應(yīng)用在混合式光電電流互感器中的Rogowski線圈-

1、應(yīng)用在混合式光電電流互感器中的Rogowski 線圈喬峨1,安作平1,羅承沐2(1.沈陽(yáng)沈變互感器制造有限公司,遼寧沈陽(yáng)110135;2.清華大學(xué)電機(jī)工程系,北京100084摘要:介紹了光電式電流互感器的一種類(lèi)型混合式光電電流互感器的傳感頭采樣線圈,即R og owski 線圈的原理、結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞:光電式電流互感器;傳感頭;R og owski 線圈中圖分類(lèi)號(hào):T M452+.93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-8425(200005-0017-051引言隨著電力系統(tǒng)向高電壓大電流方向發(fā)展,以及現(xiàn)代電力電子和光纖技術(shù)的發(fā)展,基于電磁感應(yīng)原理的傳統(tǒng)充油或充氣式電流互感器面臨挑戰(zhàn),一

2、種新型的利用法拉第磁光效應(yīng)原理的光電式電流互感器越來(lái)越引起各國(guó)科學(xué)家的注意,并已進(jìn)入廣泛的研究階段。光電式電流互感器以其體積小、無(wú)磁飽和、無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、安裝運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)際競(jìng)相研制的熱點(diǎn)。但直到目前,雖有不少試驗(yàn)樣機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行,但進(jìn)入實(shí)用的還很少見(jiàn)。這的公式簡(jiǎn)單、明了,并易于掌握。(2通過(guò)以上公式計(jì)算可以看出,旁柱調(diào)壓變壓器在最大負(fù)分接中壓對(duì)低壓運(yùn)行時(shí),低壓有過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)予以考慮。(3極限阻抗偏差要求較小時(shí)(與額定分接相比,可采用中壓勵(lì)磁,其公式推導(dǎo)可參照以上方法。參考文獻(xiàn)1崔立君,張茂魯,張洪,等.特種變壓器理論與設(shè)計(jì)M.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1996

3、.2路長(zhǎng)柏,朱英浩,等.電力變壓器計(jì)算M.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1990.Deriving R eactance V oltage of Auto -T ransformer withOn -Load V oltage R egulation at Side -Yoke by U singR elative Magnetic Leakage MethodL I You 2xi a n g ,ZHAN G Qi n g 2j u n ,WAN G S hou 2mi n(Shenyang Trans former C o.Ltd ,Shenyang 110025,China Abstra

4、ct :A caculation method of deriving the reactance v oltage of auto -trans former with on -load v oltage regulation at side -y oke is introduced by using relative magnetic leakage method.K ey w ords :Transformer ;On -load voltage regulation ;Side -yoke ;Reactance voltage收稿日期:1999-05-13作者簡(jiǎn)介:李有香(1966-,

5、男,遼寧朝陽(yáng)人,沈陽(yáng)變壓器有限責(zé)任公司裝配車(chē)間主任,從事大型變壓器設(shè)計(jì)與制造工作。張慶軍(1965-,男,遼寧盤(pán)錦人,沈陽(yáng)變壓器有限責(zé)任公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)部銷(xiāo)售二處處長(zhǎng),從事變壓器銷(xiāo)售工作。王壽民(1966-,男(滿(mǎn)族,遼寧東港人,沈陽(yáng)變壓器有限責(zé)任公司高級(jí)工程師,從事大型變壓器設(shè)計(jì)工作。第37卷第5期2000年5月變壓器TRANSFORMERVol .37May No .52000是由于基于法拉第磁光效應(yīng)的傳感頭制作要求高,溫度和振動(dòng)以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題始終沒(méi)能很好地解決的緣故。作為從電磁式電流互感器向光電式電流互感器的過(guò)渡產(chǎn)物的混合式電流互感器目前已進(jìn)入科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室。該型互感器的傳感頭不是光學(xué)元

6、件,而采用了傳統(tǒng)的電流互感器或空心互感器(即R og owski線圈,通過(guò)光纖將信號(hào)從高電位傳輸?shù)降碗娢?。這種結(jié)構(gòu)既具有光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn),又避免了光學(xué)傳感頭存在的溫度和振動(dòng)問(wèn)題。由于這種互感器處于高電位的電子裝置需要可靠的電源供應(yīng),現(xiàn)在已不大采用處于高電位的小電流互感器供電的方式,而采用地電位反射入光能,在高電位處將光能變?yōu)殡娔艿墓╇姺绞?。所以這種光電式電流互感器又可稱(chēng)為混合式光電電流互感器。這種互感器的技術(shù)難點(diǎn)之一是傳感頭取信號(hào)繞組即采樣繞組的制作。采樣繞組可以用傳統(tǒng)的電流互感器,但用傳統(tǒng)互感器仍然存在磁飽和問(wèn)題。由于傳感頭信號(hào)電源輸出容量很小,所以R og owski線圈已能滿(mǎn)足要求。2R

