一種新型空心線圈電流互感器的設計

0新型電子式整體傳感傳感技術氣體隔離開關（gis）具有占地面積小、運營可靠性高、安裝工作量小、維護周期長等優點，在能源系統中得到了廣泛應用。目前,GIS中普遍采用鐵心式電流互感器,該互感器動態范圍小,在故障電流作用下易飽和,且隨著電壓等級的提高使該互感器的體積、重量及造價均會大幅度提高。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線圈和數字變換器兩部分組成,數字變換器以現場可編程門陣列(FPGA)為核心,采用數字積分技術還原被測電流波形,互感器的輸出為數字光信號,滿足電子式電流互感器標準(IEC60044-8)精度(0.2級)要求。近年來,基于光電技術和電子技術的電子式互感器日漸成熟,電子式電流互感器標準IEC60044-8及電子式電壓互感器標準IEC60044-7已正式發布。根據傳感原理的不同,電子式互感器可分為無源電子式互感器和有源電子式互感器兩類。空心線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,性能穩定且便于工業化生產,輸出信號可直接與微機化測量及保護裝置接口,是一種在GIS中具有良好應用前景的電子式互感器。1u3000線圈dl段上的磁場強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,結構如圖1所示。圖中i為穿過線圈的被測電流。設n為線圈單位長度上的匝數,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段處的磁場強度。整個線圈的磁鏈為: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,則線圈的感應電勢e(t)為:e(t)=-dΦdt=-μ0nSdidt(4)e(t)=?dΦdt=?μ0nSdidt(4)由式(4)可知,Rogowski線圈的感應電勢e(t)與被測電流i的微分成正比,利用電子電路對e(t)進行積分變換便可求得被測電流i。2換器結構設計空心線圈電流互感器主要由Rogowski線圈及數字變換器兩部分構成,結構如圖2所示。Rogowski線圈置于GIS內,線圈與一次導體間以SF6氣體絕緣,數字變換器固定于GIS殼體外,數字變換器的工作電源由外部提供。2.1干擾磁場的產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,其性能直接關系到互感器的穩定性。Rogowski線圈不含鐵心,輸出信號與線圈匝數密度n及線圈截面積S有關,而n及S隨溫度而變化,因此,外界磁場及環境溫度的變化會影響線圈的輸出,從而影響互感器的穩定性。外界干擾磁場可分解為與線圈垂直和與線圈平行的兩個分量。a.平行分量的干擾磁場與被測電流i產生的磁場平行,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電流有關,與外界干擾磁場的平行分量無關,否則,平行分量的干擾磁場會影響線圈的輸出。b.垂直分量的干擾磁場穿過線圈,會在線圈兩端引起感應電勢: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的影響。線圈骨架的熱脹冷縮會使線圈匝數密度n及線圈截面積S隨環境溫度而變化,從而影響互感器的穩定性。選用溫度系數小的材料做骨架可減小溫度的影響,陶瓷、玻璃等無機材料的溫度系數很小(約10-6/K～10-7/K),但易碎裂,不易加工。環氧樹脂等有機材料易加工,但溫度系數較大(約10-5/K)。以環氧樹脂等有機材料作骨架,對骨架進行適當處理,使線圈均勻且準緊貼骨架繞制,這樣骨架尺寸隨溫度的變化不會影響線圈的n和S,從而可減小溫度變化對線圈輸出感應電勢的影響。Rogowski線圈的輸出信號通常比較弱,易受外界電磁場的干擾,為此,應對線圈進行屏蔽,輸出信號用屏蔽雙絞線引出。2.2積分變換電路Rogowski線圈的輸出信號正比于被測電流的微分。數字變換器的主要作用是通過積分變換還原被測電流波形,并按約定格式以數字光信號的形式輸出。