阅读说明：本技术 一种高压输电线路三相电压谐波同步检测方法 (High-voltage transmission line three-phase voltage harmonic synchronous detection method ) 是由 杨文陵 连和 沈谢林 伍长志 陈静颖 赵欢 陈龙毅 叶开发 曾玮强 林涌艺 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高压输电线路三相电压谐波同步检测方法,包括如下步骤：分别将三个检测装置靠近或接触高压输电线路,形成的第一、第二杂散电容与分压电容串联连接；通过远端的手持装置向三个信号处理单元发送经ASK调制的50Hz方波信号以使其同步开启,各信号处理单元在接收到该方波信号后开始采集分压电容两端的电压,并根据该电压计算输电线路电压的谐波含量后,将计算结果发送至手持装置。本发明利用电场耦合实现直接同步检测三相高压输电线路的谐波含量,检测简单便捷,精度高,且不受电压输电线路电压等级限制,适用范围广。(The invention provides a high-voltage transmission line three-phase voltage harmonic synchronous detection method, which comprises the following steps: the three detection devices are respectively close to or contact with the high-voltage transmission line, and a first stray capacitor and a second stray capacitor which are formed are connected with the voltage division capacitor in series; the method comprises the steps that a far-end handheld device sends 50Hz square wave signals modulated by ASK to three signal processing units to enable the three signal processing units to be started synchronously, each signal processing unit starts to collect voltage at two ends of a voltage division capacitor after receiving the square wave signals, harmonic content of voltage of a power transmission line is calculated according to the voltage, and then a calculation result is sent to the handheld device. The invention realizes direct synchronous detection of the harmonic content of the three-phase high-voltage transmission line by utilizing electric field coupling, has simple and convenient detection, high precision, no limit of voltage grade of the voltage transmission line and wide application range.)

一种高压输电线路三相电压谐波同步检测方法

技术领域

本发明涉及谐波检测领域，特别是一种高压输电线路三相电压谐波同步检测方法。

背景技术

传统的高压输电线路谐波检测方法采用有线方式，即在变电站中将谐波检测仪接入PT/CVT二次侧，通过检测PT/CVT二次端的小电压信号来检测母线上的电压，间接获得输电线路中的谐波含量。据统计，在国外72.5kV以上的电压等级的电压互感器几乎全部采用电容式电压互感器(CVT)，在国内，110kV及以上电压等级互感器也广泛采用CVT。但由于受CVT传输特性的固有影响,导致该方法在谐波分析中并不适用，国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》及IEC相关标准都明确规定CVT不能用于谐波测量。原因是通过测量CVT二次测电压信号谐波含量，再按照比例折算出线路谐波含量，这种测量方法由于CVT本身电容特性，会对不同频率的谐波按不同比例衰减，而衰减比例并不成线性比例关系，导致测量结果存在很大的偏差，最大偏差量可达36.70％，因此从CVT测取的谐波电压测试结果，会造成许多公共连接点供电电压不合格的虚假现象。因此，传统借助CVT检测高压线路谐波的测量结果不够准确，且传统检测方式也只能对变电站内部线路进行测量，对于站外高压线路由于没有安装CVT柜而无法测量谐波。同时对于10kV高压线路，由于CVT一次侧中性点有串接一只消谐电阻接地，可能对体现零序特性的谐波电压的测量结果造成影响(如3次谐波)，最终影响谐波电压总畸变率的测试结果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种高压输电线路三相电压谐波同步检测方法，利用电场耦合实现同步检测三相高压输电线路的谐波含量，检测简单便捷，精度高，且不受高压输电线路电压等级限制，适用范围广。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高压输电线路三相电压谐波同步检测方法，包括如下步骤：

A、分别将三个检测装置靠近或接触高压输电线路，检测装置包括PCB板、分别设置在PCB板上的金属电极、分压电容和信号处理单元，金属电极与高压输电线路之间形成第一杂散电容，PCB板地层与大地之间形成第二杂散电容，第一、第二杂散电容与分压电容串联连接；

