CN104345203A - 气隙变压器的通带的校正 - Google Patents

Abstract

一种用于具有截止频率的气隙变压器的通带的校正设备，其特征在于它包括适于串联连接到变压器的滤波器，并且在于滤波器适于对于低于变压器的截止频率的频率放大它从变压器接收到的信号，以便增加安装有校正设备的变压器的通带，并且具有低于变压器的截止频率的截止频率。

Description

气隙变压器的通带的校正

技术领域

此发明大体上涉及电气变压器，并且具体地涉及气隙变压器，如同尤其是用于在电气装置中进行电流测量的那些。

背景技术

如果考虑安装有断路器的电线，则当断路器被闭合时，瞬时电流被重叠在标称电流上。与标称电流相比，此瞬时电流具有相对高的强度。

设计安装在此电线上的测量变压器时必须考虑瞬时电流。

变压器具有铁芯，并且它的一个特征是在给定的电流通过它时开始，它变得饱和。因此，变压器必须被设计为对于预期的瞬时电流避免饱和。

Rogowski线圈是用于测量交变电流的无铁芯设备。避免了饱和现象，但是Rogowski线圈对电磁干扰敏感，并且此类型的设备在实践中不用在中高压装置中。

在实践中，测量变压器是没有气隙或具有最小气隙的变压器。气隙的存在将饱和推到更高的电平。换言之，在气隙变压器中饱和发生所在的电流高于在具有相同尺寸但是没有气隙的变压器中饱和发生所在的电流。

然而，气隙变压器执行可以通过一阶高通滤波器传递函数建模(model)的传递函数。如图1中所示，传递函数在截止频率f₀以下是上升直线，然后在截止频率以上具有恒定增益。截止频率随着气隙增加而增加。

因而，低于截止频率的频率被减弱，并且它们的相位被移位。换言之，此高通或微分滤波器消除信号的DC分量。此滤波是以减小饱和现象以及进而导致的给定性能的变压器的尺寸为目的的气隙的存在的不需要的结果。因此，必须在性能、设计、饱和以及滤波之间寻找折衷。实践中以精确的需要防止使用相当大的气隙。

发明内容

本发明的目标是通过提供具有截止频率的气隙变压器的通带的校正的设备来解决根据现有技术的问题，所述设备的特征在于它包括适于串联连接到变压器的滤波器，并且在于滤波器适于对于低于变压器的截止频率的频率放大它从变压器接收到的信号，以便增加安装有校正设备的变压器的通带，并且具有低于变压器的截止频率的截止频率。

因而安装有校正设备的气隙变压器的通带类似于没有气隙或具有更小气隙的变压器的通带。使用本发明，可以设计减小或消除其低频滤波问题的气隙变压器，这简化了在性能、设计和饱和之间寻找折衷的问题。

例如，对于给定的性能，可以设计出更小、重量更轻、更便宜的变压器，其具有在瞬时电流的存在下不饱和的良好能力。

应该注意到根据本发明的安装有校正设备的气隙变压器与Rogowski线圈相比，对电磁干扰更不敏感。

校正设备可以用在气隙变压器中，或者用在保护继电器中，或者用在数字处理系统中。

校正设备在维持气隙的益处的同时充当气隙减小器。

根据一个优选特征，滤波器是截止频率等于变压器截止频率的一阶滤波器。

根据另一优选特征，滤波器是具有低于变压器的截止频率的截止频率的具有大于或等于二的阶数的滤波器，适于对低于滤波器的截止频率的频率充当微分滤波器，对在滤波器的截止频率与变压器的截止频率之间的频率充当积分滤波器，并且对于高于变压器的截止频率的频率具有恒定增益。

