一種用于小電流測量的rogowski線圈的研制

一種用于小電流測量的rogowski線圈的研制

0基于rogowski線圈的電子式電流廣告測量電力傳感器是電氣系統(tǒng)中能量計和連續(xù)電源的重要設(shè)備。其精度和可靠性與電氣系統(tǒng)的可靠性、安全和經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展和電網(wǎng)電壓等級的不斷提高,對電壓、電流的測量要求也不斷提高,同時電力設(shè)備自動化、數(shù)字化的程度不斷提高,基于光電技術(shù)的電子式電流互感器具有線性度好、輸出信號可直接與數(shù)字化保護(hù)和測量設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,并被認(rèn)為是目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電磁式電流互感器的理想替代品。在電力系統(tǒng)中用基于Rogowski線圈的電子式電流互感器來測量電流,當(dāng)被測電流較小(≤100A)時,由于Rogowski線圈沒有鐵心,互感系數(shù)很低,從中感應(yīng)出的電壓信號很微弱(約幾毫伏到幾十毫伏),極易受干擾而很難準(zhǔn)確測量,所以用于小電流測量的Rogowski線圈電流互感器的研制被公認(rèn)為一大難題。為了精確測量小電流,首先要解決Rogowski線圈互感系數(shù)低的問題。筆者研制一種新型Rogowski線圈,不僅很大程度上提高了互感系數(shù),有效地解決了絕緣和電磁干擾問題,而且通過后續(xù)信號處理電路提高了測量精度。1接收點(diǎn)轉(zhuǎn)換為接收點(diǎn),轉(zhuǎn)換成光電網(wǎng)時,低側(cè)部分轉(zhuǎn)換成光電子式電流互感器是通過Rogowski線圈將一次高壓側(cè)電流感應(yīng)為電壓信號,然后對電壓信號進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)換成光信號,通過光纖傳輸?shù)蕉蔚蛪簜?cè),在低壓端做適當(dāng)處理后以模擬量和數(shù)字量兩種形式輸出,以便進(jìn)行觀測。筆者研究的電子式電流互感器具體工作原理見圖1。2rogowski線圈原理Rogowski線圈是將導(dǎo)線均勻地繞在截面均勻的非磁性材料的框架上,讓通有電流的導(dǎo)線垂直穿過線圈的中心,通過被測載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁通的變化,能夠感應(yīng)出與被測電流大小成比例的電壓信號的測量裝置。其結(jié)構(gòu)見圖2。其測量電流的理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。當(dāng)被測電流i(t)沿軸線通過線圈時,將會有與i(t)成比例的感應(yīng)電壓u(t)輸出。目前應(yīng)用于電流互感器的Rogowski線圈主要有傳統(tǒng)型、基于PCB板的平板型和基于PCB板的組合型3種型式。該課題組為了精確測量小電流,在傳統(tǒng)Rogowski線圈的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出一種新的設(shè)計方法,構(gòu)圖見圖3。當(dāng)被測電流i(t)通過初級繞線時,由磁路安培定律,將在次級線圈感應(yīng)出電壓e(t),e(t)為對于正弦工頻電流,Rogowski線圈的輸出電壓方均根值E為Rogowski線圈等效電路見圖4。對于特定的Rogowski線圈,由于線圈參數(shù)的影響會產(chǎn)生一定的相位差。在利用Rogowski線圈測量工頻電流過程中,相位差會造成線圈的輸出電壓與一次電流之間不是嚴(yán)格的微分關(guān)系,因此相位差非常關(guān)鍵。當(dāng)線圈用于工頻電流測量時,傳遞函數(shù)H(jω)為筆者設(shè)計的Rogowski線圈工作在次級開路狀態(tài)下,即Rf=∞,則傳遞函數(shù)H(jω)為則由此可得Rogowski線圈產(chǎn)生的相位差θ為式(4)、(5)中,L0、R0、C0為線圈的等效電感、電阻、電容。3提高線圈的穩(wěn)定性設(shè)計Rogowski線圈時,著重注意以下幾個問題:(1)互感系數(shù)M足夠大,提供的信號要超過可能存在的干擾;(2)骨架截面做成矩形以便于加工;(3)線圈繞成偶數(shù)層,并繞制與循行方向相反的“回線”,以抵消外磁場干擾;(4)要考慮溫度穩(wěn)定性的需要。