羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，包括：采用羅氏線圈感應(yīng)斜坡電流信號(hào)以獲得羅氏線圈輸出的諧振電壓信號(hào)；獲得斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式；根據(jù)斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式和羅氏線圈的傳遞函數(shù)獲得諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式；對諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯逆變換以獲得諧振電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式；將諧振電壓信號(hào)的最大幅值及其對應(yīng)時(shí)間代入諧振電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式以獲得第一方程；根據(jù)LCR串聯(lián)諧振電路的諧振表達(dá)式以獲得第二方程；求解第一方程和第二方程以獲得羅氏線圈的電容和羅氏線圈的電感。本發(fā)明提供的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，無需在羅氏線圈的二次回路中引入額外接線，進(jìn)而不會(huì)給被測回路帶入感性分量。
【專利說明】
羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及智能變電站試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種羅氏線圈集中參數(shù)的測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子式互感器是智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)。其定義為:一種裝置，由連接到傳輸系統(tǒng) 和二次轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)電壓或電流傳感器組成，用W傳輸正比于被測量的量，供給測 量儀器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置。電子式電流互感器分為光學(xué)電流互感器、低功率電流 互感器、羅氏線圈電流互感器=類，目前給智能站保護(hù)裝置提供二次電流的互感器多采用 羅氏線圈作為傳感頭。因此，羅氏線圈電子式互感器的工頻、諧波、行波傳遍特性成為影響 智能站安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。而通過仿真的方式研究其傳遍特性，需事先知道羅 氏線圈的集中參數(shù)，即羅氏線圈的直流電阻、電容和電感。羅氏線圈的電阻與溫度、材料、長 度有關(guān)，在羅氏線圈繞制完成后，其電阻在一定的溫度條件下不隨信號(hào)的頻率和幅值變化， 因此用高精度萬用表就可W獲得羅氏線圈的直流電阻。
[0003] 實(shí)驗(yàn)室通常采用串聯(lián)諧振法測量羅氏線圈的電容。在測量過程中，為了能夠監(jiān)測 被測對象是否進(jìn)入諧振狀態(tài)，需要在羅氏線圈的二次輸出回路中串聯(lián)一只無感電阻。但隨 著測量頻率的升高，電阻可能會(huì)表現(xiàn)出感性分量，感性分量的出現(xiàn)會(huì)影響測量結(jié)果。并且， 被測回路中引入的接線都有可能帶入感性分量。實(shí)驗(yàn)室采用的另一種測量方法是利用高精 度的LCR表直接測量羅氏線圈的電容和電感，測量原理同串聯(lián)諧振法。雖然高精度的LCR表 克服了由測試回路引入的額外誤差的缺點(diǎn)，但復(fù)雜電路還是限制了高精度LCR表的測試能 力。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明所要解決的是采用現(xiàn)有方法測試羅氏線圈集中參數(shù)測量結(jié)果受感性分量 影響和LCR表測試能力限制的問題。
[0005] 本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，包括:采用羅氏線圈感應(yīng)斜坡電流信號(hào)W獲 得羅氏線圈輸出的諧振電壓信號(hào)；獲得所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式;根據(jù)所述斜坡電 流信號(hào)的頻域表達(dá)式和羅氏線圈的傳遞函數(shù)獲得所述諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式;對所述 諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯逆變換W獲得所述諧振電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式； 將所述諧振電壓信號(hào)的最大幅值及其對應(yīng)時(shí)間代入所述諧振電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式W獲 得第一方程;根據(jù)LCR串聯(lián)諧振電路的諧振表達(dá)式W獲得第二方程;求解所述第一方程和所 述第二方程W獲得羅氏線圈的電容和羅氏線圈的電感。
