一種新型空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)

一種新型空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)

0新型電子式整體傳感傳感技術(shù)氣體隔離開關(guān)（gis）具有占地面積小、運(yùn)營(yíng)可靠性高、安裝工作量小、維護(hù)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在能源系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前,GIS中普遍采用鐵心式電流互感器,該互感器動(dòng)態(tài)范圍小,在故障電流作用下易飽和,且隨著電壓等級(jí)的提高使該互感器的體積、重量及造價(jià)均會(huì)大幅度提高。本文介紹一種可用于220kVGIS的新型空心線圈電流互感器。該互感器由Rogowski線圈和數(shù)字變換器兩部分組成,數(shù)字變換器以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為核心,采用數(shù)字積分技術(shù)還原被測(cè)電流波形,互感器的輸出為數(shù)字光信號(hào),滿足電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)(IEC60044-8)精度(0.2級(jí))要求。近年來(lái),基于光電技術(shù)和電子技術(shù)的電子式互感器日漸成熟,電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8及電子式電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7已正式發(fā)布。根據(jù)傳感原理的不同,電子式互感器可分為無(wú)源電子式互感器和有源電子式互感器兩類?？招木€圈電流互感器是一種有源電子式互感器,它不含鐵心,克服了鐵心式電流互感器的缺點(diǎn),性能穩(wěn)定且便于工業(yè)化生產(chǎn),輸出信號(hào)可直接與微機(jī)化測(cè)量及保護(hù)裝置接口,是一種在GIS中具有良好應(yīng)用前景的電子式互感器。1u3000線圈dl段上的磁場(chǎng)強(qiáng)度空心線圈電流互感器以Rogowski線圈為傳感頭。Rogowski線圈是一種密繞于非磁性骨架上的空心螺線管,結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中i為穿過(guò)線圈的被測(cè)電流。設(shè)n為線圈單位長(zhǎng)度上的匝數(shù),S為線圈截面積,則線圈dl段上的磁鏈為:dΦ=μ0SnΗ?dl(1)dΦ=μ0SnH?dl(1)式中:H為線圈dl段處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。整個(gè)線圈的磁鏈為:Φ=∮μ0SnΗ?dl(2)Φ=∮μ0SnH?dl(2)若線圈各處的n及S均勻,根據(jù)全電流定律,有:Φ=∮μ0SnH·dl=μ0Sn∮H·dl=μ0nSi(3)若i為交變電流,則線圈的感應(yīng)電勢(shì)e(t)為:e(t)=-dΦdt=-μ0nSdidt(4)e(t)=?dΦdt=?μ0nSdidt(4)由式(4)可知,Rogowski線圈的感應(yīng)電勢(shì)e(t)與被測(cè)電流i的微分成正比,利用電子電路對(duì)e(t)進(jìn)行積分變換便可求得被測(cè)電流i。2換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空心線圈電流互感器主要由Rogowski線圈及數(shù)字變換器兩部分構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。Rogowski線圈置于GIS內(nèi),線圈與一次導(dǎo)體間以SF6氣體絕緣,數(shù)字變換器固定于GIS殼體外,數(shù)字變換器的工作電源由外部提供。2.1干擾磁場(chǎng)的產(chǎn)生及影響線圈輸出的因素Rogowski線圈是互感器的電流敏感元件,其性能直接關(guān)系到互感器的穩(wěn)定性。