、第二电容C22、第四电容C24、第五电容 C25、第一电感L21、第二电感L22、第三电感L23、第四电感L24、第五电阻R25、第六电阻R26、 第七电阻R27、第八电阻R28、第九电阻R29,其中，串联的第一电容C21与第二电容C22设置于 第一外部电压输入端和地之间，第一电容C21与第二电容C22的公共端连接第三电容C23,第 一电感L21、第五电阻R25和第四电容C24串联后设置于第三电阻R23和第四电阻R24的公共 端与地之间，第六电阻R26与第二电感L22并联后设置于第四电容C24的两侧，第三电感L23 和第八电阻R28串联后与第五电容C25并联，再串联第七电阻R27后设置于第四电容C24的两 侧，第九电阻R29与第四电感L24串联后设置于第四电容C24的两侧。
[0033] 其中，C21、C22为分压电容器等效电容，电容作为电容式电压互感器电容分压器的 主体部分，主要受到温度、受潮和自身老化的影响，在这些因素的影响下分压电容的电容量 和介电性能会发生变化，影响测量准确度。
[0034] C23为变电站的带电部件与分压电容器之间形成的杂散电容，杂散电容主要受环 境电场的影响。
[0035] R21、R22为电容分压器等效电阻，分压电容器内部的有功损耗可以用集中参数 R21、R22来表示。R21、R22主要受到温度、受潮和自身老化的影响。
[0036] R23、R24表征电容分压器因表面受潮和污秽所引起的泄漏电流的电阻，川藏高寒、 高湿的气候环境加上污秽作用，将使分压电容器表面形成较大的泄漏电流，影响电容式电 压互感器正常运行和准确测量。表面电阻R23、R24主要受到温度、污秽和瓷套表面受潮的影 响。
[0037] R29、L24表征电容式电压互感器负荷折算至一次侧的参数。表征其等效的负荷参 数对电容式电压互感器准确度的影响。
[0038]通过上述考虑多影响因素的电容式电压互感器仿真模型，可对稳态状态下的电容 式电压互感器准确度与各影响因素之间的规律进行仿真计算，具体方法为:通过实验获得 外界影响因素与电压互感器电子元件参数的对应关系，进而修改电压互感器电子元件参 数，等效表征外界影响因素的变化，仿真电压互感器输出电压的变化，从而获得外界影响因 素对电压互感器的影响规律。
[0039]当研究温度对电容式电压互感器准确度的影响时，由于温度主要对电容式电压互 感器内绝缘电容分压器中等效电容与电阻参数影响较大，通过实验获得温度与第一电容 C21、第二电容C22、第一电阻R21和第二电阻R22的对应关系，进而改变第一电容C21、第二电 容C22、第一电阻R21和第二电阻R22的大小，等效表征外界温度的变化，仿真电压互感器输 出电压的变化，从而获得不同温度条件下电压互感器准确度变化趋势与规律。
[0040]当研究环境湿度与污秽对电容式电压互感器准确度的影响时，由于环境湿度与污 秽主要对电容式电压互感器的电容分压器外绝缘等效电阻影响较大，通过实验获得环境湿 度与污秽条件下外部泄漏电流值的测量，推算出环境湿度与污秽条件与第三电阻R23和第 四电阻R24的对应关系，进而改变第三电阻R23和第四电阻R24大小，等效表征环境湿度与污 秽的变化，仿真电压互感器输出电压的变化，从而获得不同环境湿度与污秽条件下电压互 感器准确度变化趋势与规律。
[0041]当研究外部电场对电容式电压互感器准确度的影响时，由于外部电场主要对电容 式电压互感器的电容分压器与高压杂散电容以及对地杂散电容影响较大，通过实验获得不 同电位与不同位置条件下外部导体对电容式电压互感器的对应关系，推算出外部电场与第 三电容C23的对应关系，进而改变第三电容C23的大小，等效表征外部电场的变化，仿真电压 互感器输出电压的变化，从而获得不同环外部电场条件下电压互感器准确度变化趋势与规 律。
