CN111781470B - 一种电流互感器的高频电路等效方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流互感器的高频电路等效方法，属于电流互感器电路技术领域。现有的电流互感器在高频时，电流互感器的寄生电感和电阻影响明显，使得其在预测含有高频分量的过电压波形时精度变差。本发明包括互感器低频电容电路，所述互感器低频电容电路连接至少一路高频谐振电路，即RLC谐振回路；所述RLC谐振回路是由电容Cn、电阻Rn、电感Ln所构成的并联谐振回路。本发明建立了带有高频谐振电路的等效电路，在互感器低频电容电路上连接至少一路高频谐振电路，能够将电流互感器的寄生电感和电阻的影响也考虑在内，在一次电压中含有高频分量的时候，依然能准确的从末屏电流中计算出一次电压，进而能够有效提高电流互感器的反演精度。

Description

一种电流互感器的高频电路等效方法

技术领域

本发明涉及一种电流互感器的高频电路等效方法，属于电流互感器电路技术领域。

背景技术

电力系统的安全可靠运行与设备绝缘性能息息相关，而过电压是引发设备绝缘的主要威胁之一。因此电力系统过电压的监测对于分析设备绝缘故障、完善设备绝缘性能、消除安全隐患具有重要的意义。

电力系统的过电压主要分为内部过电压和外部过电压，内部过电压包含工频过电压、谐振过电压和操作过电压，外部过电压主要是雷电过电压。其中工频过电压和谐振过电压频率为Hz级别，操作过电压频率一般为kHz级别，雷电过电压频率一般为MHz级别。

由于不同类型的过电压频率范围相差很大，因此对过电压监测传感器在不同频率的响应特性具有较高的要求。过电压监测传感器一般为电流互感器，但电流互感器可等效为电容性器件，其在高频时，电流互感器的寄生电感和电阻影响明显，使得其在预测含有高频分量(MHz及其以上)的过电压波形时精度变差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种在互感器低频电容电路上连接至少一路高频谐振电路，能够有效避免电流互感器的寄生电感和电阻的影响，在一次电压中含有高频分量的时候，依然能准确的从末屏电流中计算出一次电压，进而提高电流互感器的反演精度的电流互感器的高频电路等效方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种电流互感器的高频电路等效方法，包括互感器低频电容电路，

所述互感器低频电容电路连接至少一路高频谐振电路，即RLC谐振回路；

所述RLC谐振回路是由电容Cn、电阻Rn、电感Ln所构成的并联谐振回路。

电流互感器是一种过电压测量元件，其工作原理为：通过检测电流互感器末屏电流，再根据电流互感器上施加的过电压与其末屏电流之间的传递关系(电流互感器的电路模型)，可以得到电流互感器上施加的过电压波形。现有的等效电路由于只能对低频情况进行拟合，所以当一次电压中含有高频分量的时候，利用现有的等效电路就不能准确的通过末屏电流计算出一次电压。

本发明建立了带有高频谐振电路的等效电路，在互感器低频电容电路上连接至少一路高频谐振电路，能够将电流互感器的寄生电感和电阻的影响也考虑在内，在一次电压中含有高频分量的时候，依然能准确的从末屏电流中计算出一次电压，进而能够有效提高电流互感器的反演精度。

本发明提出的用于过电压检测的高频等效电路，可应用于电力监测系统中的电流互感器。其主要作用是可以在低频至兆赫兹及其以上频率对电流互感器进行等效电路拟合。通过此等效电路即可根据电流互感器的末屏电流来计算过电压的大小，从而有效评估绝缘风险、保障电网安全运行。

作为优选技术措施：

确定高频谐振电路的电容Cn、电阻Rn、电感Ln的数值；

根据模拟实验的输入电压和输出电流来计算其导纳(系统函数)Y，根据Y来拟合Cn、Rn、Ln值。

作为优选技术措施：

首先，进行模拟过电压实验，收集实验的至少一次电压数据，以及对应得的末屏电流数据，根据导纳公式即可计算出电流互感器的Y_{电流互感器}；

将高频等效电路中的待拟合参数作为自变量，通过调节待拟合参数的值使得高频等效电路的Y_{高频等效电路}等于电流互感器的Y_{电流互感器}，调节的过程由优化算法来完成。

作为优选技术措施：

所述优化算法为信赖域法Trust-Region methods；

信赖域算法能够调节高频等效电路方程中的自变量Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...即待拟合参数，使得F(Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...)趋近于零，即

F(Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...)＝Y_{电流互感器}-Y_{高频等效电路}(Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...)；

其中Cc表示电流互感器的主电容，Rc代表电流在介质中的传输损耗；Lc为引线电感；

C1表示第一路高频谐振回路的电容，第一路高频谐振回路的电阻R1，第一路高频谐振回路的电感L1，F表示函数。

作为优选技术措施：

根据Y_{电流互感器}谐振峰的个数，确定RLC谐振回路的个数，RLC谐振回路的个数大于等于Y_{电流互感器}中谐振峰的个数。RLC谐振回路个数越多，拟合结果越精确。当频率越高，寄生效应约显著，其谐振点也越多，此时需要多个并联谐振电路拟合电流互感器的系统函数。

