[发明专利]一种基于罗氏线圈的电子式电流互感器及其特性分析方法

权利要求书

1.一种基于罗氏线圈的电子式电流互感器，其特征在于：包括罗氏线圈等效电路、放大电路和积分电路；积分电路通过放大电路与罗氏线圈等效电路连接；所述罗氏线圈等效电路，包括感应电动势e(t)、等效电阻R₀、线圈电感L、线圈等效杂散电容C和取样电阻R_L；等效电阻R₀、线圈电感L和线圈等效杂散电容C串联连接在感应电动势e(t)上，取样电阻R_L并联在线圈等效杂散电容C上得到取样电压u₁(t)；所述放大电路，包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2和电阻R3；第一运算放大器的同向输入端经电阻R1与罗氏线圈等效电路的一个输出端连接 ；第一运算放大器的反向输入端经电阻R2与罗氏线圈等效电路的另一个输出端连接，第一运算放大器的反向输入端经电阻R3与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端与积分电路的电阻R4连接；与积分电路的第二运算放大器的反向输入端连接；所述积分电路，包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5、电阻R8和直流负反馈单元，第二运算放大器的反向输入端通过电阻R4与第一运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的正向输入端经电阻R5与罗氏线圈等效电路的另一个输出端连接，第二运算放大器的输出端经电阻R8与罗氏线圈等效电路的另一个输出端连接，且第二运算放大器的反向输入端和输出端之间设置有直流负反馈单元，所述直流负反馈单元，包括电容C1、电容C2、电阻R6和电阻R7；两个串联连接的电阻R6与电容C1并联连接后连接在第二运算放大器的反向输入端和输出端之间，电阻R7的一端连接在两个电阻R6之间，电阻R7的另一端与电容C2串联连接后接地；

基于罗氏线圈的电子式电流互感器的特性分析方法如下：

S1，构建罗氏线圈等效电路；

所述罗氏线圈等效电路，包括感应电动势e(t)、等效电阻R₀、线圈电感L、线圈等效杂散电容C和取样电阻R_L；等效电阻R₀、线圈电感L和线圈等效杂散电容C串联连接在感应电动势e(t)上，取样电阻R_L并联在线圈等效杂散电容C上得到取样电压u₁(t)；

S2，获得罗氏线圈等效电路的传递函数；

在步骤S2中，具体步骤为：S2.1，根据步骤S1，得到罗氏线圈等效电路的电压电流方程：

S2.2，将步骤S2.1中的三个式子联立，可得：

S2.3，将步骤S2.2中的公式进行拉普拉斯变换，得到罗氏线圈等效电路的传递函数为：

式中：ω₀——固有振荡频率，

ω′——实际振荡频率，

δ——阻尼系数，

S3，获得罗氏线圈等效电路的采样电压u₁(t)；

所述罗氏线圈有自积分和微分两种工作状态，当测量变化速度快、持续时间较短的大电流和高频电流时，罗氏线圈处于自积分的工作状态；当对低频和工频电流进行测量时，罗氏线圈处于微分工作状态，

S4，构建微分状态下罗氏线圈的电流互感器模型；

微分状态下罗氏线圈的电流互感器，包括罗氏线圈等效电路、积分电路和放大电路；积分电路通过放大电路与罗氏线圈等效电路连接；所述放大电路，包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2和电阻R3；第一运算放大器的同向输入端经电阻R1与罗氏线圈等效电路的一个输出端连接 ；第一运算放大器的反向输入端经电阻R2与罗氏线圈等效电路的另一个输出端连接，第一运算放大器的反向输入端经电阻R3与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端与积分电路的电阻R4连接；与积分电路的第二运算放大器的反向输入端连接；所述积分电路，包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5、电阻R8和直流负反馈单元，第二运算放大器的反向输入端通过电阻R4与第一运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的正向输入端经电阻R5与罗氏线圈等效电路的另一个输出端连接，第二运算放大器的输出端经电阻R8与罗氏线圈等效电路的另一个输出端连接，且第二运算放大器的反向输入端和输出端之间设置有直流负反馈单元，所述直流负反馈单元，包括电容C1、电容C2、电阻R6和电阻R7；两个串联连接的电阻R6与电容C1并联连接后连接在第二运算放大器的反向输入端和输出端之间，电阻R7的一端连接在两个电阻R6之间，电阻R7的另一端与电容C2串联连接后接地；

S5，根据步骤S4，建立罗氏线圈电流互感器模型的传递函数；

其中，M为罗氏线圈与载流导体之间的互感系数；

S6，根据建立的罗氏线圈电流互感器传递函数模型，利用Matlab软件分析罗氏线圈电流互感器模型的幅频响应特性；

S7，根据建立的罗氏线圈电流互感器模型的传递函数，用PSCAD软件建立一条双电源系统的输电线路模型，对罗氏线圈电流互感器传递函数模型的暂态传变特性分析，为消除拖尾提供支持；

所采用的基于罗氏线圈的电子式电流互感器输出值与一次侧电流的微分成正比，需经过积分环节恢复为与一次侧电流成正比的信号以供二次设备使用，由于理想积分电路可将直流分量无限放大，实用积分电路需要设计直流负反馈单元来抑制直流分量，直流负反馈单元对直流分量衰减的时间常数，即为整个互感器的二次时间常数，决定了互感器的下限截止频率和暂态误差，也导致拖尾效应并决定拖尾效应的严重程度，积分电路的直流负反馈单元由C₁、C₂、R₆和R₇组成，互感器二次时间常数与C₁和R₆有关，通过改变这两个参数的大小即可调节互感器二次时间常数；

S8，分析罗氏线圈电流互感器模型的温度特性，为电子式电流互感器的检定和现场应用提供支持；

S9，分析罗氏线圈电流互感器模型的电磁干扰特性，为电子式电流互感器的抗干扰提供支持。

2.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈的电子式电流互感器，其特征在于，在步骤S3中，具体步骤为：S3.1，获得自积分工作状态下的采样电压u₁(t)；

S3.1.1，当时，忽略步骤S2.1中公式(2.9)右边的第二项，化简为：

S3.1.2，将式(2.7)与式(2.11)联立，可得：

S3.1.3，将式(2.12)积分处理得到：

S3.1.4，根据欧姆定律，则得到取样电阻R_L两端电压：

S3.2，获得微分工作状态下的采样电压u₁(t)；

S3.2.1，当时，可以忽略步骤S2.1中公式(2.9)右边的第一项，则式(2.9)化简为：

e(t)≈(R₀+R_L)·i₁(t) (2.15)；

S3.2.2，将式(2.7)与式(2.15)联立，可得：

S3.2.3，将式(2.16)积分处理得到：

S3.2.4，根据欧姆定律，得到取样电阻R_L两端电压为：

此时取样电阻R_L两端电压u₁(t)与被测电流i(t)存在微分关系，此时，必须在罗氏线圈后接积分电路，才能使输出端电压u₁(t)还原为被测电流i(t)信号。