一种空心线圈等效电容的测量方法与流程

一种空心线圈等效电容的测量方法，属于电力线路在线监测。

背景技术：

1、在电力线路在线监测领域，空心线圈(如罗氏线圈)是被广泛应用的测量传感器，用于测量线路中的电气信号。等效电容是空心线圈等传感器的一个重要参数，等效电容用于设计计算电流互感器和磁场传感器的上限截止频率、工作带宽等关键性能指标，同时对线圈匹配电阻等其它参数的设计取值也有重要影响，因此精确获取空心线圈的等效电容具有重要意义。

2、在现有技术中，获取空心线圈的等效电容数值，包括以下几种方法：

3、1、公式法，公式法是根据线圈的结构、尺寸、骨架介电常数等参数计算等效电容的一种方式。在以下文献中，对公式法进行了相应记载：

4、(1)姜枫.rogowski型电流互感器的高性能设计与研究[d].大连：大连理工大学，2011：12-16.

5、(2)chris hewson，william f.ray.the effect of electrostatic screeningof rogowski coils designed for wide-bandwidth current measurement in powerelectronic applications[c]//2004ieee35th annual power electronics specialistsconference.aachen，germany：ieee，2004：1143-1148.

6、(3)李维波，毛承雄，陆继明，等.分布电容对rogowski线圈动态特性影响研究[j].电工技术学报，2004，19(6)：12-17.

7、(4)王宝诚，王德玉，邬伟扬.罗氏线圈的频率特性分析与传感器的设计方法[j].电工技术学报，2009，24(9)：21-27.

8、(5)张婷，方志，李春，等.自积分式rogowski线圈的电磁参数对其频带影响的研究[j].电测与仪表，2009，46(519)：14-19.

9、(6)李维波.基于rogowski线圈的大电流测量传感理论研究与实践[d].武汉：华中科技大学，2005：31-33.

10、(7)刘晓宇.用于电流测量的罗氏线圈理论与应用研究[d].北京：北京交通大学，2021：7-10.

11、公式法对空心线圈的等效电容进行测量时，其缺陷在于：采用的是近似公式，同时受参数测量误差的影响，直接用公式计算的结果误差较大。

12、2、lcr测试仪测试法。这种方法是通过lcr测试仪直接连接空心线圈测量其等效电容，在以下文献中，对lcr测试仪测试法进行了相应记载：

13、(1)向珉江.基于罗氏线圈的行波传变特性与应用技术研究[d].济南：山东大学，2013：41-49.

14、(2)邢昊中.罗氏线圈电流互感器特性及其对保护的影响研究[d].重庆：重庆大学，2021：27-30.

15、(3)米伯楷.罗氏线圈脉冲大电流检测技术研究[d].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021：35-37.

16、lcr测试仪测试法在实际应用时，lcr测试仪直接连接空心线圈测量其等效电容，由于线圈存在电阻和电感且等效电容相比于线圈的电阻和电感非常小，lcr测试仪法测量结果不准确。

17、3、谐振法。谐振法利用频率可调信号源和辅助电阻给空心线圈施加频率可调的正弦信号，当空心线圈发生并联谐振时，测量或者记录谐振频率，根据谐振频率表达式可以计算出线圈的等效电容，在以下文献中，对谐振法进行了相应记载：

18、(1)张婷，方志，李春，等.自积分式rogowski线圈的电磁参数对其频带影响的研究[j].电测与仪表，2009，46(519)：14-19.

19、(2)马坦.罗氏线圈传感器及应用研究[d].武汉：华中科技大学，2015：16-18.

20、(3)何津云，朱长春.罗柯夫斯基线圈频率响应特性的测量方法[j].强激光与离子束，1992，4(2)：233-238.

