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工业电流互感器频率特性分析

工业电流互感器频率特性分析

2007/2/1 9:10:00
1.北京化工大学信息科学与技术学院 100029 2.北京石油化工学院信息工程学院 102617 [摘 要] 介绍了一种新颖的测量工业电流互感器传变频率范围的实验方案,并基于LabVIEW和Matlab软件利用现代数字信号处理技术对实验数据进行处理和分析。分析结果表明该实验方案十分理想。 关键词 电流互感器 频率响应 暂态电流 带宽 1 引言 电流互感器(Current Transformer,CT)作为电流传变元件,广泛应用于电力系统监控、保护等领域。随着微机保护和电力系统自动化在电网中的普遍使用,导致保护装置所需的电网运行信息向高频方向发展;目前使用的电流互感器的频带宽度有大小、频率特性如何测量等问题有待进一步研究。因此研究CT频率传输特性,设计合理且实用的测量方法,具有十分重要的意义。传统的测量电流互感器传变频率的方法,需要频率连续可调的大功率电源,此种电源难以找到。因此,使用大功率直流电源,配以适当的控制电路,产生脉冲电流,结合现代信号处理方法,对LCZ—35型电流互感器的频带进行测量,取得了令人满意的效果。 2 测量方案 如前所述,根据实际的实验条件,设计测量电流:互感器带宽的电路接线如图1所示。 获取电流互感器一、二次侧信号的主要思路是在直流电源输出稳定的前提下,利用开关S的突然闭合来产生一个瞬间近似脉冲电流,以此充当电流互感器一次侧的高频突变信号,同时利用高频数据采集卡的0通道和1通道来分别获取电流互感器的一次侧的突变信号和二次侧的感应输出信号。
由于实验要求开关的控制速度要快,开关闭合瞬间电路中流过的电流又很大,所以这些条件对实验设备的要求也就很严格。 首先,实验所用的开关需要具备动作灵敏性,因为如果开关的动作速度不够快,测量结果就可能会严重影响到电流互感器的频带范围,同时开关还要有良好的频繁开闭大电流和很强的灭弧能力,鉴于此,实验采用接触器来进行控制,以满足上面的要求。其次,在开关闭合瞬间由于流过采样电阻的电流很大,最大可以达到大约49A,所以如果采样电阻不足够小,那么就会在采样电阻两端产生很大的电压,此电压就要求该电阻必须是个大功率的采样电阻,更重要的是这个电压可能会对数据采集卡造成损害,同时也会额外地引入一定的干扰信号,给后部分的数据分析增加不必要的困难。所以,该实验选用了一个低阻值、大功率的采样电阻来解决以上的问题。另外,为了避免电流互感器通过大电流时出现饱和现象,采用LCZ—35型工业电流互感器,其额定电压为35kV,额定一次电流为1000A,而实验用的可调直流电源输出的额定电压为48V、额定电流为50A,所以确保CT不会出现饱和状态。最后,如果数据采集卡的频率偏低,则会使测量结果严重失真,得不到准确的CT的带宽,使用的数据采集卡是美国NI公司生产的DAO—5112卡,该卡的采样频率高达100MHz,因此该采样频率也足以满足实验要求。 3 数据处理及分析 首先,0、1通道采集到的电流互感器一、二次侧的原始波形经过适当截取和平滑滤波后得到如图2所示的波形图。
由于时域的取样对应于频域的周期延拓,所以如果直接对CT的一次侧信号进行傅里叶变换,那么原始信号尾部的强冲击下降沿将会把它的上升沿部分的高频分量淹没,这样就不能准确测量出CT的通频带。因此本文采取对CT一次侧原始信号进行偶对称的方法来解决这个问题,同时需相应地将CT的二次侧信号进行奇对称。为了使电流互感器的一、二次侧原始信号的傅里叶变换后的能量更强,分析的结果更准确,将以上对称后的信号又进行4周期延拓如图3所示。
对电流互感器暂态特性的实验研究,从现有的文献看,有的研究工作是建立某一类CT数学模型;有的则在一个已有模型仿真的基础上进行CT设计或CT饱和特性研究。但是,总的看来对于现有的电流互感器模型都可以等效地认为是由一个一阶微分环节和一个传递函数串联构成的,因此,要想得到电流互感器的传输频率特性,还需要再对奇对称后的二次侧信号进行一次积分,积分后的波形如图4所示。
分别对图3b和图4的波形进行傅里叶变换后即可得到电流互感器的幅频特性曲线,同时为了便于对电流互感器幅频特性曲线进行细节分析,在信号处理的过程中对传递函数进行了归一化处理,如图5所示。
通过对电流互感器的细节分析,可以发现当信号幅值衰减为最大值的0.707时所对应的采样点数大约为12000,如图6所示。因为原始信号的采样频率为100MHz,经过对信号10进行抽取后采样频率变为10 MHz,那么根据香农采样定理可知用该采样频率采集到的信号最多只能恢复原始信号为5MHz的那一部分,又因为本文所取的总采样点数为480000,所以该电流互感器CT的截止频率可以计算为 (12000/480000)×5MHz=125kHz
以上充分说明对于LCZ—35型的工业电流互感器无法传变125kHz以上高频率信号。 4 结束语 众所周知,一旦被检测信号的频率超出了CT的频率传输范围,则必然导致二次侧电流波形畸变,结果将严重影响继电保护设备的运行,造成拒动或误动。所以本文针对当今检测领域急需知道工业电流互感器的传输频率特性的这一现状,提出了一种基于LCZ—35型的工业电流互感器通频带的测量方案,并对测量数据运用现代信号处理方法进行了频率特性分析,结果表明该实验方案非常有效,该实验方案对于判别能否利用某一型号的电流互感器去采集高频信号具有很重要的现实意义。
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