7、og owski線圈與傳統(tǒng)電流互感器的比較電流互感器在繼電保護(hù)和電流測(cè)量中的作用長(zhǎng)期以來(lái)具有不可替代的地位,但在作為保護(hù)用時(shí),電流互感器的飽和問(wèn)題卻一直困擾著人們。當(dāng)電流互感器飽和時(shí)。二次信號(hào)發(fā)生畸變引起繼電器誤動(dòng)作。造成電流互感器飽和的主要成分是一次電流的直流成分。在短路故障的暫態(tài)過(guò)程中,由于直流分量而使得暫態(tài)磁通比穩(wěn)態(tài)磁通大許多倍而飽和,使勵(lì)磁電流猛增,誤差很大,影響到快速繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。另外,閉合鐵心中很可能有較大的剩磁,如果剩磁的極性與暫態(tài)磁通的直流分量的極性相同,鐵心飽和就會(huì)更為嚴(yán)重。這種剩磁可以通過(guò)開(kāi)氣隙加以改善,但仍不盡人意,因這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的鐵心繞組往往體積大、重量重。隨

8、著微機(jī)的普及,在繼電保護(hù)和測(cè)量中應(yīng)用微機(jī)已是不可逆轉(zhuǎn)的潮流,設(shè)備不再需要高功率輸出的電流互感器。這樣一來(lái),低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度良好的R og owski線圈在某些場(chǎng)合下,可以作為傳統(tǒng)電流互感器的代用品。早在20世紀(jì)80年代,R og owski線圈在中壓開(kāi)關(guān)繼電保護(hù)中的應(yīng)用研究已在進(jìn)行,R og owski線圈在高壓開(kāi)關(guān)中的測(cè)量和繼電保護(hù)應(yīng)用也有報(bào)道1。在我國(guó),R og owski線圈的應(yīng)用研究也一直在進(jìn)行中2,3。與傳統(tǒng)電流互感器相比,R og owski線圈有以下優(yōu)點(diǎn)1:(1測(cè)量精度高:精度可設(shè)計(jì)到高于0.1%,一般為1%3%;(2測(cè)量范圍寬:由于沒(méi)有鐵心飽和,同樣的繞組可用來(lái)測(cè)量

9、的電流范圍可從幾安培到幾千安培;(3頻率范圍寬:一般可設(shè)計(jì)到0.1H z到1MH z,特殊的可設(shè)計(jì)到200MH z的帶通;(4可以測(cè)量其它技術(shù)不能使用的受限制領(lǐng)域的小電流;(5生產(chǎn)制造成本低。3R og owski線圈的原理用R og owski線圈測(cè)量電流的原理如圖1所示。該繞組均勻繞在一個(gè)非磁性骨架上 。圖1R og owski線圈原理圖根據(jù)全電流定律:Hd l=I則H=I2r所以B=H=I2r再按電磁感應(yīng)定律:e(t=-dd t=Bd S=0I2r d S=R a R i0I2r h d r=Ih2lnR aR i則磁鏈為:=N所以感應(yīng)電勢(shì)e(t為:e(t=-dd t=-Nh2lnR a

10、R id Id t式中I導(dǎo)體中流過(guò)的瞬時(shí)電流,Ar Rogowski線圈的骨架的任意半徑0真空磁導(dǎo)率,4×10-7Hm81變壓器第37卷N 繞組匝數(shù)h 骨架高度,m R a 骨架外徑,m R j骨架內(nèi)徑,m繞組互感M :M =0Nh 2ln R aR i Rogowski 線圈的感應(yīng)電勢(shì)便是:e (t =-Md I d t當(dāng)一次側(cè)流過(guò)方均根值為I N 的正弦電流時(shí),Rogowski 線圈的輸出電壓方均根值為E =MI N 。圖2R og owski 線圈等效電路圖現(xiàn)在我們分析包含有暫態(tài)分量的一次電流時(shí)的輸出電壓。圖2是測(cè)量回路的等效電路圖,R b 是取信號(hào)電阻,u out 是繞組的輸

