CN101750560B - 高安匝数电流互感器伏安特性测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高安匝数电流互感器伏安特性测量装置，包括10Hz低频源、功放、电流互感器电流信号采样电路、电流互感器电压信号采样电路和微处理器。所述装置通过电流互感器电流信号采样电路采样的电流并通过电流互感器电压信号采样电路采样的电压，获取采样电压和采样电流之间的角度，进而获取50Hz频率下的电压。该方法获取的50Hz频率下的电压非常精确，因此。该方法提高了伏安特性的测量准确度。本发明同时公开了一种高安匝数电流互感器伏安特性测量方法。

Description

高安匝数电流互感器伏安特性测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种电流互感器伏安特性的测量装置及测量方法，特别涉及一种低频带角度测量高安匝数电流互感器伏安特性测量装置及测量方法。

背景技术

GB1208-1997《电流互感器规定》：“根据用户的要求，制造厂应提供保护用电流互感器伏安特性”。因此制造厂必须对出厂的保护用电流互感器进行伏安特性试验。但是，在试验高安匝数电流互感器二次绕组伏安特性时，电流互感器的二次绕组电压往往超过国家标准规定的匝间绝缘耐受电压值(4.5kV)，有时甚至为该规定值的数倍(10000V～20000V以上)，致使伏安特性试验无法进行。

高压电器2004年10月第40卷5期文章“用低频电源测量高安匝数电流互感器的伏安特性”中揭露了一种伏安特性测量方法，具体为高安匝数电流互感器100一次绕组110开路，二次绕组120上施加有频率为10Hz的电压信号U，缓慢提升二次绕组120上的电压，采集并记录二次绕组的电压值U₁₀及电流I₁₀。其中电压值U₁₀与电流值I₁₀之间存在非90度交角。将10Hz频率时的电压值U₁₀乘以5进行折算，折算后的数值认定为50HZ频率时的电压值U₅₀。

然而，由图2的电流互感器等效模型(其中Z_I’为一次绕组阻抗，Z_CT为二次绕组阻抗，Z_m为励磁阻抗)可以看出影响伏安特性主要为电流互感器励磁阻抗Zm，该励磁阻抗Zm由电阻R与电抗X组成：Zm＝R+jX。其中，电阻R不受频率影响，电抗X与频率f存在X＝j×2∏f×x关系，则，50Hz频率下的电阻R₅₀与10Hz频率下的电阻R₁₀的关系为：R₁₀＝R₅₀，50HZ频率下的电抗X₅₀与10Hz频率下的电抗X₁₀的关系为：X₅₀＝5X₁₀。

假设电抗X₁₀与电阻R₁₀的关系为：X₁₀∶R₁₀＝6∶1，并且10Hz频率下的电流I₁₀与50Hz频率下的电流I₅₀相同，根据公式U＝I*Zm；

则：

10Hz时， $U_{10}=I_{10}\×\sqrt{{X_{10}}^2+{R_{10}}^2}=I_{10}\×\sqrt{{\left(6R_{10}\right)}^2+{R_{10}}^2}=6.083R_{10}{I}_{10};$

50Hz时， $U_{50}=I_{50}\×\sqrt{{X_{50}}^2+{R_{50}}^2}=I_{10}\×\sqrt{{\left(5X_{10}\right)}^2+{R_{10}}^2}=I_{10}\×\sqrt{{(5\×6R_{10})}^2+{R_{10}}^2}=$

$30.02R_{10}{I}_{10}.$

此时，将10Hz时的电压值U₁₀乘以5进行折算，得到U₅₀’＝5U₁₀＝30.415R₁₀I₁₀。

则，误差ε＝|(U₅₀’-U₅₀)/U₅₀|＝1.316％。

由上可知，当电抗X₁₀与电阻R₁₀数值比值低于6∶1时，误差ε＞1.316％，故该伏安特性测量方法通过将10Hz频率时的电压值U₁₀乘以5折算得到的U₅₀’认定为50Hz频率时的电压值U₅₀，会降低伏安特性的测量准确度。

