专利名称：无接触式电压测量装置及无接触式电压测量方法
技术领域：
本发明涉及电力技术领域，特别涉及一种无接触式电压测量装置及无接触式电压 测量方法。
背景技术：
在目前对高电压信号的测量中，所采用的其中一种方式是采用高压分压器来进行 测量，高压分压器是电网过电压检测中常用的获取高压信号的装置，主要有电阻分压器、电 容分压器和阻容分压器等几种结构形式，图1是文献《基于电容分压的配电网过压在线检 测》一文中示出的电容分压器的结构示意图，图示中C1为高压部分，采用聚苯乙烯电容器， C2为低压臂，采用多个脉冲电容构成，使用高压分压器配合采集卡能够较准确地测量电网 中的电压信号，但是存在着以下的局限性高压、超高压以及特高压系统的分压器价格昂 贵、体积巨大，需要长期并联于电网运行，且存在直接的电的联系，对人身和测量设备而言 都存在着安全隐患，此外，已安装在电网中的分压器是电网测量电压的主要设备，一般不允 许接入其他科研设备，例如过压在线检测装置等等，使用不够灵活方便。对高电压信号测量的另外一种方式是采用电压互感器(PT)和电容式电压互感器 (CVT)，PT和CVT是高压、超高压及特高压电网测量电压的主要手段，也是各种二次设备获 取电压信号的主要方法，但是PT和CVT为了实现有效隔离，均含有电磁元件，在高频条件 下极易饱和，因此在测量过电压信号时，会出现波形削峰现象，从而不能准确地计算出过电 压倍数。对高电压信号的测量还有一种方式是采用光学电子式互感器来实现，其主要是采 用Pockets效应、Kerr效应和逆压电效应等等，具有抗干扰能力强、绝缘性好、频带宽、原理 直接和测量精度高等优点，是未来测量的发展方向，但是他们的实用化进程比较缓慢、价格 高，且存在由于温度、震动等因素影响工作稳定性的问题。目前，无接触式测量方法由于其 具有相互隔离(无直接电的联系)、频率响应特性好(无电磁元件)、和安全(测量部分出 现问题不影响被测对象的工作)等优点，是测量手段的新趋势，尤其是适合于对高压、超高 压以及特高压点电网的电压的测量，但是目前尚未有具体的采用无接触式测量方式对电压 等测量的方案出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无接触式电压测量装置及无接触式电压测量方法，其 可以提高对电压信号测量的安全性，方便，安全可靠，且对系统的安全运行无影响。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案一种无接触式电压测量装置，包括平行设置在被检测母线/导线下方且与被检 测母线/导线数目相等的感应线、采集卡、以及电压计算单元，所述采集卡采集各感应线上 的感应电压，所述电压计算单元根据各所述感应线上的感应电压、以及多导线系统的电位 系数计算各所述被检测母线/导线的电压值，所述多导线系统包括各所述被检测母线/导 线、各所述感应线。
一种无接触式电压测量方法，包括步骤测量平行设置被检测母线/导线下方、且与被检测母线/导线数目相等的各感应 线上的感应电压；根据预定参数类型计算各所述被检测母线/导线的电压值，所述预定参数类型包 括各所述感应线上的感应电压、以及多导线系统的电位系数，所述多导线系统包括各所述 被检测母线/导线、各所述感应线。根据本发明的无接触式电压测量装置及无接触式电压测量方法，其是在被检测母 线/导线的下方平行设置有与被检测母线/导线数目相等的感应线，即每一个被检测母线/ 导线都对应有一条感应线，因此，在被检测母线/导线上进行电力供应时，在下方的感应线 上形成感应电压，并由此形成被检测母线/导线与感应线上的感应电压的对应转换关系， 从而在采集到各感应线上的感应电压之后，可以根据多导线系统的电位系数确定的转换关 系以及各感应电压计算出各被检测母线/导线的电压值，据此实现对各被检测母线/导线 的电压值的测量。这种对各被检测母线/导线的电压值的测量方式，无需与被检测母线/导 线进行直接的电的联系即可实现对各被检测母线/导线的电压值的测量，方便，安全可靠， 可以提高对电压信号测量的安全性，且对系统的安全运行无影响。
