一种电容器测量装置及电抗器特性测试方法与流程

本发明涉及电容器测量装置及电抗器特性测试方法，尤其是三相相互关联的电容器装置和电抗器及紧凑型电容器装置的特性测试方法。

背景技术：

电力电容器装置及电抗器广泛应用于电力系统和工矿企业无功功率补偿。电力电容器装置通常由电力电容器，串联电抗器，放电线圈等设备构成，原理电路如：图1为串联电抗器前置结构，图2为串联电抗器后置结构。L_A，L_B，L_C为A、B、C三相串联电抗器，C_A、C_B、C_C为三相电容器组，T_A、T_B、T_C为三相放电线圈。以图1结构为例。

电力电容器装置中A₁，B₁，C₁点是用于与外部三相电源点连接的，A₂，B₂，C₂点及O₁点都是连接点，因此在测量和试验电容器C_A，C_B，C_C和放电线圈T_A，T_B，T_C时，将单相试验电源和测量仪器分别可接入A₂、B₂、C₂点和O₁点即可完成，而测量串联电抗器则可分别将电源和测量仪器接入A₁、B₁、C₁和A₂、B₂、C₂点即可完成。当串联电抗器或电抗器是三相式结构，这些接点虽仍存在的。但三相电抗器的电感L_A、L_B、L_C因磁场耦合而相互影响。这时，用单相试验电源进行电感测量，会因单相电源所建的磁通走向与三相电源建立的完全不同，测量时单相电源下建立的磁通无法反映三相磁场的作用而无法测准电感。可见常用的单相试验电源可完成配无互感的三相电感串联电抗器的电容器装置的试验测量，但无法完成三相一体式串联电抗器或电抗器的电抗测量。由于三相一体式电容器装置通常只有A₁、B₁、C₁和O₁点外露可以与试验电源连接，A₂、B₂、C₂是不外露的。因此，对这类电容器装置采用单相电源是无法完成电容器装置内部的电容、电感等设备的试验与测量。

若采用三相对称电源，即A、B、C三相电压幅值相等、电相位角互差120°的电源进行电容器装置的电容、电感的试验和测量，当电容器装置的外接点A₁、B₁、C₁和A₂、B₂、C₂及O₁点外露时，以图1为例，将电源和仪器接入A₁—A₂、B₁—B₂和C₁—C₂就可以完成L_A、L_B、L_C的试验和测量的。但此时由于要求电源的输出电流、电压必须是正弦波，这对于三相对称电源并不是一件容易的事。由于变压器和电抗都存在铁芯物质,在中性点不接地系统中如无中性点回线的设备中，由于励磁所需要的频率为额定频率三的倍数的励磁电流无法流通，而使测量系统中电压为正弦波时，电流则是畸变的波形，这将导致L_A、L_B、L_C的测量不准确，这也是现场试验多不用三相试验电源的原因。就算通过技术措施，保证三相电源的电压、电流都是正弦波，但若电力电容器装置除A₁、B₁、C₁和中性点O₁外的其他点均是绝缘的，这时由于电源无法接到电抗器或电容器上，将无法采用电压电流的信号直接完成电容串联电抗器等设备的性能参数的试验和测量。目前为适应土地资源越来越紧张的现实所发展起来的一体式电容器装置、紧凑型电容器装置，都是只有A₁、B₁、C₁及O₁四个外接点外，无其他接入点的电容器装置。这类电容器装置为了小型化串联电抗器都采用三相一体的铁心电抗器。因此，这时单相试验电源无论如何努力都无法完成电容器、串联电抗器的性能参数的试验和测量。如何在此条件下完成电容器、电抗器性能参数的测试，及时发现电容器装置内部故障，避免电容器装置带故障运行而发展成扩大性故障，就成为保障这类电容器装置安全可靠运行的重要措施。

如中国发明专利《一种单相可控并联电抗器动态特性测试系统》(申请号201510150181.0)公开了电抗器动态特性测试系统，其实时记录晶闸管控制变压器型单相可控并联电抗器的相关动态电流和电压，但无法具体分析其电抗器的详细特征参数。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种电容器测量装置及电抗器特性测试方法。本发明利用电感、电容的阻抗随频率变化的特点，采用三相对称变频电源为试验电源，通过频率控制测量系统改变频率获得不同的电流、电压下的激励与响应，由此建立系列方程而计算出电容、电感等参数，解决串联电抗器为三相一体式的电容器装置，特别是不仅串联电抗器为三相一体式，而且除A₁、B₁、C₁及O₁点可接入外，无其他可接入点的一体式电容器装置和紧凑型电容器装置的性能参数的测量和试验方法及计算方法。本发明的方法可以测得电容器装置中的电容器和串联电抗器的电容、电感、电阻、谐振频率等参数，达到判断设备是否存在故障，以及电容器装置的电抗器配置是否合理之目的。