B、通过远端的手持装置向三个信号处理单元发送经ASK调制的50Hz方波信号以使其同步开启，各信号处理单元在接收到该方波信号后开始采集分压电容两端的电压，并根据该电压计算输电线路电压的谐波含量后，将计算结果发送至手持装置。

进一步的，所述PCB板包括第一PCB板和第二PCB板，第一PCB板为圆形结构且地层敷铜，第二PCB板包括矩形部和设置在矩形部上的梯形部，矩形部垂直点焊连接在第一PCB板上，所述金属电极设置在梯形部最上端，使用时，第一PCB板与大地基本保持平行。

进一步的，所述检测装置还包括电极安装件，电极安装件包括设置在所述梯形部上端的竖板、设置在竖板上端的横板和设置在横板上的第一螺柱，第一螺柱外周设置有第一外螺纹、顶部设置有第一内螺孔，所述金属电极下端设置有与第一螺孔匹配的第二螺柱，所述金属电极通过电极安装件与所述分压电容电连接。

进一步的，所述检测装置还包括罩住PCB板的金属均压罩和设置在金属均压罩外周的绝缘外壳，所述金属均压罩和绝缘外壳的纵截面与所述第二PCB板形状相同，所述金属均压罩与所述第二PCB板的地端弹性电连接，所述绝缘外壳顶部设置有第一凹槽，第一凹槽内设置有供所述第一螺柱穿出的第一让位孔，与第一外螺纹匹配的螺母锁紧在第一凹槽内以将绝缘外壳、金属均压罩与第二PCB板固定。

进一步的，所述检测装置还包括设置在所述第二PCB板与金属均压罩之间的弹簧，弹簧一端焊接在第二PCB板地端，另一端可与金属均压罩可靠电连接，金属均压罩罩住第二PCB板后，弹簧被金属均压罩压缩以实现金属均压罩与第二PCB板地端可靠的弹性电接触。

进一步的，所述信号处理单元包括输入端与所述分压电容连接的跟随放大器、输入端与跟随放大器输出端连接的IDT90E36芯片和输入端与IDT90E36芯片输出端连接的第一微处理器，所述手持装置包括第二微处理器、与第二微处理器输入端连接的按键单元和与第二微处理器输出端连接的显示单元，第一、第二微处理器无线双向通信连接。

进一步的，所述信号处理单元包括输入端与所述分压电容连接的跟随放大器、输入端与跟随放大器输出端连接的第一微处理器，所述手持装置包括第二微处理器、与第二微处理器输入端连接的按键单元和与第二微处理器输出端连接的显示单元，第一、第二微处理器无线双向通信连接。

进一步的，所述金属均压罩包括空心圆柱和设置在空心圆柱上端的空心锥台，空心圆柱与空心锥台一体成型，所述金属均压罩采用铜质材料，厚度为0.05-0.15mm。

进一步的，所述步骤A还包括：通过分别与各检测装置可拆卸连接的三个绝缘伸缩杆将各检测装置靠近或接触高压输电线路。

进一步的，检测装置通过伸缩杆连接件与绝缘伸缩杆可拆卸连接，所述绝缘外壳外侧下部设置有凸台，凸台上设置有第二限位台阶，并开有通孔，伸缩杆连接件具有与绝缘外壳匹配的弧形面，弧形面上设置有与可供凸台嵌入的第二凹槽，第二凹槽上设置有第二螺孔，第一螺栓穿过第二限位台阶，通过开具的通孔锁紧在第二螺孔中，伸缩杆连接件下端设置有第三螺孔，伸缩杆顶端设置有与第三螺孔匹配的第三螺柱。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明检测时，分别将三个检测装置靠近三相高压输电线路，由于电场耦合的作用，检测装置的金属电极与输电线路之间形成第一杂散电容、PCB板底部与大地之间形成第二杂散电容(当金属电极接触输电线路时，第一杂散电容为零，但第二杂散电容仍然存在)，第一、第二杂散电容与分压电容串接，通过信号处理单元与分压电容连接以获取其两端的电压，并根据该电压计算输电线路电压的谐波含量，检测过程简单便捷，且检测结果精度高；通过手持装置分别向三个检测装置发送ASK调制的同步方波信号，能够保证三相高压线路电压采集的同步性，从而进一步提高检测精度；利用金属均压罩将PCB板罩住，能够避免PCB板上元器件在高压中引起尖端放电而影响检测结果的现象；本发明利用杂散电容分压原理，而分压电容与大地完全隔离，因此可以承受的电压等级不受限制，能够满足国内外最高电压等级1100kV电压的需求，适用范围广。