图1是电容分压器的结构示意图；图2是本发明的无接触式电压测量方法实施例一的流程示意图；图3是两条导线之间的对地镜像示意图；图4是三相无接触电压测量方式下的模型示意图；图5是本发明的无接触式电压测量方法实施例二的流程示意图；图6是并联补偿电容后的三相无接触电压测量装置的模型示意图。
具体实施例方式以下结合具体实施例对本发明方案进行详细说明。本发明方案在实现对各被检测母线/导线的电压值的测量时，为了保证测量时的 安全性和电力供应的稳定性，是在被检测母线/导线的下方平行放置与被检测母线/导线 相同数目的感应线，结合无接触多导体耦合技术，在测得各感应线上的感应电压之后，根据 各感应电压的电压值，以及各感应电压与各被检测母线/导线的电压之间的转换关系来推 导得出各被检测母线/导线的电压值。本发明方案的无接触式电压测量装置，是在被检测母线/导线下方平行设置有与 被检测母线/导线数目相等的感应线，并设置有一个采集卡，通过采集卡采集各感应线上 的感应电压，然后通过电压计算单元来根据各采集卡所采集的各感应线上的感应电压、以 及多导线系统的电位系数计算出各所述被检测母线/导线的电压值，这里的多导线系统包 括上述各被检测母线/导线、以及上述各感应线。这里的电压计算单元可以是设置在电网 中心的计算机，采集卡可以是通过总线等方式来与电压计算单元相连接，将采集到的各感 应电压通过总线传输给电压计算单元。根据实际应用需要，这里的电压计算单元也可以是 由其他的设备来实现，在计算得到各被检测母线/导线的电压之后再将计算得到的电压传输给计算机进行应用，各采集卡也可以是采用其他方式与电压计算单元相连接，在此不予 赘述。在将感应线设置在被检测母线/导线的下方时，可以是通过绝缘支架来进行支 撑，绝缘支架的高度可以是固定的，也可以是采用高度可调的绝缘支架，各感应线下方可分 别设置一个绝缘支架。此外，该感应线也可以是通过悬挂的方式分别悬挂在各被检测母线 /导线的下方，各被检测母线/导线的下方可分别悬挂一条感应线。此外，考虑到在采用采集卡来测量感应线上的感应电压时，由于采集卡内阻相对 于感应线对地电容来说非常�。赡芷苹嫡鲎爸玫牡缛菥卣蠓盅鼓Ｐ停贾抡霾饬康� 不准确。据此，本发明方案还在采集卡两端并联一个一定大小的电容，称之为补偿电容，以 此减少感应线对地电容，平衡被检测母线/导线与感应线之间的电压。图6中示出了并联 补偿电容后的三相无接触电压测量装置的模型。补偿电容的电容值的选择，可以是根据采 集卡的最大采集范围来确定，也可以是结合其他因素进行综合考虑。以三相电压为例，综合 多种因素考虑，在本发明方案的一个实际应用中，将该补偿电容的电容值设置为0. lyF。在并联设置了补偿电容之后，电压计算单元在计算被检测母线/导线的电压值 时，除了考虑上述各感应电压、多导线系统的电压系数之外，还同时根据各补偿电容的电容 值来计算。结合上述本发明的无接触式电压测量装置，本发明还提供无接触式电压测量方 法，以下就未并联补偿电容与并联了补偿电容这两种情况分别进行说明。参见图2所示，是本发明的无接触式电压测量方法实施例一的流程示意图，在本 实施例中，未在采集卡两端并联补偿电容，其包括步骤步骤S101 测量平行设置被检测母线/导线下方、且与被检测母线/导线数目相 等的各感应线上的感应电压，进入步骤S102 ；步骤S102 根据预定参数类型计算各所述被检测母线/导线的电压值，所述预定 参数类型包括各所述感应线上的感应电压、以及多导线系统的电位系数，这里的多导线系 统包括各所述被检测母线/导线、各所述感应线。根据无接触多导体耦合技术，假设在n条平行无损多导线系统中，第k条导线的对 地电位为uk，导线电荷为qk，从而根据静电方程可以得到
