罗氏线圈集中参数的测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种罗氏线圈集中参数的测量方法，包括：采用罗氏线圈感应斜坡电流信号以获得罗氏线圈输出的谐振电压信号；获得斜坡电流信号的频域表达式；根据斜坡电流信号的频域表达式和罗氏线圈的传递函数获得谐振电压信号的频域表达式；对谐振电压信号的频域表达式进行拉普拉斯逆变换以获得谐振电压信号的时域表达式；将谐振电压信号的最大幅值及其对应时间代入谐振电压信号的时域表达式以获得第一方程；根据LCR串联谐振电路的谐振表达式以获得第二方程；求解第一方程和第二方程以获得罗氏线圈的电容和罗氏线圈的电感。本发明提供的罗氏线圈集中参数的测量方法，无需在罗氏线圈的二次回路中引入额外接线，进而不会给被测回路带入感性分量。
【专利说明】
罗氏线圈集中参数的测量方法
技术领域
[0001] 本发明设及智能变电站试验技术领域，具体设及一种罗氏线圈集中参数的测量方 法。
【背景技术】
[0002] 电子式互感器是智能变电站的关键技术。其定义为:一种装置，由连接到传输系统 和二次转换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用W传输正比于被测量的量，供给测 量仪器、仪表和继电保护或控制装置。电子式电流互感器分为光学电流互感器、低功率电流 互感器、罗氏线圈电流互感器=类，目前给智能站保护装置提供二次电流的互感器多采用 罗氏线圈作为传感头。因此，罗氏线圈电子式互感器的工频、谐波、行波传遍特性成为影响 智能站安全稳定运行的一个重要因素。而通过仿真的方式研究其传遍特性，需事先知道罗 氏线圈的集中参数，即罗氏线圈的直流电阻、电容和电感。罗氏线圈的电阻与溫度、材料、长 度有关，在罗氏线圈绕制完成后，其电阻在一定的溫度条件下不随信号的频率和幅值变化， 因此用高精度万用表就可W获得罗氏线圈的直流电阻。
[0003] 实验室通常采用串联谐振法测量罗氏线圈的电容。在测量过程中，为了能够监测 被测对象是否进入谐振状态，需要在罗氏线圈的二次输出回路中串联一只无感电阻。但随 着测量频率的升高，电阻可能会表现出感性分量，感性分量的出现会影响测量结果。并且， 被测回路中引入的接线都有可能带入感性分量。实验室采用的另一种测量方法是利用高精 度的LCR表直接测量罗氏线圈的电容和电感，测量原理同串联谐振法。虽然高精度的LCR表 克服了由测试回路引入的额外误差的缺点，但复杂电路还是限制了高精度LCR表的测试能 力。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的是采用现有方法测试罗氏线圈集中参数测量结果受感性分量 影响和LCR表测试能力限制的问题。
[0005] 本发明通过下述技术方案实现：
[0006] -种罗氏线圈集中参数的测量方法，包括:采用罗氏线圈感应斜坡电流信号W获 得罗氏线圈输出的谐振电压信号；获得所述斜坡电流信号的频域表达式;根据所述斜坡电 流信号的频域表达式和罗氏线圈的传递函数获得所述谐振电压信号的频域表达式;对所述 谐振电压信号的频域表达式进行拉普拉斯逆变换W获得所述谐振电压信号的时域表达式； 将所述谐振电压信号的最大幅值及其对应时间代入所述谐振电压信号的时域表达式W获 得第一方程;根据LCR串联谐振电路的谐振表达式W获得第二方程;求解所述第一方程和所 述第二方程W获得罗氏线圈的电容和罗氏线圈的电感。
[0007] 本发明利用罗氏线圈对斜坡电流信号的响应，使罗氏线圈进入自激震荡的状态， 在其二次回路测量开路自激震荡波形，即所述谐振电压信号的波形，通过对测量信号进行 时域分析和频域分析得到罗氏线圈集中参数的电感值和电容值。因此，本方法无需在罗氏 线圈的二次回路中引入额外接线，进而不会给被测回路带入感性分量。
[0008] 可选的，所述采用罗氏线圈感应斜坡电流信号W获得罗氏线圈输出的谐振电压信 号包括:采用电流源向穿过罗氏线圈的导体注入所述斜坡电流信号;采用示波器测量罗氏 线圈的输出W获得所述谐振电压信号。
[0009] 可选的，所述获得所述斜坡电流信号的频域表达式包括:采用阶跃响应函数表示 所述斜坡电流信号W获得所述斜坡电流信号的时域表达式;对所述斜坡电流信号的时域表 达式进行拉普拉斯变换W获得所述斜坡电流信号的频域表达式。
[0010] 可选的，所述斜坡电流信号的时域表达式关
其中，x(t)为时域中的所述斜坡电流信号，Iam为所述斜坡电流信号的幅值，tup为所述斜坡 电流信号的上升沿时间，U(t)为阶跃响应函数，t为时间变量。
[0011] 可选的，所述斜坡电流信号的频域表达式夫
其中，X(S)为 频域中的所述斜坡电流信号，S为复频率，e为自然常数。
[0012] 可选的，所述谐振电压信号的频域表达式天
其中，Y(S)为频域中的所述谐振电压信号
