CN113884772B - 一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***及方法 - Google Patents

一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***及方法，属于电气测试技术领域，是针对现有技术操作复杂，测试方法的适用范围窄等问题提出。包括交流电流源、大截面电缆导体、比例变压器、所述比例变压器包括比例变压器的原边第一绕组、比例变压器的原边第二绕组、比例变压器的副边绕组，电流互感器、可调电容器、采样电阻、相位比较器、差动放大器A、差动放大器B、比例变压器输出线、采样电阻输出线和相位比较器输出线。可以提高测量精度和抗干扰性，原理简单，易于实现。

Description

一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试系 统及方法
技术领域
本发明属于电气测试技术领域，特别是涉及一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***及方法。
背景技术
在交流激励作用下，交流电力电缆导体可以等效为电阻和电感的串联。其中，交流等效电阻是交流电力电缆载流量计算的决定性参数。当交流电力电缆导体中流过交流电流时，其交流等效电阻两端将产生阻性电压分量，等效电感两端将产生感性电压分量。对于截面积超过1600mm2的交流电力电缆导体，其感性电压分量通常为阻性电压分量的40倍以上。如何削弱或消除感性电压分量对阻性电压分量的影响是实现交流电力电缆的交流等效电阻测量的关键。
目前，常用于测量大截面电缆导体交流等效电阻的方法主要有回流线法和电桥法等。回流线法是利用电缆的金属护套作为导体的回流线路，消除导体中电流所产生邻近效应、感应电压和回路电抗对交流等效电阻测试的影响，但是，这种方法并不适用于无护套电缆导体交流等效电阻的评估。电桥法是在开尔文电桥基础上，将大截面电缆导体试样与标准电容器构成电桥臂，通过调节电桥平衡可以获得大截面电缆导体的等效电阻和电感，但是，操作复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***及方法，可以解决现有大截面电缆导体交流等效电阻测试方法的适用范围窄，操作复杂等问题。
本发明采用的技术方案在于：
一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***，包括：交流电流源、大截面电缆导体、比例变压器、所述比例变压器包括比例变压器的原边第一绕组、比例变压器的原边第二绕组、比例变压器的副边绕组，电流互感器、可调电容器、采样电阻、相位比较器、差动放大器A、差动放大器B、比例变压器输出线、采样电阻输出线和相位比较器输出线；
交流电流源与大截面电缆导体连接，差动放大器A的两个输入端分别与大截面电缆导体的首端和末端相连，差动放大器A的输出端与比例变压器的原边第一绕组首端相连，电流互感器将主回路的电流耦合到由可调电容器和采样电阻连接构成的副边绕组回路，电流互感器的两端分别与可调电容器和采样电阻的一端连接，差动放大器B的输入端分别与可调电容器的首端和末端相连，差动放大器B的输出端与比例变压器的原边第二绕组首端相连，相位比较器的输入端分别与比例变压器输出线和采样电阻输出线相连，比例变压器输出线与比例变压器的副边绕组连接，比例变压器输出线、采样电阻输出线和相位比较器输出线分别与计算机数字采集卡的输入端相连，比例变压器的原边第一绕组末端与地相连，比例变压器的原边第二绕组末端与地相连，电流互感器和采样电阻的连接端与地相连；
所述交流电流源，用于提供交流电源；
所述大截面电缆导体，用于作为被测导体；
所述比例变压器，包括比例变压器的原边第一绕组，比例变压器的原边第二绕组，比例变压器的副边绕组，用于产生电压；
所述电流互感器，用于将主回路的电流耦合到由可调电容器和采样电阻构成的副边绕组回路；
所述可调电容器，用于通过调节使得比例变压器的副边绕组输出电压与采样电阻的输出电压/>同相位；
所述采样电阻，用于对电压进行采样；
所述相位比较器，用于比较相位；
所述差动放大器A，用于放大交流信号；
所述差动放大器B，用于放大交流信号；
所述比例变压器输出线、所述采样电阻输出线和所述相位比较器输出线，用于与计算机数字采集卡的输入端相连，实时采集和存储测试回路中的电压、电流和相位比较信号。
一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试方法，包括以下步骤：
步骤S1，求大截面电缆导体的交流等效电阻Rx的电压，等效电感Lx的电压；
