调节串联谐振电源品质因数电路及其测试方法与流程

本发明涉及一种调节串联谐振电源品质因数电路及其测试方法，特别适是一种用于电压互感器现场检定的调节串联谐振电源品质因数电路及其测试方法。

背景技术：

电压互感器是国家要求强制检定的工作计量器具，电压互感器的现场检定工作是电压量值传递工作的重要环节，是保证现场使用的电压互感器计量准确的重要手段。电压互感器的现场检定试验需要在设备停电的情况下测量电压互感器在不同电压测量点下的误差，因此需要可调节电压的试验电源设备。一般采用串联谐振电源作为电压互感器现场检定时的试验电源。串联谐振电源与传统的试验变压器相比，在提供相同电压的情况下大大减小了设备的重量和体积，同时对现场试验电源箱的容量要求也较低。这一特点使得串联谐振设备在电力试验中获得了广泛的应用。

由于不同现场的被试电压互感器回路电容量值变化范围较大，因此对不同现场的电压互感器进行检定时需要匹配一定量值的电容器和电抗器以使电路达到近似谐振状态。串联谐振电路发生谐振时，电容器(或电抗器)的电压与输入的电源电压之比称为串联谐振电路的品质因数。品质因数越高，同样的输入电压可以在电容器(或电抗器)上获得更高的输出电压。为了获得较高的输出电压，现场检定电压互感器时通常采用调节电容器的电容值(或调节电抗器的电抗值)来调节串联谐振电路的品质因数。一般调节品质因数是试探性调节，直到品质因数满足要求为止，调节过程无章可循，调节过程复杂，且不易获得较高的品质因数。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种调节串联谐振电源品质因数电路及其测试方法。本发明使用一组电容器、电抗器与呈电容性的被试电压互感器回路组成串联谐振电路，通过调节电容器的电容值来调节谐振电路的品质因数，以使串联谐振设备的品质因数满足电压互感器现场检定试验的要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种调节串联谐振电源品质因数电路，其特征在于：包括实验电源、调压器、升压器、回路等效电阻、电抗器、匹配电容器、被试回路等效电容、被试电压互感器和标准电压互感器，实验电源与调压器的输入端相连，调压器的输出端与升压器的低压输入端相连，升压器的高压输出端与回路等效电阻相连，回路等效电阻与电抗器串联，电抗器与匹配电容器串联，匹配电容器与升压器的一次低端相连，升压器的一次低端接地；被试回路等效电容并联在匹配电容器的两端；被试电压互感器并联在匹配电容器的两端，被试电压互感器并联在被试回路等效电容的两端；标准电压互感器并联在匹配电容器的两端，标准电压互感器并联在被试电压互感器的两端，标准电压互感器并联在被试回路等效电容的两端。

本发明所述匹配电容器的高压端、被试回路等效电容的高压端、被试电压互感器的高压端和标准电压互感器的高压端均与电抗器相连。

本发明所述匹配电容器的低压端、被试回路等效电容的低压端、被试电压互感器的低压端和标准电压互感器的低压端均与升压器的一次低端相连。

一种调节串联谐振电源品质因数电路的测试方法，其特征在于：

r是回路等效电阻的电阻值，l是电抗器的电抗值，cx是匹配电容器的电容值，c0是被试回路等效电容的电容值，为被试回路等效电容两端的电压的有效值，为升压器的一次低端和升压器的高压输出端之间的电压，ω为实验电源的角频率，j为虚数单位；

与之比即为品质因数q:则当cx＝0时，此时品质因数为常数；当cx＝+∞时，q＝0；当1-ω²l(c0+cx)＝0时，此时品质因数为最大值，电路发生谐振，此时到达谐振曲线q-cx的谐振点；

qmin是品质因数最小值，只要品质因数大于qmin即可满足电压互感器现场检定试验的要求；以c0为基础电容值，并以相等电容量值间隔选取三个电容值c1＝c0、c2＝c0+c、c3＝c0+2c，分别测量c1、c2和c3对应的品质因数q1、q2和q3，则(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点在谐振曲线q-cx上的分布情况可分为两类分布：第一类分布是(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点分布在谐振点的两侧，第二类分布是(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均分布在谐振点的同一侧。

采用基础电容值加等电容量值间隔的三点法逐次逼近谐振点，即可快速找到满足现场检定电压互感器品质因数要求的电容值，使电路的品质因数大于品质因数最小值，从而使电压互感器的检定电路发生谐振(或近似谐振)。

第一类分布中，(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点分布在谐振点的两侧包括两种情况：

第一种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点中的一点在谐振曲线q-cx的上升阶段，三点中的另外两点在曲线的下降阶段；

