電子式電流互感器的實驗研究

電子式電流互感器的實驗研究

30年來，gis已成為主要的郊區(qū)和高壓設備。隨著電力系統(tǒng)自動化水平的不斷提高,智能化的GIS已開始出現(xiàn)并將逐步取代傳統(tǒng)的一、二次分離的GIS,智能化GIS采用新型的電流電壓互感器,不僅測量性能優(yōu)越,并且可做到實時監(jiān)測,從而實現(xiàn)真正的狀態(tài)維修。羅氏線圈(Rogowski線圈)電子式電流互感器是新型的電流互感器,它的線性度好、測量范圍寬,不存在磁飽和問題,體積小、可靠性高。目前ABB和日本三菱已開始將羅氏電流互感器應用在其智能化GIS上,國內目前還沒有將其應用于GIS。本文研究目的是制作應用于252kVGIS的額定電流600A、0.5級羅氏電流互感器。1李氏線圈的等溫工藝羅氏電流互感器利用Rogowski線圈(羅氏線圈)測量一次導體中電流所產生磁場的變化(如圖1),從而反映出一次導體中電流的大小。羅氏線圈是一個纏繞在非磁性骨架上的均勻密繞螺線圈,當線圈幾何尺寸均勻時,感應電勢e(t)為:式中N、h、ro、ri分別為羅氏線圈的匝數(shù)、高度、外徑和內徑。考慮分布參數(shù)(L、R0、C0為線圈的等效電感、電阻、電容),羅氏線圈的輸出電壓U0為:羅氏線圈的輸出電壓與一次電流成線性微分關系,必須對其進行積分才能反映電流相位。為增加其抗干擾性,必須就地將其數(shù)字化,經過光電轉換最后利用光纖將數(shù)字信號送出。2羅氏感覺源的誤差、干擾和減少2.1羅氏線圈2.1.1壓和線圈相位差的影響對于一個確定的羅氏線圈,其感應電勢和一次電流成嚴格的線性微分關系,輸出電壓和線圈的感應電勢會有一定的幅值和相位差(θ1),它們的幅值差不會影響線性的關系,但相位差會造成線圈的輸出電壓與一次電流不再是嚴格的微分關系,其值為:合理設計線圈的相關參數(shù),可將此項誤差降到完全適合工頻電流測量的程度。2.1.2響到線圈的輸出電壓羅氏線圈的幾何尺寸有內徑ri、外徑r0、高度h、螺距(繞線密度),任一參數(shù)發(fā)生變化或存在誤差時都會影響到線圈的輸出電壓。由于制作工藝的限制不可能做到完全理想化,任何參數(shù)誤差在實際制作中都有可能出現(xiàn)。式(1)是理想情況下羅氏線圈的感應電勢計算公式,對于幾何尺寸它的誤差δE(t)為:因此制作羅氏線圈必須采取先進可靠的工藝,使用高精度的線圈繞制機械,嚴格保證線圈半徑、截面積、繞線密度、張力等的均勻性和一致性。2.1.3電壓偏差測試一次導體不在線圈中心時,線圈的輸出電壓不變。但如果線圈的幾何參數(shù)不均勻,它的輸出電壓將會產生誤差。實際制作的線圈幾何尺寸是不可能絕對均勻的,工程安裝也不可能絕對保證一次導體在線圈中心的。另外GIS在出廠實驗和現(xiàn)場安裝過程中可能會有幾次分裝過程,因此一次導體的安裝偏差必須限制在允許的范圍內。2.1.4干擾電勢的影響應用于GIS的羅氏互感器安裝位置雖在GIS的外殼中,但由于GIS外殼多由鋁鑄造或板材焊接而成,鋁殼不能屏蔽外界干擾磁場,它的工作環(huán)境存在嚴重的電磁干擾,干擾的大小和方向都是隨機的。干擾磁場會在羅氏線圈的包絡線中(可近似地認為是線圈的內徑構成的園)產生干擾電勢,由于等效包絡線的面積相對于線圈的截面積較大,如果處理不好,對于高準確度的電流互感器來說將造成很大的影響。減少這種干擾的方法是在羅氏線圈內部增加回繞線,即用漆包線先在線圈截面中心繞一圈,再返回繞制螺線部分(見圖2),理論上可消除外界磁場的影響,實際制作要盡量保證回繞線位于線圈截面的中心,最大限度地減小干擾。2.1.5熱膨脹系數(shù)的測定根據(jù)羅氏線圈的感應電勢計算公式(1),可得出其輸出電勢溫度變化δE(t)為:如果認為線圈和骨架的變化相同,可計算出線圈輸出電勢的溫度變化率與骨架材料的熱膨脹系數(shù)相同。