步骤S2，求可调电容器的电容两端电压，采样电阻的电阻两端电压；
步骤S3，求比例变压器的副边绕组的电压；
步骤S4，通过步骤S1，步骤S2和步骤S3求大截面电缆导体的交流等效电阻。
进一步地，所述步骤S1实施方式为：
在交流电流源输出角频率ω的正弦电流作用下，大截面电缆导体的交流等效电阻Rx的电压公式：
式(1)中：为交流等效电阻Rx上的电压，/>为正弦电流，Rx为大截面电缆导体的交流等效电阻；
等效电感Lx的电压公式：
式(2)中：为等效电感Lx上的电压，ω为输出角频率，Lx为等效电感，/>为正弦电流。
进一步地，所述步骤S2实施方式为：
在电流互感器的耦合系数k作用下，电流互感器副边绕组回路中的电流在可调电容器的电容两端电压公式：
式(3)中：为可调电容器的电容两端电压，k为耦合系数，/>为正弦电流，ω为输出角频率，C为电容容量；
在采样电阻的电阻两端产生电压，电压公式：
式(4)中：为采样电阻的电阻两端电压，k为耦合系数，/>为正弦电流，R为采样电阻的电阻。
进一步地，所述步骤S3实施方式为：
可调电容器两端的电压以及比例变压器的原边第二绕组两端的电压为
比例变压器的原边第一绕组和比例变压器的原边第二绕组与比例变压器的副边绕组(33)的匝数比相同为n，比例变压器的原边第一绕组和比例变压器的原边第二绕组在比例变压器的副边绕组上通过电磁耦合产生电压，电压公式：
式(5)中：为比例变压器的副边绕组电压，n为匝数比，/>为交流等效电阻Rx上的电压，/>为等效电感Lx上的电压，/>为比例变压器的原边第二绕组两端电压。
进一步地，所述步骤S4，实施方式为：
通过调节可调电容器使得比例变压器的副边绕组输出电压与采样电阻的输出电压/>同相位，即比例变压器的副边绕组的电压/>中/>分量为零，则大截面电缆导体的交流等效电阻为：
式(6)中：Rx为交流等效电阻，为交流等效电阻Rx上的电压，/>为正弦电流，/>为比例变压器的副边绕组的电压，n为匝数比，k为耦合系数，R为采样电阻的电阻，/>采样电阻的电阻两端电压。
本发明的有益效果是：
1.原理简单，易于实现。
2.只需要通过调节可调电容器就可以将大截面电缆导体中的阻性电压分量和感性电压分量分离开。
3.通过比例变压器将大截面电缆导体中的阻性电压分量进行放大，可以提高测量精度和抗干扰性，还能够同时获得大截面电缆导体交流等效电阻和等效电感的参数值。
附图说明
图1是一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***及方法的原理图；
图中：1、交流电流源；2、大截面电缆导体；3、比例变压器；31、比例变压器的原边第一绕组；32、比例变压器的原边第二绕组；33、比例变压器的副边绕组；4、电流互感器；5、可调电容器；6、采样电阻；7、相位比较器；8、差动放大器A；9、差动放大器B；10、比例变压器输出线；11、采样电阻输出线；12、相位比较器输出线。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：交流电流源1、大截面电缆导体2、比例变压器3、所述比例变压器3包括比例变压器的原边第一绕组31、比例变压器的原边第二绕组32、比例变压器的副边绕组33，电流互感器4、可调电容器5、采样电阻6、相位比较器7、差动放大器A8、差动放大器B9、比例变压器输出线10、采样电阻输出线11和相位比较器输出线12。
交流电流源1与大截面电缆导体2构成主回路，差动放大器A8的两个输入端分别与大截面电缆导体2的首端和末端相连，差动放大器A8的输出端与比例变压器的原边第一绕组31首端相连，电流互感器4将主回路的电流耦合到由可调电容器5和采样电阻6连接构成的副边绕组回路，电流互感器4的两端分别与可调电容器5和采样电阻6的一端连接，差动放大器B9的输入端分别与可调电容器5的首端和末端相连，差动放大器B9的输出端与比例变压器的原边第二绕组32首端相连，相位比较器7的输入端分别与比例变压器输出线10和采样电阻输出线11相连，比例变压器输出线10与比例变压器的副边绕组33连接，比例变压器输出线10、采样电阻输出线11和相位比较器输出线12分别与计算机数字采集卡的输入端相连，比例变压器的原边第一绕组31末端与地相连，比例变压器的原边第二绕组32末端与地相连，电流互感器4和采样电阻6的连接端与地相连。
所述交流电流源1，用于提供交流电源；
所述大截面电缆导体2，用于作为被测导体；
所述比例变压器3，包括比例变压器的原边第一绕组31，比例变压器的原边第二绕组32，比例变压器的副边绕组33，用于产生电压；
所述电流互感器4，用于将主回路的电流耦合到由可调电容器5和采样电阻6构成的副边绕组回路；
所述可调电容器5，用于通过调节使得比例变压器的副边绕组33输出电压与采样电阻6的输出电压/>同相位；