第二种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点中的两点在谐振曲线q-cx的上升阶段，三点中的另外一点在谐振曲线q-cx的下降阶段；

第一类分布的处理方法如下：

此时，取(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点中品质因数较大的两点对应的匹配电容器的电容值的平均值作为新一组的匹配电容器的电容值，测其对应的品质因数，并保留上述四个点中品质因数最大的三点，若仍然出现第一类的两种情况，则重复本步骤，直至品质因数满足要求。

第二类分布中，(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均分布在谐振点一侧包括两种情况：

第一种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均在谐振曲线q-cx的上升阶段；

第二种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均在谐振曲线q-cx的下降阶段；

第二类分布中第一种情况时，继续以等间隔增加匹配电容器的电容值，测得增加后的匹配电容器的电容值对应的品质因数，同时保留品质因数最大的三点，若出现第一类分布，则按照第一类分布的处理方法找到品质因数满足要求的匹配电容器的电容值；若出现第二类分布，则继续以等间隔增加电容量值直至出现第一类分布，然后按第一类分布的处理方法直至找到满足要求的品质因数；

第二类分布中第二种情况时，继续以等间隔减少匹配电容器的电容值，测得减少后的匹配电容器的电容值对应的品质因数，同时保留品质因数最大的三点，若出现第一类分布，则按照第一类分布的处理方法找到品质因数满足要求的匹配电容器的电容值；若出现第二类分布，则继续以等间隔减少电容量值直至出现第一类分布，然后按第一类分布的处理方法直至找到满足要求的品质因数。

本发明相比现有技术，本发明大大提高了串联谐振电源调节品质因数的效率，尤其适用于被试电压互感器一次回路对地电容未知的变电站现场，例如gis变电站中使用的电磁式电压互感器和ais、gis、pass变电站中使用的电子式电压互感器的现场检定。串联谐振电源品质因数满足要求是对电压互感器进行现场检定的前提，往往品质因数的调节过程占据了电压互感器现场检定试验的大部分时间。本发明所设计的试验方法可以快速调节品质因数使之大于品质因数最小值，使电路达到谐振状态(或近似谐振状态)，从而大大提高了电压互感器现场检定试验的工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例调节串联谐振电源品质因数电路结构示意图。

图2是本发明实施例谐振曲线q-cx图。

图3是本发明实施例调节串联谐振电源品质因数电路的测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图3。

本实施例提供了一种调节串联谐振电源品质因数电路，其安装方法如下：将实验电源1接入调压器2的输入端，调压器2的输出端接升压器3的低压输入端，升压器3的一次低端接地，升压器3的高压输出端接电抗器5，电抗器5串联匹配电容器6，匹配电容器6与标准电压互感器9和被试电压互感器7并联，即匹配电容器6的低压端、标准电压互感器9的低压端和被试电压互感器7的低压端均接地，匹配电容器6的高压端、标准电压互感器9的高压端和被试电压互感器7的高压端均连接在一起。

通过上述安装得到的调节串联谐振电源品质因数电路包括实验电源1、调压器2、升压器3、回路等效电阻4、电抗器5、匹配电容器6、被试回路等效电容8、被试电压互感器7和标准电压互感器9。

其中回路等效电阻4为调节串联谐振电源品质因数电路中电抗器5、匹配电容器6、被试电压互感器7和标准电压互感器9对应的总等效电阻。被试回路等效电容8为被试电压互感器7所在的回路的等效电容。

实验电源1与调压器2的输入端相连，调压器2的输出端与升压器3的低压输入端相连，升压器3的高压输出端与回路等效电阻4相连，回路等效电阻4与电抗器5串联，电抗器5与匹配电容器6串联，匹配电容器6与升压器3的一次低端相连，升压器3的一次低端接地。

被试回路等效电容8并联在匹配电容器6的两端。

被试电压互感器7并联在匹配电容器6的两端，被试电压互感器7并联在被试回路等效电容8的两端。

标准电压互感器9并联在匹配电容器6的两端，标准电压互感器9并联在被试电压互感器7的两端，标准电压互感器9并联在被试回路等效电容8的两端。

作为优选，匹配电容器6的高压端与电抗器5相连，被试回路等效电容8的高压端与电抗器5相连，被试电压互感器7的高压端与电抗器5相连，标准电压互感器9的高压端与电抗器5相连。匹配电容器6的高压端、被试回路等效电容8的高压端、被试电压互感器7的高压端和标准电压互感器9的高压端先相互连接，然后再与电抗器5串联。

作为优选，匹配电容器6的低压端与升压器3的一次低端相连、被试回路等效电容8的低压端与升压器3的一次低端相连、被试电压互感器7的低压端与升压器3的一次低端相连，标准电压互感器9的低压端与升压器3的一次低端相连。匹配电容器6的低压端、被试回路等效电容8的低压端、被试电压互感器7的低压端和标准电压互感器9的低压端先相连，然后与升压器3的一次低端相连。

