專利名稱：直流系統(tǒng)對地電容的測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流電源系統(tǒng)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種直流系統(tǒng)對地電容的測量
方法與裝置。
背景技術(shù)：
直流系統(tǒng)對地電容主要由抗干擾電容、開關(guān)電源對地濾波電容及屏蔽電纜芯線對
接地屏蔽層構(gòu)成的電容組成，變電站規(guī)模越大，區(qū)域越大，對地電容也會越大。直流電源系
統(tǒng)母線對地電容在接地時的充放電是直流電源系統(tǒng)一點接地引起保護誤動的關(guān)鍵因素之
一。對現(xiàn)有運行的電廠和變電站的直流系統(tǒng)的對地電容進行全面系統(tǒng)的測量，可以充分了
解對地電容大小與變電站電壓等級、規(guī)模及發(fā)電機組的關(guān)系，可以準確分析直流系統(tǒng)母線
對地電容造成一點接地引起保護誤動的過程，據(jù)此提出直流系統(tǒng)接地故障引起保護誤動的
防護措施，盡量減少甚至杜絕一點接地故障引起保護誤動造成的停電事故，有效提高電力
系統(tǒng)安全運行水平，對提高電力系統(tǒng)供電可靠性，具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。
目前，測量直流系統(tǒng)對地電容主要采用電容電橋法與放電法 1、電容電橋法，如圖5所示，測量步驟如下 將充電機、蓄電池從母線退出，再將所有負荷開關(guān)都合上； 用LCR數(shù)字電容電橋分別測量正負極對地電容Cl、 C2。 電容電橋法能分別測量直流電源系統(tǒng)正負母線對地電容Cl和C2，但該方法必須
將直流電源系統(tǒng)的工作電源即充電機和蓄電池從直流母線退出，也就是只能在停電的條件
下測量，無法用于運行中直流電源系統(tǒng)對地電容的測量。 2、放電法，如圖6所示，步驟如下 將充電機、蓄電池及所有負荷開關(guān)都接入直流母線； 開關(guān)K斷開時，測量V^(0); 合上開關(guān)K后，用記憶示波器錄下圖6中的放電波形，讀取tl時刻的電壓V^(tl); 電壓穩(wěn)定后，測量VK3 ( oo ); 計算電容值C = Cl+C2，計算公式如下 VK3(tl) =VK3(°o) + (VK3(0)-VK3(°o))e-tl/T..............................(1) t = (R1〃R2〃R3)*(C1+C2)............................................
(2) 該方法采用外接記憶示波器記錄放電電阻R3的放電曲線，讀取某一時刻tl電阻 R3兩端的電壓V^(tl)，通過公式(1)、(2)，計算出直流電源系統(tǒng)母線對地電容C1+C2。該方 法最為明顯的不足是，需要在直流電源系統(tǒng)母線與地之間接入電阻R3，使直流系統(tǒng)產(chǎn)生人 為的接地故障，給系統(tǒng)帶來安全隱患，計算結(jié)果也容易受到人為讀數(shù)誤差的影響，造成測量 結(jié)果不準確。 由于這兩種測量方法的局限性，使之未能在運行中的變電站直流電源系統(tǒng)廣泛應 用，對運行中直流電源系統(tǒng)母線對地電容的大小，至今沒有準確的了解，導致直流系統(tǒng)一點接地故障引起保護誤動的現(xiàn)象時有發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種直流系統(tǒng)對地電容的測量方法與裝置，以準確測量運 行中直流系統(tǒng)的對地電容。 本發(fā)明的直流系統(tǒng)對地電容的測量方法采用以下方案
