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空心线圈作为保护用电流互感器的试验分析

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基于空心线圈的电子式电流互感器设计--大学毕业设计论文

基于空心线圈的电子式电流互感器设计--大学毕业设计论文

2013届毕业生毕业设计说明书题目: 基于空心线圈的电子式电流互感器设计学院名称：电气工程学院班级： xxx学生姓名： xxx 学号： xxx指导教师： xxx 教师职称： xxx2013年05月15日目次引言 (1)1 电子式电流互感器概述 (2)1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义 (2)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 本课题研究的目的 (4)2 系统方案设计 (5)2.1 系统方案论证 (5)2.2 课题方案设计 (5)3 电子式电流互感器传感头介绍 (7)3.1 Rogowski线圈的结构及其工作原理 (7)3.2 计算Rogowski线圈的互感系数 (8)3.3 Rogowski线圈两种工作状态 (9)4 高压端电路和供电模块 (12)4.1 积分电路 (12)4.2 滤波电路 (14)4.3 A/D转换电路 (15)4.4 电源电路 (18)4.5 光纤收发模块 (20)5 低压端电路 (21)总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录： (26)引言随着电力系统的电压等级不断提高，对测量仪器的要求也越来越高，提高测量仪器的测量精度有利于电力系统安全和经济地运行。

目前广泛使用的电流互感器是传统的电磁式电流互感器，但由于其本身存在缺点，人们不得不研究开发一种新型的互感器来代替它，在这个背景下，一种新型的电流互感器——电子式电流互感器随之兴起，它满足了目前电力系统中对电网电流的测量的要求，克服了传统的电磁式电流互感器的缺点，有广阔的发展空间。

本文设计的电子式电流互感器采用了Rogowski线圈、89C51单片机、MAX197 A/D转换芯片为主要部分。

通过Rogowski线圈对电网中的电流进行采样，实时的分析和处理采样电流，将母线电流的实际状况显示出来，然后把信息反馈到控制室，如果电流出现异常，控制室向继电保护发出保护命令，保证电力系统的正常运行。

1 电子式电流互感器概述1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义随着电力系统进入以大机组、大电厂、大电网、超高压、自动化为主的新时期，智能化电网技术兴起并得到了发展。

基于PCB的空心线圈电流互感器的设计

基于PCB的空心线圈电流互感器的设计

受到较大 威胁…。就故障率来说，新 的电子式电流 互感器 艺 及 其 测 量性 能 ，主 要包 括 通 心 线 ｌ剖、机 制 空心线 罔 及
要远 超 传 统 电磁 式 电流 感 器 。
ＰＣＢ 心线 ，如图１所 示。普通 心线 是由人 Ｔ：或绕线机
１ 电流 互 感器 的应 用 现状
传 统 电 磁 ．＿ｒ℃ＩＵ流 互 感 器 曾经 存我 同 电 系 统 中 被 广 泛
内外研究表明，当开 口距离４￣－：ｏ．１ ｍｍ以内时，可 以他
心 片ｊ，近 年 来 ，随 符 电 力．Ｉ：业 的发 展 ，电 运 行 电压 等 级 越 得 空 心 线 准 确 度 在 ０．０５％以 内，，＇ｉｉｘ，ｔ ｒ铁 芯线 圈 ，随 着
摘 要 ：为了实现数字化 变电站 信息通讯等的连通性 、集成性 ，大量的传统电磁 式电流互感器被电子式电流互感 器所取 代。 然而大量电子器件 、光学器件 长期 暴露在 复杂恶劣的外界环境之中，电子式电流互感器故 障率大幅提升 文章对电流互感器 在 线校：隹方法进 行了研 究，分析了电流互感器在线校 ；住存在的问题，设计了基ｆ－ＰＣＢ空心线圈的电流互感器，采用多组错 开 角度串联 方式 、双通道 在线校准方法，测量误 差小、精度 高 关 键 词 ：电流 互 感 器 ；ＰＣＢ空心 线 圈；在 线 校 住
绕 制 ，使得 松 紧度 不够 、整 齐性 箍 ，准 确艘 低 ；机ｆ｝ｊｌＪ 心 线
电流 Ⅱ 感 器 ｌ，ｌ勺准 确 度 是 电 力系 统 汁 、保 护 、检 测 的 晕 采ｒＨ激 光刻蚀方 法，准确发离，但缺点址制造 复杂、 活性
要 保 证 Ｊ。常 规的 愉 测 方 法 是将 运 行 ＩＪｎ，Ｊ电流 Ⅱ 感 器 进 行离 茇 ；ＰＣＢ宅心 线 圈 是 今 年 来 起 的 一种 、校验 装置的原理和结构都需＿耍卡丌应的改进。（２）校验