[0007] 本發(fā)明利用羅氏線圈對斜坡電流信號(hào)的響應(yīng)，使羅氏線圈進(jìn)入自激震蕩的狀態(tài)， 在其二次回路測量開路自激震蕩波形，即所述諧振電壓信號(hào)的波形，通過對測量信號(hào)進(jìn)行 時(shí)域分析和頻域分析得到羅氏線圈集中參數(shù)的電感值和電容值。因此，本方法無需在羅氏 線圈的二次回路中引入額外接線，進(jìn)而不會(huì)給被測回路帶入感性分量。
[0008] 可選的，所述采用羅氏線圈感應(yīng)斜坡電流信號(hào)W獲得羅氏線圈輸出的諧振電壓信 號(hào)包括:采用電流源向穿過羅氏線圈的導(dǎo)體注入所述斜坡電流信號(hào);采用示波器測量羅氏 線圈的輸出W獲得所述諧振電壓信號(hào)。
[0009] 可選的，所述獲得所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式包括:采用階躍響應(yīng)函數(shù)表示 所述斜坡電流信號(hào)W獲得所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式;對所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表 達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯變換W獲得所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式。
[0010] 可選的，所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式關(guān)
其中，x(t)為時(shí)域中的所述斜坡電流信號(hào)，Iam為所述斜坡電流信號(hào)的幅值，tup為所述斜坡 電流信號(hào)的上升沿時(shí)間，U(t)為階躍響應(yīng)函數(shù)，t為時(shí)間變量。
[0011] 可選的，所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式夫
其中，X(S)為 頻域中的所述斜坡電流信號(hào)，S為復(fù)頻率，e為自然常數(shù)。
[0012] 可選的，所述諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式天
其中，Y(S)為頻域中的所述諧振電壓信號(hào)
為羅氏線圈的傳遞函數(shù)，M 為羅氏線圈的互感值，Lr為羅氏線圈的電感，Cr為羅氏線圈的電容，Rr為羅氏線圈的電阻。
[0013] 可選的，所述第二方程為，
，其中，fxz為所述諧振電壓信號(hào)的振蕩 頻率，Lr為羅氏線圈的電感，Cr為羅氏線圈的電容。
[0014] 可選的，所述羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法還包括:采用萬用表測試羅氏線圈的 電阻。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0016] 本發(fā)明提供的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，采用實(shí)測羅氏線圈自激震蕩波形和 數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)相結(jié)合的方式，通過對測量信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析得到羅氏線圈集中 參數(shù)的電感值和電容值。本發(fā)明無需在羅氏線圈的二次回路中引入額外接線，進(jìn)而不會(huì)給 被測回路帶入感性分量，能夠?yàn)殚_展仿真羅氏線圈動(dòng)態(tài)特性研究提供仿真參數(shù)，幫助仿真 人員校準(zhǔn)羅氏線圈的仿真模型。
【附圖說明】
[0017] 此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部 分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：
[0018] 圖1是羅氏線圈集中參數(shù)的等效電路圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例測試羅氏線圈的電阻的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例測試羅氏線圈的電容和電感的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的斜坡電流信號(hào)的波形示意圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的諧振電壓信號(hào)的波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對本 發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作 為對本發(fā)明的限定。
[0024] 實(shí)施例
[0025] 圖1是羅氏線圈集中參數(shù)的等效電路圖。其中，e(t)等效于受一次側(cè)電流控制的二 次側(cè)電壓源;Rr為羅氏線圈內(nèi)部等效電阻，簡稱內(nèi)阻，其大小只與羅氏線圈的物理尺寸有 關(guān);Lr為羅氏線圈的自感，受到形狀、長短、應(yīng)數(shù)、有無鐵忍的影響，而羅氏線圈的骨架采用 的是環(huán)氧樹脂材料，磁導(dǎo)率近似為真空磁導(dǎo)率，同時(shí)環(huán)氧樹脂的形狀受溫度影響極小，所W 自感是一個(gè)固定的常數(shù);Cr為羅氏線圈的應(yīng)對屏蔽層的電容，為一個(gè)固定的常數(shù);化為外接 負(fù)載電阻。羅氏線圈的電容、電感W及電阻均為固定的，但測量羅氏線圈的電感值和電容值 極易雙外界電感和電容的影響。