根据一个优选实施例，校正设备被模拟地实施。

根据替换优选特征，校正设备被数字地实施。

本发明还涉及具有如同上述的设备的气隙变压器。

本发明还涉及安装有如同上述的并且适于连接至气隙变压器的输出侧的保护继电器。

本发明还涉及用于具有截止频率的气隙变压器的通带的校正的方法，其特征在于它包括步骤：

-测量在来自气隙变压器的输出处的电流信号的值，

-对测量到的值应用滤波来对低于变压器截止频率的频率放大电流信号，以便安装有校正设备的变压器的通带被扩大，并且具有低于变压器的截止频率的截止频率。

气隙变压器、保护继电器和方法具有与上述那些类似的优点。

在一个特定的实施例中，根据本发明的方法中的步骤通过计算机程序指令来执行。

因此，本发明还涉及信息介质上的计算机程序，此程序可能用在计算机中，此程序包括适于执行如同上述的方法中的步骤的指令。

此程序可以用任何编程语言来写，并且可以是源代码的形式、目标代码的形式或介于源代码和目标代码之间的代码的形式(诸如部分编译的形式)，或者任何其它期望的形式。

本发明还涉及可以通过计算机读取并且包含适于如同上述的方法中的步骤的应用的计算机程序指令的信息介质。

信息介质可以是能够存储程序的任何实体或设备。例如，介质可以包括诸如ROM的存储部件，例如CD ROM或微电子电路ROM；或包括磁记录部件，例如磁带或硬盘。

此外，信息介质可以是可发送载体，诸如电或光信号，并且它可以通过电缆或光缆，或通过无线电或通过其它手段来路由。特别是，根据本发明的程序可以从互联网型的网络下载。

替换地，信息载体可以是程序包括在其中的集成电路，该电路适于运行根据本发明的方法或用在根据本发明的方法的运行中。

附图说明

在阅读作为参照附图公开的非限制性示例而给出的优选实施例之后，其它特征和优点将变得清楚，附图中：

-图1示出气隙变压器的传递函数，

-图2a示出本发明的示例实施例，

-图2b示出本发明的另一示例实施例，

-图3示出对在其上安装有根据本发明的校正设备的气隙变压器建模的电路，

-图4a示出没有校正设备的气隙变压器的波德(Bode)图，

-图4b示出校正设备的波德图，

-图4c示出具有校正设备的气隙变压器的波德图，

-图5示出具有和没有校正设备的气隙变压器的时间响应，

-图6示出根据本发明的设备的实施例，并且

-图7示出根据本发明的用于气隙变压器的通带校正方法的实施例。

具体实施方式

图1已经在前文中评论过，将不再评论。

根据参照图2a描述的本发明的一个示例实施例，电线1的一段受到包括保护继电器2和3以及监视和外部控制器件4的保护系统保护。

保护继电器2和3通过变压器18连接至线1以便获取关于线的状态的模拟信息。

变压器18的次级电路连接至作为气隙变压器的变压器20和30的初级电路。变压器20的次级电路输出电流信息到保护继电器2，更精确地是到继电器2中包括的控制电路16。类似地，变压器30的次级电路输出电流信息到保护继电器3，更精确地是到继电器3中包括的控制电路14。因而，通过变压器18、20和30，在两步中进行关于线1的电流获取。变压器20和30均安装有根据本发明的设备。

保护继电器3用于修改保护继电器2的操作。为了实现这点，来自保护继电器3的输出9与到状态获取设备100的输入连接，状态获取设备100集成在保护继电器2中或与其关联。

通过为保护系统提供安全电源的电池8，对保护系统供电。

到保护继电器3的控制电路14的输入通过变压器30接收关于线1的状态的信息。来自控制电路14的输出连接至接触器10。通过电路14控制接触器10，使得当接触器10闭合时通过电池8对保护继电器2的状态获取设备100供电。

保护继电器2使用如此通过继电器3发送的信息以及从它自己的控制电路16输出的数据来确定要采取的行为。来自控制电路16的输出连接至接触器12，接触器12的输出5自身连接至解扣电路6。

解扣电路6控制与要被保护的线1串联连接的断路器7的操作，以控制电流。

外部监视和控制器件4是来自未示出的外部器件的接触器。

图2b示出本发明的另一示例实施例。如在图2a中，电线1的一段受到包括保护继电器2和3以及外部监视和控制器件4的保护系统保护。在图2b和2a中，相同的参考标号被分配给相似的元件。下面将仅仅描述与图2a的差异。

保护继电器2和3通过变压器18连接至线1以便获取关于线的状态的模拟信息。在此示例中，变压器18是测量线1中的电流的气隙变压器。变压器18包含根据本发明的设备。

变压器18的次级电路连接至到控制电路40的输入。来自控制电路40的输出连接至保护继电器2和3的每个。不同于图2a，保护继电器2和3不包含任何变压器。

参照图3，拥有根据本发明的通带校正系统的气隙变压器通过等效电路来建模。

为了对变压器建模，电路本质上包括电流源100、电感器101和电阻器102。电流源100表示具有1:1的变压比的理想电流变压器。电感器101对如通过变压器的次级看到的磁化电感建模。电阻器102表示变压器的次级绕组的内电阻。

更精确地，从接地端开始，电路包括连接至电流源100的一端的电阻器104。电流源100的另一端连接至电感器101的一端和电阻器102的一端。电阻器104用来测量注入到变压器中的电流。