所述采样电阻6，用于对电压进行采样；
所述相位比较器7，用于比较相位；
所述差动放大器A8，用于放大交流信号；
所述差动放大器B9，用于放大交流信号；
所述比例变压器输出线10、所述采样电阻输出线11和所述相位比较器输出线12，用于与计算机数字采集卡的输入端相连，实时采集和存储测试回路中的电压、电流和相位比较信号。
本实施例实施过程如下：
测试线路主要由交流电流源1、大截面电缆导体2、比例变压器3、电流互感器4、可调电容器5、采样电阻6和相位比较器7等组成。
交流电流源1与大截面电缆导体2构成主回路。在交流电流源1输出角频率ω的正弦电流作用下，大截面电缆导体的交流等效电阻Rx上电压公式：
式(1)中：为等效电阻Rx上的电压，/>为正弦电流，Rx为大截面电缆导体的交流等效电阻。
等效电感Lx上电压公式：
式(2)中：为等效电感Lx上的电压，ω为输出角频率，Lx为等效电感，/>为正弦电流。
差动放大器A8的两个输入端分别与大截面电缆导体2的首端和末端相连，获得大截面电缆导体两端的电压，电压公式：
式(3)中：为大截面电缆导体两端的电压，/>为等效电阻Rx上的电压，/>为等效电感Lx上的电压。
差动放大器A8的输出端与比例变压器的原边第一绕组31首端相连。比例变压器的原边第一绕组31两端电压为
电流互感器4将主回路的电流耦合到由可调电容器5和采样电阻6构成的副边绕组回路。在电流互感器4的耦合系数k作用下，电流互感器4副边绕组回路中的电流在可调电容器5的电容两端产生电压公式：
式(4)中：为可调电容器5的电容两端电压，k为耦合系数，/>为正弦电流，ω为输出角频率，C为电容容量。
在采样电阻6的电阻两端产生电压，电压公式：
式(5)中：为采样电阻6的电阻两端电压，k为耦合系数，/>为正弦电流，R为采样电阻6的电阻。
差动放大器B9的输入端分别与可调电容器5的首端和末端相连，获得可调电容器5两端的电压为差动放大器B9的输出端与比例变压器的原边第二绕组32首端相连。比例变压器的原边第二绕组32两端电压为/>
比例变压器的原边第一绕组31和比例变压器的原边第二绕组32与比例变压器的副边绕组33的匝数比相同为n，比例变压器的原边第一绕组31和比例变压器的原边第二绕组32在比例变压器的副边绕组33上通过电磁耦合产生电压，电压公式：
式(6)中：为比例变压器的副边绕组33电压，n为匝数比，/>为等效电阻Rx上的电压，/>为等效电感Lx上的电压，/>为比例变压器的原边第二绕组32两端电压。
相位比较器7的输入端分别与比例变压器输出线10和采样电阻输出线11相连，通过调节可调电容器5使得比例变压器的副边绕组33输出电压与采样电阻6的输出电压/>同相位，即比例变压器的副边绕组33的电压/>中/>分量为零，则大截面电缆导体的交流等效电阻为：
式(7)中：Rx为交流等效电阻，为等效电阻Rx上的电压，/>为正弦电流，/>为比例变压器的副边绕组33的电压，n为匝数比，k为耦合系数，R为采样电阻6的电阻，/>采样电阻6的电阻两端电压。
同时，还可以计算出大截面电缆导体的等效电感为：
式(8)中：Lx为等效电感，k为耦合系数，ω为输出角频率，C为电容容量。
比例变压器输出线10、采样电阻输出线11和相位比较器输出线12分别与计算机数字采集卡的输入端相连，实时采集和存储测试回路中的电压、电流和相位比较信号。
实施例中可能用到的交流电流源型号为：济南能华机电设备有限公司的NHAC10V-100A，差动放大器型号为：南京鸿宾微弱信号检测有限公司的815A，电流互感器型号为：深圳市知用电子有限公司的CTA200，数字采集卡的型号为：NI USB6009。

Claims (6)

1.一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试***，其特征在于，包括：交流电流源(1)、大截面电缆导体(2)、比例变压器(3)、所述比例变压器(3)包括比例变压器的原边第一绕组(31)、比例变压器的原边第二绕组(32)、比例变压器的副边绕组(33)，电流互感器(4)、可调电容器(5)、采样电阻(6)、相位比较器(7)、差动放大器A(8)、差动放大器B(9)、比例变压器输出线(10)、采样电阻输出线(11)和相位比较器输出线(12)；