2、本发明的PCB板包括第一PCB板和第二PCB板，第一PCB板为圆形结构且地层敷铜，当其与大地保持基本平行布置时，可与大地之间形成第二杂散电容，第二PCB板上设置有电极安装件，使金属电极与分压电容实现可靠电连接，且方便金属均压罩和绝缘外壳的安装。

3、本发明的金属均压罩通过弹簧与第二PCB板的地端弹性电连接，连接结构简单可靠，且能够保证信号处理单元与金属均压罩处于等电位状态，解决电场集中问题，提高耐压能力。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为图1的分解结构示意图。

图3为本发明实施例一绝缘外壳的结构示意图。

图4为本发明实施例一绝缘伸缩杆连接件的结构示意图。

图5为本发明实施例一的原理框图。

图6为本发明实施例一检测装置的电路原理图。

图7为本发明实施例三的电路原理图。

图8为本发明实施例四的电路原理图。

其中，1、检测装置；11、金属电极；111、第二螺柱；12、分压电容；13、跟随放大器；14、IDT90E36芯片；15、第一微处理器；16、声光提示单元；L、空芯电感；R1、电阻；R2、高压放电管；D1、二极管；13、跟随放大器；14、IDT90E36芯片；2、无线通信装置；21、第一无线收发装置；22、第二无线收发装置；3、手持装置；31、第二微处理器；32、按键单元；33、显示单元；4、绝缘伸缩杆连接件；41、弧形面；42、第二凹槽；43、第二螺孔；44、第三螺孔；5、绝缘外壳；51、第一凹槽；52、第一让位孔；53、螺母；54、延伸块；55、凸台；56、通孔；6、绝缘伸缩杆；61、第三螺柱；7、第二PCB板；71、矩形部；72、梯形部；73、竖板；74、横板；75、第一螺柱；76、O型圈槽口；77、弹簧；78、第一PCB板；79、圆形底座；8、金属均压罩；IC3、电能芯片；C2、储能电容；D2、双向触发二极管；D3、发光二极管；R3、限流电阻。

