一种提高电压传感器带负载能力的电路和电路元件定值方法
阅读说明：本技术 一种提高电压传感器带负载能力的电路和电路元件定值方法 (Circuit for improving load capacity of voltage sensor and circuit element constant value method ) 是由 郭以贺 谭明义 郑计平 孔东波 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种提高电压传感器带负载能力的电路和电路元件定值方法,涉及配电设备领域,包括：连接至电压传感器的分压组件输出端的补偿电抗器,以及与补偿电抗器并联的抑制谐振支路,抑制谐振支路用于抑制补偿电抗器与分压组件以及输出侧等效电容之间的谐振现象,其中,补偿电抗器的输入端连接分压组件的输出端,补偿电抗器的输出端连接电压传感器的输出端,抑制谐振支路包括串联的支路电容和支路电阻或者只包含支路电阻。适用于三相电压传感器和零序电压传感器,通过优化补偿电路的结构,兼顾了电压传感器在工频下的带载能力提高和高频谐波噪声的抑制。(The invention provides a circuit for improving the loading capacity of a voltage sensor and a circuit element constant value method, which relate to the field of distribution equipment and comprise the following steps: the voltage sensor comprises a compensation reactor connected to the output end of a voltage division component of the voltage sensor, and a resonance inhibiting branch circuit connected with the compensation reactor in parallel, wherein the resonance inhibiting branch circuit is used for inhibiting resonance between the compensation reactor and the voltage division component and between the compensation reactor and an output-side equivalent capacitor, the input end of the compensation reactor is connected with the output end of the voltage division component, the output end of the compensation reactor is connected with the output end of the voltage sensor, and the resonance inhibiting branch circuit comprises a branch capacitor and a branch resistor which are connected in series or only comprises a branch resistor. The voltage sensor is suitable for three-phase voltage sensors and zero-sequence voltage sensors, and the load capacity of the voltage sensor under power frequency is improved and high-frequency harmonic noise is inhibited by optimizing the structure of the compensation circuit.)
技术领域
本发明涉及配电设备领域，具体而言，涉及提高电压传感器带负载能力的电路和电路元件定值方法。
背景技术
