CN109358232A - 一种测量高频电流互感器频率响应的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量高频电流互感器频率响应的方法，包括以下步骤：(1)选取的脉冲源；(2)将步骤(1)中的脉冲源作为高频电流互感器的输入，得到高频电流互感器的脉冲响应；(3)对步骤(2)中记录的高频电流互感器进行计算，得到高频电流互感器的频率响应；(4)确定步骤(3)中得到的频率响应中高频部分和低频部分相交的频率范围，进行相应处理，得到完整的高频电流互感器频率响应。本发明提出的复合时域法通过分别获取高频电流互感器在高频范围和低频范围的频率响应并结合起来，能够在几kHz到几百MHz的频率范围内确定高频电流互感器频率响应，同时解决了频域法和时域法分别在高频范围和低频范围准确度不够的缺陷。

Description

一种测量高频电流互感器频率响应的方法

技术领域

本实用发明涉及高频测量和电力设备绝缘状态诊断领域，具体涉及一种测量高频电流互感器频率响应的方法。

背景技术

高频电流互感器作为一种电流传感器，通常可以在几kHz到几十MHz的频率范围内，测量低至毫安级的电流。高频电流互感器广泛用于电力设备(例如电机、变压器、电缆等)的局部放电检测，它将局部放电产生的脉冲电流信号转换成电压信号，从而可以方便地进行测量。

高频电流互感器的频率响应代表其对不同频率电流信号的响应灵敏度，是反映高频电流互感器性能的基本参数之一。测量频率响应的方法可以分为频域法和时域法。频域法用一个正弦周期电流信号作为输入，同时测量高频电流互感器输出的电压信号，然后将电压输出信号比输入的电流信号，得到高频电流互感器在某一频率上的响应灵敏度。通过用不同频率的正弦周期电流信号作为输入，可以在相应的频率上获取高频电流互感器的响应灵敏度。频域法检测结果直观，但随着频率升高其测量精度会受到阻抗不匹配效应的影响，为了提高频域法在高频范围的测量精度，人们提出了一些校正技术，但是这些校正技术常常需要借助复杂精密的仪器(例如矢量网络分析仪)，增加了技术实施的难度。

时域法基于高频电流互感器的脉冲响应，用一个脉冲源作为输入，同时记录输入信号和高频电流互感器的输出信号，然后通过数值计算方法对记录信号进行处理得到高频电流互感器在一定频率范围内的响应。时域法可以快速地获取高频电流互感器的频率响应，由于时域法需要的脉冲响应，其通常在高频范围比较准确，而在低频范围准确度有限，记录时间长度受实验和数值处理的限制而不能太长，但是要获取频率响应的低频部分恰好需要记录较长时间的脉冲响应。

综上所述，频域法在低频范围的测量结果比较准确，而在高频范围的准确度下降，时域法通常在高频范围比较准确，而在低频范围准确度有限，分别使用两者进行高频电流互感器频率响应的测量均不能得到较高准确度的检测结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量高频电流互感器频率响应的方法，该方法为复合时域方法，通过选取合适的脉冲源，分别获取高频电流互感器在高频和低频范围的频率响应，然后将高频与低频部分结合起来，能够在几kHz到几百MHz的频率范围内确定高频电流互感器频率响应，且保证较高的准确度。

本发明的技术方案：一种测量高频电流互感器频率响应的方法，包括以下步骤：

(1)分别选取用于确定高频电流互感器在高频范围频率响应和在低频范围频率响应的脉冲源；用于获取高频响应的脉冲源应该包含较丰富的高频分量(例如3MHz到300MHz，脉冲频谱幅值衰减<40dB)，而用于获取低频响应的脉冲源应该包含较丰富的低频分量(例如从30kHz到3MHz，脉冲频谱幅值衰减<40dB)。脉冲源所包含的频率分量情况可以通过快速傅立叶变换查看。

(2)将步骤(1)中的脉冲源作为高频电流互感器的输入，同时记录高频电流互感器的输入信号Uin和输出信号Uout，得到高频电流互感器的脉冲响应；

(3)对步骤(2)中记录的高频电流互感器的输入信号Uin和输出信号Uout按照公式：进行计算，得到高频电流互感器的频率响应TF_CT，式中FFT代表快速傅里叶变换，Rin代表与脉冲源连接的负载阻抗，通常等于50Ω。基于“高频脉冲响应”计算得到的是频率响应的高频部分，基于“低频脉冲响应”计算得到的是频率响应的低频部分。