空心线圈的理论分析及试验(徐雁)

空心线圈的理论分析及试验(徐雁)

统 中 每 相 电 流 一 般 需 要 F个 测 量 $ F个 保 护 共 需 " 个电流互感器的 情 况 $ 在采用空心线圈电流互感器 时$ 经过充 分 考 虑 $ 现 用 一 个 空 心 线 圈 代 替$ 保护和 测量由二次线路分别处理输出 % 新的方案使线圈部 分体积大大缩小 $ 二次输出能直接输出到微机保护 装置 % 针对实际所用的空心线圈电流互感器 $ 现设计
8 引言
电力互感器是电力系统自动化最基本的测量设 备之一 ! 在电力系统中被广泛地应用 ) 目前 ! 电磁式 互感器得到了比较充分的发展 ! 然而 ! 随着电力传输 容 量 的不断增长 ! 电网电压等级的不断提高及保护 要 求 的不断完善 ! 铁心式电流互感器已逐渐暴露出 与 之 不相 适 应 的 弱 点 ! 如 固 有 体 积 大. 磁 饱 和. 铁磁 谐振. 动态 范 围 小 . 使 用 频 带 窄 等! 已难以满足电力 系统发展的要求 ! 因此 ! 寻求更理想的电流互感器已 是当务之急 ) 目 前! 已在电力系统中广泛应用的以微处理器 为基础的数字保护装置 . 计量测试仪表 . 运行监控系 统 以 及发电机励 磁 控 制 装 置 等 都 要 求 采 用 低 功 率 . 紧凑型的电压和电流量测代替常规的电流互感器和 电 压 互感器 ! 这是 电 力 系 统 技 术 创 新 面 临 的 重 要 任 务! 它对提高电力 系 统 特 别 是 电 力 系 统 保 护 的 可 靠
图 中 0* ‘ 为空心线圈的互 + 为 原 方 被 测 电 流_ 感_ 为内阻 _ a为自感 _ ) 8 7 & 为寄生电容 _ b 为取样电 阻_ 为空心线圈后接积分器的积分电阻 7 _ 8为空心 线圈后接积分器的积分电容 _ , . /为感生电动势 _ c3 为实际输出电压 _ 为空心线圈互感器积分器的输 c& 出电压 6 该系统的传递函数 d为0 / e de /" c&e / c e /c3e /c&e / g " " f e / f e /c e / c3e / g

小电流下空心线圈电流互感器的输出波形质量测试

小电流下空心线圈电流互感器的输出波形质量测试

电气传动2021年第51卷第23期摘要：为了给生产厂家产品设计和改善提供依据，对小电流下互感器输出波形质量进行测试。

介绍了空心线圈的结构和工作原理，对互感器输出波形进行采集。

将一台220kV GIS 用互感器作为实验仪器，在小电流下对互感器输出波形精度、暂态饱和性和稳态性进行测试。

发现小电流下，空心线圈传感头输出受干扰的影响较大，而积分放大单元和相位补偿单元输出信号受干扰程度不大；在小电流下，一定程度上会导致电流互感器出现局部暂态饱和，但不会长期保持；小电流下容易受到外界环境的干扰，导致不同时刻输出电压相差较大，互感器输出波形不稳定。