通過電容耦合的方式將交流信號注入直流系統(tǒng)母線與地之間； 根據(jù)交流信號的電壓幅值、電流幅值、信號頻率、電流與電壓的相位差和耦合電容 計算對地電容的大小。 本發(fā)明的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，包括信號發(fā)生模塊、耦合電容、電壓電流 測量模塊、主控回路和工作電源模塊，所述信號發(fā)生模塊分別與所述主控回路、電壓電流測 量模塊和地相連，所述耦合電容為2只，分別與母線正極和負極相連，2只電容的接點與所 述電壓電流測量模塊相連，所述電壓電流測量模塊分別與所述主控回路和地相連，所述工 作電源模塊串接于母線正負極之間，將直流電源經(jīng)DC/DC變換后輸出給主控回路、信號發(fā) 生模塊和電壓電流測量模塊，所述主控回路用于控制信號發(fā)生模塊發(fā)出信號，根據(jù)測量結(jié) 果計算對地電容，所述信號發(fā)生模塊接受主控回路的控制發(fā)出交流信號，將交流信號通過 所述耦合電容注入到母線與地之間，所述電壓電流模塊用于測量交流信號的電壓和電流的 幅值及相位差，將測量結(jié)果發(fā)給主控回路。 本發(fā)明直流系統(tǒng)對地電容的測量方法與裝置，將交流信號通過電容耦合的方式注 入母線與地之間，既可防止直流電源系統(tǒng)對測量裝置產(chǎn)生沖擊，又能避免測量裝置引起接 地故障，因而該測量裝置不會影響直流系統(tǒng)的正常運行，使之能夠帶電測量運行中的直流 系統(tǒng)母線對地電容，且測量結(jié)果不會有人為誤差。


圖1是本發(fā)明直流系統(tǒng)對地電容的測量方法實施例一的流程示意圖； 圖2是本發(fā)明直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置實施例六的原理框圖； 圖3是本發(fā)明直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置中信號隔離放大電路和電壓電流采
樣電路的具體電路圖； 圖4是本發(fā)明直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置工作電源模塊的示意圖；
圖5是現(xiàn)有的電容電橋法測量對地電容的示意圖；
圖6是現(xiàn)有的放電法測量對地電容的示意圖； 圖7是本發(fā)明直流系統(tǒng)對地電容的測量方法帶電測量對地電容和絕緣電阻的原 理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的直流系統(tǒng)對地電容的測量方法，在母線與地之間注入交流信號，根據(jù)交 流信號的電壓幅值、電流幅值、信號頻率和電流與電壓的相位差及耦合電容計算對地電容 的大小，下面結(jié)合附圖詳細解釋本方法。
實施例一
圖1所示是本發(fā)明直流系統(tǒng)對地電容的測量方法實施例一的流程示意圖 步驟101 :將交流信號通過電容耦合的方式注入直流系統(tǒng)正負母線和地之間； 步驟102 :測量交流信號的電壓幅值、電流幅值和電壓電流的相位差； 步驟103 :根據(jù)公式(3)計算直流系統(tǒng)對地電容，根據(jù)公式(4)計算直流系統(tǒng)對地
絕緣電阻。C++C= #+X'2 ...................................................................(3) R+//R_=:M^L.......................................................................(4)
「 ， Vcosd> /c、
R產(chǎn)~j~...................................................................................(5)X產(chǎn)~j--X2............................................................................(6) X2=--^-..........................................................................(7) 如圖7所示，C+和C—分別代表母線正極對地電容和母線負極對地電容，C++C—代表 母線正負極對地電容的并聯(lián)值，2C代表2只耦合電容相等時的等效電容，當2只耦合電容不 相等時，將2C替換為2只耦合電容的并聯(lián)值，&代表母線正極對地絕緣電阻，R—代表母線 負極對地絕緣電阻，R+/R—代表母線正負極對地絕緣電阻的并聯(lián)值，V代表交流信號的電壓 幅值，I代表交流信號的電流幅值，①代表交流信號電壓與電流的相位差，f是交流信號的 頻率，變量&、&和X2的表達式分別如(5)、 (6)、 (7)式所示。
