基于rogowski線圈的電子電流互感器的測量

基于rogowski線圈的電子電流互感器的測量

1積分環(huán)節(jié)影響電子式電流傳感測量的準確度羅格格柵線圈的電流傳感器采用rogwenwaski線圈作為電流傳感器，線性好，隔離結(jié)構(gòu)簡單，無安全隱患，不含糊不清，磁飽和，測量帶寬大，精度高，因此已被廣泛應(yīng)用。但由于Rogowski線圈二次輸出電壓信號是一次電流信號的微分，要恢復與一次電流成正比例的信號就必須添加相應(yīng)的積分環(huán)節(jié)。目前，積分環(huán)節(jié)的低頻噪聲、電壓漂移以及積分器相位的響應(yīng)。影響了電子式電流互感器在低頻小電流測量中的準確度。因此非常有必要對Rogowski線圈信號處理中積分算法進行研究，以進一步優(yōu)化積分電路的設(shè)計，提高電子電流互感器對工頻電流測量精度。2rogowski線圈簡介在有源光電電流互感器中，將Rogowski線圈作為一次電流采樣傳感頭的組件，Rogowski線圈是將導線均勻地繞在一個非磁性材料的骨架上，線圈兩端接上采樣電阻就可以測量電流。由于這種線圈本身與被測電流回路并不存在直接的電聯(lián)系，而是一種環(huán)繞被測電流的載流導體的閉合電氣設(shè)備，它隨被測電流所產(chǎn)生的磁場變化而感應(yīng)出相應(yīng)的電勢，因此它與電氣回路有良好的電氣絕緣；骨架采用非鐵磁材料加工，沒有傳統(tǒng)電磁式互感器的磁飽和、動態(tài)范圍小的問題。圓形骨架的Rogowski線圈輸出電壓e正比于被測電流的變化率，即：式中：M為感應(yīng)電壓與被測電流間的比例系數(shù)；i為被測電流。通過對Rogowski線圈輸出電壓進行積分可以還原被測信號，即：式（2）表明，這種Rogowski線圈及其外接電阻實質(zhì)上相當于一個微分環(huán)節(jié)。要使輸出信號還原為被測電流形狀，就必須后接一個積分電路將電壓e積分還原。其積分性能的好壞直接影響電子電流互感器的測量精度，需重點研究。3聯(lián)合算法的研究Rogowski線圈的積分環(huán)節(jié)有模擬和數(shù)字兩種實現(xiàn)方式，它們各有其特性，分別對它們進行研究。3.1新型積分器設(shè)計傳統(tǒng)上用高性能運算放大器構(gòu)建模擬積分器，圖1a示出理想有源積分器的結(jié)構(gòu)，其傳遞函數(shù)為：一般運放的直流增益都很大，當積分器輸入側(cè)的信號中有直流偏置電壓時，將會導致運放迅速飽和，帶來積分器阻塞，在積分電容上并聯(lián)一個阻值較大的電阻，可近似為理想積分器。但其幅度變化近似反比于頻率變化，當頻率很小時，增益很大。可能是工頻信號的很多倍。這時積分器實際上是作噪聲放大器使用的，且不穩(wěn)定，漂移很大。因此，低頻信號干擾極有可能影響積分電路正常工作，所以進行了改進。設(shè)計了一種基于低通濾波器特點的新型積分器。其結(jié)構(gòu)如圖1b所示。新型積分器的傳遞函數(shù)為：對所設(shè)計的積分器進行仿真驗證，可繪制積分器的幅頻和相頻特性曲線，如圖2所示。由圖2可見，積分器的工作帶寬接近1.0×104Hz，而所設(shè)計的用于測量工頻電流的Rogowski線圈的頻帶寬度為5.5kHz。因此，該積分電路滿足設(shè)計要求。通過仿真得到積分器的參數(shù)為：R1=3.183kΩ，R2=318.3kΩ,R3=R4=135.04kΩ,C1=C=1.6μF。3.2基于rogowski線圈的數(shù)字積分器設(shè)計同模擬積分器相比，數(shù)字積分器具有很多顯著的優(yōu)點：(1)性能穩(wěn)定。模擬積分器中的模擬器件受溫漂和時漂影響參數(shù)會發(fā)生變化，導致性能不穩(wěn)定；數(shù)字積分器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和運放驅(qū)動電路等模擬電路結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，受溫漂、時漂影響小，實現(xiàn)其積分器功能的算法則完全不受環(huán)境因素影響，并可以針對模擬電路的漂移進行有效的補償。(2)相位特性優(yōu)良。模擬積分器中的模擬器件參數(shù)不同，會引入輕微的相位響應(yīng)變動，需要進行相位校準。數(shù)字積分器的相位響應(yīng)主要由算法決定，具有一致性；(3)數(shù)字積分器結(jié)構(gòu)靈活，調(diào)節(jié)方便。隨著高速數(shù)字信號處理技術(shù)的出現(xiàn)，根據(jù)采樣定理，可直接對低頻信號采樣，然后利用數(shù)值方法進行數(shù)字積分來還原被測量，通過采用A/D轉(zhuǎn)換芯片將Rogowski線圈所得的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入至DSP，再設(shè)計相應(yīng)的數(shù)值積分算法，通過編程來實現(xiàn)。如圖3所示。對Rogowski線圈輸出電壓信號頻率進行鎖相倍頻后得到采樣時鐘，能保證工作在同步方式下。為減小誤差，還可引入觸發(fā)電路，在Rogowski線圈輸出電壓信號的正向過零點處啟動積分過程。該方案可快速還原被測電流信號，較適合于實時應(yīng)用場合。若要達到較高的測量準確度，ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)要足夠高，這樣ADC芯片的價格自然昂貴；或者只要采樣點數(shù)足夠高，采用低分辨率的ADC也可以達到精度要求，不利于互感器其它功能的實現(xiàn)。因此選擇合適的積分算法成為數(shù)字積分器實現(xiàn)的關(guān)鍵問題之一。根據(jù)數(shù)值積分的原理，對采樣值相加求和的算法，最簡單的是矩形求和，假設(shè)采樣頻率為f，時間間隔為△t=1/f，則式（2）可轉(zhuǎn)化為：實際應(yīng)用中，為了提高數(shù)字積分的精度，通常采用復化的梯形求積公式。實際計算中通常采用的復合梯形求積公式為：式（7）的z傳遞函數(shù)為：式中：T為采樣間隔。由z=ejω，得：采樣間隔設(shè)為10μs，經(jīng)過仿真得到復化梯形求積公式的頻率特性，如圖4所示。由圖可見，算法的采樣率為10k/s，其幅頻響應(yīng)具有-20dB/dec的衰減，相頻響應(yīng)具有-90°的相移，非常理想化。4模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置試制了以ADC,DSP,DAC為主要元件的數(shù)字積分器。ADC采用l6位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8325,DSP采用TMS320LF2407A,DAC采用l2位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5616。實驗的采樣頻率為55kHz。實驗結(jié)果如下。4.1零位移測試在輸入端接入標準正弦信號對其進行長時間積分漂移實驗，積分時間為36h。實驗證明整個積分過程沒有零漂。4.2電流傳感校驗儀由Rogowski線圈和數(shù)字積分器構(gòu)成電流互感器，在實驗室環(huán)境下，取額定電流為1kA，使用GHJ-H電子式互感器校驗儀對互感器進行校驗，實驗結(jié)果如圖5所示。5數(shù)字積分算法的