（电力系统及其自动化专业论文）直流大电流传感器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a v y d i r e c tc n l t e n t ( d e ) m e a s u r e m e n th a sb e e nw i d e l yu s e db o t hi nm a n u f a c t u r i n ga n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h i n g w i t hm o r ea n dm o r ed i r e c tc u r r e n tp o w e ra b s o r p t i o n ，i t i s v e r yu r g e n tt od e v e l o pt h e m e t h o d sa n di n s t r u m e n t sf o rh e a v yd cm e a s u r e m e n tt om e e ts u c hr e q u i r e m e n t t h i st r e a t i s ei s g r o u n do nt h ei t e mo fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d t h er e s e a r c ho fm u l t i p l e x r o g n w s k ic o i l si n t e l l i g e n th e a v yd cs e n s o r s ”，a c c o r d i n gt oo u rc o m p r e h e n s i o n o nt h em a i n p d n c i p i a o f h e a v yd cm e a s u r e m e n t , w ed e t e r m i n et os t u d yt h et h e o r yo fr o g o w s k ic o i la n dd ce o m p a r a t o r ，f o r m a k i n g ag o o df o u n d a t i o ni nt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y a l t e rl u c u b r a t e dt h em e a s u r i n ge l e m e n t sa n dt h em e t h o do f d e s i g n ，w er e c k o n e dt h er e l a t i o no f t h e c o i l se l e c t r i cp a r a m e t e r sa n dd i m e n s i o np a r a m e t e r s t h e nw e g e tt h es y s t e mf u n c t i o nf i g u r i n gw i t ht h e d i m e n s i o np a r a m e t e r s ，a n df o u n d e dt h es i m u l a t i o nm o d e lu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b b y c o m p a r i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ec h a r a c t e r i s t i c sb o t ho f t h et i m ea n df r e q u e n c y - d n m a i no f t h ec o i l w i t hd i f f e r e n td i m e n s i o np a r a m e t e r s ，t h er o l e so fd e s i g n i n gp r o p e rc o i la n dt h ec h o i c em e t h o do ft h e o p t i m a ld i m e n s i o no f t h ec o i lh a v eb e e ns u m