(4)确定步骤(3)中得到的高频电流互感器的频率响应TF_CT中高频部分和低频部分相交的频率范围，在相交的频率范围中，选取高频部分和低频部分数值上最接近的点，然后在该点所对应的频率将高频部分和低频部分结合，得到完整的高频电流互感器频率响应。

前述测量高频电流互感器频率响应的方法，所述步骤(1)中高频范围频率响应和低频范围频率响应的脉冲源所包含的分量情况通过快速傅立叶变换获得。

前述测量高频电流互感器频率响应的方法，所述步骤(2)中高频电流互感器的脉冲响应包括高频脉冲响应和低频脉冲响应，其中高频脉冲响应是用包含丰富高频分量的脉冲源作为输入得到的脉冲响应；低频脉冲响应是用包含丰富低频分量的脉冲源作为输入得到的脉冲响应。

测量的脉冲响应不可避免地包含各种背景噪声，使得计算得到的频率响应中也包含噪声，可以从实验和数值处理两个方面着手抑制噪声：(1)记录的脉冲响应越长(即该时域响应的时间长度越长)，最后得到的频率响应中噪声也就越大，所以为了尽可能降低噪声，应避免记录过长的脉冲响应，通常只要记录到高频电流互感器输出信号衰减基本完成。(2)对计算得到的频率响应中的噪声，可以通过对频率响应取中值平均来进一步抑制噪声。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：采用时域法通常只能获取高频电流互感器在高频范围的频率响应，本发明提出的复合时域法通过分别获取高频电流互感器在高频范围和低频范围的频率响应并结合起来，能够在几kHz到几百MHz的频率范围内确定高频电流互感器频率响应，同时解决了频域法和时域法分别在高频范围和低频范围准确度不够的缺陷。

附图说明

附图1是实验装置图；

附图2是高频范围频率响应脉冲源脉冲时域波形；

附图3是高频范围频率响应脉冲源脉冲频域谱图；

附图4是低频范围频率响应脉冲源脉冲时域波形；

附图5是低频范围频率响应脉冲源脉冲频域谱图；

附图6是高频电流互感器#1低频脉冲响应；

附图7是高频电流互感器#1高频脉冲响应；

附图8是高频电流互感器#1频率响应的低频部分；

附图9是高频电流互感器#1频率响应的高频部分；

附图10是低频部分与高频部分结合得到的高频电流互感器#1频率响应

附图11是高频电流互感器#2从8kHz到1GHz的频率响应；

附图12是高频电流互感器#1使用本发明方法与频域法的结果比较图；

附图13是高频电流互感器#2使用本发明方法与频域法的结果比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1

该方法所用的测量装置如图1所示。待测的高频电流互感器放在一个金属盒子里面。金属盒子的作用主要有两方面：

(1)构成高频电流互感器的输入部分，其中信号电缆内导体与一根金属棒连接，金属棒从上到下穿过盒子，也穿过高频电流互感器，作为互感器的原边绕组，即输入，信号电缆的外导体与金属盒子连接，金属盒子与金属棒彼此绝缘，没有连接。

(2)方便固定高频电流互感器的位置。只要具有这两个作用，该装置也可以是其它形状或结构，例如IEC61000-4-6标准中使用的装置。连接脉冲源和金属盒子的信号电缆需要足够长，以避免在电缆与金属盒子连接处产生的反射信号叠加到输入信号上，例如图1中这段电缆的长度为22.3m。连接金属盒子和测量仪器的电缆长度应该等于连接高频电流互感器输出与测量仪器的电缆长度，以尽可能减少输入信号和输出信号到达的时间差。使用的信号电缆特性阻抗都是50Ω，从而与脉冲源输出阻抗50Ω和测量仪器输入阻抗50Ω匹配。

采用本发明提出的复合时域方法，对市面上购买的高频电流互感器#1和#2分别进行了测量。以高频电流互感器#1为例，按以下步骤测量：

(1)分别选取用于确定高频电流互感器在高频范围频率响应和在低频范围频率响应的脉冲源，如图2和4所示。

图2的脉冲具有亚纳秒(<1ns)的上升沿，按照傅里叶变换得到图3的快速傅立叶分析结果，该结果显示该脉冲在几百MHz频率范围内包含丰富的频率分量，因此该信号为高频范围频率响应脉冲源。