實施例二 本實施例與實施例一的不同之處在于，本實施例分別在實施例一步驟101、步驟 102中增加了信號隔離的步驟，本實施例步驟101中交流信號經(jīng)信號隔離后通過耦合電容 注入母線與地之間，本實施例步驟102中對測量出的交流信號的電壓幅值、電流幅值和電 壓電流的相位差進行信號隔離處理。 實施例二中的其它技術(shù)特征與實施例一中的相同，在此不予贅述。
實施例三 本實施例與實施例二的不同之處在于，本實施例分別在實施例二步驟101、步驟 102中增加了信號放大的步驟，本實施例步驟101中交流信號經(jīng)信號隔離放大后通過耦合 電容注入母線與地之間，本實施例步驟102中對測量出的交流信號的電壓幅值、電流幅值 和電壓電流的相位差進行信號隔離放大處理。 實施例三中的其它技術(shù)特征與實施例二中的相同，在此不予贅述。
實施例四 本實施例與實施例三的不同之處在于，本實施例對實施例三中的交流信號做了進 一步限定，本實施例中的交流信號由正弦波信號來實現(xiàn)，為了保證測量精度，正弦波的諧波 含量小于O. 5%。 實施例四中的其它技術(shù)特征與實施例三中的相同，在此不予贅述。 本發(fā)明的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置采用信號發(fā)生模塊和耦合電容，信號發(fā)生
6模塊將交流信號通過耦合電容注入母線與地之間，通過測量信號的電壓電流的幅值和相位 差計算對地電容，下面結(jié)合附圖詳細解釋本裝置。
實施例一 本發(fā)明的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，包括信號發(fā)生模塊、耦合電容、電壓電流 測量模塊、主控回路和工作電源模塊，所述信號發(fā)生模塊分別與所述主控回路、電壓電流測 量模塊和地相連，所述耦合電容為2只，分別與母線正極和負極相連，2只電容的接點與所 述電壓電流測量模塊相連，所述電壓電流測量模塊分別與所述主控回路和地相連，所述工 作電源模塊串接于母線正負極之間，將直流電源經(jīng)DC/DC變換后輸出給主控回路、信號發(fā) 生模塊和電壓電流測量模塊，所述主控回路用于控制信號發(fā)生模塊發(fā)出信號，根據(jù)測量結(jié) 果計算對地電容，所述信號發(fā)生模塊接受主控回路的控制發(fā)出交流信號，將交流信號通過 所述耦合電容注入到母線與地之間，所述電壓電流模塊用于測量交流信號的電壓和電流的 幅值及相位差，將測量結(jié)果發(fā)給主控回路。
其工作過程為 信號發(fā)生模塊接受主控回路的控制產(chǎn)生交流信號并將交流信號通過耦合電容注
入母線與地之間，電壓電流測量模塊測量交流信號的電壓電流的幅值和相位差，主控回路
根據(jù)測量結(jié)果計算對地電容和絕緣電阻，對地電容與絕緣電阻的計算公式參考本發(fā)明的直
流系統(tǒng)對地電容的測量方法實施例一中的計算公式。 實施例二 本實施例與實施例一的不同之處在于，本實施例對實施例一中的電壓電流測量模 塊做了進一步限定，本實施例中的電壓電流測量模塊由信號電壓采樣電路、信號電流采樣 電路、第一測量信號隔離電路、第二測量信號隔離電路和A/D采樣電路來實現(xiàn)，信號電壓采 樣電路分別與信號發(fā)生模塊、耦合電容、第一測量信號隔離電路和地相連，信號電流采樣電 路分別與耦合電容、第二測量信號隔離電路和地相連，第一和第二測量信號隔離電路均與 工作電源模塊相連并經(jīng)A/D采樣電路與主控回路相連，電壓電流測量模塊對測量出的電壓 電流的幅值和相位差進行信號隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。 實施例二中的其它技術(shù)特征與實施例一中的相同，在此不予贅述。
實施例三 本實施例與實施例二的不同之處在于，本實施例對實施例二中的信號發(fā)生模塊做 了進一步限定，本實施例中的信號發(fā)生模塊由信號發(fā)生器和信號隔離電路來實現(xiàn)，信號發(fā) 生器串接于主控回路和信號隔離電路之間，信號隔離電路分別與工作電源模塊、信號電壓 采樣電路和地相連，信號發(fā)生器接收主控回路的控制產(chǎn)生交流信號，將交流信號隔離后經(jīng) 耦合電容注入母線與地之間。 實施例三中的其它技術(shù)特征與實施例二中的相同，在此不予贅述。
實施例四 本實施例與實施例三的不同之處在于，本實施例對實施例三中的信號隔離電路和
測量信號隔離電路做了進一步限定，本實施例中的信號隔離電路由信號隔離放大電路來實
現(xiàn)，本實施例中的測量信號隔離電路由測量信號隔離放大電路來實現(xiàn)。 實施例四中的其它技術(shù)特征與實施例三中的相同，在此不予贅述。