m a r i z e da n dp r o p o s e d ， h o wt or e a l i z ec o m p a r a t i v e l ym o v e m e n tb e t w e e nt h ec o i la n dt h em a g n e t i cf i e l d ? t h i si st h e s i g n i f yp o i n tf o rd c m e a s u r e m e n t b yu s i n gt h er o g o w s k ic o i l s ot w o e x p e r i m e n t a t i o n sw e r ed e v e l o p e d f o rd i s c u s s i n g o nt h eo t h e rh a n d t h e r ea r et w oi m p o r t a n ts i d e sf o rd c c o m p a r a t o r t h ef i r s to n ei st h ec h o o s i n g f o ri h e c a p a b i l i t yp a r a m e t e r s o ft h e m a g n e t i cc o r e e s p e c i a l l yt h em a g n e t i z a t i o nc u r v e w em a k e m u l t i 。p o i n ts a m p l i n ga n ds u b s e c t i o nt od u m m y t h em a g n e t i z a t i o nc u l w e a n o t h e ro n ei sh o wt oj u d g et h e b a l a n c eo ft h em a g n e t i s mi n f l u e n c ei nt h ec o r e a c c o r d i n gt oa c t u a l i t yo ft h ep r e s e n tm e t h o d s ，w e b r i n g f o r w a r dan e wm e a s u r e m e n ts c h e m eb yc o m p a r i n gt h eo u t p u tw a v ef r o mt h ed e t e c tc o i l i no r d e rt oe s t a b l i s ht h ee l e m e n t a r ys e n s o rm o d e l ，w es i m u l a t e dt h em a t h e m a t i c sm o d e la n dc a r r y o u taf e a s i b l ep r e j e c tt od i s s o l v et h ea b o v ep r o b l e m s a t l a s t , t h e a r t i c l e b r i n g f o r w a r dt h ea s s u m ef o r a u t o a d j u s t m e n tb yu s i n gs i n g l ec h i p m i e y o c o ( s c m ) ，a n dp o i n t o u tt h em e t h o d sf o ra m e l i o r a t i n gt h e p r e c i s i o na n de r r o ro f m e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：r o g o w s k ic o i l ；d i m e n s i o np a r a m e t e r ；s i m u l a t i o n ；d cc o m p a r a t o r ；m a g n e t i z a t i o nc u r v e ； m a g n e t i ca m p l i f i e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：灰菇 日期：知。