11、出電壓,則回路方程為:i (t =u outR b(1e (t =L R b d u outd t +R 2u out R b+u out(2式中L繞組自感,H R 2繞組繞線電阻,把e (t =-Md Id t代入上式,得-M d I d t =L R b d u outd t +R 2u out R b+u out(3式中L =N i =(0N 2h 2ln (R a R i 代入式(3得:-R b N d I d t =d u out d t +R 2L u out +R bLu out-R b N d I d t =d u out d t +(R 2+R bLu out (4設(shè)T 2=

12、L R 2+R b,且I (t =I m (e -t T1-cos t (5式中I m一次電流交流分量幅值,AT 1一次電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù),ms對(duì)式(4和式(5進(jìn)行拉氏變換:I (s =I m (-s s 2+2+1s +1T 1-R b N sI (s =su out (s +1T 2u out (s u out (s =-R bNsI (s ×(1s +1T 2式中s 拉氏變換因子將I (s 代入上式:u out (s =-R bNsI m ×(1s +1T 2×(-ss 2+2+1s +1T 1=-R b N I m (-2T 221+2T 22

13、15;s s 2+2+T 21+2T 22×s 2+2-11+2T 22×1s +1T 2-T 1T 2-T 1×1s +1T 2+T 2T 2-T 1×1s +1T 1(6對(duì)上式進(jìn)行拉氏反變換:設(shè)A =-2T 221+2T 22,B =T 21+2T 22,Q =-11+2T 22-T 1T 2-T 1,P =T 2T 2-T 1則:u out (t =-R bNI m A cos (t +B sin (t +Qe-t T2+Pe-t T1(7從式(7看出,輸出電壓共包含四個(gè)分量,前兩個(gè)分量是周期性分量,后兩個(gè)是非周期性分量?？砂匆韵聝蓚€(gè)表達(dá)式:u o

14、ut (t =-R bNI m A cos (t +B sin (t (8u out (t =-R b NI m (Qe-t T 2+Pe-t T1(9若令d u out d t=0,可求得非周期性輸出電壓達(dá)到最大值的時(shí)間:91第5期喬峨、安作平、羅承沐:應(yīng)用在混合式光電電流互感器中的R og owski 線圈t m=T1T2T1-T2ln(-QPT1T2(10下面我們討論Rogowski線圈的穩(wěn)態(tài)特性的誤差:由式(8可表示為:u out(t=-R bNI m A2+B2cos(t+(11式中=arctan(BA(12所以Rogowski線圈的穩(wěn)態(tài)誤差為:=K N u out -I1I1,%式

15、中KN 額定變比,KN=I1nU2nI1實(shí)際一次側(cè)電流式(12中的就是繞組的相位差。繞組的暫態(tài)特性的影響參數(shù)分析如下:從式(9可以看出,與一次電流相比,對(duì)直流分量的大小主要取決于二次側(cè)時(shí)間常數(shù)。二次回路時(shí)間常數(shù)T2為:T2=LR2+R bT2的大小取決于繞組的自感L、繞組電阻R2和負(fù)荷電阻Rb。繞組的自感L=Ni=(0N2h2ln(R aR i其繞組的匝數(shù)平方成正比,與繞組的高度成正比,還與繞組的內(nèi)外徑有關(guān),即與ln(RaR i成正比?？紤]到我們所研究的電子式光電電流互感器的整體結(jié)構(gòu)在體積與重量上要盡可能小,因此,繞組電感值較小,時(shí)間常數(shù)T2就很小。在式(9中,第一項(xiàng)衰減非?？?只有第二項(xiàng)在起

16、作用,即一次衰減時(shí)間常數(shù)起作用,亦即一次電流成線性變換到二次側(cè)。輸出電壓為:u out=-R bNI(t(13從上式可以看出,在數(shù)值上輸出電壓與一次電流成正比。下面我們就相同結(jié)構(gòu)的帶氣隙鐵心繞組與R og owski線圈計(jì)算參數(shù)進(jìn)行比較:從表1中可以看出,兩者的時(shí)間常數(shù)相差80多倍,二次時(shí)間常數(shù)衰減快,可以正確反映短路電流。4試驗(yàn)研究4.1樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)表1計(jì)算參數(shù)比較帶氣隙鐵心繞組R og owski線圈鐵心尺寸mm175267×125骨架mm175267×125鐵心重kg29.5骨架重kg 5.6繞線匝數(shù)匝2500繞線匝數(shù)匝2500負(fù)荷R b0.354負(fù)荷R b354二

