单相架空输电线路相电压测量方法与流程

本发明涉及一种应用于架空线分布式电压传感器中的单相架空输电线路相电压的测量方法。

背景技术：

随着我国电力工业水平的不断发展，建设坚强的智能电网成为未来的发展方向。目前我国配电网线路量大面广线长，所处环境复杂、故障率高，开发低成本分布式监测装置，实现对配网运行状态的实时在线监测与故障定位对实现配电网高效经济运行具有重大意义。

对配网架空线路相电压的分布式准确测量是一个难点。目前广泛使用的电压传感器主要有电磁式(pt)、电容式(cvt)电压互感器、光学电压传感器等。光学电压传感器稳定性问题尚未很好解决，需要高精度加工工艺和粘接工艺，尚未在电力互感器中得到大规模应用。传统pt容量较小、成本高、绝缘结构复杂、存在铁磁谐振现象、有漏感分布电容等因素的影响，渐渐不适应如今电网的需求。cvt主要应用于330kv以上电网，体积大，造价昂贵，不易安装，无法满足低成本分布式装置的要求。因此建立一种适用于配网分布式装置的相电压测量方法，构建一个统一有效的测量模型并论证其有效性显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种新型的适用于小型化分布式装置的单相架空输电线路相电压的测量方法，克服现有pt、cvt、光学电压传感器的不足，具有高测量精度。其将输电线路与大地视为电压两级，将一具有上下极板的平行板电容器作为采样电容置于其中，充分考虑两块极板对电压两级的杂散电容，建立集中参数等效电路，并以此分析空间中其他产生杂散电容的因素对电压测量的影响，提出该方法适用的测量环境。

本发明的技术解决方案如下：

一种单相架空输电线路相电压测量方法，包括以下步骤：

1)将分布式电压传感器置于架空输电导线上。利用空间电容分压原理，将线路与大地视为一个大电容对其进行分压测量，以空气作为绝缘介质，根据导线对地的分布电容及传感器与导线之间的分布电容，构建了线路电压测量模型，如图1所示。测量得到采样电容上电压值为δu，并输入至后台计算机。

2)所选取的采样电容c需比杂散电容大4个数量级以上，一般为nf～μf级别

3)其采样电容上的电压与线路相电压的分压比可以建立以下方程：

其中ch1，ch2为两极板到高压导线的电容，cg1、cg2为两极板到大地的电容，c为两极板之间的采样电容的容值，u为待测线路电压值。

4)通过δu及分压比计算即可反推得到线路电压。所述分压比在实际配网线路安装环境中，线路高度变化对分压比没有影响。

本发明由于采用了以上技术方案，利用空间电容分压原理，将线路与大地视为一个大电容对其进行分压测量，以空气作为绝缘介质。根据导线对地的分布电容及传感器与导线之间的分布电容，构建了线路电压测量模型，并分析了在实际应用中线路高度变化对测量没有影响，该相电压测量方法能获得稳定的分压比，实现非接触式的输电线路相电压测量，优于现有方案。

附图说明

图1是本发明的两极板相电压测量模型图。

图2是本发明的输电线路等值电容计算模型图。

图3是本发明实例的电压传感器工作框图

图4是本发明实例的电压传感器电路图

图5是本发明实例的采样波形图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1、图2，图1是本发明的电压测量集中参数等效电路，图2是三相架空线路对地等值电容计算模型图。由图可见，本发明单相架空输电线路相电压测量方法，包括下列步骤：

1)将分布式电压传感器置于架空输电导线上。利用空间电容分压原理，将线路与大地视为一个大电容对其进行分压测量，以空气作为绝缘介质，根据导线对地的分布电容及传感器与导线之间的分布电容，构建了线路电压测量模型，如图1所示。测量得到采样电容上电压值为δu，并输入至后台计算机。

2)所选取的采样电容c需比杂散电容大4个数量级以上，一般为nf～μf级别

3)其采样电容上的电压与线路相电压的分压比可以建立以下方程：

其中ch1，ch2为两极板到高压导线的电容，cg1、cg2为两极板到大地的电容，c为两极板之间的采样电容的容值，u为待测线路电压值。

4)通过δu及分压比计算即可反推得到线路电压。所述分压比在实际配网线路安装环境中，线路高度变化对分压比没有影响。

本发明原理如下：

将分布式电压传感器测量装置(以下简称为测量装置)至于架空线路上，其运用空间电容分压的原理测量导线对地相电压。其核心元件为一个采样电容，将导线视为大电容的一极，大地为另一极。将采样电容置入导线与大地之间，形成如图1所示的等效测量电路。

