一種電容式電壓互感器仿真模型及仿真方法
【專利摘要】本發明公開了一種電容式電壓互感器仿真模型及仿真方法，建立考慮多外界影響因素的電容式電壓互感器仿真模型，對多個影響電容式電壓互感器的外界因素進行分析，獲得外界影響因素對電容式電壓互感器測量準確度的影響規律，為現場運行的電容式電壓互感器誤差大、絕緣失效的原因提供理論依據，解決了當前僅對電容式電壓互感器暫態性能進行仿真，缺少對多個外界因素影響電容式電壓互感器測量準確度的穩態性能進行仿真的問題。
【專利說明】
一種電容式電壓互感器仿真模型及仿真方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力設備性能監測技術領域，具體涉及一種電容式電壓互感器仿真模 型及仿真方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電力系統的不斷發展，電容式電壓互感器由于其絕緣強度高、成本低等優點， 廣泛應用于高壓電網中作為電壓監測設備，其測量結果是二次計量、繼電保護、監控設備的 重要依據。但由于電容式電壓互感器的特殊原理，以及其所應用環境的復雜性，導致電容式 電壓互感器在使用過程中存在誤差大、絕緣失效等問題。為了探索導致電容式電壓互感器 產生誤差的因素及相關因素對其測量準確度的影響，目前通常采用建立電容式電壓互感器 仿真模型的方法，對其性能進行仿真，從而獲得外界影響因素對電容式電壓互感器測量準 確度的影響規律。
[0003] 目前，對于電容式電壓互感器的仿真模型主要是對鐵芯動態磁化過程的數學描 述。但由寬頻、剩磁等引起的鐵芯非線性，使描述鐵芯動態磁化特性變得困難。根據對磁化 特性曲線描述的不同，電容式電壓互感器的仿真模型主要有三種：只考慮鐵芯飽和引起非 線性的靜態模型、基于暫態磁化特性曲線的動態模型和用幾個電路元件分別模擬造成互感 器非線性因素的非線性時域等效電路模型。長期以來，多項研究致力于電容式電壓互感器 暫態性能仿真的研究，但主要集中于應用EMTP(電磁暫態計算程序)對電容式電壓互感器暫 態進行數值計算。雖然EMTP具有良好的計算精度，但其計算量大，在考核繼電保護裝置時不 利于實時仿真系統的實時運行。另外，目前的多數研究主要針對電容式電壓互感器的暫態 性能仿真，對多個影響計量準確度因素的穩態仿真較少，關于多個影響因素的電容式電壓 互感器準確度仿真模型的建立及仿真方法仍需進一步探索。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是建立了考慮多外界影響因素的電容式電壓互感器 仿真模型，對多個影響電容式電壓互感器的外界因素進行分析，獲得外界影響因素對電容 式電壓互感器測量準確度的影響規律，為現場運行的電容式電壓互感器誤差大、絕緣失效 的原因提供理論依據，目的在于提供一種電容式電壓互感器仿真模型及仿真方法，解決當 前僅對電容式電壓互感器暫態性能進行仿真，缺少對多個外界因素影響電容式電壓互感器 測量準確度的穩態性能進行仿真的問題。
[0005] 本發明通過下述技術方案實現：
[0006] -種電容式電壓互感器仿真模型，包括外部環境表征電路和電壓互感器等效電 路，所述外部環境表征電路外接電壓輸入端，同時與電壓互感器等效電路電連接，用于模擬 外界影響因素的變化進而影響電壓互感器等效電路的輸出電壓;所述電壓互感器等效電路 外接電壓輸出端，同時與外部環境表征電路電連接，用于等效電壓互感器電路。
[0007] 特別地，所述外部環境表征電路具體包括:第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電 阻、第三電容、第四電容，其中，串聯的第一電阻與第二電阻、串聯的第三電阻與第四電阻均 設置于第一外部電壓輸入端和地之間，第三電容設置于第二外部電壓輸入端和電壓互感器 等效電路之間，第四電容設置于電壓互感器等效電路和地之間。
[0008] 特別地，所述電壓互感器等效電路具體包括:第一電容、第二電容、第四電容、第五 電容、第一電感、第二電感、第三電感、第四電感、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、 第九電阻，其中，串聯的第一電容與第二電容設置于第一外部電壓輸入端和地之間，第一電 容與第二電容的公共端連接第三電容，第一電感、第五電阻和第四電容串聯后設置于第三 電阻和第四電阻的公共端與地之間，第六電阻與第二電感并聯后設置于第四電容的兩側， 第三電感和第八電阻串聯后與第五電容并聯，再串聯第七電阻后設置于第四電容的兩側， 第九電阻與第四電感串聯后設置于第四電容的兩側。