关键词：小电流；空心线圈；电流互感器；输出波形；质量测试中图分类号：TM452文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd21894Test of Output Waveform Quality of Hollow Coil Current Transformer Under Small CurrentHOU Shan 1，ZHAO Zhishan 2（1.Jinzhong Vocational and Technical College ，Jinzhong 030600，Shanxi ，China ；ngfang Power Supply Company ，Langfang 065000，Hebei ，China ）Abstract:In order to provide the basis for the design and improvement of the manufacturer's products ，the output waveform quality of the transformer under small current was tested.The structure and working principle of the hollow coil were introduced ，and the output waveform of the transformer was collected.A 220kV GIS transformer was used as the experimental instrument to test the output waveform accuracy ，transient saturation and stability of the transformer under small current.It is found that the output of the hollow coil sensor head is greatly affected by the interference under small current ，while the output signals of the integral amplification unit and the phase compensation unit are not interfered to a large extent ；under small current ，the partial transient saturation of the current transformer will occur to some extent ，but it will not be maintained for a long time ；under small current ，it is easy to be interfered by the external environment ，resulting in a large difference of the output voltage at different times ，the output waveform of transformer is unstable.Key words:small current ；hollow coil ；current transformer ；output waveform ；quality test基金项目：国家自然科学基金（55208486）作者简介：侯姗（1982—），女，硕士，讲师，Email ：********************小电流下空心线圈电流互感器的输出波形质量测试侯姗1，赵志山2（1.晋中职业技术学院，山西晋中030600；2.廊坊供电公司，河北廊坊065000）电流互感器的输出波形质量需达到系统或设备工况的要求，常规电磁式电流互感器的铁心饱和问题为影响输出波形质量的主要因素[1]。

一起电流互感器内部开路故障原因分析

一起电流互感器内部开路故障原因分析

一起电流互感器内部开路故障原因分析摘要：电流互感器在变电站及发电厂均发挥着关键作用，能够实现小电流的转化。

但受多方面因素的影响，很容易出现一些故障问题，影响变电站运行质量。

关键词：变电站;电流互感器;故障分析引发电流互感器故障的原因多种多样，例如绝缘脱气和绝缘干燥处理不到位、引线接头部分导电、芯棒绝缘损坏等，影响了电力系统的正常工作，危害工作人员的安全。

对电流互感器的故障进行研究，可以对电流互感器故障进行准确的诊断和处理，做好防范工作，确保变电站电流互感器稳定运行。

1、电子式电流互感器的分类和基本结构1.1有源型电子式电流互感器有源型电流互感器是基于电磁感应原理，将互感器的两端直接接在电源和主回路中的一种互感器的接线形式。

有源型电流互感器的一次传感器介质为线圈，主要分为空心线圈（罗氏线圈）、低功率铁心线圈与罗氏线圈的组合线圈，通过将线圈套在一次导体之上，利用法拉第的电磁感应原理，最终将线圈二次侧输出的电压值与所测量的一次电流值汇入采集单元，由采集单元完成A/D转换等处理后，经由光纤介质快速输入到合并单元，再由合并单元将输入信号经过同步的处理，通过光纤发送给保护、测控、计量电表等电力装置。

有源型电流互感器的信号输出无需二次转换，直接接入二次设备，可广泛应用在柱上开关、环网开关柜和柱上开关的三相套管上，用于三相电流和零序电流的计量、测量和保护，但其高压侧电子器件需由电源供电才能开始工作，也造成了有源型电流互感器无法摆脱对外源依赖的弊端。

1.2无源型磁光玻璃电子式电流互感器磁光玻璃电子式电流互感器基于法拉第磁旋光效应原理，将磁光玻璃作为一次传感器的传输介质，由于不具备铁磁性材料，因此消除了传统互感器磁滞、磁饱和的现象，也改变了有源型电子互感器需电源供电的局限，实现了无源化、自供电的工作特点。

无源型磁光玻璃电子式电流互感器通过偏振光的偏振面在磁光玻璃中发生旋转，另处于低电位的光源发出的偏振光经光纤传输至高压侧，与此同时一并输入到被测电流产生的磁场中，从而达到高效的信号传输，实现良好的保护和测量功能。

一种基于空心线圈的电流测量方法

一种基于空心线圈的电流测量方法

一种基于空心线圈的电流测量方法摘要：本文提出一种基于空心线圈的电流测量方法。

该方法在空间按一定规则布置多个空心线圈，对采集到的每个线圈中的感应电压进行数值积分，通过分析其中两个线圈的感应电压的比值关系，得到线圈到导线的距离，在此基础上求解导线中的三相电流。