五年j 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密区 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：爱丛 日期：如五年，月扫目 指导教师签名：鸟l 彰嘏 日期：渺￥年f 月f6 日 掣 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 直流大电流测量的背景及意义 直流大电流测量技术在工业生产和科研试验中有着较为广泛的应用，目前，实 际使用直流大电流的工厂要求测量数十干安和数百干安的电流，无论是在冶金、化工 工业中的电解、机械工业中的电镀、电气机车和电力系统等领域，还是在核物理、大 功率电子学等学科领域都涉及到直流大电流测量问题，它已成为电磁测量技术领域中 不可缺少的重要部分。 由于冶余、化工和电力事业的发展，直流用电量越来越大，直流大电流测量也随 之成为当自i 迫切需要解决的问题，它对节约能源有很大影响。根据世界一些技术先进 国家统计，直流用电量约占总用电量的2 0 - 5 0 ，其中大型铝电解厂的整流系统直流 电流已高达2 0 0 k a ，不久可达到4 0 0 k a ：整流效率为9 6 9 7 有的甚至更高，并且 喜流大电流传感器的测量范围己从5 k a 扩曩- 2 u3 0 0 k a ，这就对测量仪器提出了更高的 要求， 从经济上考虑要求最合理地安排生产： 艺过程果迁直流装置的f 常运行。因 此对直流犬电流测量提出了较高准确度的任务。准确测量直流大电流对于需要大嗯 能的部i 】( 例如电解2 e l - ) 特别重要，因为电流大小是确定电量和动= 效童的基本故 掘，按照这数堀可以确定这些部门的主要经济指标。在生产荣件下现在基本上要 求所使用的仪器能保征直流大电流测量误差范围在0 5 1 5 ；在许多时候要求误差 减小到01 o2 ：对于标准测量设备自然还要提出更高的要求，在这种情况下，误差 不应超过o 0 2 00 5 。 对于直流大电流的测量【2 】，还有计量、监视、控制及保护等不同的用途。它们对 测量准确度指标的要求也不完全一致。对于计量用的测量互感器的准确度要求最高， 对保护和控制用的要求次之，对监视用的要求最低。直流大电流的测量，已经成为电 磁测量技术领域中不可缺少的独立部分。 华中科技大学硕士学位论文 此外，根据直流大电流的特殊情况，在工程上要求测量仪器对外磁场有足够的抗 干扰能力，并且希望在安装、维修仪器时，不需要断开被测电路。由于直流大电流产 生的磁场引起强大的干扰以及导线截面粗大和笨重，都使得这些要求较难实现。在测 量输电线电流时，因为测量设备必须与被测高压电路绝缘，所以会出现一些其他的困 难。 1 2 直流大电流测量的发展现状 许多国家从事直流大电流测量设备方面的研究已达数十年之久1 3 5 ，但是至今仍 没有能完全满足各个使用直流太电流部门所提出的计量和运转方面要求的方法和仪 器，特别是在直流大电流测量的计量标准方面比较落后。实际上直流大电流测量设备 的检定问题至今还没有解决，许多测量直流大电流的仪器从安装时起就不准确。因此 出现了以电磁现象、光电效应以及核磁共振为基础的些测量方法和仪器。在直流互 感器【1 和比较仪1 9 1 【1 0 1 中采用新的软磁材料”1 和半导体元件以及新的图解法可大大提 高它们的计量和运转特性。值得注意的是供测量特大直流用的电流比较仪和磁路可分 开的直流互感器，这种互感器可以在不断歼被测电路的情况下进行安装和定期检测。 测量直流大电流的仪器，除了通常对测量设备所提出的一些基本要求之外，还应满足 在特殊情况下使用时提出的某些附加要求i l2 1 。例如，需要在不断开被测电路时接入测 量设备，以及要求它的读数受外界强磁场影响极小等。前者与仪器接到直流大电流导 体的复杂程度有关【l3 1 。这种导体通常是截面周长达到几米的整套铜或铝的汇流排。在 许多情况下，断开载流导体是不允许的，因为使用直流大电流的生产工艺过程必须是 连续的。 在直流大电流通过的导体附近的磁场强度通常在1 0 2 0 k a m 以上。由于测量设备 的读数与外界磁场的影响有关，因此安装仪器的地方必须远离通过反向电流的汇流排 和导体的弯曲部分。这就增加了设备规模和基建费用。 对直流大电流的测量方法就其工作原理而言主要分为两大类。一类是根据被测电 流在已知电阻上的电压降来确定被测直流大电流的大小，如分流器；另一类是根据被 华中科技大学硕士学位论文 测电流所建立磁场为基础，实际上是将电流的测量问题转交为磁场的测量问题，通过 一定的手段测量其磁密、磁通或磁势等方法来测量电流。