交流电流源(1)与大截面电缆导体(2)连接，差动放大器A(8)的两个输入端分别与大截面电缆导体(2)的首端和末端相连，差动放大器A(8)的输出端与比例变压器的原边第一绕组(31)首端相连，电流互感器(4)将主回路的电流耦合到由可调电容器(5)和采样电阻(6)连接构成的副边绕组回路，电流互感器(4)的两端分别与可调电容器(5)和采样电阻(6)的一端连接，差动放大器B(9)的输入端分别与可调电容器(5)的首端和末端相连，差动放大器B(9)的输出端与比例变压器的原边第二绕组(32)首端相连，相位比较器(7)的输入端分别与比例变压器输出线(10)和采样电阻输出线(11)相连，比例变压器输出线(10)与比例变压器的副边绕组(33)连接，比例变压器输出线(10)、采样电阻输出线(11)和相位比较器输出线(12)分别与计算机数字采集卡的输入端相连，比例变压器的原边第一绕组(31)末端与地相连，比例变压器的原边第二绕组(32)末端与地相连，电流互感器(4)和采样电阻(6)的连接端与地相连；
所述交流电流源(1)，用于提供交流电源；
所述大截面电缆导体(2)，用于作为被测导体；
所述比例变压器(3)，包括比例变压器的原边第一绕组(31)，比例变压器的原边第二绕组(32)，比例变压器的副边绕组(33)，用于产生电压；
所述电流互感器(4)，用于将主回路的电流耦合到由可调电容器(5)和采样电阻(6)构成的副边绕组回路；
所述可调电容器(5)，用于通过调节使得比例变压器的副边绕组(33)输出电压与采样电阻(6)的输出电压/>同相位；
所述采样电阻(6)，用于对电压进行采样；
所述相位比较器(7)，用于比较相位；
所述差动放大器A(8)，用于放大交流信号；
所述差动放大器B(9)，用于放大交流信号；
所述比例变压器输出线(10)、所述采样电阻输出线(11)和所述相位比较器输出线(12)，用于与计算机数字采集卡的输入端相连，实时采集和存储测试回路中的电压、电流和相位比较信号。
2.一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，求大截面电缆导体(2)的交流等效电阻Rx的电压，等效电感Lx的电压；
步骤S2，求可调电容器(5)的电容两端电压，采样电阻(6)的电阻两端电压；
步骤S3，求比例变压器的副边绕组(33)的电压；
步骤S4，通过步骤S1，步骤S2和步骤S3求大截面电缆导体(2)的交流等效电阻。
3.根据权利要求2所述的一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试方法，其特征在于，所述步骤S1实施方式为：
在交流电流源(1)输出角频率ω的正弦电流作用下，大截面电缆导体(2)的交流等效电阻Rx的电压公式：
式(1)中：为交流等效电阻Rx上的电压，/>为正弦电流，Rx为大截面电缆导体(2)的交流等效电阻；
等效电感Lx的电压公式：
式(2)中：为等效电感Lx上的电压，ω为输出角频率，Lx为等效电感，/>为正弦电流。
4.根据权利要求2所述的一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试方法，其特征在于，所述步骤S2实施方式为：
在电流互感器(4)的耦合系数k作用下，电流互感器(4)副边绕组回路中的电流在可调电容器(5)的电容两端电压公式：
式(3)中：为可调电容器(5)的电容两端电压，k为耦合系数，/>为正弦电流，ω为输出角频率，C为电容容量；
在采样电阻(6)的电阻两端产生电压，电压公式：
式(4)中：为采样电阻(6)的电阻两端电压，k为耦合系数，/>为正弦电流，R为采样电阻(6)的电阻。
5.根据权利要求2所述的一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试方法，其特征在于，所述步骤S3实施方式为：
可调电容器(5)两端的电压以及比例变压器的原边第二绕组(32)两端的电压为
比例变压器的原边第一绕组(31)和比例变压器的原边第二绕组(32)与比例变压器的副边绕组(33)的匝数比相同为n，比例变压器的原边第一绕组(31)和比例变压器的原边第二绕组(32)在比例变压器的副边绕组(33)上通过电磁耦合产生电压，电压公式：
式(5)中：为比例变压器的副边绕组(33)电压，n为匝数比，/>为交流等效电阻Rx上的电压，/>为等效电感Lx上的电压，/>为比例变压器的原边第二绕组(32)两端电压。
6.根据权利要求2所述的一种基于比例变压器的大截面电缆导体交流等效电阻测试方法，其特征在于，所述步骤S4，实施方式为：
通过调节可调电容器(5)使得比例变压器的副边绕组(33)输出电压与采样电阻(6)的输出电压/>同相位，即比例变压器的副边绕组(33)的电压/>中/>分量为零，则大截面电缆导体(2)的交流等效电阻为：
式(6)中：Rx为交流等效电阻，为交流等效电阻Rx上的电压，/>为正弦电流，/>为比例变压器的副边绕组(33)的电压，n为匝数比，k为耦合系数，R为采样电阻(6)的电阻，/>采样电阻(6)的电阻两端电压。
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