为罗氏线圈的传递函数，M 为罗氏线圈的互感值，Lr为罗氏线圈的电感，Cr为罗氏线圈的电容，Rr为罗氏线圈的电阻。
[0013] 可选的，所述第二方程为，
，其中，fxz为所述谐振电压信号的振荡 频率，Lr为罗氏线圈的电感，Cr为罗氏线圈的电容。
[0014] 可选的，所述罗氏线圈集中参数的测量方法还包括:采用万用表测试罗氏线圈的 电阻。
[0015] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0016] 本发明提供的罗氏线圈集中参数的测量方法，采用实测罗氏线圈自激震荡波形和 数学公式推导相结合的方式，通过对测量信号进行时域分析和频域分析得到罗氏线圈集中 参数的电感值和电容值。本发明无需在罗氏线圈的二次回路中引入额外接线，进而不会给 被测回路带入感性分量，能够为开展仿真罗氏线圈动态特性研究提供仿真参数，帮助仿真 人员校准罗氏线圈的仿真模型。
【附图说明】
[0017] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0018] 图1是罗氏线圈集中参数的等效电路图；
[0019] 图2是本发明实施例测试罗氏线圈的电阻的结构示意图；
[0020] 图3是本发明实施例测试罗氏线圈的电容和电感的结构示意图；
[0021 ]图4是本发明实施例的斜坡电流信号的波形示意图；
[0022] 图5是本发明实施例的谐振电压信号的波形示意图。
【具体实施方式】
[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本 发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作 为对本发明的限定。
[0024] 实施例
[0025] 图1是罗氏线圈集中参数的等效电路图。其中，e(t)等效于受一次侧电流控制的二 次侧电压源;Rr为罗氏线圈内部等效电阻，简称内阻，其大小只与罗氏线圈的物理尺寸有 关;Lr为罗氏线圈的自感，受到形状、长短、应数、有无铁忍的影响，而罗氏线圈的骨架采用 的是环氧树脂材料，磁导率近似为真空磁导率，同时环氧树脂的形状受溫度影响极小，所W 自感是一个固定的常数;Cr为罗氏线圈的应对屏蔽层的电容，为一个固定的常数;化为外接 负载电阻。罗氏线圈的电容、电感W及电阻均为固定的，但测量罗氏线圈的电感值和电容值 极易雙外界电感和电容的影响。
[0026] 罗氏线圈的电阻与溫度、材料W及长度有关，在罗氏线圈绕制完成后，其电阻在一 定的溫度条件下不随信号的频率和幅值发生变化。因此，与现有技术中相同，本实施例采用 高精度万用表测量罗氏线圈的电阻，测试的结构示意图如图2所示，即将万用表21的测量接 头连接罗氏线圈10的二次输出。
[0027] 图3是本发明实施例测试罗氏线圈的电容和电感的结构示意图，罗氏线圈的电容 和电感的测量方法包括：
[0028] 步骤SI,采用罗氏线圈感应斜坡电流信号W获得罗氏线圈输出的谐振电压信号。 具体地，采用电流源31向穿过罗氏线圈10的导体32注入斜坡电流信号，采用示波器33测量 罗氏线圈10的输出W获得谐振电压信号。所述导体32穿过罗氏线圈10,使罗氏线圈10能够 感应导体32中的斜坡电流。所述示波器33的电压探头连接罗氏线圈10的二次输出，用于测 量罗氏线圈10输出的谐振电压信号。图4是所述电流源31输出的斜坡电流信号的波形示意 图，其中，Iam为所述斜坡电流信号的幅值，tup为所述斜坡电流信号的上升沿时间，所述斜坡 电流信号的幅值Iam和所述斜坡电流信号的上升沿时间tup均为已知参数。罗氏线圈10感应 到斜坡电流信号后，在二次回路感应出自激震荡的电压波形，即谐振电压信号。所述示波器 33测量得到的谐振电压信号的波形如图5所示，其中，点A(tl，0)为谐振电压信号的零点，点 B(t2,0)为谐振电压信号的第一个波峰点，从谐振电压信号的波形中可W读出谐振电压信 号的振荡频率(即振荡周期的倒数）、谐振电压信号的最大幅值(即yl) W及谐振电压信号的 最大幅值的对应时间（即t2-tl)。
[0029] 步骤S2,获得所述斜坡电流信号的频域表达式。首先，采用阶跃响应函数表示所述 斜坡电流信号W获得所述斜坡电流信号的时域表达式，所述斜坡电流信号的时域表达式为
其中，x(t)为时域中的所述斜坡电流信号，Iam为所 述斜坡电流信号的幅值，tup为所述斜坡电流信号的上升沿时间，U(t)为阶跃响应函数，t为 时间变量;其次，对所述斜坡电流信号的时域表达式进行拉普拉斯变换W获得所述斜坡电 流信号的频域表达式，所述斜坡电流信号的频域表达式关
其中，X (S)为频域中的所述斜坡电流信号，S为复频率，e为自然常数。
