CN109782062A - 一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，首先分别获取罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容的决定因素，依据各决定因素分别计算罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容，然后定量分析罗氏线圈的内阻、自感、杂散电容等固有参数对电子式互感器谐波传变特性的影响，为工艺改进提供技术支持，根据相应的高次谐波条件下输出特性分别对内阻、线圈自感和线圈杂散电容进行工艺优化。通过工艺改进优化罗氏线圈的固有参数，能够提高频率变化时电子式电流互感器的计量准确性和可靠性，解决了现有技术中罗氏线圈固有参数在频率变化时对电流互感器计量准确度的影响问题，提高了电流互感器在智能变电站中的运行可靠性。

Description

一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法

技术领域

本发明涉及一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法。

背景技术

罗氏线圈型电子式电流互感器以测量线性度好、动态范围大、不存在磁饱和等特点，适应智能变电站的数字化应用需求而得到广泛的应用。国内外学者针对罗氏线圈电流互感器传感原理及结构设计、分布参数影响及分组建模计算方法、积分方式、合并单元的设计与性能改善都进行了深入的研究，推动了其实用化进程。这些研究从测量原理和结构设计的角度表明罗氏线圈电流互感器具有良好的稳态和动态测量性能，但没有从实际电能计量应用的角度定量分析其传变特性存在的问题，对其应用于电力系统谐波和暂态测量的实际情况缺乏研究。

罗氏线圈主要由一个在非铁磁性骨架(截面通常为矩形，均匀)上均匀密绕的环形线圈组成，在高次谐波测量条件下，绕制线圈的内阻、自感、杂散电容等固有参数以及外积分电路的结构参数均对电子式电流互感器的输出准确度产生一定影响，从而影响了电力系统的计量准确性和可靠性。

因此，如何分析罗氏线圈的内阻、自感、杂散电容等固有参数对电子式互感器传变特性的影响以提高互感器谐波计量准确度是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，用以分析罗氏线圈的内阻、自感、杂散电容等固有参数对电子式互感器传变特性的影响。

为实现上述目的，本发明的方案包括以下技术方案：

方案一：本方案提供一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，包括以下步骤：

(1)分别获取罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容的决定因素，并分别计算罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容；

(2)根据相应的高次谐波条件下输出特性分别对罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容进行工艺优化；其中，减小罗氏线圈内阻以提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，罗氏线圈的线圈内阻的影响因素包括线圈骨架尺寸、绕线匝数、绕线电阻率和绕线直径；减小罗氏线圈的线圈自感以提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，罗氏线圈的线圈自感的影响因素包括骨架尺寸、绕线匝数、形成线圈的多匝导线的自感以及线圈输出引出线的自感；减小罗氏线圈的线圈杂散电容以提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，罗氏线圈的线圈杂散电容的影响因素包括绕线密度与绕制层数、线圈屏蔽接地方式、骨架尺寸及其绕线均匀性。

首先分别获取罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容的决定因素，这些因素决定着对应决定着线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容的具体数值，并分别计算罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容，然后定量分析罗氏线圈的内阻、自感、杂散电容等固有参数对电子式互感器谐波传变特性的影响，为工艺改进提供技术支持，根据相应的高次谐波条件下输出特性分别对罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容进行工艺优化。通过工艺改进优化罗氏线圈的固有参数，能够提高频率变化时电子式电流互感器的计量准确性和可靠性，解决了现有技术中罗氏线圈的内阻、自感、杂散电容等固有参数在频率变化时对电子式电流互感器计量准确度的影响问题，提高了电子式电流互感器在智能变电站中的运行可靠性。并且，优化了电子式互感器的谐波传变特性，有效提升了电子式电流互感器的谐波计量可靠性，促进了电子式互感器的性能提升以及在智能变电站数字化计量体系的推广应用，具有显著的社会效益和经济效益。

方案二：在方案一的基础上，罗氏线圈的信号输出线路上设置有外积分电路，所述外积分电路采用带惯性环节的有源积分器模型，增大积分电容和惯性环节电阻以提高外积分电路的频率响应范围以及减小积分的非线性误差，并结合罗氏线圈固有参数下的微分特性，匹配外积分电路中的积分时间常数。

外积分电路能够对一次罗氏线圈传变的模拟小电压信号进行准确积分运算，在50～1000Hz的频率范围内准确还原出与一次电流成线性关系的微分信号，在该频率变化范围内准确检测一次电流中的谐波分量，适应新一代智能变电站对互感器谐波功率计量及继电保护的更高要求，保证电子式互感器在谐波条件下的计量准确度和可靠性。因此，在上述对罗氏线圈的固有参数进行工艺改进优化的基础上，优化调整外积分电路的积分结构参数，进一步提高频率变化时电子式电流互感器的计量准确性和可靠性。