本实施例还提供了调节串联谐振电源品质因数电路的测试方法。

r是回路等效电阻4的电阻值，l是电抗器5的电抗值，cx是匹配电容器6的电容值，c0是被试回路等效电容8的电容值，为被试回路等效电容8两端的电压的有效值，为升压器3的一次低端和升压器3的高压输出端之间的电压，ω为实验电源1的角频率，j为虚数单位。

与之比即为品质因数q:

结合上述两个公式，则

当cx＝0时，此时品质因数为常数；当cx＝+∞时，q＝0；当1-ω²l(c0+cx)＝0时，此时品质因数为最大值，电路发生谐振，此时到达谐振曲线q-cx的谐振点。

qmin是品质因数最小值，只要品质因数q大于qmin即可满足电压互感器现场检定试验的要求。

以c0为基础电容值，并以相等电容量值c间隔选取三个电容值c1＝c0、c2＝c0+c和c3＝c0+2c。测量c1对应的品质因数q1、c2对应的品质因数q2，c3对应的品质因数q3。得到(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点坐标。

则(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点在谐振曲线q-cx上的分布情况可分为两类分布：第一类分布是(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点分布在谐振点的两侧，第二类分布是(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均分布在谐振点的同一侧。

第一类分布中，(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点分布在谐振点的两侧包括两种情况：

第一类分布的第一种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点中的一点在谐振曲线q-cx的上升阶段，三点中的另外两点在曲线的下降阶段；

第一类分布的第二种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点中的两点在谐振曲线q-cx的上升阶段，三点中的另外一点在谐振曲线q-cx的下降阶段。

第一类分布的处理方法如下：

此时，取(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点中品质因数较大的两点对应的匹配电容器6的电容值的平均值作为新一组的匹配电容器6的电容值c4，例如，若q1＜q2＜q3，则c4＝(c2+c3)/2。

测其c4对应的品质因数q4，得到(c4，q4)，并保留(c1，q1)、(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)四个点中品质因数最大的三点。例如，若q1＜q2＜q3＜q4,则保留(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)三个点。

若仍然出现第一类的两种情况，如(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)三个点仍然分布在谐振点的两侧，取(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)三个点中品质因数较大的两点对应的匹配电容器6的电容值的平均值作为新一组的匹配电容器6的电容值c5。例如，若q2＜q3＜q4,则c5＝(c3+c4)/2。重复上述步骤直至品质因数满足要求。

第二类分布中，(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均分布在谐振点一侧包括两种情况。

第二类分布的第一种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均在谐振曲线q-cx的上升阶段。

第二类分布中第一种情况时，继续以等间隔增加匹配电容器6的电容值得到c4，c4＝c0+3c，测得c4对应的品质因数q4，得到点(c4，q4)。保留(c1，q1)、(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)中品质因数最大的三点。例如，若q1＜q2＜q3＜q4，则保留(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)。

若(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)为第一类分布，则按照第一类分布的处理方法找到品质因数满足要求的匹配电容器6的电容值。若出现第二类分布，则继续以等间隔增加电容量值直至出现第一类分布，然后按第一类分布的处理方法直至找到满足要求的品质因数。

第二类分布的第二种情况：(c1，q1)、(c2，q2)和(c3，q3)三点均在谐振曲线q-cx的下降阶段。

第二类分布中第二种情况时，继续以等间隔减少匹配电容器6的电容值得到c4，c4＝c0-c，测得c4对应的品质因数q4，得到点(c4，q4)。保留(c1，q1)、(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)中品质因数最大的三点。例如，若q1＜q2＜q3＜q4，则保留(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)。

若(c2，q2)、(c3，q3)和(c4，q4)为第一类分布，则按照第一类分布的处理方法找到品质因数满足要求的匹配电容器6的电容值。若出现第二类分布，则继续以等间隔减少电容量值直至出现第一类分布，然后按第一类分布的处理方法直至找到满足要求的品质因数。

本实施例调节串联谐振电源品质因数电路的测试方法采用基础电容加等电容量值间隔的三点法逐次逼近谐振点，使品质因数大于品质因数最小值，从而使串联电路发生谐振(或近似谐振)。采用基础电容加等电容量值间隔的三点法逐次逼近谐振点，分别测量其品质因数，根据三组数据判断三点与串联电路谐振点的关系后选择下一个电容值，逐步逼近串联电路的谐振点至品质因数大于品质因数最小值为止。此时，电压互感器检定电路发生谐振(或近似谐振)，即可进行电压互感器的现场检定试验。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。