實施例五
7
本實施例與實施例四的不同之處在于，本實施例對實施例四中的信號發(fā)生器做了 進一步限定，本實施例中的信號發(fā)生器由正弦波信號發(fā)生器來實現(xiàn)，為了保證測量精度，正 弦波的諧波含量小于0. 5% 。 實施例五中的其它技術(shù)特征與實施例四中的相同，在此不予贅述。
實施例六 本實施例與實施例五的不同之處在于，本實施例對實施例五中的主控回路和工作 電源模塊做了進一步限定，本實施例中的主控回路由CPU來實現(xiàn)，本實施例中的工作電源 模塊由DC/DC變換和隔離電源來實現(xiàn)，本實施例還增加了顯示電路，用于顯示主控回路的 計算結(jié)果。如圖2所示是本發(fā)明的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置實施例六的示意圖，本發(fā) 明的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置包括CPU1、正弦波發(fā)生器2、 A/D采樣電路3、液晶顯示 電路4、正弦波信號隔離放大電路5、信號電壓取樣電路6、信號電流取樣電路7、測量信號隔 離放大電路8、工作電源模塊9、接線端子10和耦合電容11。 CPU1分別與正弦波發(fā)生器2、 A/D采樣電路3和顯示電路4相連，正弦波發(fā)生器2與正弦波信號隔離放大電路5相連，正 弦波信號隔離放大電路5與信號電壓取樣電路和地相連，第一測量信號隔離放大電路8分 別與信號電壓取樣電路6、 A/D采樣電路3和地連接，第二測量信號隔離放大電路8分別與 信號電流取樣電路7、 A/D采樣電路3和地連接，信號電壓取樣電路6和信號電流取樣電路 7共接于兩只耦合電容11的接點，兩只耦合電容11分別接于母線正極和負極，工作電源模 塊9串接于母線正負極之間，如圖4所示，工作電源模塊9包括DC/DC變換(9-1)、隔離電 源1(9-2)、隔離電源2(9-3)和隔離電源3(9-4)，工作電源模塊的正極接母線正極，負極接 母線負極，隔離電源1(9-2)接正弦波信號隔離放大電路5，隔離電源2(9-3)接第一測量信 號隔離放大電路8，隔離電源3(9-4)接第二測量信號隔離放大電路8，正弦波信號隔離放大 電路5、信號電壓取樣電路6、信號電流取樣電路7和測量信號隔離放大電路8的具體電路 圖如圖3所示。
其工作過程為 CPU1控制正弦波發(fā)生器2產(chǎn)生正弦波信號，通過正弦波信號隔離放大電路5，將 正弦波信號放大并與主控電路1的電源隔離，隔離放大后的正弦波信號源再經(jīng)耦合電容11 和接線端子10，注入到直流電源系統(tǒng)正負極與大地之間，信號電壓取樣電路6和信號電流 取樣電路7對注入的正弦波信號電壓與電流進行取樣，并由測量信號隔離放大電路8對取 樣的信號電壓和電流放大、隔離后，送給A/D采樣電路3，A/D采樣電路將結(jié)果輸出給CPU1， CPU1將計算結(jié)果輸出到顯示電路4以顯示測量的對地電容和對地絕緣電阻，工作電源模塊 9經(jīng)DC/DC變換(9-1)，將直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為工作電源1 (9-2) 、2 (9-3) 、3 (9-4)，分別給 CPU1和隔離放大電路5、8供電。 CPU1根據(jù)信號電壓電流取樣電路測量的結(jié)果計算對地電容，計算方法與實施例一 的計算方法相同。 以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范 圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
一種直流系統(tǒng)對地電容的測量方法，其特征在于，包括步驟通過電容耦合的方式將交流信號注入直流系統(tǒng)母線與地之間；根據(jù)交流信號的電壓幅值、電流幅值、信號頻率、電流與電壓的相位差和耦合電容計算對地電容的大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量方法，其特征在于， 所述交流信號為正弦波信號；和/或所述交流信號的諧波含量小于0.5% ;和/或根據(jù)交流信號的電壓幅值、電流幅值、信號頻率和電流與電壓的相位差及耦合電容計 算母線對地絕緣電阻。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量方法，其特征在于， 所述交流信號為經(jīng)過信號隔離的交流信號；和/或所述電流幅值、電壓幅值和電壓電流相位差為經(jīng)過信號隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換的電流幅值、 電壓幅值和電壓電流相位差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量方法，其特征在于，所述信號隔離 還包括放大。