Rogowski線圈不含鐵心,輸出信號(hào)與線圈匝數(shù)密度n及線圈截面積S有關(guān),而n及S隨溫度而變化,因此,外界磁場(chǎng)及環(huán)境溫度的變化會(huì)影響線圈的輸出,從而影響互感器的穩(wěn)定性。外界干擾磁場(chǎng)可分解為與線圈垂直和與線圈平行的兩個(gè)分量。a.平行分量的干擾磁場(chǎng)與被測(cè)電流i產(chǎn)生的磁場(chǎng)平行,由式(3)和式(4)可知,若線圈各處的n及S均勻,則線圈的輸出只與被測(cè)電流有關(guān),與外界干擾磁場(chǎng)的平行分量無(wú)關(guān),否則,平行分量的干擾磁場(chǎng)會(huì)影響線圈的輸出。b.垂直分量的干擾磁場(chǎng)穿過(guò)線圈,會(huì)在線圈兩端引起感應(yīng)電勢(shì):e′=-ddt∫∫S′μ0ΗndS′(5)e′=?ddt∫∫S′μ0HndS′(5)式中:S′為引起e′的有效面積。在骨架中心繞制一圈與線圈走向相反的回線可使S′近似為0,從而有效地減小或消除垂直分量干擾磁場(chǎng)的影響。線圈骨架的熱脹冷縮會(huì)使線圈匝數(shù)密度n及線圈截面積S隨環(huán)境溫度而變化,從而影響互感器的穩(wěn)定性。選用溫度系數(shù)小的材料做骨架可減小溫度的影響,陶瓷、玻璃等無(wú)機(jī)材料的溫度系數(shù)很小(約10-6/K～10-7/K),但易碎裂,不易加工。環(huán)氧樹脂等有機(jī)材料易加工,但溫度系數(shù)較大(約10-5/K)。以環(huán)氧樹脂等有機(jī)材料作骨架,對(duì)骨架進(jìn)行適當(dāng)處理,使線圈均勻且準(zhǔn)緊貼骨架繞制,這樣骨架尺寸隨溫度的變化不會(huì)影響線圈的n和S,從而可減小溫度變化對(duì)線圈輸出感應(yīng)電勢(shì)的影響。Rogowski線圈的輸出信號(hào)通常比較弱,易受外界電磁場(chǎng)的干擾,為此,應(yīng)對(duì)線圈進(jìn)行屏蔽,輸出信號(hào)用屏蔽雙絞線引出。2.2積分變換電路Rogowski線圈的輸出信號(hào)正比于被測(cè)電流的微分。數(shù)字變換器的主要作用是通過(guò)積分變換還原被測(cè)電流波形,并按約定格式以數(shù)字光信號(hào)的形式輸出。數(shù)字變換器工作于戶外,它應(yīng)能在一定的溫度范圍(如-40℃～+70℃)及電磁干擾環(huán)境下正常工作。積分變換是數(shù)字變換器的關(guān)鍵,可采用模擬或數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)積分變換有不同的電路形式,其穩(wěn)定性均依賴于所選電阻和電容的溫漂及時(shí)漂特性。目前,電阻的溫度系數(shù)最好為±10-5/℃,電容的溫度系數(shù)最好為±3×10-5/℃,在-40℃～+70℃溫度范圍內(nèi),采用模擬積分器很難使互感器滿足±0.2%的精度要求。用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)積分變換,其性能取決于積分算法,不存在溫漂和時(shí)漂問(wèn)題。采用數(shù)字積分的數(shù)字變換器如圖2所示。它包括電源、信號(hào)調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、FPGA及電光轉(zhuǎn)換等部分。電源模塊將外部輸入的220V直流轉(zhuǎn)換為±12V和+5V電源供其他模塊使用。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理,計(jì)量通道和保護(hù)通道的放大倍數(shù)不同,保護(hù)通道能傳變40倍的額定一次電流信號(hào)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),供FPGA使用。FPGA主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字積分和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換等。數(shù)字信號(hào)的輸出格式參照IEC60044-8的要求,數(shù)據(jù)采用Manchester編碼,傳輸速率為2.5Mbit/s。FPGA輸出的串行數(shù)據(jù)經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后由多模光纖送出。