電子式電流互感器的實(shí)驗(yàn)研究

電子式電流互感器的實(shí)驗(yàn)研究

30年來，gis已成為主要的郊區(qū)和高壓設(shè)備。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)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(cè)量性能優(yōu)越,并且可做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),從而實(shí)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(cè)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(yīng)用在其智能化GIS上,國(guó)內(nèi)目前還沒有將其應(yīng)用于GIS。本文研究目的是制作應(yīng)用于252kVGIS的額定電流600A、0.5級(jí)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(cè)量一次導(dǎo)體中電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的變化(如圖1),從而反映出一次導(dǎo)體中電流的大小。羅氏線圈是一個(gè)纏繞在非磁性骨架上的均勻密繞螺線圈,當(dāng)線圈幾何尺寸均勻時(shí),感應(yīng)電勢(shì)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(nèi)徑?？紤]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(guān)系,必須對(duì)其進(jìn)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(jīng)過光電轉(zhuǎn)換最后利用光纖將數(shù)字信號(hào)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(duì)于一個(gè)確定的羅氏線圈,其感應(yīng)電勢(shì)和一次電流成嚴(yán)格的線性微分關(guān)系,輸出電壓和線圈的感應(yīng)電勢(shì)會(huì)有一定的幅值和相位差(θ1),它們的幅值差不會(huì)影響線性的關(guān)系,但相位差會(huì)造成線圈的輸出電壓與一次電流不再是嚴(yán)格的微分關(guān)系,其值為:合理設(shè)計(jì)線圈的相關(guān)參數(shù),可將此項(xiàng)誤差降到完全適合工頻電流測(cè)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(nèi)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(shí)都會(huì)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(shí)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(yīng)電勢(shì)計(jì)算公式,對(duì)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(jìn)可靠的工藝,使用高精度的線圈繞制機(jī)械,嚴(yán)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(cè)試一次導(dǎo)體不在線圈中心時(shí),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(huì)產(chǎn)生誤差。實(shí)際制作的線圈幾何尺寸是不可能絕對(duì)均勻的,工程安裝也不可能絕對(duì)保證一次導(dǎo)體在線圈中心的。另外GIS在出廠實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中可能會(huì)有幾次分裝過程,因此一次導(dǎo)體的安裝偏差必須限制在允許的范圍內(nèi)。2.1.4干擾電勢(shì)的影響應(yīng)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(chǎng),它的工作環(huán)境存在嚴(yán)重的電磁干擾,干擾的大小和方向都是隨機(jī)的。干擾磁場(chǎng)會(huì)在羅氏線圈的包絡(luò)線中(可近似地認(rèn)為是線圈的內(nèi)徑構(gòu)成的園)產(chǎn)生干擾電勢(shì),由于等效包絡(luò)線的面積相對(duì)于線圈的截面積較大,如果處理不好,對(duì)于高準(zhǔn)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(nèi)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(chǎng)的影響,實(shí)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(cè)定根據(jù)羅氏線圈的感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算公式(1),可得出其輸出電勢(shì)溫度變化δE(t)為:如果認(rèn)為線圈和骨架的變化相同,可計(jì)算出線圈輸出電勢(shì)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(shí),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(shí)漆包線也會(huì)被彈性拉長(zhǎng),漆包線的截面積變化會(huì)小于骨架的截面積變化。同理,溫度降低時(shí)骨架和漆包線的間隙變大,同時(shí)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(fù)合作用所決定,它的溫度的特性應(yīng)依靠實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè),必要時(shí)應(yīng)予以補(bǔ)償。還有一個(gè)值得注意的就是線圈的溫度老煉問題,當(dāng)線圈繞制好后,在漆包線和骨架接觸部分存在應(yīng)力集中的點(diǎn),當(dāng)?shù)?次溫度發(fā)生變化時(shí),應(yīng)力集中的點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生較大的形狀和位置變化,從而釋放應(yīng)力。第2次發(fā)生同樣的溫度狀態(tài)變化時(shí),原來的應(yīng)力集中點(diǎn)已發(fā)生了變化,應(yīng)力可能不再集中,漆包線和骨架間的形狀和相對(duì)位置變化會(huì)與第1次的情況大不相同。同理第3次變化時(shí),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(jīng)幾次溫度老煉后,才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2.2精密器件選擇在對(duì)羅氏線圈的輸出信號(hào)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(duì)于信號(hào)存在著幅值衰減和相位偏移,幅值的衰減不會(huì)影響輸入輸出信號(hào)線性的關(guān)系,相位偏移將影響到準(zhǔn)確度,設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇參數(shù),控制在合理的范圍內(nèi)。積分電路還存在直流干擾問題,本文采取改進(jìn)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(shí)驗(yàn)取得溫度影響數(shù)據(jù),需要時(shí)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)字處理部分包括A/D轉(zhuǎn)換、控制、電光轉(zhuǎn)換等,目前的高速高精度芯片的性能已相當(dāng)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(hào)聯(lián)線采用屏蔽雙絞線、采取高質(zhì)量的開關(guān)電源、處理好電路的接地和屏蔽工作。3實(shí)驗(yàn)與精確檢測(cè)3.1大電流線性實(shí)驗(yàn)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,線圈加入回繞線后外界磁場(chǎng)的干擾影響降為原來的3%以下。利用大電流模擬相鄰導(dǎo)線和母線的干擾磁場(chǎng),分別平行和垂直于羅氏線圈的軸線,當(dāng)干擾導(dǎo)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(shí),干擾磁場(chǎng)已不再對(duì)線圈產(chǎn)生影響(若無回繞線一般工業(yè)環(huán)境中的磁場(chǎng)干擾就會(huì)使線圈誤差大于5%)。大電流線性實(shí)驗(yàn)利用工業(yè)電流源,采取多圈纏繞的方法獲取大電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,文中羅氏互感器在600A～24kA范圍內(nèi)誤差小于1%。3.2實(shí)驗(yàn)曲線的繪制進(jìn)行線圈溫度實(shí)驗(yàn)前,對(duì)其進(jìn)行了3次溫度老煉,羅氏互感器設(shè)計(jì)溫度為-40～40℃,由于羅氏線圈安裝在GIS內(nèi)部,考慮到GIS的工作溫升,實(shí)驗(yàn)溫度范圍上限擴(kuò)大至70℃,實(shí)驗(yàn)曲線見圖4、5。羅氏線圈的比差為:5%額定電流時(shí)小于0.50%、20%額定電流時(shí)小于0.25%、100%和120%額定電流時(shí)小于0.13%。角差的相應(yīng)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(duì)主電流的影響羅氏互感器的暫態(tài)響應(yīng)曲線如圖6、7,實(shí)驗(yàn)中模擬一次電流閉合或斷開的情況(2次測(cè)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(shí)驗(yàn)曲線可看出羅氏互感器的暫態(tài)響應(yīng)非常好。3.4羅氏電流交換的精度羅氏互感器進(jìn)行實(shí)測(cè)溫范圍為-40～40℃。實(shí)驗(yàn)曲線圖見圖8、9。準(zhǔn)確度檢測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照見表1。4溫度對(duì)帶繞線主導(dǎo)力量的影響羅氏電流互感器的設(shè)計(jì)制作關(guān)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(yīng)