17、次時(shí)間常數(shù)T2s1.719二次時(shí)間常數(shù)T2s0.0209二次電流A1二次電流A0.001我們所研究的電子式光電電流互感器樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下:額定電壓:500kV一次電流:2500A額定頻率:50H z暫態(tài)特性:一次時(shí)間常數(shù):100ms對(duì)稱(chēng)短路系數(shù):20工作循環(huán):C-100ms-O-300ms-C-40ms -O輸出電壓:最大值10V額定值0.354V后級(jí)電子線路系統(tǒng)要求采樣繞組輸出電壓最大值為10V。根據(jù)這一要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)繞組,一個(gè)為帶氣隙鐵心繞組,另一個(gè)為R og owski線圈,作為系統(tǒng)的采樣繞組。對(duì)于帶氣隙鐵心繞組,我們的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)TP4Y級(jí)暫態(tài)保護(hù)的要求,即準(zhǔn)確限值以在規(guī)

18、定的工作順序內(nèi)的峰值瞬時(shí)誤差確定,剩余磁通不超過(guò)飽和磁通的10%,其峰值瞬時(shí)誤差以一次電流交流分量峰值的百分比表示;對(duì)于R og owski線圈,我們的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足其后續(xù)電子線路的電壓輸入要求,且采樣信號(hào)穩(wěn)定可靠,其輸出電壓以一次電流的百分比表示誤差不超過(guò)3%。帶氣隙鐵心繞組滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的最小尺寸,即為表1所列尺寸,其暫態(tài)誤差為4.98%;R og owski線圈的骨架尺寸可以設(shè)計(jì)為130170×16,電壓輸出及誤差即可達(dá)到要求。4.2樣機(jī)的結(jié)構(gòu)樣機(jī)的整體結(jié)構(gòu)包括頂部殼體、絕緣支柱、底座和安裝在控制室的信號(hào)接收及處理四部分。采樣繞02變壓器第37卷組安裝在樣機(jī)的頂部殼體內(nèi)。為了減小產(chǎn)品的

19、結(jié)構(gòu)和降低產(chǎn)品的成本,在滿(mǎn)足要求的情況下,應(yīng)盡可能地減小各個(gè)部件的尺寸。我們樣機(jī)所設(shè)計(jì)的尺寸是帶氣隙鐵心繞組的最小尺寸為118334×197,而R og owski 線圈的最小尺寸為116180×29。兩者在體積上相差20多倍,重量上相差100多倍。由于試驗(yàn)條件所限,我們只進(jìn)行了R og owski 線圈的輸出電壓及其線性測(cè)試研究。我們手工繞制了上述R og owski 線圈,骨架尺寸為130170×16的酚醛紙板,用0.9的縮醛漆包圓銅線密繞2000匝做成R og owski 線圈,繞組尺寸為116180×29。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。表2試驗(yàn)數(shù)據(jù) 250

20、0輸出電壓U 2V0.1150.2330.3490.4670.579由圖3可見(jiàn),R og owski 線圈的線性度良好,很適合我們作電流互感器的繼電保護(hù)用。圖3I -U 曲線在實(shí)際應(yīng)用中,由于輸出二次電壓與一次母線電流的導(dǎo)數(shù)成正比,故在相位上兩者相差90°,這樣我們需在線路里加一RC 積分環(huán)節(jié),使其相位一致。另外,為免受周?chē)艌?chǎng)干擾, 將R og owski 線圈置于一定厚度的屏蔽罩內(nèi)。屏蔽問(wèn)題不屬于本文的內(nèi)容,在此暫不論述。4.3積分環(huán)節(jié)加積分環(huán)節(jié)后的等效電路見(jiàn)圖4。這樣整個(gè)采樣繞組回路由繞組回路部分、測(cè)量回路和積分回路三部分組成?，F(xiàn)在研究接入積分回路后的輸入電流與積分電壓之間的關(guān)

21、系。由圖4可列出積分回路的回路方程如下:u out =Ri c +u c圖4等效電路圖i c =Cd u cd t所以u(píng) out =RC d u cd t+u c (14解以上微分方程式得:u c =1RCu out e-t RC(15將式(13代入上式u c =R b RCNI (t e -t RC(16由式(16可知衰減常數(shù)=1RC ,當(dāng)選擇較大的R 、C 值時(shí),可以消除或減少衰減,而且經(jīng)過(guò)RC 積分環(huán)節(jié)后,可以使u c 在相位上與I (t 基本保持一致。我們?cè)?.2節(jié)所設(shè)計(jì)的Rogowski 線圈加RC 電路進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)R =30k,C =1.5F 時(shí),測(cè)出u c 與u out 相位差

