用于校準羅果夫斯基類型的電流換能器的方法
【專利摘要】本發(fā)明關(guān)于用于校準包括羅果夫斯基線圈傳感器和電子裝置的羅果夫斯基類型的電流換能器的方法，通過使用電子裝置的線圈的自感LRCCT的測量來確定并且校正羅果夫斯基類型的電流換能器的靈敏度。
【專利說明】用于校準羅果夫斯基類型的電流換能器的方法
[0001]本發(fā)明關(guān)于用于校準羅果夫斯基(Rogowski)類型的電流換能器的方法，以及羅果夫斯基類型的電流換能器自身。這樣的電流換能器包括羅果夫斯基線圈傳感器和電子裝置。
[0002]與傳統(tǒng)的電流換能器(縮寫為CT，具有鐵磁芯)相比，羅果夫斯基線圈電流換能器(此處稱為RCCT或傳感器)呈現(xiàn)更高的動態(tài)范圍、更低的重量和大小、以及更低的生產(chǎn)成本。
[0003]但是有精度問題，由于與用于計量應(yīng)用的基于高度準確的CT的電流測量解決方案相比，如今已知的RCCT通常具有中等精度。已經(jīng)有各種嘗試來改進羅果夫斯基線圈性能并且將它關(guān)聯(lián)到先進的電子設(shè)備以達到IEC60044-8標準0.5級計量精度。
[0004]RCCT的精度的改進的現(xiàn)有技術(shù)解決方案的這種已知狀態(tài)是基于要求測量的中斷或附加的參考傳感器來測量羅果夫斯基線圈的靈敏度的校準技術(shù)。
[0005]第一已知解決方案被稱為“工廠中的RCCT初始校準”。此處在工廠中校準羅果夫斯基線圈。它們的初始靈敏度以及它們的溫度依賴性存儲在傳感器殼體內(nèi)部的EEPROM中。智能電子裝置(也稱為IED)在傳感器壽命期間使用此永久的、非更新的信息來基于附加的溫度測量而校正溫度誘導的靈敏度改變。
[0006]另一已知的解決方案被稱為“通過精密電位計的RCCT校準”。此處通過利用連接到線圈的精密電位計重新校準并且調(diào)整來補償RCCT靈敏度漂移。
[0007]另一已知的解決方案被稱為“基于電容性放電裝備的RCCT校準”。此解決方案要求已知的電壓參考以及準確的電容以便提取靈敏度值。測量是基于峰值高度和振鈴振蕩周期的測量。它要求離線校準過程。
[0008]在上述任一校準方法中，除了放電，要求參考電流測量。
[0009]另一已知的解決方案被稱為“使用參考電流傳感器的RCCT校準”。它與上述校準方法區(qū)別在于如何作出校正。例如，參考傳感器可以是分流或任何其它傳感器類型。此選項包括羅果夫斯基線圈輸出與參考CT或線圈的輸出的比較。
[0010]也提出了被稱為“利用結(jié)合專用IED的附加繞組的RCCT在線自校準”的另一解決方案。此解決方案要求用于注入?yún)⒖茧娏?除與額定電流的導數(shù)成正比的電壓以外，它將誘導RCCT輸出信號中的參考電壓)的圍繞羅果夫斯基線圈的附加繞組。此解決方案有助于RCCT+IED的自校準和自診斷功能。然而，它要求附加繞組，即附加的RCCT制造成本。
[0011]例如，當環(huán)境狀況(例如，溫度、機械應(yīng)變、潮濕、老化效應(yīng))改變時，在已知的方法的改進區(qū)域之間是羅果夫斯基線圈的靈敏度S的未知改變。要求關(guān)于羅果夫斯基線圈的工廠中的校準和診斷的改進，它是當今必要的并且意味著附加的生產(chǎn)成本。改進的另一區(qū)域是在壽命期間的精度等級傳感器的損壞或超出的指示，即診斷和校準功能(目前它是不可用的)。
[0012]由于現(xiàn)存的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目標是創(chuàng)建允許將保護和計量與單個RCCT結(jié)合并且可以與基于等效CT的計量解決方案競爭的解決方案。