作为优选技术措施：

1MHz以内的高频过电压，至少串联5个RLC谐振回路。

作为优选技术措施：

由实验数据拟合得到高频等效电路的参数后，利用此电路通过实际的末屏电流反演出电流互感器一次端的电压。

作为优选技术措施：

所述电流互感器的系统函数为Y(ω)，即该电流互感器的导纳，此导纳可由下式计算得到，即导纳公式为：

I(ω)表示末屏电流的频谱，U(ω)表示一次电压的频谱；

I(t)表示末屏电流，U(t)表示一次电压，

为傅立叶变换。

作为优选技术措施：

所述电流互感器包括中心导体、多层悬空的主电容屏和末屏，并采用同轴结构。

作为优选技术措施：

主电容屏悬空不接地，并由绝缘油将其与其它部分隔离；末屏接地；此结构类似于电容器，故在低频时呈现电容特性；

其电容值根据下式得到：

其中jω为频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将油浸式电流互感器在高频下的响应与谐振腔理论联系起来，建立了带有高频谐振电路的等效电路，本发明的等效电路能准确预测油浸式电流互感器在高频时存在的谐振现象，可以在兆赫兹频率及其以上对电流互感器进行等效电路拟合。通过此等效电路可根据电流互感器的末屏电流来计算过电压的大小，即通过实际测量得到的电流互感器输出电流数据反演电流互感器的输入过电压，这对有效评估绝缘风险、保障电网安全运行有着重要意义。而目前已有的油浸式电流互感器电压测试方法，由于模型的限制，只能模拟低频时的响应，不适用于高频过电压的分析。

附图说明

图1是本发明电流互感器分析示意图。

图2是本发明的高频等效电路。

图3是本发明导纳对比图，其中实线为实验结果，虚线为本发明等效电路的测量结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1-3所示，一种电流互感器的高频电路等效方法，包括互感器低频电容电路，

所述互感器低频电容电路连接至少一路高频谐振电路，即RLC谐振回路；

所述RLC谐振回路是由电容Cn、电阻Rn、电感Ln所构成的并联谐振回路。

电流互感器的作用是测量末屏电流，根据末屏电流反算一次电压。现有的等效电路由于只能对低频情况进行拟合，所以当一次电压中含有高频分量的时候，利用现有的等效电路就不能准确的通过末屏电流计算出一次电压。

本发明建立了带有高频谐振电路的等效电路，在互感器低频电容电路上连接至少一路高频谐振电路，能够将电流互感器的寄生电感和电阻的影响也考虑在内，在一次电压中含有高频分量的时候，依然能准确的从末屏电流中计算出一次电压，进而能够有效提高电流互感器的反演精度。

本发明提出的用于过电压检测的高频等效电路，可应用于电力监测系统中的电流互感器。其主要作用是可以在低频至兆赫兹及其以上频率对电流互感器进行等效电路拟合。通过此等效电路即可根据电流互感器的末屏电流来计算过电压的大小，从而有效评估绝缘风险、保障电网安全运行。

本发明待拟合参数一种具体计算实施例：

确定高频谐振电路的电容Cn、电阻Rn、电感Ln的数值；

根据模拟实验的输入电压和输出电流来计算其导纳(系统函数)Y，根据Y来拟合Cn、Rn、Ln值。

首先，进行模拟过电压实验，收集实验的至少一次电压数据，以及对应得的末屏电流数据，根据导纳公式即可计算出电流互感器的Y_{电流互感器}；

将高频等效电路中的待拟合参数作为自变量，通过调节待拟合参数的值使得高频等效电路的Y_{高频等效电路}等于电流互感器的Y_{电流互感器}，调节的过程由优化算法来完成。

所述优化算法为信赖域法Trust-Region methods；

信赖域算法能够调节高频等效电路方程中的自变量Cc,Rc,Lc，C1，R1,L1,...(待拟合参数)，使得F(Cc，Rc,Lc,C1,R1,L1,...)趋近于零，即

F(Cc,Rc，Lc,C1,R1,L1,...)＝Y_{电流互感器}-Y_{高频等效电路}(Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...)；

其中Cc表示电流互感器的主电容，Rc代表电流在介质中的传输损耗；Lc为引线电感；

C1表示第一路高频谐振回路的电容，第一路高频谐振回路的电阻R1，第一路高频谐振回路的电感L1。

本发明谐振回路数量一种具体实施例：

根据谐振的个数，确定RLC谐振回路的个数，RLC谐振回路的个数大于等于Y_{电流互感器}中谐振峰的个数(RLC谐振回路个数越多，拟合结果越精确)。当频率越高，寄生效应约显著，其谐振点也越多，此时需要多个并联谐振电路拟合电流互感器的系统函数。