配电设备的一二次融合是实现故障就地化处理的重要途径和手段，是配电设备标准化、小型化、装置集成化与运维智能化的必由之路。三相电压传感器和零序电压传感器是一二次融合设备的重要组成部分。目前电压传感器主要由阻抗分压型和CVT两种典型结构，而基于电容分压式的电压传感器应用最为广泛，其原理在于高压电容容值和低压电容容值按一定比例的设计，在低压电容器上得到额定的输出电压供后续电路使用。该类电路的主要问题在于：高压电容的容值较大时，电压传感器上流过的容性电流较大，会影响电力线路的正常运行且影响继电保护装置的正确判断；高压电容的容值较小时，电压传感器的带载能力差，传感器与测控装置之间的连接线缆及测控装置的输入阻抗会影响传感器的精度。综上，现有技术方案的主要缺点在于：从带负载能力的角度来说，传感器内部电容的容值越大越好，但此时线路上的容性电流变大，传感器上的无功功率变大，不利于配电网的安全稳定运行，即带负载能力和传感器功耗之间存在着矛盾。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种提高电压传感器带负载能力的电路和电路元件定值方法，适用于三相电压传感器和零序电压传感器，通过优化补偿电路的结构兼顾了工频下的带载能力提高和高频谐波噪声的抑制。
本发明的第一方面提供了一种提高电压传感器带负载能力的电路，包括：连接至电压传感器的分压组件输出端的补偿电抗器，以及与补偿电抗器并联的抑制谐振支路，抑制谐振支路用于抑制补偿电抗器与分压组件以及输出侧等效电容之间的谐振现象，输出侧等效电容是电压传感器连接线缆后形成的等效电容，其中，补偿电抗器的输入端连接分压组件的输出端，补偿电抗器的输出端连接电压传感器的输出端，抑制谐振支路包括串联的支路电容和支路电阻或者只包含支路电阻。
在该技术方案中，电压传感器与FTU等测控装置连接电缆后会形成等效电容，其中，FTU(馈线终端单元)是装设在馈线开关(例如，断路器、负荷开关、分段开关)旁的开关监控装置。补偿电抗器与分压组件以及此等效电容之间会产生谐振现象，以至于在测控装置的输入电阻上形成较大的谐波电压，影响测量的精度，这个在电压传感器输出侧形成的谐波电压会被抑制谐振支路抑制，使电压传感器具有较为平坦的输出特性。
根据本发明提供的提高电压传感器带负载能力的电路，优选地，分压组件为电容式分压器或电阻式分压器。
根据本发明提供的提高电压传感器带负载能力的电路，优选地，补偿电抗器串联在零序/相序电压输出电路中。
根据本发明提供的提高电压传感器带负载能力的电路，优选地，补偿电抗器为电感元件，电感元件的磁芯由非晶材料和/或纳米晶材料制成。
根据本发明提供的提高电压传感器带负载能力的电路，优选地，分压组件包括高压电容和低压电容，三相电路提供的三相电压各自经过至少一个高压电容和至少一个低压电容组成的串联电路之后接地，补偿电抗器的输入端连接至高压电容与低压电容之间。
本发明的第二方面提供了一种电路元件定值方法，应用于上述任一技术方案提供的提高电压传感器带负载能力的电路，该方法包括：获取电压传感器的整体等效电容，记为Ca；
获取工频数值，记为f0；
补偿电抗器的电感值L由如下公式确定：
获取所述电压传感器连接线缆后形成的等效电容的容值，记为CL；
则支路电容的容值Cb应满足Ca<Cb<CL，其中，是Cb的一种取值情况；
补偿电抗器与电压传感器的分压组件、电压传感器连接线缆后形成的等效电容之间的谐振频率f1由如下公式确定：
支路电阻的阻值R取值应满足：2π·f0·L≤R≤2π·f1·L，R值接近2π·f0·L会影响电压传感器带负载能力的提升，R值接近2π·f1·L会影响抑制谐振支路对f1频率处谐振的抑制作用。
本发明取得的有益效果至少包括：基于补偿电抗器L、支路电容C、支路电阻R组成补偿电路，通过对L、C、R三者数值的合理选取提高了电容分压式传感器的带负载能力，在同样负载的情况下，只需使用容值更小的高压电容和低压电容，降低了成本和体积，此外，该补偿电路还实现了50Hz及高次谐波范围内较为平坦的幅频特性，避免了高次谐波的干扰。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的提高电压传感器带负载能力的电路的示意图。
图2示出了根据本发明又一个实施例的提高电压传感器带负载能力的电路的示意图。
图3示出了根据本发明一个实施例的传感器幅频特性示意图。
图4示出了根据本发明一个实施例的增加抑制谐振支路后的幅频特性示意图。
图5示出了现有技术中的相电压传感器电路图。
图6示出了现有技术中的零序电压传感器电路图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现有技术方案如图5(相电压传感器)和图6(零序电压传感器)所示，A/B/C为10kV线路电压，a/b/c为三相电压传感器输出，实际中由三个相同的电路分别输出。d为零序电压传感器的输出。C1代表高压电容，C2代表低压电容，实际中高低压电容可能分别由多个电容串并联组成。CL代表传感器与FTU等测控装置连接电缆的等效电容，实测容值可达1nF以上，RL为测控装置相应端口的输入电阻，一般为几MΩ。在实施本发明的过程中，申请人发现：以零序电压传感器为例，不考虑CL和RL时，传感器输出Udn与输入电压Uin(实际为10/√3kV)的关系为：考虑CL和RL时，CL和RL的存在使得输出电压幅度变小，相位超前，反映了由于C1和C2的数值较小(C1的典型值在200-600pF,C2的典型值在500-1600nF)，传感器的内阻较大，带负载能力不强。