本发明的技术方案是：一种电抗器特性测试方法，采用三相对称变频电源为试验电源；其特征在于：包括以下步骤：利用电容、电感在不同频率下阻抗不同，通过调整频率，获得不同频率下的电压值和响应电流值而建立不同的阻抗方程；

求解一组或多组不同频率下的阻抗方程而测得所测电路的各元件参数。

根据如上所述的电抗器特性测试方法，其特征在于：所述的不同频率包括电容、电感的谐振频率，此时电容器支路表现为容抗与感抗相等，回路呈纯电阻,通过该谐振频率条件下的电压和电流之比可直接得出该电容器支路的等值电阻。其有益效果是：通过该谐振频率下容抗等于感抗可简化方程求解过程，而更容易计算得到电容值和电感值等参数。

根据如上所述的电抗器特性测试方法，其特征在于：还包括通过对电源频率的调整，获得不同阻抗方程而完成纯电容器、电抗器的参数测量的步骤。

根据如上所述的电抗器特性测试方法，其特征在于：还包括通过对电源频率的调整，得到对应频率下的阻抗，而得到所测试电路的阻抗随频率变化的规律和曲线。

根据如上所述的电抗器特性测试方法，其特征在于：所述的三相对称变频电源作为单相试验电源使用，完成单相电容、电感在不同频率下阻抗不同，通过调整频率，获得不同频率下的电压值和响应电流值而建立不同的阻抗方程；

求解一组或多组不同频率下的阻抗方程而测得所测电路的各元件参数。

根据如上所述的电抗器特性测试方法，其特征在于：还包括通过三相对称变频电源频率的调整，得到对应频率下的阻抗，而得到所测试电路的阻抗随频率变化的规律和曲线的步骤。

根据如上所述的电抗器特性测试方法，其特征在于：所述的通过调整频率，获得不同频率下的电压值和响应电流值而建立不同的阻抗方程具体步骤为：

使电源频率f₁为角频率，获得

分别为试验电源在f₁下的三相输出电压值，为在频率为f₁时由激励下输出的三相电流值，

将电源频率f调整到f₂及f₃时则分别有(8)—(10)和(11)—(13)式：

式中ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂、ω₃＝2πf₃、分别为试验电源在f₂下的三相输出电压值，为在频率为f₂时由激励下输出的三相电流值，分别为试验电源在f₃下的三相输出电压值，为在频率为f₃时由激励下输出的三相电流值，均为为已知值，通过求解获得电容、电感和电抗值。

根据如上所述的电抗器特性测试方法，其特征在于：还包括在每个频率点测得三相的电流、电压，由(5)—(7)式计算得到各频率点下的阻抗值以获得三相电容器支路的阻抗与电源频率间的关系曲线的步骤，并通过曲线中的阻抗最小值获得调振频率f_X的步骤；

式中和分别为对应三相支路发生谐振时的各支路电压和电流值；根据(17)—(19)式获得电容器装置三相支路的等值电阻。

本发明还公开了一种电容器测量装置，包括三相对称变频电源，频率控制测量系统，电流传感器，电压测量系统，综合分析计算系统，其中三相对称变频电源分别设置A、B、C和O四个输出端子，其特征在于：所述的电流传感器分别测量A、B、C相的电流，电压测量系统测量A、B、C与O点的电压，综合分析计算系统分别与频率控制测量系统、电流传感器和电压测量系统相连，频率控制测量系统用于测量和控制三相对称变频电源输出频率，综合分析计算系统根据采集的三相对称变频电源的输出频率以及A相、B相、C相的电流和电压，获得电抗器或电容器装置的性能参数。