21、由上述可知，谐振法的原理是利用频率可调信号源和辅助电阻给空心线圈施加频率可调的正弦信号，当空心线圈发生并联谐振时，测量或者记录谐振频率，根据谐振频率表达式可以计算出线圈的等效电容。但是受辅助电阻寄生电感、信号源测试导引线电感的影响，谐振法也难以测量出线圈等效电容的准确值。

22、4、申请号为201610319594.1，申请日为2015年5月13日，专利名称为“罗氏线圈集中参数的测量方法”的中国发明专利公开了一种技术方案。在该技术方案中，在线圈一次侧施加斜坡电流信号，使线圈进入自激振荡状态，通过测量振荡频率，利用振荡频率表达式计算线圈的等效电容，这种方法避免了谐振法易受辅助电阻寄生电感和测试导引线电感影响的缺点，可以比较准确的测量和计算空心线圈的等效电容，但是这种方法必须用斜坡电流信号源对线圈施加激励，由于线圈输出信号非常微弱，为了获得明显的振荡信号，必然要求使用大功率斜坡电流信号源，因此这种方法实现起来十分不便，另外，由于需要在线圈二次侧振荡回路中接入负载电阻，这种方法仍有可能受到负载电阻寄生电感的影响而造成测量误差。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种依据rlc串联电路零输入响应的欠阻尼振荡原理，在待测空心线圈发生欠阻尼振荡后测量和计算得到待测空心线圈的等效电容，避免了谐振法易受辅助电阻寄生电感、信号源测试导引线电感影响的缺点，也不需要在一次侧施加大电流激励信号的空心线圈等效电容的测量方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该空心线圈等效电容的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

3、步骤a，测量待测空心线圈的自感和内阻；

4、步骤b，构建待测空心线圈的等效电容测量电路；

5、步骤c，向待测空心线圈注入电流信号；

6、步骤d，在待测空心线圈稳定后，执行步骤e；

7、步骤e，断开直流电源与待测空心线圈的连接，待测空心线圈产生欠阻尼振荡，得到并求解运算法回路方程；

8、步骤f，测量振荡频率，并求得待测空心线圈的等效电容。

9、优选的，在步骤b中，等效电容测量电路包括直流电源u0，直流电源u0的一端串联开关k和限流电阻r后与待测空心线圈的其中一端相连，直流电源u0的另一端与待测空心线圈的另一端相连。

10、优选的，在步骤e中，等效电容测量电路的运算法回路方程为：

11、

12、其中，u0为直流电源的电压，l0、r0和c0分别为待测空心线圈的自感、内阻以及等效电容，r为限流电阻的阻值，i1(s)表示电感l0中的初始电流。

13、优选的，在步骤f中，求解等效电容测量电路的运算法回路方程得到待测空心线圈电流i2(s)：

14、

15、其中，u0为直流电源的电压，l0、r0和c0分别为待测空心线圈的自感、内阻以及等效电容，r为限流电阻的阻值。

16、优选的，待测空心线圈电流i2(s)特征方程的共轭复根p1，p2为：

17、

18、根据等效电容测量电路的串联回路方程的振荡角频率ω的表达式，求得待测空心线圈的等效电容，振荡角频率ω的表达式为：

19、

20、其中，l0、r0和c0分别为待测空心线圈的自感、内阻以及等效电容。

21、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

22、在本空心线圈等效电容的测量方法中，依据rlc串联电路零输入响应的欠阻尼振荡原理，在待测空心线圈发生欠阻尼振荡后测量和计算得到待测空心线圈的等效电容，避免了谐振法易受辅助电阻寄生电感、信号源测试导引线电感影响的缺点，也不需要在一次侧施加大电流激励信号。

23、在本空心线圈等效电容的测量方法中，不需要在线圈一次侧施加大功率斜坡电流信号，并利用斜坡电流信号表达式和线圈的传递函数求解线圈谐振电压信号表达式。无需测量谐振电压信号的最大幅值及其对应时间，并通过用两个联立方程计算线圈等效电容。本空心线圈等效电容的测量方法，本质上通过线圈震荡原理，与求解线圈振荡频率的方法、过程不同，而获得的振荡频率表达式和现有技术披露的也不同。

24、在本空心线圈等效电容的测量方法中，振荡等效电路和振荡规律，不同于现有技术中的谐振法，振荡频率求解过程及其表达式也不相同，同时避免了现有技术中公式法以及lcr测试仪测试法的缺陷。

25、本空心线圈等效电容的测量方法在实施时不需要专门的信号源，不受任何辅助电阻寄生电感和负载电阻寄生电感的影响，测量和计算空心线圈等效电容的过程简便，得到的电容值准确，可以大大提高电流互感器和磁场传感器性能指标的设计精度。

26、通过本本空心线圈等效电容的测量方法在测量和计算空心线圈的等效电容时，不受线圈截面形状的限制，例如不限于圆形或者矩形截面，适用性更广。