22、僅為1°,而該相位差在后級(jí)電子電路是可以校正的。5總結(jié)通過(guò)以上分析,在我們所研究的混合式光電電流互感器上可以選用R og owski 線圈作為低電壓輸出要求的電流測(cè)量和繼電保護(hù)應(yīng)用。R og owski 線圈不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度良好、無(wú)磁飽和、測(cè)量頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn),而且體積小、重量輕,非常適合混合式光電電流互感器的取信號(hào)采樣繞組用。關(guān)于R og owski 線圈暫態(tài)特性的試驗(yàn)研究及其配合光電電流互感器的整機(jī)試驗(yàn),以及由于引入積分環(huán)節(jié)而導(dǎo)致的附加誤差有待于我們進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1K ojovic L.R og owski coils suit relay protecti

23、on andmeasurementJ .IEEE C omputer Applications in P ower ,1997,(7:4752.2羅承沐,高英,崔豪等.脈沖電流測(cè)量線圈的研究和C AD 設(shè)計(jì)J .清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,1995,35(4:1828.3張適昌.外積分羅柯夫斯基線圈J .高電壓技術(shù),1986,(2:3740.12第5期喬峨、安作平、羅承沐:應(yīng)用在混合式光電電流互感器中的R og owski 線圈Vol . 37 第 37 卷 5 期 第 No . 5 變壓器 May 2000 年 5 月 2000 TRANSFORMER 交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)牽引變壓器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)

24、問(wèn)題 馬錄寶 ,姜悅禮 ,張金平 ( 大同機(jī)車(chē)廠設(shè)計(jì)處 , 山西 大同 037038 摘要 : 針對(duì)交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的傳動(dòng)特點(diǎn) ,對(duì)其中的牽引變壓器的工作狀態(tài)進(jìn)行了分析 ,指出交流傳動(dòng)電力 機(jī)車(chē)用牽引變壓器設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的牽引繞組的短路阻抗大 、 電流的高次諧波 、 網(wǎng)壓波動(dòng)大可能引起的過(guò)勵(lì)磁以及 直流磁化等問(wèn)題 ,同時(shí)給出了相應(yīng)的一些解決方法 。 關(guān)鍵詞 : 牽引變壓器 ; 電力機(jī)車(chē) ; 交流傳動(dòng) ; 諧波 ; 短路阻抗 中圖分類(lèi)號(hào) : TM922. 73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1001 - 8425 ( 2000 - 05 - 0022 - 04 質(zhì)的不同 ,因此作為重要部件之一的牽

25、引變壓器對(duì) 于在交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)上和相控交直傳動(dòng)電力機(jī)車(chē) 上使用也有所不同 。本文著重從外部環(huán)境對(duì)交流傳 動(dòng)電力機(jī)車(chē)牽引變壓器的影響的角度 , 分幾個(gè)問(wèn)題 進(jìn)行說(shuō)明 。 1 引言 隨著大功率半導(dǎo)體元件及逆變器技術(shù)的迅猛發(fā) 展 ,交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)已成為當(dāng)今電力機(jī)車(chē)的發(fā)展 方向 。目前 ,我國(guó)也已經(jīng)開(kāi)始研究交流傳動(dòng)電力機(jī) 車(chē) ,并已于 1996 年研制生產(chǎn)了第一臺(tái) AC4000 型交 流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē) 。傳統(tǒng)的相控交直傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)采 用晶閘管與整流管相結(jié)合 , 將交流電變?yōu)橹绷麟姽?給直流牽引電動(dòng)機(jī) ,這種傳動(dòng)方式功率因數(shù)低 ,網(wǎng)側(cè) 電流波形正弦性差 , 牽引特性差 。交流傳動(dòng)電力機(jī) 車(chē)采用交 交或交 直 交傳動(dòng) , 采用交流電動(dòng)機(jī) 作為牽引動(dòng)力 ,這種傳動(dòng)方式功率因數(shù)高 ,網(wǎng)側(cè)電流 波形接近正弦 , 牽引特性好 。由于交流傳動(dòng)電力機(jī) 車(chē)同相控交直傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電路及其控制有著本 2 環(huán)境條件 交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)牽引變壓器一般都部分或全 部安裝于機(jī)車(chē)車(chē)底下 。牽引變壓器高度受到嚴(yán)格限 制 ,散熱條件相當(dāng)惡劣 , 環(huán)境溫度為 - 25 40 , 除 了要承受風(fēng)雨塵埃的侵襲外 , 還要直接承受來(lái)自走 行部三個(gè)方向的較大