因此，有必要提供一种改进的高安匝数电流互感器伏安特性测量装置及测量方法来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种高安匝数电流互感器伏安特性测量装置及测量方法，提高伏安特性的测量准确度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高安匝数电流互感器伏安特性测量装置，包括10Hz低频源、功放、电流互感器电流信号采样电路、电流互感器电压信号采样电路和微处理器，所述10Hz低频源的输出端连接所述功放的输入端，所述功放的两个输出端分别连接所述电流互感器电流采样电路的第一输入端以及所述电流互感器电压信号采样电路的第一输入端，所述电流互感器电流采样电路的第二输入端连接到所述电流互感器电压信号采样电路的第二输入端，所述电流互感器一次绕组开路，二次绕组的两个输出端分别与所述电流互感器电压信号采样电路的第一输入端和第二输入端连接，所述电流互感器电流信号采样电路的两个输出端和所述电流互感器电压信号采样电路的两个输出端均与所述微处理器的输入端连接，所述微处理器的输出端连接10Hz低频源的输入端。

较佳地，所述低频源输出的电压在2kV以内的。

一种高安匝数电流互感器伏安特性测量方法，包括如下步骤：微处理器依据互感器的伏安特性要求设定采样点；所述微处理器控制10Hz低频源对应升压每个采样点；对于每个采样点，所述微处理器从电流互感器电流信号采样电路获取采样电流，从电流互感器电压信号采样电路获取采样电压，并根据采样电流和采样电压获取采样电流与采样电压之间的角度，进而获取50Hz频率下的电压。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：所述微处理器根据获取的50Hz频率下的电压绘制伏安特性曲线并与互感器的标准曲线进行比较，判断是否合格。

较佳地，所述微处理器采用时频转换技术获取采样电流与采样电压之间的角度。

在本发明的另一实施例中，所述微处理器采用时频转换技术获取采样电流与采样电压之间的角度的步骤具体为：所述微处理器分别控制电流互感器电压信号采样电路和电流互感器电流信号采样电路采集2个周期电压信号和电流信号从而得到电压信号离散序列、电流信号离散序列；所述微处理器从电压信号离散序列里寻找电压信号第一个正向过零点和电压信号第二个正向过零点，获取电压信号第一个正向过零点在序列的位置以及电压信号第二个正向过零点在序列的位置；所述微处理器从电流信号离散序列里寻找电流信号第一个正向过零点，获取电流信号第一个正向过零点在序列的位置；微处理器获取电压信号第一个正向过零点至电压信号第二个正向过零点的离散数据个数以及电压信号第一个正向过零点至电流信号第一个正向过零点的离散数据个数；微处理器根据离散数据个数获取采样电流与采样电压之间的角度。

与现有技术相比，本发明高安匝数电流互感器伏安特性测量装置及测量方法的微处理器通过电流互感器电流信号采样电路采样的电流并通过电流互感器电压信号采样电路采样的电压，获取采样电压和采样电流之间的角度，进而获取50Hz频率下的电压，微处理器根据获取的50Hz频率下的电压绘制伏安特性曲线并与互感器的标准曲线进行比较，判断是否合格。该方法提高了伏安特性的测量准确度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有高安匝数电流互感器伏安特性测量方法电路示意图。

图2为图1所示电路的电流互感器等效模型示意图。

图3为本发明高安匝数电流互感器伏安特性测量装置的框图。

图4为本发明高安匝数电流互感器伏安特性测量方法的流程图。

图5为根据图4所示方法微处理器获得电压信号离散序列、电流信号离散序列示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种提高伏安特性的测量准确度的高安匝数电流互感器伏安特性的测量装置及测量方法，。

参考图3，所述高安匝数电流互感器伏安特性测量装置包括10Hz低频源10、功放53、电流互感器电流信号采样电路30、电流互感器电压信号采样电路40和微处理器20，所述10Hz低频源10的输出端连接所述功放53的输入端，所述功放53的两个输出端分别连接所述电流互感器电流采样电路的第一输入端以及所述电流互感器电压信号电路的第一输入端，所述电流互感器电流采样电路的第二输入端连接到所述电流互感器电压采样电路的第二输入端，所述电流互感器50的一次绕组51开路，二次绕组52的两个输出端分别与所述电流互感器电压信号采样电路40的第一输入端和第二输入端连接，所述电流互感器电流信号采样电路30的两个输出端和所述电流互感器电压信号采样电路40的两个输出端均与所述微处理器20的输入端，所述微处理器20的输出端连接10Hz低频源10的输入端。