具体实施方式

实施例一：

如图1至图6所示，高压输电线路谐波检测系统包括三根绝缘伸缩杆6、分别设置在三根绝缘伸缩杆6上的三个检测装置1、无线通信装置2和分别与三个检测装置1双向通信连接的手持装置3，手持装置3设置在远端，检测装置1包括PCB板、分别设置在PCB板上的金属电极11、分压电容12、空芯电感L、电阻R1、高压放电管R2、二极管D1、RC滤波电路、信号处理单元和声光提示单元、罩住PCB板的金属均压罩8和设置在金属均压罩8外周的绝缘外壳5，PCB板地层敷铜，信号处理单元包括输入端与分压电容12并联连接的跟随放大器13、输入端与跟随放大器13输出端连接的IDT90E36芯片14和输入端与IDT90E36芯片14输出端连接的第一微处理器15，声光提示单元包括分别与第一微处理器15连接的第一发光二极管和第二发光二极管，手持装置3包括第二微处理器31、与第二微处理器31输入端连接的按键单元32和与第二微处理器31输出端连接的显示单元33，第一微处理器15、第二微处理器31通过无线通信装置2无线双向通信连接，实现数据传输，手持装置3的按键单元32输入命令后，第二微处理器31通过分别发送ASK调制的同步50Hz方波信号至各检测装置1的第一微处理器15以使其同步开启。高压输电线路的电压很高，因此其周围分布的电场强度极大，工作时，当金属电极11接近高压输电线路，根据电场理论，金属电极11上会感应出一定电荷量，致使金属电极11与高压输电线路之间形成第一杂散电容，同时金属电极11与大地之间也构成第二杂散电容，当耦合到第一杂散电容和/或第二杂散电容时，第一微处理器15控制第一发光二极管发光，当高压输电线路周围分布的电场强度过强时，第一微处理器15控制第二发光二极管发光，第一微处理器15控制第一、第二发光二极管发光过程为现有技术，第一、第二杂散电容和分压电容12串接连接，信号处理单元与分压电容12并联连接以获取其两端的电压信号，并根据该电压信号计算输电线路电压的各次谐波含量后，将计算结果发送至手持装置3，由显示单元33显示。其中，无线通信装置2包括与第一微处理器15连接的第一无线收发装置21和与第二微处理器31连接的第二无线收发装置22，第一无线收发装置21、第二无线收发装置22均为现有技术。按键单元32和显示单元33均为现有技术。

电阻R1、空芯电感L和分压电容12串联后与高压放电管R2并联，金属电极11与高压放电管R2和电阻R1的汇集连接点可靠电连接，跟随放大器13、二极管D1和RC滤波电路均与分压电容12并联，二极管D1用于对分压电容12两端的电压信号进行瞬态抑制，RC滤波电路用于对该电压信号进行抗混叠滤波处理，分压电容12两端电压经二极管D1和RC滤波电路后进入跟随放大器13，跟随放大器13输出端与信号处理单元连接，检测装置1靠近输电线路后，耦合出的第一杂散电容与电阻R1串接、第二杂散电容与分压电容12串接，即第一杂散电容、电阻R1、空芯电感L、分压电容12和第二杂散电容串联后再与高压放电管R2并联，如此即能够按照一定比例将输电线路的电压进行分压，电阻R1和空芯电感L的作用在于防止金属电极11对输电线路放电损毁分压电容12，保证检测装置1在高压环境下使用的可靠性，高压放电管R2用于为分压电容12提供一放电通路，以避免过高电压损坏分压电容12。

在本实施例中，分压电容12采用耐压大于63VAC的无极性电容，容量为0.01μF；电阻R1采用100kΩ/2W的功率电阻R1，用于限制电容回路的电流；空芯电感L采用100μH/5A的空芯电感L，用于防止检测装置1靠近输电线路时产生瞬间放电，限制电流突变；高压放电管R2采用额定电压为60VAC的放电管。

PCB板包括第一PCB板78、第二PCB板7和圆形底座79，第一PCB板78通过螺栓设置在圆形底座79上，第一PCB板78也为圆形结构且地层敷铜，上面焊接有2个不同发光颜色的指示灯，分别为耦合到电场指示和电场信号过强指示，第二PCB板7包括矩形部71和设置在矩形部71上的梯形部72，矩形部71最下端垂直点焊连接在第一PCB板78上，焊点且作为信号的传输导线，第一PCB板78水平布置，金属电极11通过电极安装件73可拆卸地设置在梯形部72最上端，且要求与第一PCB板78可靠电连接，使用时，第一PCB板78地层与大地基本保持平行以能够耦合出第二杂散电容。电极安装件73包括通过第二螺栓锁紧在梯形部72最上端的竖板73、设置在竖板74上端的横板74和设置在横板74上的第一螺柱75，第一螺柱75外周设置有第一外螺纹、顶部设置有第一内螺孔，金属电极11下端设置有与第一内螺孔匹配的第二螺柱111，金属电极11上端可为钩型、Y型、针状或者柱状，在本实施例中，金属电极11上端为Y型，金属电极11通过电极安装件73与分压电容12实现电连接。竖板73上还设置有O型圈槽口76，圆形底座79上也设置有O型圈槽口，将O型圈置于O型圈槽口内，能够保证电极安装件73与绝缘外壳5固定时密封良好。