[0009] 特別地，所述第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第九電阻、第一電容、第二 電容、第三電容和第四電感大小均可調。
[0010] 一種電容式電壓互感器仿真方法，包括建立上述電壓互感器仿真模型，通過實驗 獲得外界影響因素與電壓互感器電子元件參數的對應關系，進而修改電壓互感器電子元件 參數，等效表征外界影響因素的變化，仿真電壓互感器輸出電壓的變化，從而獲得外界影響 因素對電壓互感器的影響規律。
[0011] 特別地，所述外接影響因素包括:環境溫度、環境濕度、污穢、外部電場和二次負荷
[0012] 本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：
[0013] 本發明所述一種電容式電壓互感器仿真模型及仿真方法，能夠建立考慮多外界影 響因素的電容式電壓互感器仿真模型，對多個影響電容式電壓互感器的外界因素進行分 析，獲得外界影響因素對電容式電壓互感器測量準確度的影響規律，為現場運行的電容式 電壓互感器誤差大、絕緣失效的原因提供理論依據，解決了當前僅對電容式電壓互感器暫 態性能進行仿真，缺少對多個外界因素影響電容式電壓互感器測量準確度的穩態性能進行 仿真的問題。
【附圖說明】
[0014] 此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部 分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：
[0015] 圖1為本發明實施例1提供的電容式電壓互感器等效電路圖。
[0016] 圖2為本發明實施例1提供的電容式電壓互感器仿真模型。
【具體實施方式】
[0017] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本 發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作 為對本發明的限定。
[0018] 實施例1
[0019] 如圖1所示，圖1為本發明實施例1提供的電容式電壓互感器等效電路圖。
[0020] 本實施例中，為了得到電容式電壓互感器電路的計算模型，結合其電路的基本結 構，一次側電源采用工頻電壓源，將圖1中端子1-2左側的線路用戴維南定理做等效電路計 算，并將各參數都折算到一次側，所得的電容式電壓互感器等值電路如圖1所示。
[0021] 其中，Lk、Rk為電容式電壓互感器補償電抗器及中間變壓器的電感和電阻;Lm、R mS 電容式電壓互感器中間變壓器的激磁支路電感和電阻;l2、r2S電容式電壓互感器折算到一 次側負荷的電感和電阻;〇￡、1^、1^、^為電容式電壓互感器阻尼器的電容、電阻、電感、小電 阻；為電容式電壓互感器流過L m、Rm的電流之和；ihif、。為電容式電壓互感器流過RK、Rf、 R2的電流;u2為電容式電壓互感器折算后的二次側輸出電壓。
[0022]折算后的一次側輸入電壓m及等效電容Ce如式(2-1)所示，其中，(^為電容式電壓 互感器高壓電容，C2為電容式電壓互感器低壓電容，Ce為電容式電壓互感器高壓電容與低壓 電容的并聯值。
[0023]
[0024] 列出電路的如卜狀態萬程：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 上述公式（2-2)中的W為電容式電壓互感器中間變壓器的原邊匝數；Γ(φηυ為中間 變壓器的勵磁特性。在正弦穩態情況下，上述方程組可以由1組向量方程代替，即ul、u2成比 例對應關系。但是當電容式電壓互感器一次側輸入電壓ul發生突變時，其二次側輸出電壓 u2與ul對應關系則需要通過求解上述的約束方程組而得到。
[0029]在建立傳統電容式電壓互感器數學模型的基礎上，著重考慮各個特殊運行環境對 于互感器測量誤差的影響，結合環境溫度、環境濕度與污穢、外部電場、二次負荷等多個因 素，完成考慮多影響因素的電容式電壓互感器仿真模型的搭建。如圖2所示，圖2為本發明實 施例1提供的電容式電壓互感器仿真模型。