所述低频源10输出2kV以内的电压，可实现TPY级保护用电流互感器等的伏安特性的测量。

参考图4，所述高安匝数电流互感器伏安特性测量方法包括如下步骤：

步骤S1：微处理器20依据互感器的伏安特性要求设定采样点。

步骤S2：微处理器20控制10Hz低频源10对应升压至采样点。

步骤S3：微处理器20从电流互感器电流信号采样电路30获取采样电流，从电流互感器电压信号采样电路40获取采样电压。

步骤S4：微处理器20根据电流互感器电流信号采样电路30获取的采样电流和电流互感器电压信号采样电路40获取的采样电压采用时频转换技术获取采样电流与采样电压之间的角度。下面详细说明。

假设某一时刻t，电流互感器电压信号采样电路40和电流互感器电流信号采样电路30分别采样的电压信号U₁₀、电流信号i₁₀为

其中u₁₀、i₁₀为电压、电流的瞬时值，Um₁₀、Im₁₀为电压、电流的幅值，ω为角频率，

为初始相角，由于电压、电流信号处于同一回路，信号的频率相同，相角差

微处理器20分别控制电流互感器电压信号采样电路40和电流互感器电流信号采样电路30采集2个周期电压、电流信号获得电压信号离散序列、电流信号离散序列，并将该电压信号离散序列、电流信号离散序列存储至数据存储区，见图5。

微处理器20从电压信号离散序列里寻找电压信号第一个正向过零点，获取序列里第一个由负数转向正数的负数值、正数值以及电压信号第一个正向过零点在序列的位置；寻找电压信号第二个正向过零点，获取序列里第二个由负数转向正数的负数值、正数值以及电压信号第二个正向过零点在序列的位置。

从电流信号离散序列里寻找电流信号第一个正向过零点，记录序列里第一个由负数转向正数的负数值、正数值以及电流信号第一个正向过零点在序列的位置。

由图5可知，在忽略选取正数位、负数位作为过零点的误差，则可以从过零点在其序列中的位置，计算出电压信号第一个正向过零点至电压信号第二个正向过零点的离散数据个数M；计算出电压信号第一个正向过零点至电流信号第一个正向过零点的离散数据个数n。

假设电流互感器电压信号采样电路40和电流互感器电流信号采样电路30的采样周期T，电压信号第一个正向过零点至电压信号第二个正向过零点的时间t为：

t＝M*T    (1)

电压信号第一个正向过零点至电流信号第一个正向过零点的时间差Δt为：

Δt＝n*T    (2)

正弦波第一个正向过零点至第二个正向过零点对应角度360度，电压、电流信号相位差θ为：

θ＝Δt/t×360＝n/M×360(度)(3)

根据电压U等于电流I乘以励磁阻抗Zm(即U＝I×Zm)，励磁阻抗Zm由电阻R与电抗X组成(即Zm＝R+jX)，电压u＝U(cosθ+jsinθ)可知

u＝I₁₀×Zm₁₀＝I₁₀×(R₁₀+jX₁₀)＝U₁₀(cosθ+jsinθ)

公式两边实部等于实部、虚部等于虚部，则10HZ频率下电阻R₁₀、电抗X₁₀、励磁阻抗Zm₁₀分别为：

R₁₀＝U₁₀cosθ/I₁₀；  (4)

X₁₀＝U₁₀sinθ/I₁₀    (5)

${\mathrm{Zm}}_{10}=\sqrt{R^2+X^2}---\left(6\right)$

步骤S5：微处理器20根据电流互感器电流信号采样电路30采样的电流I₁₀、电流互感器电压信号采样电路40采样的电压U₁、以及获取的采样电流与采样电压的角度获取50HZ频率下电压。下面详细说明。

由于50Hz频率下的电阻R₅₀与10Hz频率下的电阻R₁₀的关系为：R₁₀＝R₅₀，50Hz频率下的电抗X₅₀与10Hz频率下的电抗X₁₀的关系为：X₅₀＝5X₁₀。则，50Hz频率下的励磁阻抗Zm₅₀以及电压U₅₀分别为：