在Ansoft Maxwell软件中建立了该传感器的电磁仿真模型，仿真结果验证了该方法的正确性，得到了电流传感器的相对测量误差曲线。

关键词：电流测量; 空心线圈; 三相导线; 相对误差Abstract: This paper proposed a novel current measurement method based on hollow coil. The method placed several hollow coils in spatial according to certain rules. The collected induced voltage of each coil is integrated. By analyzing the ratio relationship of induced voltage in two of the coils, the distance from the coils to the conductor can be obtained. And based on this, the three-phase current can be solved. By building the electromagnetic model of the method with Ansoft Maxwell software, the correctness of measurement principle was verified with the simulation results. The relative error of the simulation result is obtained.Keywords: current measurement; hollow coil; three-phase conductor; relativeerror0 引言电流的准确测量是电能测量、继电保护、系统检测及电力系统分析等的前提条件[1]。

空心线圈电感的计算与实验分析


Abstract : The coreless coil inductance calculatio n of M EMS in human body was p ropo sed , focu2 sing o n t he mut ual inductance of no n2coaxial coil s. The effect s o n t he mut ual inductance due to main geo met ric parameter s , such as gap , o bliquit y and radius , were analyzed. The numerical re2 sult s indicate t hat mut ual inductance decreases wit h t he increase of axial and radial gap s and t he influence of axial gap o n mut ual inductance is much bigger t han t he radial o ne ; wit h t he increase of o bliquit y , mut ual inductance decreases , and when o bliquit y angle is equal to 90° , it is nearly zero ; when coil radius varies , mut ual inductance has a maximum. Furt hermore , a t ri2axial mov2 ing platform is p ut fo rward in which gap and o bliquit y can be adjusted easily and accurately. On t he basis of t he above , a mut ual inductance measuring system is established , and t he testing re2 sult s are co nsistent wit h t he calculatio n. Key words : no n2coaxial ;co reless coil ;inductance

空心线圈电流互感器的输出波形质量测试


出波 形检 测 结果在 合 理 区间 内 ．降低 空 心线 圈 内径 可 降低 干扰 互 感器 输 出 电压 波形 空 间 电磁场 区 域 。数 字 化
操作 可确 保 ＰＣＢ空心 线 圈电流 互感器 输 出波形 内纹波 量 显著 降低 ，增 强波形 质量 。
关 键 词 ：互 感 器 ；非 线 性 ；空 心 线 圈 ；质 量 测 试
ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｅｒ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ（ＰＣＢ）ｈｏｌｌｏｗ ｃｏｉｌ ｃｕｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒ ｍ ｅｒ ｏｆ ｔｒａ源自ｓｆｏｒｍｅｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ
ｔｒａｎｓｍ ｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍ ｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｈｏｏｓｅ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍ ｅｎｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｅｎｔ ｔｒａｎｓ— ｆｏｒｍｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｔ ｔｙｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ，ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｑｕａ ｌｉｔｙ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆ ｏｒ ｍ ｉｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｔｈｅ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｏｆ Ｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｖａｌｕｅ ｏ ｆ ＴＰＥ ｃｌａｓｓ ｃｕｒ— ｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １０％ ，ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔ ｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｃｕｔ·ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａ－ ｔｏｒ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔａ ｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｉｎｔｅｒｖａ ｌ ，ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈｏＨｏｗ ｃｏｉｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒ ｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒ ｍ ｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｖｅ— ｆｏｒｍ ｓｐａｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ，ｄｉｇｉｔａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔ ｈａｔ ｔ ｈ ｅ ｏｕｔｐｕｔ ｒ ｉｐｐｌｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ＰＣＢ ｈｏＨｏｗ ｃｏｉｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｅｒ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ；ｈｏｌｌｏｗ ｃｏｉｌ； ｑｕａｌｉ￣ ｔｅｓｔ