电感器101的另一端接地，并且电阻器102的另一端连接至测量电阻器103的一端。电阻器103的另一端接地。

最后，电容器105与测量电阻器103并联连接。电容器105限制由于任何EMC干扰导致的高频。

通带校正设备通过一阶滤波器来建模。从到电阻器102和103的公共端开始，校正滤波器包括电阻器201，电阻器201的另一端连接至两个并联支路。第一支路包括与电容器203串联的电阻器202。第二支路包括与电容器205串联连接的电阻器204，电容器205自身与电阻器206串联连接。运算放大器207与电阻器206并联连接。运算放大器207的反相输入连接在电容器205和电阻器206之间，并且它的非反相输入接地。来自运算放大器207的输出连接至电阻器206和电容器203的公共端。最后，此公共端连接至电阻器208的一端，电阻器208的另一端接地。

作为变体，校正设备既不包括电阻器204和206也不包括电容器205。在这种情况中，它仅包括电阻器201和202、电容器203和放大器207。

变压器的等效电路的时间常数是L/R，其中L是电感器101的电感，并且R是总电阻，即电阻器102和103的电阻的和。

设计校正设备使得它的时间常数等于变压器的时间常数。校正设备的时间常数通过乘积R_cC_c给定，其中R_c是电阻器201和电阻器202的电阻，并且C_c是电容器203的电容。换言之，校正滤波器的截止频率等于气隙变压器的截止频率。

选择R_c和C_c的值使得R_cC_c＝L/R。应该注意到可以容易地测量L/R量，因为气隙变压器的截止频率等于1/(2.π.L/R)。

图4a示出用于没有校正设备的气隙变压器的波德图。

在所示的示例中，增益曲线(左标度)向上增加至等于大约100Hz的截止频率，然后近似恒定。相位曲线(右标度)显示在5Hz以下存在大约90度的相移，然后在1kHz以上相移减小并且变为0。

图4b示出用于校正设备的波德图。

在所示的示例中，增益曲线(左标度)向上增加至大约100mHz的截止频率，然后减小至大约100kHz并且在此值以上最终恒定。因而校正设备在气隙变压器的截止频率以下的频带中充当放大器。

相位曲线(右标度)示出在10mHz以下大约90度的相移的存在，然后上至大约1Hz相移快速减小，并且上至大约1kHz相移增大，并且最终在1kHz以上变为零相移。

图4c示出安装有校正设备的气隙变压器的波德图。

在所示的示例中，增益曲线(左标度)向上增加至等于大约100mHz的截止频率，然后具有小峰值并且上至大约10kHz最终变为近似恒定，并且最终在10kHz以上减小。可以看出，安装有校正设备的气隙变压器的截止频率低于没有校正设备的气隙变压器的截止频率。

相位曲线(右标度)示出在10mHz以下存在大约180度的相移，然后相移快速减小，在1Hz以上变为0，然后在1kHz以上再次减小。

因而，安装有校正设备的气隙变压器在所示的示例中的从0.2Hz到10kHz变化的频率范围之内具有恒定增益，并且在所示的示例的从1Hz到1kHz变化的频率范围中具有零相移。变压器的通带已经增加为变得类似于具有小气隙的变压器的通带。变压器的相移已经被校正。

图5示出具有和不具有校正设备的气隙变压器的时间响应。

虚线的曲线示出在电阻器103的两端处测量的电压，换言之在变压器输出处测量的电压。此电压与变压器输出电流成比例。实线曲线示出在电感器101的两端处的、至变压器的输入电压。

当(在100ms处)施加电源时，输出电流具有瞬时状态，其间信号的幅度尚未达到它的标称值。相似地，当(在200ms处)电压在变压器输入处变为0时，输出电流在变为0之前具有瞬时状态。

变压器输出电流的相位从输入电压的相位被移位。

在电阻器208的两端测量到的、校正设备的输出电压被重叠在输入电压上。由于校正，不再存在任何瞬时状态或相移。

根据一个优选实施例，还尝试不放大信号的低频部分，从而不产生任何不稳定性。

在这种情况中，校正滤波器是二阶滤波器。它包括微分器，换言之，作用在低频上的高通滤波器。更精确地，因为校正滤波器本质上是积分滤波器，换言之，低通滤波器，所以提供两个微分器，一个用来补偿积分器而另一个用来有效地获得微分器。

在低频处的双微分器和在中频处的积分器之间的截止角频率ω₀低于等于(L/R)^-1的气隙变压器的截止角频率。

在拉普拉斯范围中，校正滤波器的传递函数然后可以被写为：

$H\left(s\right)=\frac{1}{\frac{L}{R}\·{{\mathrm{\ω}}_0}^2}\·\frac{(1+\frac{L}{R}.s).s}{1+\frac{1}{Q}\·\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}$

在此公式中，拉普拉斯算子被表示为s，并且Q是品质因素。

在低频处，换言之对于低于校正滤波器的截止角频率ω₀的角频率，传递函数近似等于：

$\left(s\right)=\frac{1}{\frac{L}{R}\·{{\mathrm{\ω}}_0}^2}\·\frac{(1+0).s}{1+\frac{1}{Q}\·\left(0\right)+{\left(0\right)}^2}\≈\mathrm{\α}.s$