如图1，节点1、2分别为放置的分压电容的两极，ch1，ch2为两极板到高压导线的电容，cg1、cg2为两极板到大地的电容，c为两极板之间的分压电容。根据图中电流与电压的关系，可以得到如下表达式：

i1＝(u-u1)jωch1

i2＝u1jωcg1

i3＝(u1-u2)jωc

i4＝(u-u2)jωch2

i5＝u2jωcg2

根据基尔霍夫电流定律，可得

i1＝i2+i3

i5＝i3+i4

将上五式代入并化简可得：

(u1-u2)c＝(u-u1)ch1+u1cg1

u2cg2＝(u1-u2)c+(u-u2)ch2

将其简化并化成矩阵形式为

令δu＝u1-u2,可求得分压电容上的电压与导线电压之比：

令则

由于ch1、ch2、cg1、cg2为极板与空间导体的杂散电容，一般都很小，数量级为几个pf到几十个pf级别，而分压电容c的电容值可以选取的很大，比如达到μf级别，那么c？(ch1+cg1)//(cg2+ch2)

因此，电压测量的准确性就取决于cm和c的变化情况。c为采样电容值，可以人为选取，其电容大小基本不变。cm为杂散综合电容，主要取决于极板对地电容大小。

三相输电线路等值电容模型如图2所示，其计算公式如下：

由三相输电线路等值电容计算公式可知，在高度1.7米以上，对地电容变化率为0.5％以下；在高度4米以上，对地电容变化率为0.1％以下。一般10kv配网线路高度为12～15米，电容变化率可以忽略不计。可以认为，实际配网线路对地分布电容是稳定的。因此，可以认为，当测量装置在配网线路上固定后，cm和c均保持稳定不变，可以获得稳定的分压比。

一种单相架空输电线路相电压测量方法，其特征如下：

1)将分布式电压传感器置于架空输电导线上。利用空间电容分压原理，将线路与大地视为一个大电容对其进行分压测量，以空气作为绝缘介质，根据导线对地的分布电容及传感器与导线之间的分布电容，构建了线路电压测量模型，如图1所示。测量得到采样电容上电压值为δu。

2)通过δu及分压比即可反推得到线路电压。其采样电容上的电压与线路相电压的分压比为

其中ch1，ch2为两极板到高压导线的电容，cg1、cg2为两极板到大地的电容，c为两极板之间的采样电容的容值，u为待测线路电压值。

3)所述分压比在实际配网线路安装环境中，高度变化对分压比没有影响

4)当约等号成立时，所选取的采样电容c需比杂散电容大4个数量级以上，其值大小能保持不变。

为验证本发明的有效性，依据此发明设计了一个应用于配网线路的智能电压传感器，将分压电容c直接焊于pcb板，高压线路通过导体结构直接与c上极板相连，图1中ch1、ch2、cg1均可忽略，视为c与pcb板对地电容cg串联。c上电压信号经过调理放大后经由采样转化成数字信号，再经过cpu进行处理交由通信模块进行无线传输至系统后台，便于保存和后续分析，其简化后工作框图如图3所示。电压传感器其后续调理电路还包括放大、滤波、保护等环节，电路图如图4。通过comsolmultiphysics计算出装置对地杂散分布电容约为0.8pf，因此设计分压电容c＝16nf，在图中为c40、c41和c42三个电容并联，比杂散电容大4个数量级，用于分压后采样。r18、r22、c10、c14为低通滤波器，采集到的电压信号经过滤波后接入至仪表放大器ads8237，它能顾消除共模干扰信号并实现放大功能。其参考电压是1.5v，使用ads8237能够加入1.5v的直流偏置便于后级adc采集信号，信号的放大比例通过设置r24和r21两个电阻进行控制。

采用支架来模拟杆塔，导线平行地面固定，并和高压发生器连接。将传感器悬挂于导线上，高压发生器产生有效值为10kv工频正弦电压。传感器采集电容两端电压差δu，其内部工作芯片为msp430f5438a，采样率为1khz，每次采样十个周波。采样波形如图5所示，测量波形为严格正弦，可见传感器能很好的采集电压波形。将返回至后台的采样数据计算有效值，共14组，如下表：

表1稳定性测试结果

计算这14组数据的最大偏移误差为：

综上所述，传感器能良好的采集电压波形，并在外界条件不变的情况下有稳定的分压比。