方案三：在方案一的基础上，罗氏线圈感应电动势e(t)的计算公式为：

在罗氏线圈感应电动势e(t)一定的情况下，罗氏线圈的缠绕匝数N的计算公式为：

罗氏线圈的线圈内阻R₀的计算公式为：

罗氏线圈的线圈内感L₀的计算公式为：

L₀＝M·N

罗氏线圈的线圈杂散电容C₀的计算公式为：

其中，i为一次导体流过的瞬时电流；μ₀为真空磁导率，4π×10^-7H/m；N为线圈总匝数，M为互感系数，a为线圈骨架的内径，b为线圈骨架的外径，c为线圈骨架矩形截面的高度，λ为线圈单根绕线的直径与绕线层数的乘积，ρ为绕线电阻率，Ф为线圈单根绕线的直径，ε₀为真空介电常数，ε_r为绕线绝缘材料的相对介电常数。

方案四：在方案二的基础上，所述外积分电路包括一个运算放大器，所述运算放大器的输出端与所述反相输入端之间连接惯性环节电阻，所述惯性环节电阻与积分电容并联连接。

方案五：在方案四的基础上，所述外积分电路的工作频带BW计算公式如下：

其中，f _L为下限频率，f _H为上限频率，R₁为外积分电路中惯性环节电阻，C₁为外积分电路中积分电容，R₀为罗氏线圈的线圈内阻，R_L为罗氏线圈的负载电阻，L₀为罗氏线圈的线圈内感，C₀为罗氏线圈的线圈杂散电容。

附图说明

图1是罗氏线圈型电子式电流互感器的原理示意图；

图2是罗氏线圈结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本实施例提供一种罗氏线圈型电子式电流互感器，该电流互感器适用于高次谐波测量。图1为本发明实施例提供的一种适用于高次谐波测量的罗氏线圈型电子式电流互感器结构原理框图，用于准确、可靠计量电网中的一次电流及其谐波分量，适应新一代智能变电站对互感器谐波功率计量及继电保护的更高要求。

如图1所示，电子式电流互感器包括罗氏线圈电流传感器和外积分电路，其中，罗氏线圈电流传感器主要由一个在非铁磁性骨架上均匀密绕的环形线圈组成，用于一次线路的电流信号传变，将一次大电流信号转变为额定为200mV～8V的模拟小电压信号。罗氏线圈电流传感器的固有参数包括线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容，这三种固有参数均直接影响线圈的谐波传变特性。

罗氏线圈电流传感器输出连接外积分电路的输入端，实现一次电流传变信号的准确、可靠采集。

如图1所示，给出一种外积分电路的具体实施方式，包括一个运算放大器，运算放大器的反相输入端设置有电阻R₂，运算放大器的同相输入端通过电阻R₃接地，运算放大器的输出端与反相输入端之间连接电阻R₁，电阻R₁与电容C₁并联连接。其中，电阻R₁为惯性环节电阻，简称为惯性电阻，电容C₁为积分电容。

因此，罗氏线圈电流传感器的固有参数以及外积分电路的结构参数直接影响电子式互感器谐波计量准确度。

罗氏线圈电流传感器输出电压正比于被测一次电流随时间的变化率。基于罗氏线圈传感原理，绕线方式是决定线圈性能的重要因素，绕线越密则线圈互感系数越大，自感和杂散电容也就越大，线圈的上限频率越低。罗氏线圈由于不含铁芯，绕线匝数可达几万匝，因此罗氏线圈绕线精度及均匀性将决定罗氏线圈传变信号的准确性及稳定性。

罗氏线圈的线圈内阻R₀的决定因素包括线圈骨架尺寸、绕线匝数、绕线电阻率和绕线直径，罗氏线圈的线圈自感L₀的决定因素包括骨架尺寸、绕线匝数、形成线圈的多匝导线的自感以及线圈输出引出线的自感等，罗氏线圈的线圈杂散电容C₀的决定因素包括绕线密度与绕制层数、线圈屏蔽接地方式、骨架尺寸及其绕线均匀性。

上述罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀的决定因素可以根据以往的经验数据获取得到，也可以按照下述计算公式分别获取：