根据如上所述的电容器测量装置，其特征在于：所述的综合分析计算系统求解一组或多组不同频率下的阻抗方程而得到电容器装置中的电容、电感、电阻、谐振频率或品质因数参数。

本发明的有益效果是：可以测得电容器装置中的电容器和串联电抗器的电容、电感、电阻、谐振频率等参数，达到判断设备是否存在故障，以及电容器装置的电抗器配置是否合理之目的；本发明通过该谐振频率下容抗等于感抗可简化方程求解过程，而更容易计算得到电容值和电感值等参数。本发明测得电容器装置或电抗器是否存在故障、配置是否合理、同时还可用于测量无串联电抗器的三相电容器装置的电容量及阻抗特性，三相一体式电抗器的电感、电阻及电感、电阻随频率变化的特性。

附图说明

图1为串联电抗前置结构；

图2为串联电抗后置结构；

图3为试验测试原理图；

图4为实施2原理图；

图5为实施3原理图；

图6为实施4原理图。

附图标记说明：A、B、C分别为三相对称变频电源的三相相序号，同时为本发明测量装置的三相对称变频电源接出点；L_A、L_B、L_C分别为电容器装置的三相串联电抗器或电抗器电感量；C_A、C_B、C_C分别为电容器装置的三相电容器组的电容量；T_A、T_B、T_C分别为电容器装置的三相放电线圈，O为仪器电源中性点，k为中性点接地刀闸，A₁、B₁、C₁和A₂、B₂、C₂分别为电容器装置的接入点，d为仪器接地点，O₁为电容器装置中性点，1为三相对称变频电源，2为频率控制测量系统，3为电流传感器，4为电压测量系统，5为综合分析计算系统。

具体实施方式

名称解释：三相对称变频电源：在不同的频率下电源的三相电压始终保持对称，即三相电源的幅值相等、相位互差120°。

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图3至图5所示，本发明的电容器测量装置，包括三相对称变频电源1，频率控制测量系统2，电流传感器3，电压测量系统4，综合分析计算系统5。三相对称变频电源1分别设置A、B、C和O四个输出端子，电流传感器3分别测量A、B、C相的电流，电压测量系统4测量A、B、C与O点的电压，综合分析计算系统5分别与频率控制测量系统2、电流传感器3和电压测量系统4相连，频率控制测量系统2用于测量和控制三相对称变频电源1输出频率，综合分析计算系统5根据采集的三相对称变频电源1的输出频率以及A相、B相、C相的电流和电压，而获得电抗器或电容器装置的性能参数。如由综合分析计算系统5求解一组或多组不同频率下的阻抗方程而得到电容器装置中的电容、电感、电阻、谐振频率、品质因数等参数。

本发明还公开了一种电力电容器装置特性的测试方法，采用三相对称变频电源作为试验电源，电源的A、B、C三相和中性点O与电容器装置的三相接入点A₁、B₁、C₁和其中性点O₁相连接，打开电源即处待试状态。试验时，由频率控制测量系统先调节试验电源的频率f为f₁，其f₁为任何施加的频率，此时有(1)—(3)式：

式(1)—(3)中，C_A，C_B，C_C分别为A、B、C三相电容器组的等值电容量；R_A，R_B，R_C分别为A、B、C三相电容器组的等值电阻；L_A，L_B，L_C分别为A、B、C三相电容器组的等值电感；

ω₁＝2πf₁ (4)

为电源频率f₁时的角频率。电源频率f由频率控制测量系统2测量获得为已知值。分别为试验电源在f₁下的三相输出电压值，这三相电压值由电压测量系统4测量获得，为已知值。为在频率为f₁时由激励下输出的三相电流值，这个三相电流值由电流传感器系统3测得，为已知值。将(1)—(3)式改写后则有(5)—(7)式：

将电源频率f(即角频率ω)调整到f₂及f₃时则分别有(8)—(10)和(11)—(13)式：

式中ω₂＝2πf₂、ω₃＝2πf₃、均为频率控制测量系统2、电流传感器3和电压测量系统4测得为已知值。这些参数输入到综合分析计算系统5即可解出电容器装置中的各参数C_A、C_B、C_C、R_A、R_B、R_C和L_A、L_B、L_C九个参数。

电源频率控制测量系统2按设定要求调整频率f(即调整角频率ω)，在每个频率点由电流传感器3和电压测量系统4测得三相的电流、电压，并送入综合分析计算系统5中，由(5)—(7)式计算得到各频率点下的阻抗值即可获得三相电容器支路的阻抗与电源频率间的关系曲线，即Z_A-f、Z_B-f、Z_C-f曲线。该曲线中的阻抗最小值即对应于电容、电感的调振频率f_X，这个频率点是个特殊点，利用这个点可简化计算过程，这时有(14)—(16)和(17)—(19)式：

