一種電子式電流互感器的設(shè)計(jì)

一種電子式電流互感器的設(shè)計(jì)

隨著能源生產(chǎn)、能源傳輸能力的增加和運(yùn)營(yíng)電壓等級(jí)的不斷提高，以往的電磁式電壓和電壓傳感器難以確定。它們難以滿足絕緣目標(biāo)、磁飽和、鐵磁協(xié)調(diào)、小動(dòng)態(tài)區(qū)域、窄頻帶、易燃、易爆炸等缺點(diǎn)，難以滿足能源系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的需要?；诠鈱W(xué)和電子學(xué)原理的電子式電壓/電流互感器(ElectronicVoltage/CurrentTransformer,分別簡(jiǎn)稱為EVT和ECT)以其抗電磁干擾性能好、消除了磁飽和與鐵磁諧振、測(cè)量準(zhǔn)確度高、頻率響應(yīng)范圍寬、造價(jià)低、多功能、智能化等優(yōu)點(diǎn),已成為一種很有發(fā)展前途的超高壓條件下電壓、電流的測(cè)量設(shè)備。而Rogowski線圈是電子式電流互感器的重要組成部分,它的設(shè)計(jì)是互感器精確測(cè)量的基礎(chǔ)。文中介紹了一種基于羅氏(Rogowski)線圈的電子式電流互感器的研制。1次電流時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)羅氏線圈是將導(dǎo)線密繞在環(huán)形等截面非磁性骨架上而形成的空心電感線圈,可以方便的對(duì)高壓回路進(jìn)行隔離測(cè)量。無限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)為,如圖1(a)所示。無限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過矩形截面磁通為,如圖1(b)所示。當(dāng)一次電流為交流時(shí),一次電流在矩形截面內(nèi)交鏈的磁通會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),其大小為對(duì)于均勻密繞的矩形截面(形狀如圖2(a)所示)螺線環(huán)形螺線管羅氏線圈(匝數(shù)為N),其輸出為(理想情況下)即輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比與一次電流的微分(為了得到與一次電流成正比的輸出,后面需接RC有源積分器,如圖1(c))。但實(shí)際上由于羅氏線圈繞制不可能達(dá)到理想的均勻度,其輸出與理想值會(huì)有一定的偏差。當(dāng)羅氏線圈的兩個(gè)出線端的距離很小時(shí),一次電流產(chǎn)生的交變電場(chǎng)不會(huì)在羅氏線圈的輸出端產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。2羅氏線圈的測(cè)量誤差2.1密并不完全垂直A:羅氏線圈繞線非均勻:匝間留有調(diào)節(jié)間隙或繞線稀疏不均勻,會(huì)造成磁密并不完全垂直于每匝線圈截面而造成測(cè)量誤差。B:羅氏線圈非整層繞制,使得外部干擾對(duì)羅氏線圈輸出影響較大,從而影響計(jì)量誤差。目前的環(huán)形繞線機(jī)的繞制工藝要把羅氏線圈的計(jì)量誤差限制在0.5%以內(nèi)是非常困難的。2.2磁導(dǎo)率波動(dòng)引起的誤差A(yù):骨架材料的磁導(dǎo)率并非μ0造成的計(jì)算誤差,在羅氏線圈的輸出公式中骨架材料的磁導(dǎo)率按μ0計(jì)算,而實(shí)際的骨架材料的磁導(dǎo)率在1.0μ0~1.1μ0之間波動(dòng),從而引起計(jì)算值與實(shí)際值之間的誤差。B:羅氏線圈輸出計(jì)算公式并未考慮各種變形誤差,而在繞制過程中,骨架上面墊的絕緣膠帶與繞線機(jī)繞線時(shí)對(duì)線的拉力的大小不同會(huì)產(chǎn)生不同的變形,同時(shí)內(nèi)層漆包線也會(huì)在外層繞制時(shí)產(chǎn)生微小變形,而造成計(jì)算值與實(shí)際值的微小誤差。