數字變換器工作于戶外,它應能在一定的溫度范圍(如-40℃～+70℃)及電磁干擾環境下正常工作。積分變換是數字變換器的關鍵,可采用模擬或數字技術來實現。用模擬技術實現積分變換有不同的電路形式,其穩定性均依賴于所選電阻和電容的溫漂及時漂特性。目前,電阻的溫度系數最好為±10-5/℃,電容的溫度系數最好為±3×10-5/℃,在-40℃～+70℃溫度范圍內,采用模擬積分器很難使互感器滿足±0.2%的精度要求。用數字技術實現積分變換,其性能取決于積分算法,不存在溫漂和時漂問題。采用數字積分的數字變換器如圖2所示。它包括電源、信號調理、模/數轉換、FPGA及電光轉換等部分。電源模塊將外部輸入的220V直流轉換為±12V和+5V電源供其他模塊使用。信號調理電路對輸入信號進行濾波、放大等處理,計量通道和保護通道的放大倍數不同,保護通道能傳變40倍的額定一次電流信號。模/數轉換電路將模擬信號轉換為數字信號,供FPGA使用。FPGA主要實現數字積分和通信協議的轉換等。數字信號的輸出格式參照IEC60044-8的要求,數據采用Manchester編碼,傳輸速率為2.5Mbit/s。FPGA輸出的串行數據經電光轉換后由多模光纖送出。數字變換器可接收外部(如合并單元)同步光脈沖信號,以實現多個電子式互感器的同步。3空心線圈電流耦合電流感染測試空心線圈電流互感器的原理、結構及二次輸出信號等與傳統的電磁式電流互感器有較大區別,其精度與二次負載無關,但與溫度等因素有關。為全面考察空心線圈電流互感器的實用性,按標準及工程要求對互感器進行了全面實驗。電磁兼容試驗表明互感器滿足IEC60044-8的電磁兼容性要求。對互感器的線性度、溫度特性等實驗情況如下。3.1實驗儀器和電路空心線圈電流互感器的輸出是串行數字光信號,為便于實驗,研制了相應的電子式互感器實驗儀,實驗電路如圖3所示。電子式互感器實驗儀同時采集空心線圈電流互感器和標準電流互感器的輸出,計算、存儲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試空心線圈電流互感器額定一次電流為600A。調節調壓器使升流器輸出從30A漸變至17.8kA,測試空心線圈電流互感器的線性特性,結果如表1所示。表中比差和角差是利用互感器保護通道的數據得出的。實驗表明,空心線圈電流互感器具有很好的線性度,1路輸出信號便可同時滿足測量和保護的要求。3.3抗外界磁場干擾的性能利用與一次電流大小相等的導線產生干擾磁場,將干擾導線放置于距Rogowski線圈0m,0.4m及以上距離,分別測試互感器抗外界磁場干擾的性能,結果如表2所示。表中“平行”指干擾導線與穿過互感器的一次電流平行,以模擬相鄰相導體影響;“垂直”指干擾導線與一次電流垂直,以模擬母線影響。實驗表明,干擾導線緊靠互感器時,對互感器的比差有影響,但距離大于0.4m后其影響近似為0。實際工程中,互感器距相鄰相導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干擾能力。3.4溫度特性測試將互感器(包括Rogowski線圈和數字變換器)放入溫度控制箱內,在-40℃～+70℃溫度范圍內以30K/h的變化速率調節溫控箱,測試互感器的溫度特性。結果表明,溫度變化對互感器的比差和角差均有一定影響,這主要是因為Rogowski線圈和數字變換器的濾波環節受溫度影響,互感器比差和角差的變化均未超出0.2級精度的要求。3.5空心線圈電流進行的瞬態波形將穿過線圈的一次電流調至500A,然后瞬間斷開?？招木€圈電流互感器及標準電流互感器的瞬態波形如圖4所示,兩組波形重合很好。為便于顯示,圖中將標準電流互感器各點測試值均乘以0.5。4rogowski線圈空心線圈電流互感器的原理、結構及輸出信號等與傳統的電磁式電流互感器有很大不同,環境溫度及外界電磁場等對互感器的精度有一定影響,采取如下措施可使互感器達到0.2級精度要求:a.使Rogowski線圈的匝數密度n和截面積S均勻,可減小或消除干擾磁場平行分量的影響。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