式中ω_XA、ω_XB、ω_XC为电容器装置A、B、C三相的谐振频率时的角频率。此时(14)—(16)式则变化为(17)—(19)式。

式中和分别为对应三相支路发生谐振时的各支路电压和电流值。分别由电压测量系统4和电流传感器3测得，根据(17)—(19)式即可由综合分析计算系统5计算获得电容器装置三相支路的等值电阻。

电源频率控制测量系统2测得f₁、f_XA、f_XB、f_XC后，电压测量系统4测得电流传感器3测得依据(5)—(7)式和(14)—(16)式，即可由综合分析计算系统5计算获得C_A、C_B、C_C和L_A、L_B、L_C。由此完成了电容器装置各参数R_A、R_B、R_C、C_A、C_B、C_C和L_A、L_B、L_C的测量计算过程。

由于一体式或紧凑型电容器装置为使电容器装置尺寸尽可能小，多数串联电抗器是采用三相铁心式电抗器。电容器测量装置如图3所示，电容器装置只有A₁、B₁、C₁和O₁四个外接点，本发明解决问题的技术路线是采用三相对称变频电源1作为试验电源，仪器的A、B、C和O端子与装置的A₁、B₁、C₁和O₁点相连接。然后由三相对称变频电源1向电容器装置供电，即实施例1采用图3接线，由电压测量系统4测量到的三相电压满足(20)式：

由电流传感器3测量到流入A₁、B₁、C₁的电流为满足(21)式：

由频率控制测量系统2将三相对称变频电源1的频率f(即角频率ω)调整到f₁(角频率ω₁)，这时电流传感器3测得三相电流电压测量系统4测得注入电容器装置的三相电压将f₁及f₁时的三相电流、电压输入综合分析计算系统5，即可建立方程(5)—(7)，再由频率控制测量系统2将三相对称电源1的频率f(角频率ω₁)调整到f₂(角频率ω₂)，由电流传感器3测得三相电流电压测量系统4测得三相电压将这些测得值输入综合分析计算系统5即可建立方程(8)—(10)，再由频率控制测量系统2将三相对称电源1的频率f调整至f₃(角频率ω₃)，由电流传感器3和电压测量系统4分别测得三相电流、电压和将这些测得值输入综合分析计算系统5即可建立方程(11)—(13)，计算(5)—(13)方程即可求得电容器装置中的各个参数，即R_A、R_B、R_C、C_A、C_B、C_C、L_A、L_B、L_C，而判断电容器装置各参数是否正常。

为简化计算，可利用电容器装置中电容器与电抗器当电源频率f达到其谐振频率时，谐振支路表现为纯电阻，及此时容抗等于感抗的特点，让频率控制测量系统2将三相对称变频电源1的A、B、C三相电源频率分别调整到A、B、C三相电容器支路的电容、电感谐振频率(f_AX、f_BX、f_CX)，这时电容器装置电容、电感参数满足(14)—(16)式，由电流传感器3和电压测量系统4测到的电流、电压满足(17)—(19)式。此时由综合分析计算系统5依据(17)—(19)式计算出电容器装置的三相支路的等值电阻，依据(14)—(16)式和(5)—(7)式就可计算出三相支路的电容量C_A、C_B、C_C和L_A、L_B、L_C。频率控制测量系统2将三相对称变频电源1的频率f按设定的步长从最低频率f_min逐渐变化到最大频率f_max，在每个频率点上，均由电流传感器3测出三相支路的电流由电压测量系统4测出三相电压并将频率f，电流和电压输入综合分析计算系统5中，建立依据方程(22)—(24)，计算即得到各频点的阻抗

值，这时即得到Z_A-f、Z_B-f、Z_C-f关系曲线。可见依据本发明方法进行电容器装置测量可获得：

1)三相支路阻抗与频率的关系曲线(Z_A-f、Z_B-f、Z_C-f曲线)