[0030] 所述電容式電壓互感器仿真模型具體包括外部環境表征電路和電壓互感器等效 電路。
[0031] 所述外部環境表征電路外接電壓輸入端，同時與電壓互感器等效電路電連接，用 于模擬外界影響因素的變化進而影響電壓互感器等效電路的輸出電壓。具體包括:第一電 阻R21、第二電阻R22、第三電阻R23、第四電阻R24、第三電容C23、第四電容C24,其中，串聯的 第一電阻R21與第二電阻R22、串聯的第三電阻R23與第四電阻R24均設置于第一外部電壓輸 入端和地之間，第三電容C23設置于第二外部電壓輸入端和電壓互感器等效電路之間，第四 電容C24設置于電壓互感器等效電路和地之間。
[0032]所述電壓互感器等效電路外接電壓輸出端，同時與外部環境表征電路電連接，用 于等效電壓互感器電路。具體包括：第一電容C21、第二電容C22、第四電容C24、第五電容 C25、第一電感L21、第二電感L22、第三電感L23、第四電感L24、第五電阻R25、第六電阻R26、 第七電阻R27、第八電阻R28、第九電阻R29,其中，串聯的第一電容C21與第二電容C22設置于 第一外部電壓輸入端和地之間，第一電容C21與第二電容C22的公共端連接第三電容C23,第 一電感L21、第五電阻R25和第四電容C24串聯后設置于第三電阻R23和第四電阻R24的公共 端與地之間，第六電阻R26與第二電感L22并聯后設置于第四電容C24的兩側，第三電感L23 和第八電阻R28串聯后與第五電容C25并聯，再串聯第七電阻R27后設置于第四電容C24的兩 側，第九電阻R29與第四電感L24串聯后設置于第四電容C24的兩側。
[0033] 其中，C21、C22為分壓電容器等效電容，電容作為電容式電壓互感器電容分壓器的 主體部分，主要受到溫度、受潮和自身老化的影響，在這些因素的影響下分壓電容的電容量 和介電性能會發生變化，影響測量準確度。
[0034] C23為變電站的帶電部件與分壓電容器之間形成的雜散電容，雜散電容主要受環 境電場的影響。
[0035] R21、R22為電容分壓器等效電阻，分壓電容器內部的有功損耗可以用集中參數 R21、R22來表示。R21、R22主要受到溫度、受潮和自身老化的影響。
[0036] R23、R24表征電容分壓器因表面受潮和污穢所引起的泄漏電流的電阻，川藏高寒、 高濕的氣候環境加上污穢作用，將使分壓電容器表面形成較大的泄漏電流，影響電容式電 壓互感器正常運行和準確測量。表面電阻R23、R24主要受到溫度、污穢和瓷套表面受潮的影 響。
[0037] R29、L24表征電容式電壓互感器負荷折算至一次側的參數。表征其等效的負荷參 數對電容式電壓互感器準確度的影響。
[0038]通過上述考慮多影響因素的電容式電壓互感器仿真模型，可對穩態狀態下的電容 式電壓互感器準確度與各影響因素之間的規律進行仿真計算，具體方法為:通過實驗獲得 外界影響因素與電壓互感器電子元件參數的對應關系，進而修改電壓互感器電子元件參 數，等效表征外界影響因素的變化，仿真電壓互感器輸出電壓的變化，從而獲得外界影響因 素對電壓互感器的影響規律。
[0039]當研究溫度對電容式電壓互感器準確度的影響時，由于溫度主要對電容式電壓互 感器內絕緣電容分壓器中等效電容與電阻參數影響較大，通過實驗獲得溫度與第一電容 C21、第二電容C22、第一電阻R21和第二電阻R22的對應關系，進而改變第一電容C21、第二電 容C22、第一電阻R21和第二電阻R22的大小，等效表征外界溫度的變化，仿真電壓互感器輸 出電壓的變化，從而獲得不同溫度條件下電壓互感器準確度變化趨勢與規律。
[0040]當研究環境濕度與污穢對電容式電壓互感器準確度的影響時，由于環境濕度與污 穢主要對電容式電壓互感器的電容分壓器外絕緣等效電阻影響較大，通過實驗獲得環境濕 度與污穢條件下外部泄漏電流值的測量，推算出環境濕度與污穢條件與第三電阻R23和第 四電阻R24的對應關系，進而改變第三電阻R23和第四電阻R24大小，等效表征環境濕度與污 穢的變化，仿真電壓互感器輸出電壓的變化，從而獲得不同環境濕度與污穢條件下電壓互 感器準確度變化趨勢與規律。