2.3環(huán)氧樹脂澆鑄誤差羅氏線圈繞線完畢后,外面還需要用皺紋紙及半導(dǎo)體紙進(jìn)行包繞,然后在130°C下用環(huán)氧樹脂澆鑄,澆鑄過程中的高溫及壓力會(huì)造成漆包線變軟,甚至環(huán)氧樹脂借助壓力作用滲入繞線內(nèi)空隙中,從而產(chǎn)生澆鑄誤差,澆鑄誤差一般在0.2~2%左右。2.4次導(dǎo)線偏心一次導(dǎo)線的不同放置位置(位于中心或偏心)會(huì)造成測(cè)量誤差,該誤差是由羅氏線圈的繞線不均勻造成的,誤差大小取決于一次導(dǎo)線的偏心度及繞線的均勻程度。2.5測(cè)量相誤差產(chǎn)生的原因由于電力線為三相,其它兩相距離羅氏線圈測(cè)量相很近,其一次大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)造成測(cè)量相的輸出產(chǎn)生誤差,該誤差由羅氏線圈的繞制工藝誤差產(chǎn)生(繞線非均勻或非整層繞制)。2.6其他誤差羅氏線圈的使用溫度條件及外部高頻電磁場(chǎng)干擾也會(huì)造成羅氏線圈的輸出產(chǎn)生誤差。3減小羅氏線圈測(cè)量誤差的方法3.1采用整層密繞方式選用熟練的使用環(huán)形繞線機(jī)的技術(shù)工人,羅氏線圈繞制時(shí)采用整層密繞方式(不留調(diào)節(jié)間隙),通過大量的繞制比較及實(shí)測(cè)誤差比較,通過匝數(shù)調(diào)整的方法,可以將羅氏線圈的繞制誤差與計(jì)算誤差降低至最小。3.2再加褶皺紙及白布帶羅氏線圈繞成后,外層用半導(dǎo)體紙用力緊繞一層后,再用皺紋紙及白布帶用力密繞,增加繞制時(shí)的用力,將漆包線間的空隙充實(shí),同時(shí)皺紋紙及白布帶可起到有效地阻止?jié)茶T時(shí)環(huán)氧樹脂顆粒進(jìn)入的作用。3.3用凹槽連接鉆頭，或在孔內(nèi)釘銅排減小羅氏線圈過孔孔徑可以有效地減小一次導(dǎo)線或銅排的偏心誤差,從而減小綜合誤差。3.4小骨架和耦合信號(hào)的干擾由于變電站或開關(guān)柜的一次導(dǎo)線間距固定,減小羅氏線圈外徑可以減小羅氏線圈到其它一次導(dǎo)線的距離,由磁場(chǎng)計(jì)算公式可知,羅氏線圈受其它一次導(dǎo)線的耦合干擾誤差可以得到有效減小。因此,制造小內(nèi)徑小外徑高度較高的羅氏線圈骨架是減小偏心誤差與工頻耦合誤差的有效辦法。羅氏線圈的引出線采用屏蔽雙絞線,屏蔽雙絞線的屏蔽層(銅)可以有效的阻止外部高頻電磁場(chǎng)的干擾(利用渦流效應(yīng)進(jìn)行屏蔽),雙絞線可以減小傳輸中的電容效應(yīng),由于雙絞線所形成的環(huán)的面積很小,耦合工頻磁場(chǎng)在環(huán)內(nèi)形成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小,且各個(gè)環(huán)之間的產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以互相抵消,因此,可以把外部干擾減小到最小。有線電視傳輸線可以有效地阻止傳輸信號(hào)電磁場(chǎng)向外部空間的能量傳播,適合于遠(yuǎn)距離通信,同時(shí)信號(hào)線外部包繞銅線也可以有效的阻止高頻電磁場(chǎng)的干擾,而外部工頻磁場(chǎng)不會(huì)在傳輸線內(nèi)形成磁鏈,產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。同軸電纜單位長(zhǎng)度的電容為,單位長(zhǎng)度電感為,因此信號(hào)衰減很小,適合于長(zhǎng)距離傳輸。4羅馬法和雙重式纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)置骨架材料:采用大理石、纖維、尼龍66、環(huán)氧樹脂、陶瓷等骨架材料,一般為環(huán)形骨架(如圖2(b)所示)。繞線:可采用線徑為0.17、0.2、0.3毫米等多種線規(guī)導(dǎo)線,這需根據(jù)骨架尺寸及輸出電壓要求及密繞要求來選擇。繞制方法:采用環(huán)形繞線機(jī)均為密繞,不留調(diào)節(jié)間隙。注意:這是影響羅氏線圈精度的主要因素。