本发明一次电压的计算实施例：

由实验数据拟合得到高频等效电路的参数后，利用此电路通过实际的末屏电流反演出电流互感器一次端的电压。

本发明导纳计算的一种具体实施例：

本发明中提出的高频等效电路建模方法认为模型的输入为流入电流互感器的一次电压U(input)，输出为电流互感器的末屏电流I(output)。

所述电流互感器的系统函数为Y(ω)，即该电流互感器的导纳，此导纳可由下式计算得到，即导纳公式为：

I(ω)表示末屏电流的频谱，U(ω)表示一次电压的频谱；

I(t)表示末屏电流，U(t)表示一次电压，

为傅立叶变换。

本发明电流互感器结构一种具体实施例：

所述电流互感器包括中心导体、多层悬空的主电容屏和末屏，并采用同轴结构。

主电容屏悬空不接地，并由绝缘油将其与其它部分隔离；末屏接地；此结构类似于电容器，故在低频时呈现电容特性。

其电容值根据下式得到：

其中jω为频率。

电流互感器在高频(1MHz)时其寄生电感、绝缘油的损耗等等寄生参数变得不可忽略。为了方便理解本发明提出的高频等效电路，将电流互感器的结构示意图简化为图1所示的高频分析示意图。

图1所示的高频谐振时的电流互感器模型考虑了实际中很多电流互感器为U形结构的情况。在高频电压下，此结构可看作谐振腔，会在不同频率下产生相应的谐振现象。

此高频谐振严重影响了电流互感器对过电压的响应，对分析油浸式电流互感器的高频模型具有重要意义。本发明根据谐振腔的相关理论，将这些高频谐振等效为电感、电容和电阻并联电路，进而得到油浸式电流互感器的导纳特性，而本发明所提出的高频等效电路方法正是基于该导纳特性。

如图2所示，本发明的高频等效电路一种通用电路：

本发明的高频等效电路主要包括主电容、主电感以及寄生电容和寄生电感。当一次电压加在电流互感器的中心导体(端口1)时，则可由此等效电路得到电流互感器的末屏电流(端口2)。等效电路图中的Cc表示电流互感器的主电容，此电容值近似等于电流互感器在低频所呈现的电容值，Rp代表中心导体与末屏之间的阻值，由于中心导体与末屏之间由一层层的绝缘油填充，所以此电阻阻值非常大，近似为开路。Re代表电流在介质中的传输损耗；Lc为引线电感。其中，(C1、R1、L1)至(Cn、Rn、Ln)所构成的并联谐振回路可以用来拟合电流互感器的高频谐振特性。

如图3所示，应用本发明的一种实施例：

在80KHz之后出现了高频谐振响应，图3中标注出了第一个谐振点出现的位置，谐振频率在200K左右。因此本发明提出的高频等效电路能准确的预测谐振点所在位置。本次实验所采用的电流互感器在1MHz的频率范围内，共有五个谐振点；故等效电路中需要5个并联RLC回路来拟合此电流互感器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电流互感器的高频电路等效方法，包括互感器低频电容电路，其特征在于，

所述互感器低频电容电路连接至少一路高频谐振电路，即RLC谐振回路；

所述RLC谐振回路是由电容Cn、电阻Rn、电感Ln所构成的并联谐振回路；

确定高频谐振电路的电容Cn、电阻Rn、电感Ln的数值；

根据模拟实验的输入电压和输出电流来计算其导纳Y，根据Y来拟合Cn、Rn、Ln值；

首先，进行模拟过电压实验，收集实验的至少一次电压数据，以及对应的末屏电流数据，根据导纳公式即可计算出电流互感器的Y_{电流互感器}；

将高频等效电路中的待拟合参数作为自变量，通过调节待拟合参数的值使得高频等效电路的Y_{高频等效电路}等于电流互感器的Y_{电流互感器}，调节的过程由优化算法来完成；

所述优化算法为信赖域法Trust-Region methods；

信赖域算法能够调节高频等效电路方程中的自变量Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...即待拟合参数，使得F(Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...)趋近于零，即

F(Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...)＝Y_{电流互感器}-Y_{高频等效电路}(Cc,Rc,Lc,C1,R1,L1,...)；

其中Cc表示电流互感器的主电容，Rc代表电流在介质中的传输损耗；Lc为引线电感；

C1表示第一路高频谐振回路的电容，第一路高频谐振回路的电阻R1，第一路高频谐振回路的电感L1，F表示函数；

根据Y_{电流互感器}中谐振峰的个数，确定RLC谐振回路的个数，RLC谐振回路的个数大于等于Y_{电流互感器}中谐振峰的个数；

1MHz以内的高频过电压，至少串联5个RLC谐振回路；

由实验数据拟合得到高频等效电路的参数后，利用此电路通过实际的末屏电流反演出电流互感器一次端的电压；

所述电流互感器的系统函数为Y(ω)，即该电流互感器的导纳，此导纳可由下式计算得到，即导纳公式为：

I(ω)表示末屏电流的频谱，U(ω)表示一次电压的频谱；

I(t)表示末屏电流，U(t)表示一次电压，为傅立叶变换；

所述电流互感器包括中心导体、多层悬空的主电容屏和末屏，并采用同轴结构；

主电容屏悬空不接地，并由绝缘油将其与其它部分隔离；末屏接地；此结构类似于电容器，故在低频时呈现电容特性；

其电容值根据下式得到：

其中jω为频率。

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