要增加線圈的互感系數(shù),主要從以下兩個方面入手:(1)增加線圈骨架的高度與厚度;(2)多層繞制線圈。3.1熱膨脹系數(shù)的對比當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時,骨架、銅線的熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致線圈的參數(shù)發(fā)生變化,進(jìn)而改變線圈的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)證明,線圈靈敏度的溫度依賴性與骨架材料的熱膨脹系數(shù)緊密相關(guān)。綜合考慮以往所采用的材料,筆者對可以采用的一些材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了對比,見表1。由表1可知,有機(jī)玻璃的線脹系數(shù)最小,陶瓷次之。但是綜合考慮這兩種材料,因?yàn)橛袡C(jī)玻璃的電絕緣性能差,不適合用來做電絕緣的骨架材料,所以線圈采用陶瓷做骨架。在各種陶瓷中,以氧化物陶瓷的熱脹系數(shù)最小。一些可用來做電介質(zhì)材料的氧化物陶瓷性能指標(biāo)見表2。由表2可知,所做骨架采用氧化鋰瓷為宜。由于陶瓷材料脆性大,易碎裂,鑒于此缺點(diǎn),所采用的氧化鋰瓷要通過纖維增韌來改善其脆性、增加其韌性。3.2初級繞線的確定繞線材料采用漆包銅圓線,目前用在電力系統(tǒng)線圈中的各種漆包線主要性能見表3。經(jīng)過以上對比,線圈的初級繞線采用聚酯漆包線?？紤]到線圈的耐壓擊穿能力和初級線的載流能力,初級繞線采用直徑為1.8mm的2級線。為了盡量減少外界磁場對線圈的干擾,次級線圈采用直徑為0.2mm的2級無磁性聚氨酯漆包銅圓線。3.3放大電路的應(yīng)用該課題組制做的Rogowski線圈一次額定電流為5A,二次額定電壓為0.5V,一次電流過載倍數(shù)為20。由于Rogowski線圈的輸出信號很微弱,所以在線圈輸出端加入放大倍數(shù)為40的放大電路。線圈的制法為在陶瓷骨架上均勻刻錄6條繞行溝槽,將初級繞線繞制其中。然后在此基礎(chǔ)上均勻密繞次級繞線。次級繞線要繞制兩層,第1層密繞,第2層均勻繞制,而且要在線圈骨架上繞制一圈與線圈的巡回方向相反的回線,起到“返回匝”的作用,以消除外磁場干擾。此外線圈必須采取嚴(yán)格的屏蔽措施。筆者所做的線圈在測量過程中要放在屏蔽罩中。屏蔽罩采用錫箔制成,并且要做成開口,使高頻的干擾波在屏蔽罩的環(huán)流中由于阻抗過大而被衰減掉。根據(jù)制作經(jīng)驗(yàn),線圈骨架尺寸為準(zhǔn)65.5/準(zhǔn)81.8×40?？紤]與前一級準(zhǔn)確度為0.2級的電流互感器匹配,故取N1=6,N2=746。4感應(yīng)電壓試驗(yàn)由式(2)得,線圈的互感系數(shù)M=7.958328μH。利用WYP-4型音頻穩(wěn)壓電源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦電流對手工繞制的線圈進(jìn)行測試,其線性度測試結(jié)果見圖5。手工繞制的Rogowski線圈經(jīng)測試各參數(shù)值為:R0=50.7Ω,L0=1252.4μH,C0=20pF。則根據(jù)式(5)計算可知,其相位差θ極小。利用示波器顯示線圈輸入50Hz正弦交流電流和感應(yīng)電勢的波形見圖6,其中上邊波形是輸入到線圈的被測電流波形,下邊為線圈感應(yīng)電勢經(jīng)過放大40倍后經(jīng)過積分器、濾波器的輸出波形。為了進(jìn)一步測試線圈的精度,在線圈的輸出端加上后續(xù)信號處理電路,對感應(yīng)電壓進(jìn)行處理,然后對IEC60044-8—2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電子式電流互感器測試點(diǎn)即室溫、-40℃及70℃進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中主要采用的裝置有:光標(biāo)式0.1級高精度電流表;WYP-4型正弦交流發(fā)生器;TDS2002數(shù)字示波器;GH4182工頻相位計;SDB-1型6位半電壓表;環(huán)境溫度控制裝置:西門子冰柜(自動數(shù)字顯示溫度,可實(shí)現(xiàn)-40℃的測試環(huán)境)、電熱箱(數(shù)字顯示溫度可實(shí)現(xiàn)70℃的測試環(huán)境)。經(jīng)過試驗(yàn)可得試驗(yàn)結(jié)果見表4、5。由以上試驗(yàn)結(jié)果