[0013]問題是根據(jù)本發(fā)明由用于校準包括羅果夫斯基線圈傳感器和電子裝置的羅果夫斯基類型的電流換能器的方法來解決，由此通過使用電子裝置的線圈的自感Lkcct的測量來確定并且校正羅果夫斯基類型的電流換能器的靈敏度。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的有利方面，利用疊加到線圈繞組的測試電流或測試電壓來測量自感。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的有利方面，由要利用線圈傳感器測量的初級電流所生成的輸出電壓被同時利用羅果夫斯基類型的電流換能器的線圈的自感來測量。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的有利方面，自感測量用于診斷并且校準羅果夫斯基類型的電流換能器。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的有利方面，通過羅果夫斯基類型的電流換能器的線圈對與已知的電阻串聯(lián)連接的階躍電壓源的響應(yīng)來測量自感。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的有利方面，通過利用變化頻率的AC信號激勵電流換能器以測量羅果夫斯基類型的電流換能器的線圈和已知的電阻的串聯(lián)電路的頻率響應(yīng)來測量自感。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的有利方面，羅果夫斯基類型的電流換能器的線圈的線圈設(shè)計參數(shù)由電子裝置自動檢測。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的羅果夫斯基類型的電流換能器包括羅果夫斯基線圈傳感器和電子裝置，其特征在于，電子裝置配置為執(zhí)行如上所述的用于校準電流換能器的方法。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)勢在于它允許超過MVCS性能的精度并且利用羅果夫斯基線圈電流換能器來達到IEC60044-8標準0.2級或更好的。
[0022]使用根據(jù)本發(fā)明的方法允許羅果夫斯基線圈的靈敏度測量方法給智能電子裝置(IED)可能性來以有利方式甚至持續(xù)地校準，并且在線診斷RCCT (即，沒有中斷額定電流測量)。因此，本發(fā)明提供羅果夫斯基線圈電流換能器，具有更容易的能力來離線校準羅果夫斯基線圈靈敏度以及持續(xù)地在線校準羅果夫斯基線圈靈敏度(S卩，沒有中斷額定電流測量)。
[0023]具有常數(shù)繞組密度和截面面積的RCCT的靈敏度S可以表達為
Srcct " ο ω NrcctArcct / Ircct
此處，ω是相應(yīng)電流分量的角頻率，Necct是RCCT的繞組線匝的數(shù)量，Aecct是線圈的截面面積并且Ikct是它的長度。如果有任何影響(像是線圈載體的熱膨脹或其圍繞，由于水分攝入的膨脹或由于機械壓力或老化的應(yīng)變，它們影響RCCT的幾何尺寸(Akct，IKCT))，這也可根據(jù)上述式子而改變其靈敏度。
[0024]本發(fā)明的主要原理是通過其自感Lkot的測量來精確地確定并且校正RCCT的靈敏度的IED布置。
[0025]通過知道RCCT的線匝數(shù)量，可以通過使用以下關(guān)系從測量的電感值來計算要求的頻率ω的靈敏度Skcct
Srcct " ω Lrcct / Ircct
此式子可以示為適合具有沿著它們的路徑的足夠大的常數(shù)繞組密度以及截面面積的固定形狀的線圈(它不是纏繞的而只沿著路徑移動而保持垂直于它)。式子的有效性不取決于截面面積的具體形狀或大小或線圈內(nèi)的初級導體的位置。這意味著由于不違反上述狀況的尺寸改變的RCCT的靈敏度改變將完全地反映在測量電感中并且可以利用適當?shù)谋壤蜃觼硌a償。這包含一階效應(yīng)，例如由于討論的一個影響的線圈的均勻膨脹或收縮。然而，將不完全補償二階效應(yīng)(例如局部尺寸改變)，無論如何它們對靈敏度的影響被視為很低。因此，基于RCCT的自感的測量的靈敏度漂移的補償會顯著地改進傳感器精度。