數(shù)字變換器可接收外部(如合并單元)同步光脈沖信號(hào),以實(shí)現(xiàn)多個(gè)電子式互感器的同步。3空心線圈電流耦合電流感染測(cè)試空心線圈電流互感器的原理、結(jié)構(gòu)及二次輸出信號(hào)等與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器有較大區(qū)別,其精度與二次負(fù)載無(wú)關(guān),但與溫度等因素有關(guān)。為全面考察空心線圈電流互感器的實(shí)用性,按標(biāo)準(zhǔn)及工程要求對(duì)互感器進(jìn)行了全面實(shí)驗(yàn)。電磁兼容試驗(yàn)表明互感器滿足IEC60044-8的電磁兼容性要求。對(duì)互感器的線性度、溫度特性等實(shí)驗(yàn)情況如下。3.1實(shí)驗(yàn)儀器和電路空心線圈電流互感器的輸出是串行數(shù)字光信號(hào),為便于實(shí)驗(yàn),研制了相應(yīng)的電子式互感器實(shí)驗(yàn)儀,實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。電子式互感器實(shí)驗(yàn)儀同時(shí)采集空心線圈電流互感器和標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的輸出,計(jì)算、存儲(chǔ)并顯示空心線圈電流互感器的比差和角差等信息。3.2空心線圈電流傳感特性測(cè)試空心線圈電流互感器額定一次電流為600A。調(diào)節(jié)調(diào)壓器使升流器輸出從30A漸變至17.8kA,測(cè)試空心線圈電流互感器的線性特性,結(jié)果如表1所示。表中比差和角差是利用互感器保護(hù)通道的數(shù)據(jù)得出的。實(shí)驗(yàn)表明,空心線圈電流互感器具有很好的線性度,1路輸出信號(hào)便可同時(shí)滿足測(cè)量和保護(hù)的要求。3.3抗外界磁場(chǎng)干擾的性能利用與一次電流大小相等的導(dǎo)線產(chǎn)生干擾磁場(chǎng),將干擾導(dǎo)線放置于距Rogowski線圈0m,0.4m及以上距離,分別測(cè)試互感器抗外界磁場(chǎng)干擾的性能,結(jié)果如表2所示。表中“平行”指干擾導(dǎo)線與穿過(guò)互感器的一次電流平行,以模擬相鄰相導(dǎo)體影響;“垂直”指干擾導(dǎo)線與一次電流垂直,以模擬母線影響。實(shí)驗(yàn)表明,干擾導(dǎo)線緊靠互感器時(shí),對(duì)互感器的比差有影響,但距離大于0.4m后其影響近似為0。實(shí)際工程中,互感器距相鄰相導(dǎo)體或母線的距離均大于0.4m,因此,互感器具有良好的抗外界磁場(chǎng)干擾能力。3.4溫度特性測(cè)試將互感器(包括Rogowski線圈和數(shù)字變換器)放入溫度控制箱內(nèi),在-40℃～+70℃溫度范圍內(nèi)以30K/h的變化速率調(diào)節(jié)溫控箱,測(cè)試互感器的溫度特性。結(jié)果表明,溫度變化對(duì)互感器的比差和角差均有一定影響,這主要是因?yàn)镽ogowski線圈和數(shù)字變換器的濾波環(huán)節(jié)受溫度影響,互感器比差和角差的變化均未超出0.2級(jí)精度的要求。3.5空心線圈電流進(jìn)行的瞬態(tài)波形將穿過(guò)線圈的一次電流調(diào)至500A,然后瞬間斷開。空心線圈電流互感器及標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的瞬態(tài)波形如圖4所示,兩組波形重合很好。為便于顯示,圖中將標(biāo)準(zhǔn)電流互感器各點(diǎn)測(cè)試值均乘以0.5。4rogowski線圈空心線圈電流互感器的原理、結(jié)構(gòu)及輸出信號(hào)等與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器有很大不同,環(huán)境溫度及外界電磁場(chǎng)等對(duì)互感器的精度有一定影響,采取如下措施可使互感器達(dá)到0.2級(jí)精度要求:a.使Rogowski線圈的匝數(shù)密度n和截面積S均勻,可減小或消除干擾磁場(chǎng)平行分量的影響。b.在骨架中心繞制一圈與線圈走向相反的回線,可減小或消除干擾磁場(chǎng)