基于PCB的空心线圈电流互感器的设计

基于PCB的空心线圈电流互感器的设计薛晶;张蕊【摘要】In order to realize the connectivity and integration of digital substation information communication, a large number of electromagnetic current transformers are replaced by electronic current transformers. However, a large number of electronic devices and optical device long-term were exposed in the complex and harsh environment, and he fault rate compared with the traditional electromagnetic current transformer increased dramatically. The paper researched on on line calibration method for current transformer, and analyzed the problems of current transformer on line calibration, designing a current transformer based on PCB hollow coil, using method of multiple sets of stagger angle series, double channel on-line calibration,which has small measurement error,and high precision.%为了实现数字化变电站信息通讯等的连通性、集成性，大量的传统电磁式电流互感器被电子式电流互感器所取代，然而大量电子器件、光学器件长期暴露在复杂恶劣的外界环境之中，电子式电流互感器故障率大幅提升。

空心线圈电感的计算与实验分析

空心线圈电感的计算与实验分析一、本文概述本文旨在探讨空心线圈电感的计算方法和实验分析。

电感是电磁学中的一个基本概念，反映了线圈储存磁场能量的能力，对于电磁感应、振荡电路、滤波电路等领域都有着广泛的应用。

空心线圈作为一种基本的电感元件，其电感值的准确计算与实验分析对于电路设计和优化具有重要意义。

本文将首先介绍电感的基本概念和计算方法，包括空心线圈电感的理论模型、计算公式以及影响因素等。

在此基础上，我们将通过实验测量空心线圈的电感值，并与理论计算结果进行对比分析，以验证计算方法的准确性和可靠性。

本文还将探讨实验过程中可能出现的误差来源，并提出相应的改进措施，以提高电感测量的精度和稳定性。

通过本文的研究，我们期望能够为电路设计工程师提供一种有效的空心线圈电感计算方法和实验分析方法，帮助他们更好地理解和应用电感元件，从而提高电路的性能和可靠性。

本文的研究也有助于推动电磁学和电子技术的发展，为相关领域的科学研究和技术创新提供有益的参考和借鉴。

二、空心线圈电感的基本理论空心线圈电感是电磁学中的一个重要概念，它描述了线圈对电流变化产生的磁场能力的度量。

在理解空心线圈电感的基本理论之前，我们需要先了解一些基本的电磁学原理。

电磁感应定律，也称为法拉第电磁感应定律，是描述磁场与电场之间关系的定律。

当穿过某一电路的磁通量发生变化时，会在该电路中产生感应电动势。

这个感应电动势的大小与磁通量变化的速度成正比，这就是法拉第电磁感应定律。

空心线圈电感就是基于电磁感应定律而定义的。

一个空心线圈可以看作是一个电感器，当电流通过线圈时，会产生一个磁场。

这个磁场与线圈的形状、大小以及电流的大小都有关系。

如果电流发生变化，那么磁场也会发生变化，根据法拉第电磁感应定律，这个变化的磁场会在线圈中产生一个感应电动势，以阻碍电流的变化。

这个阻碍电流变化的性质就是电感。

电感的大小，通常用字母L表示，其单位是亨利（H）。

电感的大小与线圈的匝数、线圈的形状、线圈的大小以及线圈中介质的磁导率都有关系。

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徐 雁, 朱明钧, 郭晓华, 张 庆, 叶妙元
( 华中科技大学电气与电子工程学院, 湖北省武汉市 430074 )