假设罗氏线圈各处的截面和线圈匝数均匀，由电磁感应定律可得，罗氏线圈感应电动势e(t)的计算公式为：

在罗氏线圈感应电动势e(t)一定的情况下，罗氏线圈的缠绕匝数N的计算公式为：

对横断面为矩形的圆柱体形罗氏线圈，罗氏线圈的线圈内阻R₀的计算公式为：

罗氏线圈的线圈内感L₀为匝数与互感的乘积，其计算公式为：

L₀＝M·N

罗氏线圈的线圈杂散电容C₀的计算公式为：

其中，i为一次导体流过的瞬时电流；μ₀为真空磁导率，4π×10^-7H/m；N为线圈总匝数；M为互感系数，a为线圈骨架的内径，b为线圈骨架的外径，c为线圈骨架矩形截面的高度，λ为线圈单根绕线的直径与绕线层数的乘积，ρ为绕线电阻率，Ф为线圈单根绕线的直径，ε₀为真空介电常数，ε_r为绕线绝缘材料的相对介电常数。图2表示出了上述相关参数的关系，其中，1表示线圈铜绕组层，2表示罗氏线圈骨架截面，3为一次导体。

也可以这样理解，根据上述计算公式能够得到罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀的决定因素。

然后，根据相应的高次谐波条件下输出特性分别对罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀进行工艺优化，即：根据罗氏线圈的线圈内阻R₀的高次谐波条件下输出特性对罗氏线圈的线圈内阻R₀进行工艺优化；根据罗氏线圈的线圈自感L₀的高次谐波条件下输出特性对罗氏线圈的线圈自感L₀进行工艺优化；根据罗氏线圈的线圈杂散电容C₀的高次谐波条件下输出特性对罗氏线圈的线圈杂散电容C₀进行工艺优化，本实施例给出以下优化方式：

为提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，需减小罗氏线圈的线圈内阻R₀。为减小线圈内阻R₀，选用电阻率低的铜导线(1.725e^-8Ω·m)，在满足感应电动势额定输出(0.2V～10V)的前提下，考虑50倍过载条件下的线圈电流值及其裕量，考虑导线温升变化对电阻率的影响，选用铜导线直径0.254mm，并匹配计算线圈的匝数。

为提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，需减小罗氏线圈的线圈自感L₀。为减小罗氏线圈的线圈自感L₀，考虑线圈感应电动势额定输出可靠性，降低罗氏线圈骨架的高度及外径。

为提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，需减小罗氏线圈的线圈杂散电容C₀。为减小罗氏线圈的线圈杂散电容C₀，采用进口高精度绕线机提高绕线工艺，保证绕线的松紧度和线匝排列的整齐性，保证每个线匝面积一致、分布均匀连续且和骨架截面垂直；采用聚脂薄膜及半导体纸包裹，减小线圈与屏蔽壳体间的杂散电容。

在定量分析罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀等固有参数对电子式互感器谐波传变特性的影响的基础上，再对外积分电路的积分结构参数进行优化调整，进一步提高互感器谐波计量准确度。

外积分电路采用带惯性环节的有源积分器模型，对罗氏线圈感应输出的微分信号进行还原处理。为提高罗氏线圈型电子式电流互感器的谐波计量准确性，需优化外积分电路参数，选用温度系数为30ppm的高精密电容，并增大积分电容C₁，提高积分电路的频率响应范围；增大外积分电路的惯性电阻R₁，减小积分的非线性误差；并结合罗氏线圈固有参数下的微分特性，匹配外积分电路中的积分时间常数C₁R₁。积分电路中的积分时间常数R₁C₁需匹配罗氏线圈电流传感器固有参数下的微分时间常数，并增大积分电路漏电阻R₁以减小积分电路的非线性误差，用于将一次罗氏线圈传变的模拟小电压信号进行准确积分运算，在50～1000Hz的频率范围内准确还原出与一次电流成线性关系的微分信号，保证电子式互感器在谐波条件下的计量准确度和可靠性。

外积分电路结构模型是采用高性能运算放大器构建带有惯性环节的有源模拟积分电路，计算积分电路的传递函数为：

该计算公式中的相关参数对应图1中的各元器件。

采用谐振电路原理计算其截止频率，得罗氏线圈电流互感器外积分电路结构的频带为：

其中，f_L为下限频率，f_H为上限频率，R₁为外积分电路中惯性环节电阻，C₁为外积分电路中积分电容，R₀为罗氏线圈的线圈内阻，R_L为罗氏线圈的负载电阻，L₀为罗氏线圈的线圈内感，C₀为罗氏线圈的线圈杂散电容。

其工作频带为：

另外，还可以分别调节罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀，验证其变化对电子式电流互感器谐波计量准确度的影响，通过仿真计算优化罗氏线圈的频率响应特性，改善工艺控制方法，充分提高罗氏线圈型电子式互感器的测量带宽，提高互感器对谐波测量的可靠性与稳定性。