2)电容器装置的三相电容量C_A、C_B、C_C

3)电容器装置的三相电感量L_A、L_B、L_C

4)电容器装置的三相谐振频率f_AX、f_BX、f_CX

5)电容器装置的三相等值电阻R_A、R_B、R_C

并由这些参数，经综合分析计算系统5建立(25)—(27)式，计算出三相支路的品质因数(Q_A、Q_B、Q_C)

将这些参数进行同以往测试值比较，就可很方便的发现电容器装置那部分参数发生了变化，这个发生变化的部分即发生了故障，而由谐振频率则可判断电容器装置的串联电抗器配置是否合理等问题，而避免电容器装置发生恶性事故。

电容器装置采用图2所示的接线——电抗器后置接线时，采用本发明进行试验测量时，接线及实验过程同实施案1，接线同图3，在此不再叙述。

实施案例2是电容器装置不带串联电抗器的本发明实施例。由于电容器装置不带电抗器，因此，其变量中没有了L_A、L_B、L_C和R_A、R_B、R_C，这时只有一组未知量C_A、C_B、C_C试验接线，如图4，接好线后将测量仪器通电进入试验状态在，则三相对称变频电源1输出三相电源注入电容器装置，由频率控制测量系统2将频率调整到任一频率f₁(角频率ω₁)，由电流传感器3测出流入三相支路的电流和三相支路的电压测量系统4测得将三相电流、电压及此时频率输入综合分析计算系统5，将依据(22)—(24)式计算得到三相支路的电容量C_A、C_B、C_C而完成试验。当频率控制测量系统2不断调整频率，就可获得三相电容量随频率变化的曲线即C_A-f、C_B-f、C_C-f曲线。

图5为本发明实施例3，本实施例是为解决三相电抗器电感测量的方案。在本实施中，有变量L_A、L_B、L_C和电阻R_A、R_B、R_C共6个。此时将本发明按图5接好线，将测量仪器通电进入试验状态，三相对称变频电源1对三相电抗器注入电压电源频率控制测量系统2分别将电源频率调整到f₁和f₂，在这两个不同频率输出时，电流传感器3分别测得电流和电压测量系统4测得和将这两个频率f₁、f₂，6个电流值和6个电压值和输入综合分析计算系统5，建立(28)—(33)式，经解(28)—(33)方程即可得R_A、R_B、R_C和L_A、L_B、L_C即完成了三相电抗的电感值和电抗器的电阻值的测量。

当频率控制测量系统2不断的调整频率时就可获得三相电抗器的阻抗随频率的关系曲线，即L_A-f、L_B-f、L_C-f关系曲线。

图6为本发明的实施例4原理图。本实施例是为解决单相一体式电容器装置的测量问题的。由于单相一体式电容器装置常容量大，三相电容器相距较远，三相电容器支路同时接入仪器不方便，而且只有首段A₁点和末端O₁点接出(另外两相为B₁O₁和C₁O₁点接出)，因此采用单相电容器支路进行试验。这时虽是单相进行试验，但因电容电感连在一起，无其它接入点，常用测量方法也无能为力。在本发明中只需采用单相试验电路，即将A与A₁，O和O₁接好，将仪器通电至待试状态，三相对称变频电源1的频率f由频率控制测量系统2调整到任一频率f₁(角频率ω₁)。这时，三相对称变频电源1的有电容器支路相(图6为A相)将电流注入该电容器支路相，这个电流由电流传感器3测得电容器支路上的电压由电压测量系统4测得将f₁、输入综合分析计算系统5，综合分析计算系统5建立方程(34)式：

频率控制测量系统2再将频率调整到电容，电感谐振频率f_AX，这时电流传感器3测得电压测量系统4测得电压将f_AX、输入综合分析计算系统5建立方程(35)(36)式，综

合分析计算系统5对(34)—(36)式进行计算，即可得出R_A、C_A、L_A。频率控制测量系统2按设定步长调整频率，每个频率下电流传感器3和电压测量系统4都测量到对应的电流和电压则由(37)式

得出该相阻抗与频率的关系曲线，即Z_A-f曲线，同样由(25)式，就可得出该支路的品质因数，其它两相测量过程相同，只是所接支路相序的差别，测量过程不再叙述。可见本发明测量方法对一体式单相电容器装置同样可测出电容器装置的主要参数C_A、L_A、R_A、f_X、Q和Z_A-f曲线，及其它两相的各参数。

当三相接线方便时，可一次将三相接线接好，仪器一次即可完成三相单相的所有参数的测量。