[0026]將參考圖來更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1示出示意性地圖示本發(fā)明的原理的框圖，
圖2示出示意性地圖示本發(fā)明的另外實施例的框圖。
[0027]首先參考圖1，這示出根據(jù)本發(fā)明的具有RCCT電感Lkot并且連接到智能電子設(shè)備裝置(IED) 2的標準RCCT 1，它從RCCT電感Lkot的測量來計算并且校正RCCT靈敏度S。
[0028]攜帶要測量的電流(可以是額定電流iK(t))的初級導體7通過傳統(tǒng)的羅果夫斯基線圈I的中心。在次級導體繞組3的一對次級端子8、9之間有額定電流誘導的電壓信號Vs，它可以確定為Vs=S X d (iK (t)) /dt，其中S是羅果夫斯基線圈的靈敏度。
[0029]智能電子設(shè)備裝置(IED) 2包括測量模塊5和校正模塊6。智能電子設(shè)備裝置(IED) 2配置為測量額定電流誘導的電壓信號Vs。
[0030]智能電子設(shè)備裝置(IED) 2配置為將測試電流或電壓信號疊加到次級導體線圈繞組3。響應(yīng)于通過次級導體線圈繞組3的測試電流或電壓信號的導數(shù)，由智能電子設(shè)備裝置(IED) 2 測量 RCCT I 的電感 Lkcct。
[0031]IED 2還配置為通過RCCT電感Lkcct的測量來計算RCCT靈敏度S。
[0032]然后IED 2經(jīng)由輸出信號線10傳遞額定電流iK(t)的輸出值，它獨立于RCCT靈敏度S的改變。
[0033]此外，IED經(jīng)由診斷信號線4由診斷信號來分析計算的S值以通知RCCT的狀態(tài)。因此，可以識別低的制造質(zhì)量以及不可接受的精度漂移。
[0034]IED2同時測量由初級電流生成的輸出電壓以及RCCT的電感(利用疊加到線圈繞組的測試電流或電壓)。然后電感測量用于診斷并且校準RCCT。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置避免RCCT的工廠中校準的需要并且因此降低生產(chǎn)成本。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置不要求RCCT制造過程的任何改變，例如，沒有附加的繞組，沒有附加的連接器。
[0037]IED通過RCCT電感Lkot的測量來計算RCCT靈敏度S。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置允許IED 2傳遞額定電流iK(t)輸出值，它在很大程度上獨立于可以由外部影響(例如，溫度、潮濕、機械壓力、老化)誘導的RCCT的靈敏度改變。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置允許IED 2檢測RCCT、線纜和連接器是否被不正確地制造、或在安裝和壽命期間被消費者損壞或不正確連接。為了這個目的，IED 2識別超出范圍的靈敏度值，即無法由校正模塊6 (參見圖1)補償?shù)撵`敏度值。然后IED經(jīng)由診斷信號線4來傳遞診斷消息。
[0040]現(xiàn)在參考圖2，示出通過其階躍響應(yīng)來執(zhí)行RCCT電感Lkcct的測量的實施例。
[0041]在圖2中示出的實施例中，IED 2’包括A/D轉(zhuǎn)換模塊13、電壓階躍生成模塊14、以及功能模塊A、B、C、D、E，以下將解釋那些的每個功能。IED 2’具有包括A/D轉(zhuǎn)換模塊13和電壓階躍生成模塊14的硬件領(lǐng)域，并且它具有包括功能模塊A、B、C、D、E的軟件領(lǐng)域。