此外，在原则上还可以利用 电热效应和电化效应，但是这些方法由于度量特性差而没有获得实际应用。 根据被测电流所建立的磁场来确定被测直流大电流大小的装置，不仅种类繁多而 且应用广泛，这类通用的测量设备又可分为以下三种形式： ( 1 ) 以测量被测电流所产生磁场的磁感应强度为基础的直流大电流测量设备。鉴 于所采用的多为测量磁感应强度的方法，因此可动磁铁、载流线圈、磁控管、铋螺旋 线圈、磁控接触等都可作为这种测量变换器。目前测量磁感应强度的仪器中，采用核 磁共振、霍尔效应或法拉第磁光效应的仪器比较具有发展前途，后者对于高压电路中 的电流测量具有特殊的优越性。 ( 2 ) 以辅助交流电流产生的磁势平衡被测电流磁势为基础的直流大电流测量设 备，这种仪器与交流互感器相类似，因此称为直流互感器。 ( 3 ) 以辅助直流电流产生的磁势平衡被测电流磁势为基础的直流大电流测量设 备，这种仪器称为电流磁性比较仪。 还育一些别的测量设备也是利用被测电流所产生的磁场的。例如磁滞伸缩干安表， 它的作用原理是以测量铁芯中空气隙长度的变化为基础的，而铁芯的某些部分的材料 具有较大的磁滞伸缩系数。电磁系千安表是利用磁场力的作用原理制作的。感应系千 安表的输出量是铁芯绕组里的感应电势而铁芯的磁阻是利用铁芯空气隙被周期地磁 分路来加以调制的。但是，这些仪器并没有得到实际应用。 现在直流大电流测量的主要方法有：直流磁性比较仪、磁共振法、霍尔效应法、 磁通门法、光泵法、磁光效应法【1 5 1 、磁膜测磁法及超导量子干涉器件法等等。 还有一些没有获得广泛应用的方法，如磁阻效应法、磁控管法、磁敏二极管法、 短脉冲放电法、半导体负荷浓度效应法、电子束法、阴极射线法和电子回旋共振法等 等。这些方法中的大部分由于各种原因的限制无法用于制作直流测量装置，如设备造 价太高、结构过于复杂等，也有些是因为对被测磁场有特殊的要求。所以实际上并不 是所有的测量磁场的方法都适合用来测量直流大电流。 华中科技大学硕士学位论文 目前，直流大电流测量的方法很多都趋向于比较仪的方式。其中，值得一提的有 霍尔检零式直流比较仪，它是美国六十年代哈尔马公司的一项专利。这种测量装嚣是 利用霍尔变换器检测零磁通的自动调节直流比较仪，能直接用于工程上。它的特点是 准确度较高( o 2 ) ，线性度好，受外界杂散磁场和温度的影响小，而且使用时不需 要断开被测电路。目前这种装置在西欧和日本被广泛采用。另一方面，磁调制直流电 流比较仪自六十年代由加拿大科斯托尔斯( k u s t e r s ) 首先研制成功以来，世界各国已 经采用其作为直流电流比率标准，其准确度高达l 1 0 4 以上。 我国大电力测量技术过去较为落后，六十年代生产的大电流测量装置只有1 0 k a 以下、o 5 级分流器和1 0 0 k a 以下、o 5 级直流互感器两种：直到七十年代以后，才获 得较大发展，到九十年代初，先后研制出用精密罗柯夫斯基线圈【1 6 j 8 l 和霍尔变换器取 样的直流大电流测量装置；防磁式直流互感器以及各种直流大电流比较仪，电流量程 有的达到1 0 0 k a 或以上，精度一般在0 5 0 1 范围。这些仪器现在都已经大批量生产 并用于实际工业。此外，在建立直流大电流比率标准方面，也做出了可喜的成绩，先 后研制成功的6 k a 和1 0 k a 磁调制直流比较仪的精度都达到世界先进水平。 但是随着形势的不断发展，为了适应生产实际的需要，在大电流测量方面，特别 是在测量的稳定性和可靠性方面还有待我们不断完善和提高。而且随着计算机硬软件 技术的不断发展和完善，各行各业都面临着各种以计算机为核心的新技术应用的挑 战。对于直流大电流测量技术来说，同样面临着应用新技术、新方法的问题，这不仅 有技术方面的要求，而且也有经济方面的要求。在技术上先进的测控仪器需要有准确 度更高的、适合计算机数据采集系统接口要求的大电流变送器或互感器，同时应满足 一次设备更新改造的一些特殊要求，如不需要断开一次回路从而便于安装，互感器本 身的能耗要小，具有多级且可调的输出等：在经济上，采用新的技术和方法，应尽可 能地降低大电流互感器的成本，以适应市场激烈竞争的要求。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作和章节安排 直流大电流传感器研究是作者结合所在课题组成功申请的国家自然科学基金项目 多路罗柯夫斯基直流大电流智能化传感器研究所展开的，本文的研究工作在该项 目中起到一定的作用。 