[0041]當研究外部電場對電容式電壓互感器準確度的影響時，由于外部電場主要對電容 式電壓互感器的電容分壓器與高壓雜散電容以及對地雜散電容影響較大，通過實驗獲得不 同電位與不同位置條件下外部導體對電容式電壓互感器的對應關系，推算出外部電場與第 三電容C23的對應關系，進而改變第三電容C23的大小，等效表征外部電場的變化，仿真電壓 互感器輸出電壓的變化，從而獲得不同環外部電場條件下電壓互感器準確度變化趨勢與規 律。
[0042]當研究二次負荷對電容式電壓互感器準確度的影響時，由于二次負荷對電容式電 壓互感器的中間變壓器的輸入阻抗影響較大，進而影響電容式電壓互感器的電容分壓器分 壓，通過改變不同容量與不同功率因數下的二次負荷，即改變第九電阻R29和第四電感L24 的大小，等效表征二次負荷的變化，仿真電壓互感器輸出電壓的變化，從而獲得不同二次負 荷條件下電壓互感器準確度變化趨勢與規律。
[0043] 需要說明的是，本領域技術人員知道并可以實現如何通過實驗獲得上述外界影響 因素與電壓互感器電子元件參數的對應關系。
[0044] 本發明的技術方案通過電容式互感器仿真模型及方針方法，建立考慮多外界影響 因素的電容式電壓互感器仿真模型，對多個影響電容式電壓互感器的外界因素進行分析， 獲得外界影響因素對電容式電壓互感器測量準確度的影響規律，為現場運行的電容式電壓 互感器誤差大、絕緣失效的原因提供理論依據，解決了當前僅對電容式電壓互感器暫態性 能進行仿真，缺少對多個外界因素影響電容式電壓互感器測量準確度的穩態性能進行仿真 的問題。
[0045] 以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發明 的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種電容式電壓互感器仿真模型，其特征在于，包括外部環境表征電路和電壓互感 器等效電路，所述外部環境表征電路外接電壓輸入端，同時與電壓互感器等效電路電連接， 用于模擬外界影響因素的變化進而影響電壓互感器等效電路的輸出電壓;所述電壓互感器 等效電路外接電壓輸出端，同時與外部環境表征電路電連接，用于等效電壓互感器電路。2. 如權利要求1所述的電容式電壓互感器仿真模型，其特征在于，所述外部環境表征電 路具體包括:第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第三電容、第四電容，其中，串聯的 第一電阻與第二電阻、串聯的第三電阻與第四電阻均設置于第一外部電壓輸入端和地之 間，第三電容設置于第二外部電壓輸入端和電壓互感器等效電路之間，第四電容設置于電 壓互感器等效電路和地之間。3. 如權利要求2所述的電容式電壓互感器仿真模型，其特征在于，所述電壓互感器等效 電路具體包括:第一電容、第二電容、第四電容、第五電容、第一電感、第二電感、第三電感、 第四電感、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第九電阻，其中，串聯的第一電容與第 二電容設置于第一外部電壓輸入端和地之間，第一電容與第二電容的公共端連接第三電 容，第一電感、第五電阻和第四電容串聯后設置于第三電阻和第四電阻的公共端與地之間， 第六電阻與第二電感并聯后設置于第四電容的兩側，第三電感和第八電阻串聯后與第五電 容并聯，再串聯第七電阻后設置于第四電容的兩側，第九電阻與第四電感串聯后設置于第 四電容的兩側。4. 如權利要求3所述的電容式電壓互感器仿真模型，其特征在于，所述第一電阻、第二 電阻、第三電阻、第四電阻、第九電阻、第一電容、第二電容、第三電容和第四電感大小均可 調。5. -種電容式電壓互感器仿真方法，其特征在于，建立如權利要求1所述的電壓互感器 仿真模型，通過實驗獲得外界影響因素與電壓互感器電子元件參數的對應關系，進而修改 電壓互感器電子元件參數，等效表征外界影響因素的變化，仿真電壓互感器輸出電壓的變 化，從而獲得外界影響因素對電壓互感器的影響規律。6. -種電容式電壓互感器仿真方法，其特征在于，所述外接影響因素包括:環境溫度、 環境濕度、污穢、外部電場和二次負荷。
【文檔編號】G01R35/02GK105974354SQ201610559224
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】張福州, 劉鹍, 艾兵, 羅睿希, 陳偉根, 杜林 , 李永森, 陳斌
【申請人】國網四川省電力公司電力科學研究院, 國家電網公司, 重慶大學