[0026] 羅氏線圈的電阻與溫度、材料W及長度有關(guān)，在羅氏線圈繞制完成后，其電阻在一 定的溫度條件下不隨信號(hào)的頻率和幅值發(fā)生變化。因此，與現(xiàn)有技術(shù)中相同，本實(shí)施例采用 高精度萬用表測量羅氏線圈的電阻，測試的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，即將萬用表21的測量接 頭連接羅氏線圈10的二次輸出。
[0027] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例測試羅氏線圈的電容和電感的結(jié)構(gòu)示意圖，羅氏線圈的電容 和電感的測量方法包括：
[0028] 步驟SI,采用羅氏線圈感應(yīng)斜坡電流信號(hào)W獲得羅氏線圈輸出的諧振電壓信號(hào)。 具體地，采用電流源31向穿過羅氏線圈10的導(dǎo)體32注入斜坡電流信號(hào)，采用示波器33測量 羅氏線圈10的輸出W獲得諧振電壓信號(hào)。所述導(dǎo)體32穿過羅氏線圈10,使羅氏線圈10能夠 感應(yīng)導(dǎo)體32中的斜坡電流。所述示波器33的電壓探頭連接羅氏線圈10的二次輸出，用于測 量羅氏線圈10輸出的諧振電壓信號(hào)。圖4是所述電流源31輸出的斜坡電流信號(hào)的波形示意 圖，其中，Iam為所述斜坡電流信號(hào)的幅值，tup為所述斜坡電流信號(hào)的上升沿時(shí)間，所述斜坡 電流信號(hào)的幅值Iam和所述斜坡電流信號(hào)的上升沿時(shí)間tup均為已知參數(shù)。羅氏線圈10感應(yīng) 到斜坡電流信號(hào)后，在二次回路感應(yīng)出自激震蕩的電壓波形，即諧振電壓信號(hào)。所述示波器 33測量得到的諧振電壓信號(hào)的波形如圖5所示，其中，點(diǎn)A(tl，0)為諧振電壓信號(hào)的零點(diǎn)，點(diǎn) B(t2,0)為諧振電壓信號(hào)的第一個(gè)波峰點(diǎn)，從諧振電壓信號(hào)的波形中可W讀出諧振電壓信 號(hào)的振蕩頻率(即振蕩周期的倒數(shù)）、諧振電壓信號(hào)的最大幅值(即yl) W及諧振電壓信號(hào)的 最大幅值的對應(yīng)時(shí)間（即t2-tl)。
[0029] 步驟S2,獲得所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式。首先，采用階躍響應(yīng)函數(shù)表示所述 斜坡電流信號(hào)W獲得所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式，所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為
其中，x(t)為時(shí)域中的所述斜坡電流信號(hào)，Iam為所 述斜坡電流信號(hào)的幅值，tup為所述斜坡電流信號(hào)的上升沿時(shí)間，U(t)為階躍響應(yīng)函數(shù)，t為 時(shí)間變量;其次，對所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯變換W獲得所述斜坡電 流信號(hào)的頻域表達(dá)式，所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式關(guān)
其中，X (S)為頻域中的所述斜坡電流信號(hào)，S為復(fù)頻率，e為自然常數(shù)。
[0030] 步驟S3,根據(jù)所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式和羅氏線圈的傳遞函數(shù)獲得所述諧 振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式。本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，頻域中的所述諧振電壓信號(hào)等于頻域中 的所述斜坡電流信號(hào)乘W羅氏線圈的傳遞函數(shù)，即Y(S) =H(S)X(S),而羅氏線圈的傳遞函
，所述諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式為 ,其中，Y(S)為頻域中的所述諧振電壓信號(hào)， 遞函數(shù)，M為羅氏線圈的互感值，Lr為羅氏線圈的電 感，Cr為羅氏線圈的電容，Rr為羅氏線圈的電阻。
[0031] 步驟S4,對所述諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯逆變換W獲得所述諧振 電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式。本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉如何對一個(gè)頻域表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯逆變 換，在此不再寶述。
[0032] 步驟S5,將所述諧振電壓信號(hào)的最大幅值及其對應(yīng)時(shí)間代入所述諧振電壓信號(hào)的 時(shí)域表達(dá)式W獲得第一方程。由于羅氏線圈的電阻、諧振電壓信號(hào)的最大幅值及其對應(yīng)時(shí) 間均為已知參數(shù)，代入所述諧振電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式后，即可獲得一個(gè)關(guān)于羅氏線圈的 電容和羅氏線圈的電感的方程。