本文的主要目的：在综合了解直流大电流测量各种主要原理的基础上，对罗氏线 圈和直流比较仪两种原理进行深入研究，为直流大电流传感器的开发建立良好的理论 基础和试验指导。 本课题的主要工作包括两个方面： ( 1 ) 研究罗氏线圈的测量原理和测量方法，用计算机仿真的方法研究罗氏线圈结 构参数对其动态特性的影响规律，以作为线圈设计时的理论指导。设计传感器测量方 案，并通过整体实验予以验证。 ( 2 ) 研究直流电流比较仪的原理和直流磁势平衡的判断方法，分析磁性材料的技 术特性和主要参数，通过仿真所建立的开环数学模型来研究各主要参数对输出信号的 影响规律。设计幻步的直流大电流测量方案，通过仿真和实验所得到的波形检验实验 方案，并提出进一步的改进设想。 本文的主要章节安排如下： 论文第一章介绍了直流大电流测量的背景及意义对直流大电流测量的发展现状 进行了综合论述。 论文第二章简述了直流大电流测量的几种主要原理和方法，分沂各自的优点和缺 点，并简单介绍了各个原理的应用现状。特别对本文的主要研究对象罗氏线圈原理和 直流电流比较仪原理提出了初步的模型设想。 论文第三章对罗氏线圈的等效电路进行了分析，推导罗氏线圈的结构参数与其电 气参数之间的关系。建立了系统传递函数的仿真模型。通过m a t l a b 仿真，得到线圈的 阶跃响应和频率特性曲线，分析找出结构参数对线圈动态特性的影响规律为后续实 验奠定基础。 华中科技大学硕士学位论文 论文第四章首先详细介绍了铁磁材料的磁特性和主要性能指标，从技术特性的角 度分析了本文实验选择钽坡莫合金磁粉芯的原因，然后阐述了判别磁势平衡的两类方 法( 磁调制器和磁放大器) 的工作原理，以及最近两年所提出的相位差式磁调制方法。 论文第五章对建模的核心方法一作图法做了详细的介绍，搭建了磁放大器仿真 模型，并通过s i m u l i n k 仿真研究输出波形的畸变规律和主要输入参数对输出信号的影 响，为实验提供了理论依据。 论文第六章简单介绍了集成运算放大器的基本原理和理想化特性，并且对实验中 所用到的模拟信号处理电路进行了分柝和说明。 论文第七章首先描述了所设计的两个罗氏线圈实验的实验情况、实验结果和结论。 然后在对直流比较仪的研究基础上，提出了手动调节反馈直流电流的实验方案。通过 实验波形和仿真波形的比较，验证了实验方案的可行性，并进一步提出运用单片机将 该方案改进为自动调节方案的设想。 论文第八章对全文的主要研究工作和成果进行了回顾，并对下一步工作进行展望。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 直流测量的主要原理和方法 目前测量直流大电流主要有以下凡种方法：分流器原理、磁调制原理、核磁共振 原理、磁光效应原理、霍尔效应原理、罗柯夫斯基线圈原理、直流比较仪原理等，本 章将逐一予以简单说明和介绍【1 9 】1 2 0 l 。 2 2 分流器原理 这是人们利用电阻量具测量直流最早采用的方法，它是通过在被测电流回路中串 联电阻上的电压来测量电流的，与分流器原理类似的测量方法还有标准电阻法。它的 特点是结构简单、准确可靠，但是只适宜测量1 0 k a 以下的电流。对于测量1 0 k a 以 上的电流，现在采用多个分流器并联的方法来扩大测量的范围，但量具的体积会过分 庞大、笨重，如一个6 k a 7 5 m v 的分流器的体积大约为4 0 c m 3 ，不 又在制作和安装方 面带来比较大的困难，而且由于本身的重量影响，安装也很难保持原有的准确度。分 流器的测量误差主要受电阻值不稳定、电流分布不均、负载大小、电位端钮及热电势 等因素影响，工业用的分流器的准确度通常为o 5 级。 西欧一些国家。如英、法等国，至今仍采用这种经典的方法测量数十干安以上的 直流大电流。例如英国化学工业有限公司就是一直采用这种方法来测量直流大电流 的。该公司将每个小型分流器标准化，其额定电流规定为1 5 k a 搿定电压降为7 5 m v 。 但是这种原理的主要问题是要断开一次回路，却给安装使用带来不便，一次和二 次也没有电隔离，所以不适合用于微机保护等含有计算机设备的装置。 华中科技大学硕士学位论文 - - = 2 3 直流互感器原理 直流互感器的工作原理是以交流磁势平衡被测直流磁势为基础的，实际上是利用 被测直流改变带有铁芯扼制线圈的感抗，间接地改变辅助交流激磁电路的电流，从而 来反映被测直流电流的大小。 直流电流互感器通常是由两个相同的闭合铁芯所组成，在每个铁芯上有两个绕组： 原方绕组和副方绕组。