半導(dǎo)體屏蔽層:羅氏線圈外層用半導(dǎo)體紙進(jìn)行包括,以保持電場(chǎng)均勻,防止高壓時(shí)羅氏線圈內(nèi)部出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。注意:半導(dǎo)體屏蔽層需外接屏蔽接地線。環(huán)氧樹脂澆鑄層:半導(dǎo)體屏蔽層外可用皺紋紙與布密繞,以防止?jié)茶T時(shí)環(huán)氧樹脂滲入導(dǎo)線間隙內(nèi),也可直接在半導(dǎo)體層外用環(huán)氧樹脂澆鑄。環(huán)氧樹脂澆鑄溫度在130度左右,澆鑄厚度在8~12mm之間,真空澆鑄。帯傘裙的支撐架:考慮到電子互感器對(duì)爬電距離的要求,羅氏線圈環(huán)外需用帯傘裙的支撐架支撐,以保證一次導(dǎo)線與二次出線距離大于270mm。5羅圈電子電流傳感器設(shè)計(jì)5.1電子電流傳感器由模擬積分器構(gòu)成得電流互感器和采用DSP芯片的數(shù)字輸出電子式電流互感器如圖3、4所示。5.2電子式積分器與李氏線圈傳感頭分開對(duì)于35kV電壓等級(jí)以下的電子式電流互感器,其組合方式有以下幾種:1)模擬式積分器與羅氏線圈傳感頭一體化構(gòu)成電子式電流互感器。2)模擬式積分器與羅氏線圈傳感頭分開構(gòu)成電子式電流互感器,中間采用屏蔽雙絞線或有線電視電纜連接(適用于開關(guān)柜)。3)羅氏線圈傳感頭與數(shù)字式DSP電路分開,中間采用屏蔽雙絞線或有線電視電纜連接(也適用于開關(guān)柜)。對(duì)于110kV電壓等級(jí)以下的電子式電流互感器,其組合方式為:羅氏線圈傳感頭與DSP數(shù)字化部分一體化構(gòu)成電子電流互感器,通過通信光纖以數(shù)字方式向合并器傳送電流信號(hào),電子式互感器采用光纖激光供能。6測(cè)試設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)1)絕緣耐壓:二次短路接大地,在一次與二次間施加高電壓(對(duì)于10kV電子CT,施加電壓為42kV,持續(xù)時(shí)間為1分鐘),觀察內(nèi)外絕緣是否擊穿。對(duì)于環(huán)氧樹脂真空澆鑄,絕緣厚度在8~13mm即能滿足要求。2)局部放電測(cè)試:二次短路接大地,在一次與二次間施加高電壓,電壓達(dá)到42kV的80%時(shí)保持1分鐘,再降到14.14kV(對(duì)于10kV電子CT)并保持1分鐘,觀察二次繞組內(nèi)部及環(huán)氧樹脂澆鑄體內(nèi)有無局部放電現(xiàn)象。3)爬電距離:指一次出頭與二次出頭間的距離,對(duì)于10kV電子CT,其爬電距離大于270mm即可(可以用尺子量)。4)動(dòng)穩(wěn)定測(cè)試:在一次短路情況下,一次短路電流為額定電流的2.55*75倍時(shí)(峰值),一次線間的短路力不能使一次繞組有明顯的變形及折斷現(xiàn)象,短路電流持續(xù)時(shí)間為1秒(武漢高壓所取一個(gè)波峰,80KVA進(jìn)行測(cè)試)。5)熱穩(wěn)定測(cè)試:在一次短路情況下,一次短路電流為額定電流的75倍時(shí),一次繞組的發(fā)熱不能使互感器局部出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。短路電流持續(xù)時(shí)間根據(jù)要求為1~4s(武漢高壓所取3s,31.5kVA進(jìn)行測(cè)試)。6)誤差特性測(cè)試:由精度要求來決定。7)雷電沖擊測(cè)試:施加75kV(對(duì)于10kV電子CT)的雷電電壓(波頭為1.2μs,波尾為50μs),觀察互感器絕緣是否損壞。測(cè)試設(shè)備及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。其中1、2、3與6為廠家出廠必作測(cè)試,其它為型式測(cè)試項(xiàng)目。其它傳統(tǒng)互感器測(cè)試項(xiàng)目:1)PT二次短路測(cè)試2)CT伏安特性測(cè)試,對(duì)于電子互感器不需要。測(cè)試結(jié)果:所研制電子式電流互感器測(cè)量精度為0.5級(jí),個(gè)別參數(shù)達(dá)到0