(1)其中，式中的011、022、&33、知、、等分别表示导线1、导线2、导线3、导线k、导线 n之间的自电位系数，式中的a12等表示导线1与导线2间的互电位系数，其他的以此类推。根据图3中所示的两条导线之间的对地镜像示意图，以这两条导线为导线1、导线 2为例，假设导线1的高度为h、导线2的高度为h2，导线1与导线2之间的距离为d12，导线 1至导线2的对地镜像电荷的距离为d' 12，由于导线1、导线2各自的对地镜像电荷与地面的距离分别等于导线1、导线2的高度，因此，电位系数a n、a12可以写为 其中rd表示导线半径，％表示真空介电常数，对于分裂导线而言，这里的导线半 径可以是取几何均距。结合上述无接触多导体耦合技术，假设测量的是三相电压，图4中给出了三相无 接触电压测量方式下的模型示意图，其中，图示中的导线1、2、3表示模拟三相架空线，为被 检测母线/导线，高度为hp，导线4、5、6为平行架设在该三相架空线下方的感应线，高度为 hd根据上述式(1)，可以得到这六根导线的静电方程为
(3) 式中Ul、u2、u3分别表示三根三相被检测母线/导线上的电压，u4、u5、u6分别表示 三根感应线上的电压，qi、q2、q3分别表示三根被检测母线/导线上的电流，q4、q5、q6分别表 示三根感应线上的感应电荷，由于感应线上没有感应电荷，因此q4 = q5 = q6 = 0，因而有 从而得到
V札
则上式可以表示为
对其进行变换，将qi、q2、q3的变量予以消除，从而可以得到被检测母线/导线上的母线电压与感应线上的感应电压的矩阵变换关系为
即 记
，将Z称之为转换矩阵，因此，只要
三相被检测母线/导线电压是确定的，三根感应线上的电压也就确定了，同理，只要检测出 三根感应线上的感应电压，就可以根据该感应电压结合上述转换矩阵推导得出被检测母线 /导线上的电压UpU^iv其中，上述对各导线之间的自电位系数、互电位系数等的计算确定方式可如上述 式(2)中进行，且各感应线的高度可以相同，也可以是互不相同，为了计算简便的需要，可 以是将各感应线的高度设置为相同。参见图5所示，是本发明的无接触式电压测量方法实施例二的流程示意图，在本 实施例中，与上述实施例一中的方法的不同之处主要在于，本实施例中的方案还在各感应 线的采集卡两端并联补偿电容，以减少感应线的对地电容，平衡被检测导线与感应线之间 的电压。此时，以三相电压为例，对应的变换矩阵可能也需要做相应的改变。如图5所示，本实施例中的无接触式电压测量方法包括步骤步骤S201 测量平行设置被检测母线/导线下方、且与被检测母线/导线数目相 等的各感应线上的感应电压，进入步骤S202 ；步骤S202 根据预定参数类型计算各所述被检测母线/导线的电压值，所述预定 参数类型包括各所述感应线上的感应电压、多导线系统的电位系数、以及补偿电容，这里的 多导线系统包括各所述被检测母线/导线、各所述感应线。在本实施例的方案中，考虑到在采用采集卡来测量感应线上的感应电压时，由于 采集卡内阻相对于感应线对地电容来说非常�。赡芷苹嫡鲎爸玫牡缛菥卣蠓盅鼓Ｐ停�
导致整个测量的不准确。据此，本实施例的方案还在采集卡两端并联-
-定大小的电容，
称之为补偿电容，以此减少感应线对地电容，平衡被检测母线/导线与感应线之间的电压。 图6中示出了并联补偿电容后的三相无接触电压测量方式的模型。补偿电容的电容值的选择，可以是根据采集卡的最大采集范围来确定，也可以是 结合其他因素进行综合考虑。以三相电压为例，综合多种因素考虑，在本发明方案的一个实 际应用中，可以是将该补偿电容的电容值设置为0. 1 y F。由于并联了补偿电容，因此，如果继续使用前述的变换矩阵来计算被检测母线/ 导线上的电压，会导致所得结果的不准确，因而需要重新对变换矩阵进行确定。对上述式(3)中的电位系数矩阵求逆，从而可以得到由电容矩阵所表示的方程
8
由于在采集卡两端并联了补偿电容，从而可以得到一个新的电容矩阵，记新并联 的补偿电容的电容值为C(l，从而有 对上述电容矩阵C求逆矩阵，从而可以得到新的电位系数转换矩阵以及新的电压 转换关系 从而最后可以得到
从而得到新的转换矩阵 即 其中， 本实施例方法中的其他技术特征与上述实施例一中的相同，在此不予赘述。以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
权利要求