原方绕组串联接入被测电路，副方绕组则连接到辅助交流电路 里，其连接方式有串联和并联两种，前者称为副方绕组串联直流互感器，后者称为副 方绕组并联直流互感器。由于副方绕组接法的不同，这两种互感器的静态特性和动态 特性有很大差别，用途也各不相同。其中副方绕组串联直流互感器用来测量电流，副 方绕组并联直流互感器则多半用以测量电压。图2 1 给出了副绕组串联直流互感器接 线图。 图2 1 副绕组串联直流互感器接线图 直流互感器是一种最常用的直流大电流测量装置。自1 9 3 6 年由西德的克莱麦尔教 授研制成功以来，经过了不断改进，为了保证直流互感器具有足够的准确度，它的尺 寸是随被测电流增大而增大的。对于直流大电流的测量，现在大都采用补偿式直流互 感器。这种补偿式直流互感器的铁芯除了原副方绕组外，还有一个通过直流的补偿绕 组，目的在于补偿被测电流产生的部分磁通势。采用这种补偿办法，对于同样大小的 华中科技大学硕士学位论文 铁芯来说，即可提高被测电流的额定值，又可以降低互感器的误差。补偿绕组中直流 电流的供给方式有两种：( 1 ) 由副方整流后输出电流供给；( 2 ) 由另一直流电源供给a 补偿式直流互感器一直是直流互感器发展的一个重要途径，它对于减小互感器尺 寸、提高其准确度都将起到很大的作用。1 9 7 6 年加拿大麦克马尔登( m a c m a r t i n ) 研 制出一种新的补偿式直流互感器，其中补偿绕组的电流由一独立直流电源供给，它的 大小则由副边整流后的输出电流在电阻上的电压降通过晶体管后加以控制。按照这种 方案制作的直流互感器，其准确度可提高到1 1 0 4 。但是由于晶体管放大倍数不宜太 大，其所研制的互感器额定电流也仅限于6 k a 以下。 对于1 0 0 k a 以上的大型直流互感器，为了消除外磁场的影响，也可采用全补偿式 直流互感器，用铁磁材料加以屏蔽。至于补偿绕组的电流，则由磁放大器自动地加以 控制。这种全补偿式直流互感器实际上是一种直流比较仪，这部分内容放在后面直流 比较仪一节加以讨论。 现在对于1 0 0 - 2 0 0 k a 直流互感器，在5 0 1 1 0 的额定电流范围内，其准确度只能 达到0 5 至0 2 级，同时也易受外磁场影响。这种测量装置的特点是性能稳定，与分 流器相比，功率消耗小，能承受较大的负载。主要缺点是线性度差，二次电流纹波较 大，如图2 2 中所示，这在量程5 0 以下难以满足准确度的要求且次电流通入时 要求方向正确否则二次将输出错误的数值，故只适合于在工业测量中使用。 a r t 图2 2 副绕组串联直流互感器副边电流波形 另外。这种直流互感器可以做成一次电流穿心式结构，不用断开一次电流回路， 对于有些情况的一次系统安装提供了方便。 现在苏联一台1 0 0 - 一2 0 0 k a 直流大电流测量装置，其线圈为框形，有4 匝和8 匝两 种，每个线匝可拆开，其匝数也可根据需要加以改变。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 磁光效应原理 采用磁光效应原理制成的互感器叫光电互感器【2 “，它的基本原理是法拉第磁光效 应，即通过偏振光在磁场中的偏转角度来测量电流的大小。这种互感器的优点是使用 的光导材料具有良好的电隔离和绝缘性能，抗电磁干扰特性也很好。这种互感器虽是 目前研究的热点，但还没有这样的产品问世，光电互感器遇到的问题主要是准确度较 差、有震动干扰等。光电互感器也有多种不同的类型【矧，按照测量量的不同，可以分 为光电电流互感器( o c t ) 和光电电压互感器( o p t ) ；按照光电互感器高压端传感 头是否含有有源器件，又可分为有源型和无源型。无源型光电互感器地传感头部分采 用光学材料，不含有源器件，故不需要电源；有源型光电互感器地传感头部分采用非 光学材料，仅仅只是利用光纤来传输信号，它在高压端有电子线路，需要电源才能工 作。图2 3 只给出了一种光电互感器原理线路图。 i 警厣t 二 vv uv i i 1 2 图2 _ 3 光电互感器原理线路图 1 、光源：2 、起偏振镜；3 、铅玻璃棒；4 、检偏振镜 5 、锗光电二极管：6 、放大器。 国外光电o c t 的研究开始于六十年代末到七十年代初，到九十年代初已经开始产 品化研究，目前许多大公司已经形成了成套产品，到9 9 年底，大约有2 0 0 0 多台o c t 挂网试运行。到1 9 9 4 年a b b 公司开发出多种电压等级的直流数字式o c t 并在多个 地区挂网运行。