[0042]將RCCT I連接到IED的輸入端子11、12。在硬件領(lǐng)域(HW)中，將具有高輸入電阻(例如，若干兆歐姆)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊13和電壓階躍生成模塊14都連接到這些端子12、13。
[0043]階躍生成模塊14將連續(xù)的電壓脈沖序列疊加到RCCT I的輸出電壓Vs，并且由此在其繞組中誘導電流脈沖序列。
[0044]為了從初級電流獲得好的頻率隔離，電壓脈沖的寬度需要遠小于根據(jù)數(shù)據(jù)率I (見以下)的采樣間隔。然而，它應(yīng)該大于誘導的電流脈沖的時間常數(shù)(其示出指數(shù)形態(tài))。
[0045]在階躍生成模塊14的開關(guān)斷開的期間，在IED 2的輸入處將有失真的信號，因為a)應(yīng)用附加的DC電壓、以及b) RCCT I的輸出幾乎短路，它導致線圈電阻Rkct上的壓降。因此，脈沖序列應(yīng)該具有非常低的占空比，以便限制在DC處和在低頻處產(chǎn)生的電流錯誤。
[0046]可以利用簡單的低溫度系數(shù)電阻Rm 15、一對開關(guān)16、17(例如，模擬CMOS開關(guān))、以及DC電壓源來構(gòu)造階躍生成模塊14。要求Rm測量由階躍電壓生成的電流脈沖并且它具有大約是RCCT電阻Rkot的量值的低歐姆值-其值可以用于控制電流信號的幅度和時間常數(shù)。
[0047]A/D轉(zhuǎn)換模塊13將從具有不同的數(shù)據(jù)率(即數(shù)據(jù)率I 18和數(shù)據(jù)率2 19)的總RCCT輸出電壓Vs來生成兩個數(shù)據(jù)流。為了這樣做，可以實現(xiàn)具有高采樣率的單個sigma-delta轉(zhuǎn)換器和兩個不同的數(shù)字抽取濾波器。
[0048]作為時間參考，可以使用準確的嵌入式振蕩器或受控于外部參考振蕩器(例如，GPS時鐘(例如，秒脈沖PPS時鐘))的振蕩器。
[0049]選擇數(shù)據(jù)率I來滿足用于采樣額定電流IJt)的要求。典型地，每個周期會有80或256個樣本，如在IEC 60044-8中描述的。在此數(shù)據(jù)流中，已經(jīng)過濾出階躍響應(yīng)信號(因為其頻率高于抽取濾波器截止頻率)。
[0050]數(shù)據(jù)率2可以選擇為遠高于數(shù)據(jù)率I。以此方式，RCCT I的階躍響應(yīng)在數(shù)字數(shù)據(jù)流中是可測量的。然而，數(shù)據(jù)率2不一定必須高于數(shù)據(jù)率I。
[0051]軟件(SW)模塊A將適當?shù)目刂菩盘枒?yīng)用到開關(guān)。通過斷開開關(guān)來應(yīng)用電壓階躍以便生成電流脈沖。從此脈沖的測量形狀，模塊C將確定自感Lkct和線圈電阻RKra。只要執(zhí)行階躍響應(yīng)評估，模塊A打開開關(guān)使得RCCT I將只連接到A/D轉(zhuǎn)換單元13。
[0052]SW模塊B包括RCCT的線匝數(shù)量Nkcct。備選地，模塊B可以從位于RCCT I殼體中的EEPROM存儲器中讀取此信息，它包含RCCT I參數(shù)(例如，Necct )0
[0053]模塊C評估RCCT I的電阻Rkot和電感LKCT。重要的是注意Lkcct評估的精度只取決于Rm精度和時間參考精度。在其大部分誘導的行為期間，通過分析階躍響應(yīng)，由于線纜、繞組、印刷電路板(PCB)或連接器的所有寄生電容和雜散電感變得可以忽略。Rkct評估的精度只取決于Rm。這是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)之間的重要差別，其中靈敏度估計精度取決于時間參考和電阻精度，也取決于電壓和電容值。