因此，将罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀等固有参数作为影响电子式互感器谐波计量准确度的重要因素，定量分析计算罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀等参数及其变化对电子式互感器谐波计量准确度的影响，即对电子式互感器谐波传变特性的影响。同时，结合罗氏线圈电流传感器谐波传变特性，优化调整外积分电路的积分结构参数，实现对输入微分电压信号的连续积分，在50～1000Hz的频率范围内还原一次微分信号，保证频率变化时电子式互感器的输出准确度。通过工艺优化调整罗氏线圈相关固有参数、调整外积分电路结构参数，有效减小了罗氏线圈的线圈内阻R₀、线圈自感L₀和线圈杂散电容C₀等参数变化对电子式电流互感器谐波计量特性的影响，促进了电子式电流互感器在智能变电站数字化计量体系的大范围推广应用。

以下给出一种电流互感器的谐波计量准确度影响因素分析的具体实施方式，当然，本发明并不局限于下述内容：

1)建立罗氏线圈数学模型，根据罗氏线圈骨架尺寸、线圈所绕制的导线直径、线圈的平均半径、线圈匝数等参数，确定罗氏线圈内阻R₀，计算在谐波计量条件下线圈内阻R₀变化对输出准确度的影响。

2)根据罗氏线圈骨架尺寸、线圈匝数，计算罗氏线圈自感L₀，分析在谐波计量条件下线圈自感L₀变化对输出准确度的影响。

3)结合罗氏线圈骨架尺寸、线圈匝数及绕线方式，根据罗氏线圈相位偏移，估算绕制线圈的杂散电容C₀，计算杂散电容C₀变化对电子式互感器输出准确度的影响。

4)结合罗氏线圈电流传感器谐波传变特性，对外积分电路的积分结构参数进行优化调整，分析在频率变化对一次微分信号还原准确度的影响。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的所要求保护的技术方案在于罗氏线圈型电子式电流互感器参数优化方法，并不局限于该方法所适用的电流互感器，因此，上述实施例虽然给出了一种电流互感器的原理图，但是，本发明并不局限于该原理图。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别获取罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容的决定因素，并分别计算罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容；

(2)根据相应的高次谐波条件下输出特性分别对罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容进行工艺优化；其中，减小罗氏线圈内阻以提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，罗氏线圈的线圈内阻的影响因素包括线圈骨架尺寸、绕线匝数、绕线电阻率和绕线直径；减小罗氏线圈的线圈自感以提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，罗氏线圈的线圈自感的影响因素包括骨架尺寸、绕线匝数、形成线圈的多匝导线的自感以及线圈输出引出线的自感；减小罗氏线圈的线圈杂散电容以提高罗氏线圈在高次谐波条件下的计量特性，罗氏线圈的线圈杂散电容的影响因素包括绕线密度与绕制层数、线圈屏蔽接地方式、骨架尺寸及其绕线均匀性。

2.根据权利要求1所述的罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，其特征在于，罗氏线圈的信号输出线路上设置有外积分电路，所述外积分电路采用带惯性环节的有源积分器模型，增大积分电容和惯性环节电阻以提高外积分电路的频率响应范围以及减小积分的非线性误差，并结合罗氏线圈固有参数下的微分特性，匹配外积分电路中的积分时间常数。

3.根据权利要求1所述的罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，其特征在于，

罗氏线圈感应电动势e(t)的计算公式为：

在罗氏线圈感应电动势e(t)一定的情况下，罗氏线圈的缠绕匝数N的计算公式为：

罗氏线圈的线圈内阻R₀的计算公式为：

罗氏线圈的线圈内感L₀的计算公式为：

L₀＝M·N

罗氏线圈的线圈杂散电容C₀的计算公式为：

其中，i为一次导体流过的瞬时电流；μ₀为真空磁导率，4π×10^-7H/m；N为线圈总匝数，M为互感系数，a为线圈骨架的内径，b为线圈骨架的外径，c为线圈骨架矩形截面的高度，λ为线圈单根绕线的直径与绕线层数的乘积，ρ为绕线电阻率，Ф为线圈单根绕线的直径，ε₀为真空介电常数，ε_r为绕线绝缘材料的相对介电常数。

4.根据权利要求2所述的罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，其特征在于，所述外积分电路包括一个运算放大器，所述运算放大器的输出端与所述反相输入端之间连接惯性环节电阻，所述惯性环节电阻与积分电容并联连接。

5.根据权利要求4所述的罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，其特征在于，所述外积分电路的工作频带BW计算公式如下：

其中，f_L为下限频率，f_H为上限频率，R₁为外积分电路中惯性环节电阻，C₁为外积分电路中积分电容，R₀为罗氏线圈的线圈内阻，R_L为罗氏线圈的负载电阻，L₀为罗氏线圈的线圈内感，C₀为罗氏线圈的线圈杂散电容。