CN108872747B - 基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置及其方法，属于电气设备测试技术领域。包括正切函数电路、第一乘法器、第二乘法器、第一积分器、第二积分器、第一除法器、第二除法器；正切函数电路的输出端分别与第一乘法器的输入端、第二乘法器的输入端、第二除法器的输入端连接；第一乘法器的输出端与第一积分器的输入端连接；第一积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；第二乘法器的输出端与第二积分器的输入端连接；第二积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；第一除法器的输出端与第二除法器的输入端连接。本发明具有降低电涌保护器自身的非线性特性干扰，可避免电网电压谐波的干扰，提高在线监测的准确性等优点。

Description

基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置及其方法
技术领域
本发明涉及基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置及其方法，属于电气设备测试技术领域。
背景技术
电涌保护器广泛应用于电力系统和通信系统的雷电过电压和操作过电压防护。由于长期受工作电压、瞬时雷电冲击、过电压和环境温湿度的影响，电涌保护器的核心ZnO压敏电阻的电气参数会发生老化，偏离起始性能指标。不但不具有保护作用，还影响电力和通信系统设备的正常运行。若不及时更换，被保护系统的安全运行将受到严重威胁。实时监控电涌保护器的性能状态对电力和通信系统的安全稳定运行具有重要意义。一般通过漏电流测试仪检测电涌保护器的漏电流大小来判断其老化程度，但由于“拐点效应”即漏电流显著变化时却已严重老化，常常造成更换滞后。研究表明泄漏电流中的阻性分量大小更能准确及时反映电涌保护器的老化状态。从漏电流中准确提取阻性分量是电涌保护器在线监测和老化预警的关键。
电网电压的谐波干扰以及电涌保护器自身的非线性特性是影响阻性电流提取结果的几个因素。中国发明专利CN102621371A公开了一种基于容性电流补偿法测量MOA阻性电流的电路。将电压移相90度后通过一个增益为G1且可调的放大器后，得到与容性电流同相的电压信号G1usf，利用容性与阻性电流的正交关系，得到G1的值，总泄漏电流减去G1usf即可得到阻性电流。但是并未考虑到与容性电流同相的电压信号G1usf中含有电压谐波，会造成阻性电流提取误差。中国发明专利CN101986164A公开了一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，通过求解出电涌保护器的等效电容C值，从总泄漏电流中减去容性电流部分得到阻性电流。但是该方法求解的等效电容C值与电涌保护器的非线性特性无关，无法避免电涌保护器的非线性干扰。中国实用新型专利CN204666706U公开了一种阻性电流提取装置，在不需要测量电压信号的情况下，就能从泄漏电流中提取阻性电流。该方法在提取漏电流中较大的阻性分量时，效果较好，但对于微弱阻性分量的提取误差较大。
发明内容
本发明针对上述背景技术的不足问题，提出了基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置及其方法。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置，包括正切函数电路、第一乘法器、第二乘法器、第一积分器、第二积分器、第一除法器、第二除法器；所述正切函数电路的输出端分别与第一乘法器的输入端、第二乘法器的输入端、第二除法器的输入端连接；所述第一乘法器的输出端与第一积分器的输入端连接；所述第一积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；所述第二乘法器的输出端与第二积分器的输入端连接；所述第二积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；所述第一除法器的输出端与第二除法器的输入端连接。
所述基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置的进一步设计在于，所述正切函数电路的输入端输入为电网电压信号。
所述基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置的进一步设计在于，所述第一乘法器的输入端输入为总泄漏电流信号。
所述基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置的进一步设计在于，所述第二除法器的输出端输出为阻性电流信号。
所述基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置的阻性电流提取方法，包括如下步骤：
(a)电网电压信号进入正切函数电路，输出四路信号；
(b)第一乘法器的输出端与第一积分器的输入端连接，正切函数电路的输出端输出的第一路输出信号与总泄漏电流信号进入第一乘法器的输入端后，第一积分器的输出端输出信号；
(c)第二乘法器的输出端与第二积分器的输入端连接，正切函数电路的输出端输出的第二、第三路输出信号进入第二乘法器的输入端后，第二积分器的输出端输出信号；
(d)第一积分器的输出端与第二积分器的输出端的两路输出信号进入第一除法器的输入端；
(e)第一除法器的输出端的输出信号与正切函数电路的第四路输出信号进入第二除法器的输入端后，第二除法器的输出端输出阻性电流信号。
本发明的特点和技术效果：
本发明提出的基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置及其方法，通过计算电涌保护器的相关系数k来得到阻性电流，有效降低电涌保护器自身的非线性特性干扰，且k值的计算并未假定电网电压u(t)为任何波形，只要采集到电网电压u(t)和总泄露电流it(t)即可求得相关系数k值，不会受到电网电压的谐波影响。
附图说明