${\mathrm{Zm}}_{50}=\sqrt{{R_{10}}^2+{(5\×X_{10})}^2}---\left(7\right)$

$U_{50}=I_{50}\×{\mathrm{Zm}}_{50}=I_{10}\×\sqrt{{R_{10}}^2+{(5\×X_{10})}^2}---\left(8\right)$

由公式(4)和公式(5)，则公式(8)为：

$U_{50}=I_{10}\×\sqrt{{(U_{10}\cos \mathrm{\θ}/I_{10})}^2+{[5\×(U_{10}\sin \mathrm{\θ}/I_{10})]}^2}---\left(9\right)$

步骤S6：微处理器20判断是否存在剩余采样点，如果存在，继续下一步，如果不存在，转步骤8。

步骤S7：微处理器20控制10Hz低频源10对应升压至下一采样点，转步骤步骤2。

步骤S8，微处理器20根据获取的50Hz频率下的电压U₅₀绘制伏安特性曲线并与互感器的标准曲线进行比较，判断是否合格，结束。

由上可知，本发明高安匝数电流互感器伏安特性测量装置及测量方法中，微处理器20通过电流互感器电流信号采样电路30采样的电流并通过电流互感器电压信号采样电路40采样的电压，获取采样电压和采样电流之间的角度，进而获取50Hz频率下的电压U₅₀，微处理器20根据获取的50Hz频率下的电压U₅₀绘制伏安特性曲线并与互感器的标准曲线进行比较，判断是否合格。该方法提高了伏安特性的测量准确度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种高安匝数电流互感器伏安特性测量装置，包括10Hz低频源、功放、电流互感器电流信号采样电路、电流互感器电压信号采样电路和微处理器，所述10Hz低频源的输出端连接所述功放的输入端，所述功放的两个输出端分别连接所述电流互感器电流采样电路的第一输入端以及所述电流互感器电压信号采样电路的第一输入端，所述电流互感器电流采样电路的第二输入端连接到所述电流互感器电压信号采样电路的第二输入端，所述电流互感器一次绕组开路，二次绕组的两个输出端分别与所述电流互感器电压信号采样电路的第一输入端和第二输入端连接，所述电流互感器电流信号采样电路的两个输出端和所述电流互感器电压信号采样电路的两个输出端均与所述微处理器的输入端连接，所述微处理器的输出端连接10Hz低频源的输入端。

2.如权利要求1所述的高安匝数电流互感器伏安特性测量装置，其特征在于，所述低频源输出的电压在2kV以内的。

3.一种高安匝数电流互感器伏安特性测量方法，包括如下步骤：

微处理器依据互感器的伏安特性要求设定采样点；

所述微处理器控制10Hz低频源对应升压每个采样点；

对于每个采样点，所述微处理器从电流互感器电流信号采样电路获取采样电流，从电流互感器电压信号采样电路获取采样电压，并根据采样电流和采样电压获取采样电流与采样电压之间的角度，进而获取50Hz频率下的电压。

4.如权利要求3所述的高安匝数电流互感器伏安特性测量方法，其特征在于，还包括：

所述微处理器根据获取的50Hz频率下的电压绘制伏安特性曲线并与互感器的标准曲线进行比较，判断是否合格。

5.如权利要求3所述的高安匝数电流互感器伏安特性测量方法，其特征在于，所述微处理器采用时频转换技术获取采样电流与采样电压之间的角度。

6.如权利要求5所述的高安匝数电流互感器伏安特性测量方法，其特征在于，所述微处理器采用时频转换技术获取采样电流与采样电压之间的角度的步骤具体为：

所述微处理器分别控制电流互感器电压信号采样电路和电流互感器电流信号采样电路采集2个周期电压信号和电流信号从而得到电压信号离散序列、电流信号离散序列；

所述微处理器从电压信号离散序列里寻找电压信号第一个正向过零点和电压信号第二个正向过零点，获取电压信号第一个正向过零点在序列的位置以及电压信号第二个正向过零点在序列的位置；

所述微处理器从电流信号离散序列里寻找电流信号第一个正向过零点，获取电流信号第一个正向过零点在序列的位置；

微处理器获取电压信号第一个正向过零点至电压信号第二个正向过零点的离散数据个数以及电压信号第一个正向过零点至电流信号第一个正向过零点的离散数据个数；

微处理器根据离散数据个数获取采样电流与采样电压之间的角度。

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