日本也是较早开始o c t 研究的国家之一，除研究5 0 0 k v ，1 0 0 0 心高压 计量用的o c t 外，还进行6 6 k v 到5 0 0 k v 等级的g i s 用零序电压电流的光电互感器。 o v t 的研究相对较晚，大约在七十年代末到八十年代初。a b b 跨国公司、法国 a l s t o m 公司、日本东电、东芝、住友等公司已在九十年代就进入产品化研究，研制 出1 2 3 7 6 5 k v 的o v t 系列产品，并有一批产品在许多国家的电力系统中投入使用。 华中科技大学硕士学位论文 我国则在八十年代才开始进行光电互感器的研究，o c t 和o v t 都有样机，也挂 网试运行成功。但是总体来说，从技术角度和研究情况来看都比国外落后。 2 5 核磁共振原理 在电磁波作用下原子核在外磁场中的磁能级之间的共振跃迁现象称为核磁共振 ( n u c l e f l rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 。核磁共振法是近代测量均匀恒定磁场最精密的一种方 法，它是利用具有自旋角动量的原子核在恒定磁场中会引起振动，其振动频率与磁感 应强度成比例这一原理来实现的。 7 0 年代，苏联的斯佩克托几( c n e k m o p ) 将这一原理成功地用来测量直流大电流。 他的重大贡献在于研制出了一种圆柱型i b ( 电流磁场) 变换器，在次变换器气沟内 能获得均匀磁场，而且该均匀磁场的磁感应强度与被测电流的关系可以根据变换器的 几何尺寸简单地计算出来。根据这一原理制成的测量装置，其准确度可以达到0 0 5 ， 最大的测量范围为3 5 k a 。这种测量装置要求被测电流的稳定性好，而且纹波分量要 小，所以它只适应于在实验室中做直流大电流的基准校验。 2 6 霍尔效应原理 霍尔效应原理互感器有磁平衡式( 闭环) 和直放式( 开环) 两种【2 ”，它于7 0 年 代由瑞士的l e m 公司首先研制成功，它有电压模块和电流模块。霍尔原理互感器的 主要特点有可以测量直流、交流及脉冲等任意波形的信号，带宽为0 1 0 0 k h z 。响应 时间为1ps ，准确度可以达到1 0 1 级，线性度优于0 。l 等。其中闭环霍尔互感器的 准确度较高，温漂较小，但相对开环霍尔互感器来说，成本较高，耗电量大，体积也 大。开环霍尔互感器通过特殊设计，它的输出可以任意调整比例和零点，波形质量好， 是计算机等数据采集系统与一次系统的理想的接口设备。 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 等值电路图 图2 4 给出了闭环霍尔电流互感器的原理图，图2 5 给出了它的等值电路图。它的 原理是由外加电源提供的二次电流始终与一次电流保持磁平衡，铁芯中的磁通基本上 维持在零磁通状态，通过检测负载电阻上的电压来测量一次电流。 因为铁芯工作在零磁通状态，所以对于测量任意电流时它都不会出现饱和问题。 但是，由于它的二次电流是由外加直流电源提供的，所以当测量电流很大时，外加电 源的功率就要非常之大，而且二次绕组的匝数要很大，从而它的体积很大，成本也非 常离。比如一个测量1 2 k a 的闭环霍尔互感器，假设它的二次绕组匝数为1 0 k 匝( 内 阻将很大) ，它的直流开关电源的电流需要1 2 a ，它的市场价格将近2 0 0 0 0 元人民币。 由此看来，采用闭环霍尔互感器方案的成本很高。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 7 罗柯夫斯基线圈原理 r o g o w s k i ( 罗柯夫斯基，简称罗氏) 线圈又称磁位计【2 4 2 刀，其结构示意图如图2 6 所示，a 、b 分别为线圈骨架的内、外径，h 为骨架厚度。 图2 6 罗氏线圈结构示意图 绕制罗氏线圈的环型骨架采用低膨胀率的酚醛层压管，用以消除外界温度对罗氏 线圈尺寸的影响：将细的漆包线均匀密绕在骨架上，使得线圈的参数分布均匀，消除 线圈几何中心与母线偏离所带来的测量误差；而绕制一圈回线是为了减小外界杂散磁 场的干扰。 罗氏线圈是测量各种变化电流的常用手段之一。它是根据被测电流所产生的磁通 势来确定电流大小的测量装置。在利用罗氏线圈进行测量时，将线圈围绕载有被测电 流的导体，线圈两端接上采样电阻就可以测量变化的电流。 用罗氏线圈测量直流大电流般有以下两种方法：( 1 ) 考虑到工业用的直流均为 通过交流整流后得到，故将磁位计放置在整流变压器的交流侧，间接测量直流；( 2 ) 通过移动磁位计，造成相对运动，令线圈环路内磁场发生变化，间接测量直流。 