金属均压罩8和绝缘外壳5的纵截面与第二PCB板7形状相同，具体地，金属均压罩8和绝缘外壳5均包括空心圆柱和设置在空心圆柱上端的空心锥台，空心圆柱和空心锥台一体成型，空心圆柱直径与圆形底座79直径相匹配，金属均压罩8采用铜质材料制成，厚度为0.1mm，绝缘外壳5采用绝缘塑料制成，绝缘外壳5顶部设置有圆形第一凹槽51，第一凹槽51内设置有供第一螺柱75穿出的第一让位孔52，与第一外螺纹匹配的螺母53锁紧在第一螺柱75上，螺母53外周直径与第一凹槽51直径匹配，以使螺母53锁紧在第一螺柱75上时，刚好位于第一凹槽51内，从而将绝缘外壳5、金属均压罩8与第二PCB板7固定，螺母53采用非金属材料加工而成。

绝缘伸缩杆6与绝缘外壳5之间通过绝缘伸缩杆连接件4固定连接，绝缘外壳5下端一侧具有向下延伸的延伸块54，在延伸块54外侧设置有凸台55，凸台55上设置有第二限位台阶，并开设有通孔56，绝缘伸缩杆连接件4具有与绝缘外壳5匹配的弧形面41，弧形面41上设置有可供凸台55嵌入的第二凹槽42，第二凹槽42设上设置有第二螺孔43，第一螺栓穿过第二限位台阶，通过开具的通孔56锁紧在第二螺孔43中，绝缘伸缩杆连接件4下端设置有第三螺孔，绝缘伸缩杆6顶端设置有与第三螺孔匹配的第三螺柱61第三螺孔44，绝缘外壳5与绝缘伸缩杆连接件4之间是面接触，可有效防止使用过程中，绝缘外壳5相对绝缘伸缩杆6转动。

金属均压罩8与第二PCB板7的地端弹性电连接，以确保金属均压罩8与第二PCB板7地之间的可靠电连接，弹性连接具体为在第二PCB板7与金属均压罩8之间设置有弹簧77，弹簧77一端焊接在第二PCB板7上以与第二PCB板7的地端电连接，金属均压罩8罩住第二PCB板7后，弹簧77则被金属均压罩8压缩，从而实现金属均压罩8与第二PCB板7地端的弹性电接触。

在本实施例中，第一微处理器15和第二微处理器31均为STM32微处理器，利用STM32微处理器编程实现50Hz方波信号的ASK调制，为现有技术，当第二微处理器31接收到该方波信号后即被唤醒，从而开始采集分压电容12两端电压，并由IDT90E36芯片14计算后获得输电线路2-32次及3-31次谐波含量。

高压输电线路三相电压谐波同步检测方法，包括如下步骤：

A、分别将三个检测装置1靠近高压输电线路，检测装置1包括PCB板、分别设置在PCB板上的金属电极11、分压电容12和信号处理单元，金属电极11与高压输电线路之间形成第一杂散电容，PCB板地层与大地之间形成第二杂散电容，第一、第二杂散电容与分压电容12串联连接；

B、通过远端的手持装置3向三个信号处理单元发送经ASK调制的50Hz方波信号以使其同步开启，各信号处理单元在接收到该方波信号后开始采集分压电容12两端的电压，并根据该电压计算输电线路电压的谐波含量后，将计算结果发送至手持装置3，或者将计算结果存储在于信号处理单元连接的U盘中。

本发明利用放置在空间的导体分别与输电线路和大地之间构成电容器的原理，且构成的电容器与分压电容12串联分压，当输电线路有电压时，根据串联电容的分压作用，在分压电容12两端感应出一个电压信号，即按照一定比例将输电线路的电压进行了分压，分析该电压信号的谐波含量即能得到输电线路的谐波含量。