線圈用漆包線纏繞在骨架上,它們之間存在很小的縫隙。骨架材料和漆包線的溫度膨脹系數(shù)是不相同的,銅的熱膨脹系數(shù)比骨架材料的熱膨脹系數(shù)小得多。溫度升高時,骨架膨脹得大漆包線膨脹得小,骨架和漆包線的間隙變小,同時漆包線也會被彈性拉長,漆包線的截面積變化會小于骨架的截面積變化。同理,溫度降低時骨架和漆包線的間隙變大,同時漆包線彈性回縮,漆包線的截面積變化小于骨架。線圈截面積的變化由繞線和骨架的復合作用所決定,它的溫度的特性應依靠實驗實測,必要時應予以補償。還有一個值得注意的就是線圈的溫度老煉問題,當線圈繞制好后,在漆包線和骨架接觸部分存在應力集中的點,當?shù)?次溫度發(fā)生變化時,應力集中的點可能會發(fā)生較大的形狀和位置變化,從而釋放應力。第2次發(fā)生同樣的溫度狀態(tài)變化時,原來的應力集中點已發(fā)生了變化,應力可能不再集中,漆包線和骨架間的形狀和相對位置變化會與第1次的情況大不相同。同理第3次變化時,可能與第2次又有不同。溫度變化次數(shù)的越多,線圈截面積變化越趨于穩(wěn)定,線圈繞制完畢后需要經幾次溫度老煉后,才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。2.2精密器件選擇在對羅氏線圈的輸出信號積分前,增加低通濾波用于消除高頻干擾,濾波和積分電路對于信號存在著幅值衰減和相位偏移,幅值的衰減不會影響輸入輸出信號線性的關系,相位偏移將影響到準確度,設計時要合理選擇參數(shù),控制在合理的范圍內。積分電路還存在直流干擾問題,本文采取改進型帶有直流通道的積分電路(見圖3)。為降低電阻電容等電子元件參數(shù)的溫漂影響,要選取溫漂系數(shù)小的精密器件,利用實驗取得溫度影響數(shù)據(jù),需要時應對數(shù)據(jù)進行補償。數(shù)字處理部分包括A/D轉換、控制、電光轉換等,目前的高速高精度芯片的性能已相當優(yōu)越,可不考慮這部分誤差,但必須注意選擇性能好的器件。其它抗干擾措施也不容忽視,如信號聯(lián)線采用屏蔽雙絞線、采取高質量的開關電源、處理好電路的接地和屏蔽工作。3實驗與精確檢測3.1大電流線性實驗經實驗測試,線圈加入回繞線后外界磁場的干擾影響降為原來的3%以下。利用大電流模擬相鄰導線和母線的干擾磁場,分別平行和垂直于羅氏線圈的軸線,當干擾導線距線圈中心距離大于0.4m(工程中不可能出現(xiàn)如此小的距離)以上時,干擾磁場已不再對線圈產生影響(若無回繞線一般工業(yè)環(huán)境中的磁場干擾就會使線圈誤差大于5%)。大電流線性實驗利用工業(yè)電流源,采取多圈纏繞的方法獲取大電流。實驗結果表明,文中羅氏互感器在600A～24kA范圍內誤差小于1%。3.2實驗曲線的繪制進行線圈溫度實驗前,對其進行了3次溫度老煉,羅氏互感器設計溫度為-40～40℃,由于羅氏線圈安裝在GIS內部,考慮到GIS的工作溫升,實驗溫度范圍上限擴大至70℃,實驗曲線見圖4、5。羅氏線圈的比差為:5%額定電流時小于0.50%、20%額定電流時小于0.25%、100%和120%額定電流時小于0.13%。角差的相應值為:<21/、<10/、<10/。從圖中可看到特別是5%曲線中有一些突變,這是由于線圈截面積隨溫度變化的不確定性造成的。3.3電流源對主電流的影響羅氏互感器的暫態(tài)響應曲線如圖6、7,實驗中模擬一次電流閉合或斷開的情況(2次測量電流幅值的差異是由于模擬電流源的電流差異造成的),由實驗曲線可看出羅氏互感器的暫態(tài)響應非常好。3.4羅氏電流交換的精度羅氏互感器進行實測溫范圍為-40～40℃。實驗曲線圖見圖8、9。準確度檢測數(shù)據(jù)和標準對照見表1。4溫度對帶繞線主導力量的影響羅氏電流互感器的設計制作關鍵是處理好各環(huán)節(jié)的誤差和干擾,只有很好地降低和消除它們的影響,才能制造出應