[0033] 步驟S6,根據(jù)LCR串聯(lián)諧振電路的諧振表達(dá)式W獲得第二方程。本領(lǐng)域技術(shù)人員知 曉L C R串聯(lián)諧振電路的諧振表達(dá)式為
，因而所述第二方程為
其中，fxz為所述諧振電壓信號(hào)的振蕩頻率，Lr為羅氏線圈的電感，Cr為羅 氏線圈的電容。將所述諧振電壓信號(hào)的振蕩頻率代入所述串聯(lián)電路的諧振表達(dá)式，獲得另 一個(gè)關(guān)于羅氏線圈的電容和羅氏線圈的電感的方程。
[0034] 步驟S7,求解所述第一方程和所述第二方程W獲得羅氏線圈的電容和羅氏線圈的 電感。本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉如何對兩個(gè)包括兩個(gè)未知數(shù)的方程聯(lián)合求解，在此不再寶述。
[0035] W上所述的【具體實(shí)施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明 的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，其特征在于，包括： 采用羅氏線圈感應(yīng)斜坡電流信號(hào)以獲得羅氏線圈輸出的諧振電壓信號(hào)； 獲得所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式； 根據(jù)所述斜坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式和羅氏線圈的傳遞函數(shù)獲得所述諧振電壓信號(hào) 的頻域表達(dá)式； 對所述諧振電壓信號(hào)的頻域表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯逆變換以獲得所述諧振電壓信號(hào)的 時(shí)域表達(dá)式； 將所述諧振電壓信號(hào)的最大幅值及其對應(yīng)時(shí)間代入所述諧振電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式 以獲得第一方程； 根據(jù)LCR串聯(lián)諧振電路的諧振表達(dá)式以獲得第二方程； 求解所述第一方程和所述第二方程以獲得羅氏線圈的電容和羅氏線圈的電感。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，其特征在于，所述采用羅氏線 圈感應(yīng)斜坡電流信號(hào)以獲得羅氏線圈輸出的諧振電壓信號(hào)包括： 采用電流源向穿過羅氏線圈的導(dǎo)體注入所述斜坡電流信號(hào)； 采用示波器測量羅氏線圈的輸出以獲得所述諧振電壓信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，其特征在于，所述獲得所述斜 坡電流信號(hào)的頻域表達(dá)式包括： 采用階躍響應(yīng)函數(shù)表示所述斜坡電流信號(hào)以獲得所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式； 對所述斜坡電流信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯變換以獲得所述斜坡電流信號(hào)的頻 域表達(dá)式。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，其特征在于，所述斜坡電流信 號(hào)的時(shí)域表達(dá)式；其中，x(t)為時(shí)域中的所述 斜坡電流信號(hào)，1_為所述斜坡電流信號(hào)的幅值，tup為所述斜坡電流信號(hào)的上升沿時(shí)間，u (t)為階躍響應(yīng)函數(shù)，t為時(shí)間變量。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，其特征在于，所述斜坡電流信 號(hào)的頻域表達(dá)式為其中，X(S)為頻域中的所述斜坡電流信號(hào)，8為 復(fù)頻率，e為自然常數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所彳術(shù)的眾壬錢_隹由參翁的涮量方法_ 征在于，所述諧振電壓信 號(hào)的頻域表達(dá)式為：其中，Y (s)為頻域中的 所述諧振電壓信號(hào)3羅氏線圈的傳遞函數(shù)，M為羅氏線圈的互感值， Lr為羅氏線圈的電感，Cr為羅氏線圈的電容，Rr為羅氏線圈的電阻。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，其特征在于，所述第二方程為 沖，fxz為所述諧振電壓信號(hào)的振蕩頻率，U為羅氏線圈的電感，Cr為羅 氏線圈的電容。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的羅氏線圈集中參數(shù)的測量方法，其特征在于，還包 括:采用萬用表測試羅氏線圈的電阻。
【文檔編號(hào)】G01R31/06GK106019072SQ201610319594
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】吳杰, 甄威, 姜振超, 劉明忠, 湯凡, 何宇航, 汪曉華, 崔弘
【申請人】國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司