这是具有正梯度的一阶高通滤波器的传递函数。

校正滤波器的截止角频率ω₀与气隙变压器的截止角频率(2.π.L/R)^-1之间的传递函数近似等于：

$\left(s\right)=\frac{1}{\frac{L}{R}\·{{\mathrm{\ω}}_0}^2}\·\frac{(1+0).s}{{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}\frac{\mathrm{\α}}{s}$

这是具有负梯度的一阶高通滤波器的传递函数。

在气隙变压器的截止角频率(L/R)^-1以上的传递函数近似等于：

$H\left(s\right)=\frac{1}{\frac{L}{R}\·{{\mathrm{\ω}}_0}^2}\·\frac{(\frac{L}{R}.s).s}{{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}\≈1$

因此这是恒定响应(constant response)。校正滤波器然后具有恒定增益。

作为变体，通过将1阶和2阶滤波器级联，校正滤波器可以高于2阶。

所描述的校正滤波器是模拟滤波器。从在拉普拉斯域中表示的它的传递函数H(s)开始，可以通过使用Z变换来确定相应的数字滤波器H(z)。

按惯例，从模拟传递函数到它的数字近似的改变使用欧拉变换s＝(1-z^-1)/T，或者双线性变换来进行，其中T是采样周期。

然后推导出以下形式的无限脉冲响应滤波器：

$y_n=\frac{1}{b_0}\·(a_0\·x_n+a_{1.}\·x_{n-1}+a_{2.}{x}_{n-2}-b_1\·y_{n-1}-b_2\·y_{n-2})$

数字校正滤波器通过专用集成电路或通过可编程处理器来应用，或者作为存储在计算机存储器中的计算机程序的形式来应用。

因而，图6示出根据本发明的设备的特定实施例。

设备10具有与计算机相同的一般结构。具体地，它包括运行应用根据本发明的方法的计算机程序的处理器1000、存储器1001、输入接口1002和输出接口1003。

这些不同的元件按惯例通过总线连接。

输入接口1002将接收在气隙变压器的输出处测量到的电流值。

处理器1000运行前述处理。此处理以在通过处理器1000运行之前存储在存储器1001中的计算机程序代码的指令的形式来进行。

存储器1001也可以存储完成的处理的结果。

输出接口1003连接至保护继电器。

参照图7，上述设备使用的根据本发明的用于气隙变压器的通带校正方法包括步骤E1至E3。

步骤E1是测量在气隙变压器的输出处的电流信号的值。

接下来的步骤E2是对关于低于变压器的截止频率的频率放大电流信号的测量值进行滤波。结果是一组经滤波的值。

接下来的步骤E3是将经滤波的值提供给保护继电器。

Claims (10)

1.一种用于具有截止频率的气隙变压器的通带的校正设备，其特征在于它包括适于串联连接到所述变压器的滤波器，并且特征在于该滤波器适于对低于所述变压器的截止频率的频率放大它从变压器接收到的信号，以便增加安装有校正设备的变压器的通带，并且具有低于变压器的所述截止频率的截止频率。

2.根据权利要求1的校正设备，其特征在于所述滤波器是一阶滤波器，其截止频率等于变压器截止频率。

3.根据权利要求1的校正设备，其特征在于所述滤波器是具有低于变压器的所述截止频率的截止频率的、具有大于或等于二的阶数的滤波器，适于对低于滤波器的截止频率的频率充当微分滤波器，对在滤波器的截止频率与变压器的截止频率之间的频率充当积分滤波器，并且对于高于变压器的截止频率的频率具有恒定增益。

4.根据权利要求1至3的任何一个的校正设备，其特征在于它被模拟地实施。

5.根据权利要求1至3的任何一个的校正设备，其特征在于它被数字地实施。

6.一种安装有根据权利要求1至5的任何一个的校正设备的气隙变压器。

7.一种安装有根据权利要求1至5的任何一个的校正设备并且适于连接至气隙变压器的输出侧的保护继电器。

8.一种用于具有截止频率的气隙变压器的通带的校正的方法，其特征在于它包括步骤：

-测量(E1)在来自气隙变压器的输出处的电流信号的值，

-对测量到的值应用(E2)滤波，其中测量到的值对低于变压器截止频率的频率放大电流信号，以便安装有校正设备的变压器的通带被扩大，并且具有低于变压器的所述截止频率的截止频率。

9.一种计算机程序，其包括当所述程序通过计算机运行时应用根据权利要求8的方法中的步骤的指令。

10.一种在其上存储计算机程序的、可以通过计算机读取的记录介质，该计算机程序包括用于运行根据权利要求8的方法中的步骤的指令。