[0030] 步骤S3,根据所述斜坡电流信号的频域表达式和罗氏线圈的传递函数获得所述谐 振电压信号的频域表达式。本领域技术人员知晓，频域中的所述谐振电压信号等于频域中 的所述斜坡电流信号乘W罗氏线圈的传递函数，即Y(S) =H(S)X(S),而罗氏线圈的传递函
，所述谐振电压信号的频域表达式为 ,其中，Y(S)为频域中的所述谐振电压信号， 递函数，M为罗氏线圈的互感值，Lr为罗氏线圈的电 感，Cr为罗氏线圈的电容，Rr为罗氏线圈的电阻。
[0031] 步骤S4,对所述谐振电压信号的频域表达式进行拉普拉斯逆变换W获得所述谐振 电压信号的时域表达式。本领域技术人员知晓如何对一个频域表达式进行拉普拉斯逆变 换，在此不再寶述。
[0032] 步骤S5,将所述谐振电压信号的最大幅值及其对应时间代入所述谐振电压信号的 时域表达式W获得第一方程。由于罗氏线圈的电阻、谐振电压信号的最大幅值及其对应时 间均为已知参数，代入所述谐振电压信号的时域表达式后，即可获得一个关于罗氏线圈的 电容和罗氏线圈的电感的方程。
[0033] 步骤S6,根据LCR串联谐振电路的谐振表达式W获得第二方程。本领域技术人员知 晓L C R串联谐振电路的谐振表达式为
，因而所述第二方程为
其中，fxz为所述谐振电压信号的振荡频率，Lr为罗氏线圈的电感，Cr为罗 氏线圈的电容。将所述谐振电压信号的振荡频率代入所述串联电路的谐振表达式，获得另 一个关于罗氏线圈的电容和罗氏线圈的电感的方程。
[0034] 步骤S7,求解所述第一方程和所述第二方程W获得罗氏线圈的电容和罗氏线圈的 电感。本领域技术人员知晓如何对两个包括两个未知数的方程联合求解，在此不再寶述。
[0035] W上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，W上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明 的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种罗氏线圈集中参数的测量方法，其特征在于，包括： 采用罗氏线圈感应斜坡电流信号以获得罗氏线圈输出的谐振电压信号； 获得所述斜坡电流信号的频域表达式； 根据所述斜坡电流信号的频域表达式和罗氏线圈的传递函数获得所述谐振电压信号 的频域表达式； 对所述谐振电压信号的频域表达式进行拉普拉斯逆变换以获得所述谐振电压信号的 时域表达式； 将所述谐振电压信号的最大幅值及其对应时间代入所述谐振电压信号的时域表达式 以获得第一方程； 根据LCR串联谐振电路的谐振表达式以获得第二方程； 求解所述第一方程和所述第二方程以获得罗氏线圈的电容和罗氏线圈的电感。2. 根据权利要求1所述的罗氏线圈集中参数的测量方法，其特征在于，所述采用罗氏线 圈感应斜坡电流信号以获得罗氏线圈输出的谐振电压信号包括： 采用电流源向穿过罗氏线圈的导体注入所述斜坡电流信号； 采用示波器测量罗氏线圈的输出以获得所述谐振电压信号。3. 根据权利要求1所述的罗氏线圈集中参数的测量方法，其特征在于，所述获得所述斜 坡电流信号的频域表达式包括： 采用阶跃响应函数表示所述斜坡电流信号以获得所述斜坡电流信号的时域表达式； 对所述斜坡电流信号的时域表达式进行拉普拉斯变换以获得所述斜坡电流信号的频 域表达式。4. 根据权利要求3所述的罗氏线圈集中参数的测量方法，其特征在于，所述斜坡电流信 号的时域表达式；其中，x(t)为时域中的所述 斜坡电流信号，1_为所述斜坡电流信号的幅值，tup为所述斜坡电流信号的上升沿时间，u (t)为阶跃响应函数，t为时间变量。5. 根据权利要求4所述的罗氏线圈集中参数的测量方法，其特征在于，所述斜坡电流信 号的频域表达式为其中，X(S)为频域中的所述斜坡电流信号，8为 复频率，e为自然常数。6. 根据权利要求5所彳术的眾壬钱_隹由参翁的涮量方法_ 征在于，所述谐振电压信 号的频域表达式为：其中，Y (s)为频域中的 所述谐振电压信号3罗氏线圈的传递函数，M为罗氏线圈的互感值， Lr为罗氏线圈的电感，Cr为罗氏线圈的电容，Rr为罗氏线圈的电阻。7. 根据权利要求1所述的罗氏线圈集中参数的测量方法，其特征在于，所述第二方程为 冲，fxz为所述谐振电压信号的振荡频率，U为罗氏线圈的电感，Cr为罗 氏线圈的电容。8.根据权利要求1至7任一项所述的罗氏线圈集中参数的测量方法，其特征在于，还包 括:采用万用表测试罗氏线圈的电阻。
【文档编号】G01R31/06GK106019072SQ201610319594
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】吴杰, 甄威, 姜振超, 刘明忠, 汤凡, 何宇航, 汪晓华, 崔弘
【申请人】国网四川省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司