摘要: 开发新型电子式互感器是电力系统自动化和数字化的一个发展方向, 文中论述了空心线圈 用做电流互感器的工作原理及与传统互感器的不同之处, 根据保护的要求, 重点分析了频响工作特 性, 并针对具体对象研制了样机。 样机试验结果为: 对保护, 在 2 kH z 频宽、 20 倍额定电流范围内, 误差小于 1% ; 对测量, 可达 0. 2 级。理论分析和试验结果证明空心线圈电流互感器以其线性好、 频 带宽、 无饱和、 体积小等优点能完全满足电力系统保护和测量的需要, 而且特别适用于微机化保护 装置和电子式测量仪器。 关键词: 空心线圈; 电流互感器; 保护; 测量 中图分类号: TM 452; TM 551
∮
H ∮
dL = ix
则有:
・研制与开发・ 徐 雁等 空心线圈作为保护用电流互感器的理论分析和试验
53
Υ=
N S Λ0 ix 2Π r
2 空心线圈电流互感器频率响应特性分析
由于保护用电流互感器在频率响应方面有一定 的要求, 下面根据空心线圈电流互感器的原理分析 其状态性能。 空心线圈电流互感器的等效电路如 图 3所示。
- 1
( 4)
54
电 力 系 统 自 动 化 由式 ( 4) 可画出对数幅频曲线, 如图 4 所示。 线圈的骨架材料及互感器所用电子元器件都做了精 心的选择, 尤其注意了温度变化的影响; 另外, 为了 适应恶劣的电磁干扰环境, 对空心线圈做了特别的 处理, 对二次电路进行了电磁兼容性设计。 对电力系 统中每相电流一般需要 2 个测量, 2 个保护共需 4 个电流互感器的情况, 在采用空心线圈电流互感器 时, 经过充分考虑, 现用一个空心线圈代替, 保护和 测量由二次线路分别处理输出。 新的方案使线圈部 分体积大大缩小, 二次输出能直接输出到微机保护 装置。 针对实际所用的空心线圈电流互感器, 现设计 样机的主要技术指标为: 400 A , 保护 5 P 20 级, 计量 0. 2 级, 测量 0. 5 级, 输出组合 0. 2 015 5 P 5 P , 环 形线圈外径 D = 130 mm 。 测量和保护信号集于一个线圈上, 根据前面分 析可知要同时考虑频率响应和误差的要求, 并对温 度变化的影响及外部干扰影响也做了相应的测试。 3. 1 频率响应试验 首先, 将线圈与二次电路部分整个作为电流互 感器整体, 施加 0 ～ 2 kH z 的正弦信号, 观察其幅频 特性的变化。 图 5 为试验原理图。
收稿日期: 2001209230; 修回日期: 2001212224。
1 空心线圈电流互感器工作原理及特点
研制的空心线圈电流互感器的传感原理如图 1 所示。
图 1 空心线圈电流互感器传感原理图 F ig. 1 Sen sor d iagram of a ir- core co il curren t tran sform er
图 4 空心线圈电流互感器的对数 幅频特性曲线 F ig. 4 Am pl itude - frequency character istic curve of a ir- core co il curren t tran sform er
空心线圈的上、 下限频率分别为 f L 和 f H : 1 fL = 2Π RC 1 fH = 2Π L C 0 理论上的工作频率范围 ∃ f 为: 1 1 ∃f = f H - f L = 2Π RC 2Π L C 0 在实际应用中, 考虑最佳阻尼情况和保护与测 量的相对误差要求, 工作频率范围会相应减小; 而且 随着相对误差要求的提高, 频带范围亦会变窄, 这是 因为随着误差要求的提高, 必然提高线圈输出信号 的信噪比。 这样就导致单位长度匝数增加, 最后使 L , C 0 , M 增加, 上限频率 f H 下降。 电力系统保护用电流互感器按照国标规定分为 5 P 级和 10 P 级。 本文按 5 P 级要求, 则额定电流 时, 二次保护输出值的相对误差 Ε 应小于±1% 。 由 式 ( 4) 可推导证明在 Ε = ±1% 时有: 10f L fH f L′ = f H ′ = 2 166 2 电流互感器作为保护用, 要求如实反映 13 次以 内谐波, 13 次以上的谐波分量很小, 可忽略; 而短路 暂态过程的时间常数一般在几十 m s 以上, 所以实 际的频率响应要求只在 1 kH z 以内。作为测量用电 流互感器, 主要测量稳态时的基波有效值, 所以空心 线圈电流互感器从理论上和实际上都完全能满足用 于电力系统的电流互感器的要求。
表 1 保护回路的频率响应特性 Table 1 Am pl itude - frequency character istic for the protective c ircu it
频率 f H z
16. 5 50. 1 150. 1 300. 2 600. 0 1 001. 8 1 501. 5 2 003. 0