一种无接触式电压测量装置，其特征在于，包括平行设置在被检测母线/导线下方且与被检测母线/导线数目相等的感应线、采集卡、以及电压计算单元，所述采集卡采集各感应线上的感应电压，所述电压计算单元根据各所述感应线上的感应电压、以及多导线系统的电位系数计算各所述被检测母线/导线的电压值，所述多导线系统包括各所述被检测母线/导线、各所述感应线。
2.根据权利要求1所述的无接触式电压测量装置，其特征在于，还包括并联在所述采 集卡两端的补偿电容；所述电压计算单元，还同时根据所述补偿电容的电容值计算各所述被检测母线/导线 的电压值。
3.根据权利要求2所述的无接触式电压测量装置，其特征在于，所述补偿电容的电容 值为 0. liiF。
4.根据权利要求1或2或3所述的无接触式电压测量装置，其特征在于还包括设置在感应线下方的绝缘支架，各所述感应线分别平行设置在各绝缘支架上；或者各所述感应线分别平行悬挂于所各述被检测母线/导线的下方；或者各所述感应线的高度相同或者不相同。
5.一种无接触式电压测量方法，其特征在于，包括步骤测量平行设置被检测母线/导线下方、且与被检测母线/导线数目相等的各感应线上 的感应电压；根据预定参数类型计算各所述被检测母线/导线的电压值，所述预定参数类型包括各 所述感应线上的感应电压、以及多导线系统的电位系数，所述多导线系统包括各所述被检 测母线/导线、各所述感应线。
6.根据权利要求5所述的无接触式电压测量方法，其特征在于，当所述被检测母线/导 线具有三条时，采用下式计算各所述被检测母线/导线的电压值 其中，Ul、U2、U3分别表示各被检测母线/导线的电压值，U4、u5、u6分别表示各感应线的 感应电压，a n表示导线1的自电位系数，a 12表示导线1与导线2之间的互电位系数。
7.根据权利要求5所述的无接触式电压测量方法，其特征在于，所述预定参数类型还 包括并联在采集卡两端的补偿电容。
8.根据权利要求7所述的无接触式电压测量方法，其特征在于，当所述被检测母线/导线具有三条时，采用下式计算确定出各被检测母线/导线的电压值 f ‘ 其中， Ul、u2、u3分别表示各被检测母线/导线的电压值，u4、u5、u6分别表示各感应线的感应 电压，(^表示所述补偿电容的电容值，a n表示导线1的自电位系数，a12表示导线1与导 线2之间的互电位系数。
9.根据权利要求8所述的无接触式电压测量方法，其特征在于，所述补偿电容的电容 值为 0. liiF。
10.根据权利要求5至9任意一项所述的无接触式电压测量方法，其特征在于，所述电 位系数的确定方式为 其中，a 表示导线i的自电位系数，比表示导线i的高度，rd表示导线半径，a u表示 导线i与导线j之间的互电位系数，表示导线i与导线j之间的距离，d'。_表示导线i 与导线j的对地镜像电荷的距离，￡ o表示真空介电常数。
全文摘要
一种无接触式电压测量装置及方法，其是在被检测母线/导线的下方平行设置有与被检测母线/导线数目相等的感应线，即每一个被检测母线/导线都对应有一条感应线，因此，在被检测母线/导线进行电力供应时，在下方的感应线上形成感应电压，并由此形成被检测母线/导线与感应线上的感应电压的对应转换关系，从而在测得各感应线上的感应电压之后，根据该转换关系以及各感应电压计算出各被检测母线/导线的电压值，据此实现对各被检测母线/导线的电压值的测量。这种对各被检测母线/导线的电压值的测量方式，无需与被检测母线/导线进行直接的电的联系，方便，安全可靠，可以提高对电压信号测量的安全性，且对系统的安全运行无影响。
文档编号G01R15/18GK101852823SQ20101011200
公开日2010年10月6日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者姚森敬, 常安, 张前雄, 徐晓刚, 杨楚明, 田翠华, 白尧, 袁佳歆, 陈晓国, 陈松波, 陈柏超 申请人:广东电网公司电力科学研究院
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