在本实施例中，将检测装置1靠近输电线路，金属电极11与输电线路之间耦合出第一杂散电容，PCB板与大地之间耦合出第二杂散电容，在另一实施例中，也可将检测装置1与输电线路接触，如此虽然金属电极11与输电线路之间不再耦合出第一杂散电容(即第一杂散电容为零)，但PCB板与大地之间耦合出了第二杂散电容，第二杂散电容与分压电容12串联，采集分压电容12两端的电压仍然能够进行谐波分析。

在本实施例中，通过绝缘伸缩杆6将检测装置1靠近或者接触输电线路，保障了工作人员的人身安全，而对于较高电压等级的高压输电线路，可将检测装置1挂在无人机下端，通过无人机将检测装置1靠近输电线路，彻底杜绝工作人员发生危险的情况发生。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于：信号处理单元包括输入端与分压电容连接的跟随放大器、输入端与跟随放大器输出端连接的第一微处理器，手持装置包括第二微处理器、与第二微处理器输入端连接的按键单元和与第二微处理器输出端连接的显示单元，第一微处理器、第二微处理器通过无线通信装置无线双向通信连接。分压电容两端的电压直接由第一微处理器进行谐波分析，而由于第一微处理器的FFT运算能力限制，其只能处理有限点数的FFT，所以在截取时域的周期信号时，不能截取到整数倍的周期,信号分析时无法取得无限大的样本，只要存在截断不同步，就会导致频谱泄露的发生，为了减小谐波的频谱泄露分量，进一步提高谐波检测的精度，需要进一步加快主频率以外的谱线幅值的衰减，避免谐波间的相互干扰。因此，采样后需要对信号进行加窗处理，傅立叶分析的频率分辨率主要是受窗函数主瓣的宽度影响，而泄露的程度则依赖于主瓣和旁瓣相对幅值的大小，本实施例中采用汉宁窗，虽然主瓣较宽，但旁瓣泄露少，根据电场耦合法获得电压信号，AD采样数据与汉宁窗口相乘，然后输入到第一微处理器的DFT处理器，其中DFT周期为0.5秒，分辨率为2Hz，采样频率为8kHz，DFT处理器根据测得的线路频率和采样率计算基频和谐波分量。

实施例三：

如图7所示，本实施例与实施例一区别在于：输电线路谐波检测装置具有自供电单元，具体为：检测装置包括第一PCB板、第二PCB板、金属电极、分压电容、信号处理单元和自供电单元，信号处理单元与实施例一相同，第一PCB板水平布置且地层敷铜，第二PCB板垂直焊接在第一PCB板上，金属电极设置在第二PCB板上端，分压电容、信号处理单元和自供电单元设置在第二PCB板上，金属电极与分压电容串接，自供电单元包括整流电路、电能芯片IC3和储能电容C2，信号处理单元输入端和整流电路输入端均与分压电容连接，整流电路输出端与电能芯片IC3输入端连接，电能芯片IC3输出端与储能电容C2连接，储能电容C2与信号处理单元对应的电源端连接连接以为其提供工作电能，具体地，储能电容C2与第一微处理器15的电源端连接，工作时，金属电极与输电线路之间形成第一杂散电容，第一PCB板地层与大地之间形成第二杂散电容，第一、第二杂散电容与分压电容串接，信号处理单元获取分压电容两端电压信号，并根据该电压信号计算输电线路电压的谐波含量。在本实施例中，电能芯片IC3型号为LTC3588-2。

实施例四：

如图8所示，本实施例与实施例一的区别在于：还包括带电检测电路，带电检测电路包括整流电路、储能电容C2、双向触发二极管D2、发光二极管D3和限流电阻R3，整流电路输入端与分压电容连接、输出端与储能电容C2连接，双向触发二极管D2、发光二极管D3和限流电阻R3串联后与储能电容C2并联，当输电线路带电时，发光二极管D3发光指示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。