[0054]模塊D根據(jù)上面給出的式子來計算RCCT的實際靈敏度S。此值是定期更新來補償在RCCT上起作用的外部干擾(例如，溫度、老化、潮濕、機械壓力)。
[0055]此外，模塊D可以用于分析靈敏度或其它參數(shù)是否在根據(jù)應(yīng)用定義的可接受的范圍內(nèi)。如果不是這種情況，則可以經(jīng)由診斷信號線4來生成診斷消息以通知必須在安裝上執(zhí)行維護。
[0056]模塊E讀取S的計算值并且根據(jù)傳感器的特定靈敏度來校正RCCT的I輸出信號。以此方式，增加了數(shù)字輸出IJt)的精度并且它變得獨立于初級傳感器的任何靈敏度變化。
[0057]在下文中，描述在圖2中示出的實施例的一些變化，然而它們未圖示在圖中。
[0058]為了在階躍電壓單元的開關(guān)的打開期間限制誘導的電壓峰值，電壓限制裝置(齊納二極管，等)可跨IED輸入端子而連接。
[0059]代替使用具有非常低的占空比的階躍電壓，可通過利用兩個開關(guān)反轉(zhuǎn)DC電壓的極性來使用具有接近50%的占空比的雙極脈沖序列。在此情況下，低通濾波器(例如，基于電容)需要與開關(guān)串聯(lián)放置以便防止RCCT的輸出短路。其截止頻率需要在額定電流頻率與脈沖序列的頻率之間是良好的。以此方式，將避免DC和低的頻率分量并且將不需要電壓限制裝置。
[0060]如果需要利用長線纜將RCCT連接到IED，則線纜阻抗可影響在高的測量頻率處的靈敏度校準的精度。為了補償寄生阻抗，如果在線纜中有超過兩個導線可用，則可應(yīng)用四端子感測技術(shù)。在此情況下，將利用兩個線來連接每個線圈端子，其中一個用于階躍電壓的應(yīng)用(此電路包括電阻Rm)并且另一個用于穿過線圈的電壓的測量?？梢岳妹總€上述變化(低或高的占空比)來應(yīng)用此方法。
[0061]另一實施例涉及通過其頻率響應(yīng)的RCCT電感的測量。在本實施例中，類似于上述實施例，模塊步驟(參見圖2)被另一模塊X (圖中未示出)代替，生成精確的已知頻率(即，受控于時間參考或外部時鐘)的振蕩(例如，方形、正弦)信號。在本實施例中，模塊C會通過識別關(guān)于電壓和截止頻率的電流的幅度和相位來分析頻率響應(yīng),而由模塊A將頻率掃描應(yīng)用到模塊X。通過分析在數(shù)據(jù)率2處傳遞的數(shù)據(jù)的幅度可以找到截止頻率。
[0062]類似于上面的實施例，A/D轉(zhuǎn)換低通數(shù)字抽取濾波器從數(shù)據(jù)率I中濾出通過電阻Rm的模塊X的線圈的激勵。
[0063]以下再次總結(jié)本發(fā)明的主要特征。
[0064]新的IED布置測量羅果夫斯基線圈電感并且計算線圈靈敏度。因為連接到IED的羅果夫斯基線圈設(shè)計是已知的或被自動檢測的(EEPR0M、連接器配置、線圈電阻率等)，所以IED知道線圈中的線匝的數(shù)量并且可以從測量的電感來計算靈敏度。
[0065]IED并行地執(zhí)行靈敏度估計和額定電流測量。
[0066]以此方式，IED不斷地更新靈敏度值，使得它補償由于溫度、機械壓力、潮濕或老化的靈敏度改變。
[0067]此后者IED能力避免了工廠中的校準和傳感器的溫度特性描述。
[0068]利用相同的原理，IED可以執(zhí)行診斷來檢測損壞的傳感器、線纜或連接器，以及在安裝和壽命期間出現(xiàn)的錯誤連接或超出范圍漂移。
[0069]實現(xiàn)想法的最佳模式是通過與位于IED中的已知的電阻串聯(lián)連接的線圈(然后我們有RL電路)的階躍響應(yīng)來測量電感。
[0070]備選解決方案是通過利用變化頻率的AC信號來退出傳感器而測量RL電路的頻率響應(yīng)。
[0071]本發(fā)明的主要優(yōu)勢包括:
1)本發(fā)明使羅果夫斯基電流傳感器更準確(IEC標準0.2級或更好)
2)本發(fā)明使羅果夫斯基線圈制造過程更便宜，因為它避免了工廠中的校準和溫度特性描述。