图1为本发明基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置的结构示意图。
图2为本发明电涌保护器等效电路模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置，包括包括正切函数电路、第一乘法器、第二乘法器、第一积分器、第二积分器、第一除法器、第二除法器；正切函数电路的输出端分别与第一乘法器的输入端、第二乘法器的输入端、第二除法器的输入端连接；第一乘法器的输出端与第一积分器的输入端连接；第一积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；第二乘法器的输出端与第二积分器的输入端连接；第二积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；第一除法器的输出端与第二除法器的输入端连接。
正切函数电路的输入端输入为电网电压信号。第一乘法器的输入端输入为总泄漏电流信号。第二除法器的输出端输出为阻性电流信号。
基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置的阻性电流提取方法，包括如下步骤：
(a)电网电压信号进入正切函数电路，输出四路信号；
(b)第一乘法器的输出端与第一积分器的输入端连接，正切函数电路的输出端输出的第一路输出信号与总泄漏电流信号进入第一乘法器的输入端后，第一积分器的输出端输出信号；
(c)第二乘法器的输出端与第二积分器的输入端连接，正切函数电路的输出端输出的第二、第三路输出信号进入第二乘法器的输入端后，第二积分器的输出端输出信号；
(d)第一积分器的输出端与第二积分器的输出端的两路输出信号进入第一除法器的输入端；
(e)第一除法器的输出端的输出信号与正切函数电路的第四路输出信号进入第二除法器的输入端后，第二除法器的输出端输出阻性电流信号。
如图2所示，电涌保护器正常运行时流过内部的工频电流非常小，处于小电流区。它是由一个非线性电阻R和一个晶介电容C并联组成。流过非线性电阻和晶介电容的电流分别为阻性电流ir和容性电流ic，整个电涌保护器的总泄漏电流为两者之和it。u为电涌保护器两端的电压。
根据电路基本原理，等效电路模型中的电流关系如式(1)：
Figure BDA0001709941220000041
其中，阻性电流ir是关于电压u的函数，容性电流ic是通过电压u微分得到，总泄漏电流it为两者之和。在电压信号的一个周期T上，ir与ic乘积的积分如式(2)：
Figure BDA0001709941220000042
把(1)式带入(2)式，可得：
Figure BDA0001709941220000043
在一个周期上，由于u(T)＝u(0)，可得：
A＝0 (4)
故阻性电流ir和容性电流ic呈正交关系。
根据图2所示电涌保护器等效电路模型图，阻性电流ir(t)不仅是与电网电压相关，还与电涌保护器自身的非线性特征相关。目前，计算阻性电流ir(t)的常用公式如式(5)：
Figure BDA0001709941220000044
总泄漏电流it(t)与阻性电流ir(t)在一个周期T内的积分为M，如式(6)：
Figure BDA0001709941220000051
将式(1)代入式(6)，可得：
Figure BDA0001709941220000052
根据所证明的阻性电流与容性电流呈正交关系，可得到式(8)：
Figure BDA0001709941220000053
将式(5)代入式(8),可得式(9)：
Figure BDA0001709941220000054
化简得到计算相关系数k的表达式，如式(10)：
Figure BDA0001709941220000055
电压u(t)和总泄漏电流it(t)在实际中容易测量得到，代入式(10)可求得k值。将k值代入式(5)可得到阻性电流。(10)式中的电压u(t)和总泄漏电流it(t)可通过示波器并结合取样电阻计算得到。示波器采样波形并进行数字化，然后利用Matlab软件计算得到。
本发明通过计算电涌保护器的相关系数k来得到阻性电流，有效降低电涌保护器自身的非线性特性干扰，且k值的计算并未假定电网电压u(t)为任何波形，只要采集到电网电压u(t)和总泄露电流it(t)即可求得相关系数k值，不会受到电网电压的谐波影响。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置，其特征在于：包括正切函数电路、第一乘法器、第二乘法器、第一积分器、第二积分器、第一除法器、第二除法器；所述正切函数电路的输出端分别与第一乘法器的输入端、第二乘法器的输入端、第二除法器的输入端连接；所述第一乘法器的输出端与第一积分器的输入端连接；所述第一积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；所述第二乘法器的输出端与第二积分器的输入端连接；所述第二积分器的输出端与第一除法器的输入端连接；所述第一除法器的输出端与第二除法器的输入端连接；所述正切函数电路的输入端输入为电网电压信号；所述第一乘法器的输入端输入为总泄漏电流信号；所述第二除法器的输出端输出为阻性电流信号。
2.基于权利要求1 所述基于相关系数的电涌保护器阻性电流提取装置的阻性电流提取方法，包括如下步骤：
（a）电网电压信号进入正切函数电路，输出四路信号；
（b）第一乘法器的输出端与第一积分器的输入端连接，正切函数电路的输出端输出的第一路输出信号与总泄漏电流信号进入第一乘法器的输入端后，第一积分器的输出端输出信号；
（c）第二乘法器的输出端与第二积分器的输入端连接，正切函数电路的输出端输出的第二、第三路输出信号进入第二乘法器的输入端后，第二积分器的输出端输出信号；
（d）第一积分器的输出端与第二积分器的输出端的两路输出信号进入第一除法器的输入端；
（e）第一除法器的输出端的输出信号与正切函数电路的第四路输出信号进入第二除法器的输入端后，第二除法器的输出端输出阻性电流信号。
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