5. —種直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，其特征在于，包括信號發(fā)生模塊、耦合電容、電 壓電流測量模塊、主控回路和工作電源模塊，所述信號發(fā)生模塊分別與所述主控回路、電壓 電流測量模塊和地相連，所述耦合電容為2只，分別與母線正極和負極相連，2只電容的接 點與所述電壓電流測量模塊相連，所述電壓電流測量模塊分別與所述主控回路和地相連， 所述工作電源模塊串接于母線正負極之間，將直流電源經(jīng)DC/DC變換后輸出給主控回路、 信號發(fā)生模塊和電壓電流測量模塊，所述主控回路用于控制信號發(fā)生模塊產(chǎn)生信號，根據(jù) 電壓電流測量模塊的測量結(jié)果計算對地電容，所述信號發(fā)生模塊產(chǎn)生交流信號，將交流信 號通過所述耦合電容注入到母線與地之間，所述電壓電流模塊用于測量交流信號的電壓和 電流的幅值及相位差，將測量結(jié)果發(fā)給主控回路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，其特征在于，所述電壓電流 測量模塊包括信號電壓采樣電路、信號電流采樣電路、第一測量信號隔離電路、第二測量信 號隔離電路和A/D采樣電路，所述信號電壓采樣電路分別與所述信號發(fā)生模塊、耦合電容、 第一測量信號隔離電路和地相連，所述信號電流采樣電路分別與所述耦合電容、第二測量 信號隔離電路和地相連，所述第一、二測量信號隔離電路與所述工作電源模塊相連并經(jīng)A/D 采樣電路與所述主控回路相連，所述電壓電流測量模塊對測量出的電壓和電流的幅值及相 位差進行信號隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，其特征在于，所述測量信號 隔離電路還包括放大電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，其特征在于， 還包括顯示電路，所述顯示電路與所述主控回路相連，用于顯示所述主控回路的計算結(jié)果；和/或所述主控回路還用于根據(jù)測量結(jié)果計算母線對地絕緣電阻。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，其特征在于，所述信號發(fā)生 模塊包括信號發(fā)生器和信號隔離電路，所述信號發(fā)生器串接于主控回路和所述信號隔離電 路之間，所述信號隔離電路分別與所述電壓電流測量模塊、工作電源模塊和地相連，所述信 號發(fā)生模塊將交流信號經(jīng)過隔離后通過耦合電容注入母線與地之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的直流系統(tǒng)對地電容的測量裝置，其特征在于， 所述信號發(fā)生器為正弦波發(fā)生器；和/或所述信號發(fā)生器發(fā)出信號的諧波含量小于0.5% ; 和/或所述信號隔離電路還包括放大電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直流系統(tǒng)對地電容的測量方法與裝置，通過電容耦合的方式在母線與地之間注入交流信號，根據(jù)交流信號的電壓電流的幅值與相位差及信號頻率計算對地電容的大小，相比電容電橋法需要直流系統(tǒng)停電下測量與放電法需要模擬直流系統(tǒng)接地故障進行測量，注入信號法能夠在不影響直流系統(tǒng)正常運行的情況下，準確測量直流電源系統(tǒng)對地電容，為帶電測量已運行的直流系統(tǒng)對地電容提供了有效的手段和方法。
文檔編號G01R27/26GK101769966SQ20101010341
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者徐玉鳳, 趙兵 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院