采用一环形非磁性骨架, 骨架半径为 r , 截面积 为 S = d h , 线圈均匀缠绕在此环形骨架上, 可以证明 测量线圈所交链的磁链与环形骨架内的被测电流 ix 存在线性关系[ 2 ]。当 rµ d 时, 空心线圈单位长度 dL 上的小线圈所交链的磁链 d Υ为:
d Υ= 2Π r
N S B L dL
Ra + r Ra
Ξ0 为空心线圈的固有振荡频率, 1 Ξ0 =
L C0
在实际工作状态下 ∆< Ξ′ , 二次回路实际上为 一振荡环节, 输出电压 U 0 与被测电流 ix 在正弦稳 态下的振幅之比为:
W ( jΞ)
=
M Ra Ξ Ra + r
1 + ( ΞR C ) 2
1-
Ξ 2 Ξ0 ′
2
∆ 2 Ξ 2 + 4 Ξ0 ′ Ξ0 ′
整个线圈的感应电势 e ( t) 为: N S Λ0 d ix dΥ ( 1) e ( t) = = dt 2Π r dt 当线圈骨架材料一定、 尺寸一定、 绕制线圈所用 的导线线径一定时, 则 r , N , S 均可视为恒定值, 感 应电势 e ( t) 就正比于被测电流 ix 的微分值。 传感器输出的信号 e ( t ) 是被测信号 ix 的微分 值。 为求得输出与 ix 的直接线性关系, 积分器是模 拟电路部分的关键。 设积分器积分参数为 R 和 C , 则 有: 1 1 N S Λ0 ( 2) u x ( t) = e ( t) d t = ix RC R C 2Π r 积分器输出 u x ( t) 与被测电流成线性关系, 只要 准确地测量 u x 就可获得 ix。 通过适当地放大和补偿非理想情况造成的相 移, 可将信号 u x ( t) 调整为 IEC 标准规定的标准值, 该值与被测信号 ix 成严格的线性关系。模拟电路根 据保护和测量的不同要求, 分别将保护和测量的额 定 信号输出调整为 150 mV ( 有效值) 和 4 V ( 有效 值 ) 。 数 字 电 路 的 额 定 输 出 分 别 为 01CFH 和 2D 41H 。 系统结构框图如图 2 所示。
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第 26 卷 第 16 期 电 子 系 统 自 动 化 Vol . 26 N o. 16 2002 年 8 月 25 日 A u tom a tion of E lectric Pow er System s A ug. 25, 2002
空心线圈作为保护用电流互感器的理论分析和试验
Mp
(R C p + 1) L C 0 p 2 +
r + 1 Ra p p +
- 1
L + rC 0 p + Ra M R L CC 0
=
1
RC
p + 2∆p + Ξ′
2 2
( 3)
式中:
图 2 空心线圈电流互感器结构框图 F ig. 2 Structure d iagram of a ir- core co il curren t tran sform er
∆= Ξ′ =
L 1 + rC 0 2L C 0 R a
1
L C0
从以上的设计原理可以看出, 空心线圈电流互 感器由于不含铁心, 从理论上消除了磁饱和现象, 改 善了电磁式电流互感器频带窄和范围小的缺点。 由 于不存在剩磁和磁饱和, 电流互感器的测量准确度 和稳定性也大为改善。 同时, 空心线圈电流互感器相 对传统互感器体积大大减小, 重量大为减轻, 十分有 利于产品的绝缘设计和产品的小型化。 空心线圈电 流互感器与传统电流互感器在二次输出上有很大的 不同, 电流互感器的二次输出不再是一个电流量而 是一个电压量, 而且没有二次输出不能开路的限制, 它的小电压信号输出可以十分方便地实现量化, 或 与计算机接口实现数字化保护、 测量和传送。
∫
Байду номын сангаас
图 3 空心线圈电流互感器的等效电路 F ig. 3 Equ iva len t c ircu it of a ir- core co il curren t tran sform er
图中: ix 为原方被测电流; M 为空心线圈的互 感; L 为自感; r 为内阻; C 0 为寄生电容; R a 为取样电 阻; R 为空心线圈后接积分器的积分电阻; C 为空心 线圈后接积分器的积分电容; e ( t) 为感生电动势; U 1 为实际输出电压; U 0 为空心线圈互感器积分器的输 出电压。 该系统的传递函数W ( p ) 为: U 0 (p ) U i (p ) U 1 (p ) U 0 (p ) W (p ) = = = ( ) I p I (p ) U i (p ) U 1 (p )
图 5 空心线圈电流互感器的频率响应试验原理图 F ig. 5 Exper i m en t d iagram of a ir - core co il curren t tran sform er