图4的脉冲实际上是一个方波信号，具有13ns上升沿，按照傅里叶变换得到图5的快速傅立叶分析结果显示该脉冲在1MHz频率范围内包含丰富的频率分量，因此该信号为低频范围频率响应脉冲源。

(2)步骤(1)中选取的脉冲源作为输入，记录高频电流互感器#1的脉冲响应，得到高频电流互感器低频脉冲响应和高频脉冲响应，分别如图6和图7所示，其中实线为输入的脉冲，虚线为高频电流互感器#1的输出脉冲。

(3)对步骤(2)中获取的脉冲响应的输入和输出脉冲分别进行快速傅立叶变换，然后用输出脉冲的傅里叶变换比上输入脉冲的傅里叶变换得到高频电流互感器#1的频率响应，即代入公式：进行计算。其中，用图6的低频脉冲响应计算得到的是频率响应的低频部分，如图8。用图7的高频脉冲响应计算得到的是频率响应的高频部分，如图9。

(4)通过观察确定步骤(3)中得到频率响应的低频部分和高频部分相交的频率范围是1-10MHz，且两部分在频率5MHz时数值最接近，所以在5MHz把两部分结合起来得到高频电流互感器#1从20kHz到500MHz的频率响应，得到完整的高频电流互感器频率响应。

图9所示频率响应的高频部分其下限频率为1MHz，即通过高频脉冲响应不能获取高频电流互感器在<1MHz频率范围的响应，本发明通过专门测量低频脉冲响应并计算得到了从20kHz到10MHz的频率响应如图8所示，再在合适的频率点将所得频率响应的高频部分和低频部分结合，实现了在20kHz到500MHz的频率范围确定该高频电流互感器的频率响应。

如图8所示，从低频脉冲响应计算得到的频率响应低频部分(实线)从0.2MHz开始有明显的噪声，采用中值平均进行处理后，噪声得到抑制，如图8的虚线所示。

降噪处理是为了抑制频率响应低频部分中的噪声，例如图8中从0.2MHz开始，实线代表的频率响应中出现了大小不同毛刺，如果参考图12中的虚线，即频域法的测量结果，在相同频率范围内的响应是没有这些毛刺的，因此通过去噪处理去掉这些毛刺有助于提高准确度。

实施例2

采用与上述高频电流互感器#1的频率响应测量步骤相同，得到了高频电流互感器#2从8kHz到1GHz的频率响应如图11所示。

为了验证该方法确定高频电流互感器在低频范围频率响应的准确度，采用频域法在≤50MHz频率范围内测量了高频电流互感器#1和#2的频率响应，然后将结果与时域法的结果进行比较如图12和13所示，其中实线为时域法的测量结果，虚线为频域法的测量结果，可以看出两种方法的结果总体吻合较好，说明提出的复合时域方法在确定低频范围频率响应上达到了与频域法接近的测量精度。

Claims (3)

1.一种测量高频电流互感器频率响应的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别选取用于确定高频电流互感器在高频范围频率响应和在低频范围频率响应的脉冲源；

(2)将步骤(1)中的脉冲源作为高频电流互感器的输入，同时记录高频电流互感器的输入信号Uin和输出信号Uout，得到高频电流互感器的脉冲响应；

(3)对步骤(2)中记录的高频电流互感器的输入信号Uin和输出信号Uout按照公式：进行计算，得到高频电流互感器的频率响应TF_CT；

(4)确定步骤(3)中得到的高频电流互感器的频率响应TF_CT中高频部分和低频部分相交的频率范围，在相交的频率范围中，选取高频部分和低频部分相对误差<5％的点，然后在该点所对应的频率将高频部分和低频部分结合，得到完整的高频电流互感器频率响应。

2.根据权利要求1所述测量高频电流互感器频率响应的方法，其特征在于：所述步骤(1)中高频范围频率响应和低频范围频率响应的脉冲源所包含的分量情况通过快速傅立叶变换获得。

3.根据权利要求1所述测量高频电流互感器频率响应的方法，其特征在于：所述步骤(2)中高频电流互感器的脉冲响应包括高频脉冲响应和低频脉冲响应，其中高频脉冲响应是用包含从3MHz-300MHz，脉冲频谱幅值衰减<40dB的高频分量脉冲源作为输入得到的脉冲响应；低频脉冲响应是用包含30kHz-3MHz，

脉冲频谱幅值衰减<40dB的低频分量脉冲源作为输入得到的脉冲响应。