[0042]当研究二次负荷对电容式电压互感器准确度的影响时，由于二次负荷对电容式电 压互感器的中间变压器的输入阻抗影响较大，进而影响电容式电压互感器的电容分压器分 压，通过改变不同容量与不同功率因数下的二次负荷，即改变第九电阻R29和第四电感L24 的大小，等效表征二次负荷的变化，仿真电压互感器输出电压的变化，从而获得不同二次负 荷条件下电压互感器准确度变化趋势与规律。
[0043] 需要说明的是，本领域技术人员知道并可以实现如何通过实验获得上述外界影响 因素与电压互感器电子元件参数的对应关系。
[0044] 本发明的技术方案通过电容式互感器仿真模型及方针方法，建立考虑多外界影响 因素的电容式电压互感器仿真模型，对多个影响电容式电压互感器的外界因素进行分析， 获得外界影响因素对电容式电压互感器测量准确度的影响规律，为现场运行的电容式电压 互感器误差大、绝缘失效的原因提供理论依据，解决了当前仅对电容式电压互感器暂态性 能进行仿真，缺少对多个外界因素影响电容式电压互感器测量准确度的稳态性能进行仿真 的问题。
[0045] 以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明 的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电容式电压互感器仿真模型，其特征在于，包括外部环境表征电路和电压互感 器等效电路，所述外部环境表征电路外接电压输入端，同时与电压互感器等效电路电连接， 用于模拟外界影响因素的变化进而影响电压互感器等效电路的输出电压;所述电压互感器 等效电路外接电压输出端，同时与外部环境表征电路电连接，用于等效电压互感器电路。2. 如权利要求1所述的电容式电压互感器仿真模型，其特征在于，所述外部环境表征电 路具体包括:第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第三电容、第四电容，其中，串联的 第一电阻与第二电阻、串联的第三电阻与第四电阻均设置于第一外部电压输入端和地之 间，第三电容设置于第二外部电压输入端和电压互感器等效电路之间，第四电容设置于电 压互感器等效电路和地之间。3. 如权利要求2所述的电容式电压互感器仿真模型，其特征在于，所述电压互感器等效 电路具体包括:第一电容、第二电容、第四电容、第五电容、第一电感、第二电感、第三电感、 第四电感、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻，其中，串联的第一电容与第 二电容设置于第一外部电压输入端和地之间，第一电容与第二电容的公共端连接第三电 容，第一电感、第五电阻和第四电容串联后设置于第三电阻和第四电阻的公共端与地之间， 第六电阻与第二电感并联后设置于第四电容的两侧，第三电感和第八电阻串联后与第五电 容并联，再串联第七电阻后设置于第四电容的两侧，第九电阻与第四电感串联后设置于第 四电容的两侧。4. 如权利要求3所述的电容式电压互感器仿真模型，其特征在于，所述第一电阻、第二 电阻、第三电阻、第四电阻、第九电阻、第一电容、第二电容、第三电容和第四电感大小均可 调。5. -种电容式电压互感器仿真方法，其特征在于，建立如权利要求1所述的电压互感器 仿真模型，通过实验获得外界影响因素与电压互感器电子元件参数的对应关系，进而修改 电压互感器电子元件参数，等效表征外界影响因素的变化，仿真电压互感器输出电压的变 化，从而获得外界影响因素对电压互感器的影响规律。6. -种电容式电压互感器仿真方法，其特征在于，所述外接影响因素包括:环境温度、 环境湿度、污秽、外部电场和二次负荷。
【文档编号】G01R35/02GK105974354SQ201610559224
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】张福州, 刘鹍, 艾兵, 罗睿希, 陈伟根, 杜林 , 李永森, 陈斌
【申请人】国网四川省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司, 重庆大学