如图1所示，本发明公开的提高电压传感器带负载能力的电路100，包括：连接至电压传感器的分压组件200输出端的补偿电抗器101，以及与补偿电抗器101并联的抑制谐振支路，抑制谐振支路用于抑制补偿电抗器101与分压组件200以及输出侧等效电容300之间的谐振现象，输出侧等效电容300是电压传感器连接线缆后形成的等效电容，其中，补偿电抗器101的输入端连接分压组件200的输出端，补偿电抗器101的输出端连接电压传感器的输出端，抑制谐振支路包括串联的支路电容102和支路电阻103或者只包含支路电阻103。
根据上述实施例公开的提高电压传感器带负载能力的电路100，优选地，分压组件200为电容式分压器或电阻式分压器。
根据上述实施例公开的提高电压传感器带负载能力的电路100，优选地，补偿电抗器101串联在零序电压输出电路或相序电压输出电路中。
根据上述实施例公开的提高电压传感器带负载能力的电路100，优选地，补偿电抗器101为电感元件，电感元件的磁芯由非晶材料和/或纳米晶材料制成。
根据上述实施例公开的提高电压传感器带负载能力的电路100，优选地，分压组件200包括高压电容和低压电容，三相电路提供的三相电压各自经过至少一个高压电容201和至少一个低压电容202组成的串联电路之后接地，补偿电抗器101的输入端连接至高压电容201与低压电容202之间。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种电路元件定值方法，应用于上述任一实施例提供的提高电压传感器带负载能力的电路100，该方法包括：
获取电压传感器的整体等效电容，记为Ca；
获取工频数值，记为f0；
补偿电抗器的电感值L由如下公式确定：
获取电压传感器连接线缆后形成的等效电容的容值，记为CL；
则支路电容的容值Cb应满足Ca<Cb<CL，其中，是Cb的一种取值情况；
补偿电抗器与电压传感器的分压组件、电压传感器连接线缆后形成的等效电容之间的谐振频率f1由如下公式确定：
支路电阻的阻值R取值应满足：2π·f0·L≤R≤2π·f1·L，R值接近2π·f0·L会影响电压传感器带负载能力的提升，R值接近2π·f1·L会影响抑制谐振支路对f1频率处谐振的抑制作用。
根据本发明的又一个实施例，如图2所示，R1为电感L的内部等效电阻，电感L的取值原则为：与传感器的整体等效电容3C1+C2在工频f0＝50Hz附近形成串联谐振，如3C1+C2为600nF时，实际设计时可以有±20％误差，一般由非晶/纳米晶材料作为电感的磁芯。考虑磁芯的损耗，其内阻R1一般在数百Ω以下。通过此谐振可以减小50Hz时传感器的内阻，提高带负载能力，即加入L后允许RL的数值更小，考虑在-40℃～70℃范围内不同温度下实际电感L的数值会有20％以上的变化，允许RL的最小值可以降低到未加L时的1/3以下。
当传感器接入连接电缆时，L会和CL以及3C1+C2形成新的谐振频率f1，
当CL＝1nF，3C1+C2＝600nF时，f1＝1225Hz，该频率接近工频50Hz的20次谐波，实际应用时会在负载RL上形成较大的谐波电压，影响测量的精度。为此，在电感L两端并联一个由C3和R2形成的新支路。该支路的作用在于改变原有在f1频率处的谐振现象，使传感器具有较为平坦的输出特性。
C3的容值应介于3C1+C2和CL之间，其在50Hz的容抗应远大于L的感抗，在20次谐波即1000Hz处的容抗应远小于L的感抗，一种可能的取值为当CL＝1nF，3C1+C2＝600nF时，C3的取值范围约为10nF-30nF。
补偿电路中C3和L形成的谐振频率为f2,f2的数值介于50Hz和1000Hz之间。
R2的数值应介于2π·f0·L和2π·f1·L，R2过小会影响带负载能力的提升，R2过大将不能起到抑制f1频率处谐振的作用。
当考虑电路实现的简便后，也可以只保留R2，省略C3，会对50Hz时传感器的精度略有影响。传感器的幅频特性(归一化)如图3和图4所示：图3为只加L时的幅频特性；图4为加上抑制谐振支路后的幅频特性。
综上所述，本发明提出了一种基于L、C、R结构的补偿电路，通过三者数值的合理选取，提高了电容分压式传感器的带负载能力，在同样负载的情况下，只需使用容值更小的高压和低压电容，降低了成本和体积，此外，补偿电路实现了50Hz及高次谐波范围内较为平坦的幅频特性，避免了高次谐波的干扰。本发明提供的提高电压传感器带负载能力的电路和电路元件定值方法，适用于三相电压传感器和零序电压传感器，考虑到了线缆或负载的电容，引入了R或C+R的电路实现了幅频特性的平坦化，即兼顾了工频下的带载能力提高和高频谐波噪声的抑制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。