[0072]3)與現(xiàn)存的IED相比，可以利用低成本的電子設(shè)備來實現(xiàn)本發(fā)明。
[0073]4)本發(fā)明增加傳感器壽命并且添加一些診斷功能來檢測錯誤安裝、損壞或超出范圍漂移。
[0074]參考符號列表
IRCCT線圈傳感器 2、2’智能電子裝置IED 3次級導體繞組 4診斷信號線 5測量電路 6校正電路 7初級導體 8次級端子 9次級端子 10輸出信號線 11輸入端子 12輸入端子
13A/D轉(zhuǎn)換模塊 14電壓階躍生成模塊 15電阻 16開關(guān) 17開關(guān) 18數(shù)據(jù)率I 19數(shù)據(jù)率2 A功能模塊 B功能模塊 C功能模塊 D功能模塊 E功能模塊。
【權(quán)利要求】
1.一種用于校準包括羅果夫斯基線圈傳感器(I)和電子裝置(2)的羅果夫斯基類型的電流換能器的方法，其特征在于，通過使用所述電子裝置(2)的所述線圈(I)的自感Lkcct的測量來確定并且校正羅果夫斯基類型的所述電流換能器的靈敏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用疊加到線圈繞組(3)的測試電流或測試電壓來測量所述自感。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中由要利用所述線圈傳感器(I)來測量的初級電流所生成的輸出電壓被同時利用羅果夫斯基類型的所述電流換能器(I)的所述線圈的所述自感來測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述自感測量用于診斷并且校準羅果夫斯基類型的所述電流換能器(I)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中通過羅果夫斯基類型的所述電流換能器(I)的所述線圈對與已知的電阻(15)串聯(lián)連接的階躍電壓源的響應(yīng)來測量所述自感。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中通過利用變化頻率的AC信號激勵所述電流換能器以測量羅果夫斯基類型的所述電流換能器(I)的所述線圈和已知的電阻(15)的串聯(lián)電路的頻率響應(yīng)來測量所述自感。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中羅果夫斯基類型的所述電流換能器(I)的所述線圈的線圈設(shè)計參數(shù)由所述電子裝置(2)自動檢測。
8.一種用于對包括羅果夫斯基線圈傳感器(I)和電子裝置(2)的羅果夫斯基類型的電流換能器執(zhí)行診斷的方法，其特征在于，應(yīng)用根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法。
9.一種包括羅果夫斯基線圈傳感器(I)和電子裝置(2)的羅果夫斯基類型的電流換能器，其特征在于，所述電子裝置(2)配置為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項所述的用于校準所述電流換能器的方法。
10.一種包括羅果夫斯基線圈傳感器(I)和電子裝置(2)的羅果夫斯基類型的電流換能器，其特征在于，所述電子裝置(2)配置為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于對電流換能器所述電流換能器執(zhí)行診斷的方法。
【文檔編號】G01R15/18GK104246518SQ201380020937
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月20日
【發(fā)明者】帕斯卡爾 J., 迪塞爾恩克特 R., 楚爾弗盧 F., 德克 B. 申請人:Abb 技術(shù)有限公司