由于它只与被测载流导体之间存在互感，并且该互感是与载流导体形状、位置无 关的常量，因此它特别适合于在外界杂散磁场极为复杂的情况下测量电流。不含铁芯， 所以理论上不存在磁饱和问题，也不存在动力和热力的稳定问题，并且几乎不受被测 电流大小的限制。而且，测量时也不需要断开被测电路。 华中科技大学硕士学位论文 罗氏线圈由于其结构和测量腺理万曲的特点，受到了广泛的关注。与带铁心的传 统互感器相比，罗氏线圈传感器具有以下优点：测量范围宽，精度高；稳定可靠： 响应频带宽；体积小、重量轻、安全且符合环保要求；易于实现微机化、网络 化。 为了促进罗氏线圈在电力系统中的应用，国外从2 0 世纪8 0 年代首先开始了罗氏 线圈在中压开关继电保护中应用的研究，罗氏线圈在高压开关中的测量和继电保护应 用也有报道。梅兰日蓝公司通过研究，将罗氏线圈与断路器结合为一体；a b bc a l o r e m a g 公司的集成式电流电压互感器( p c t ) 已经开发出产品。 目前，国内在这方面也进行了相关的研究，例如对罗氏线圈的测量模型进行仿真 计算：对罗氏线圈的输出信号采用压频变换( v f c ) ，用来抵消线圈的微分特性：对 罗氏线圈在工频测量中的误差进行分析。 但是，国内外同行对罗氏线圈的研究主要集中在：利用它对脉冲强电流( 分短脉 宽和长脉宽两种) 测量、暂态电流测量、稳定交流大电流测量及其继电保护用电流监 测等方面，但是有关利用它来测量直流大电流方面的文献极少：并且上述文献是孤立 利用罗氏线圈而非多个测量线圈同时进行测量，并没有集数据采集、过程监控、数据 输送和自动连续测量于一体。根据罗氏线圈工作机理，是可以利用它来测量直流大电 流的。其关键技术问题就是确保测量线圈所交链的磁链发生变化，测量线圈方可获得 有关被测电流的感应信号。 本文将对已有的基于罗氏线圈以及电磁感应原理的测量方法进行研究，并在此基 础之上提出新的测量方法或改进方案。在其理论依据、数学模型、准确度、稳定性、 可靠性等方面进行理论研究和实验仿真检验。详细的研究情况将放在第3 章讨论。 2 8 直流比较仪原理 直接比较两个同类的量，其中一个与被测量成比例，而另一个与已知量或者容易 测定的量成比例，以这种间接比较方法为基础的测量设备称为比较仪口g 3 0 1 。而电流磁 性比较仪是将被测电流和已知电流变换为与电流有关的磁量，间接地进行比较。这种 华中科技大学硕士学位论文 相比较的磁量可以是磁势、磁通或者磁感应强度。为了测量直流大电流，以直流汇流 排在磁芯上产生的磁势与已知电流通过平衡绕组所产生的磁势相平衡为基础的电流 磁性比较仪获得最广泛的应用。 图2 7 单磁芯电流磁性比较仪的结构图 图2 7 为单磁芯电流磁性比较仪的结构图。在用软磁材料制成的磁芯上，均匀地 绕制三个绕组，通过被测电流的汇流排则穿过该磁芯。绕组n k 由可调的直流电流源 i k 供给，以产生平衡的磁势。绕组n 2 和n 3 构成交流磁放大器，其中激励绕组n ! 由 交流电压源供给，而次级绕组接到采样电阻上。环形闭合铁心由软磁材料( 如坡莫合 金) 制成，它的实际磁化曲线接近于无磁滞曲线，并且环形磁芯直径与其径向宽度之 比要很大，这些是实现磁势完全平衡的条件。同时，为保证被测电流和平衡电流对磁 芯的磁化相同，应避免外磁场的影响。在磁势完全平衡时，可得 l t = l t n i n t ( 21 、 式中i l 和i k 分别为被测电流和平衡电流；n l 和n k 为相应绕组的匝数。 直流比较仪中的平衡电流一般有三种调节方式：( 1 ) 人工调节；( 2 ) 半自动调节： ( 3 ) 全自动调节。人工调节方式对被测电流的稳定性要求高，适合于实验室校验使 用。本文由于受条件所限，采用该方式以作基础性原理验证。 华中科技大学硕士学位论文 为了查明平衡状态，现在常使用磁调制原理或者磁放大器原理，前者是根据检测 绕组感应电压里的双倍于交流激励电源频率分量来判断；后者是根据交流激磁电路里 电流的奇次谐波分量来判断。 随着计算机技术的不断发展，通过计算机进行波形比较的方法也日渐成熟，本文 将采用类似磁放大器的方法，即通过单片机采样比较加入直流激励前后检测线圈或交 流激磁线圈中的畸变波形，来判断磁芯内磁势的平衡情况。关于这些将在第4 章作更 详细的讨论。 2 9 本章小结 本章对直流大电流测量的几种主要原理和方法进行了简单的综述，分析各自的优 点和缺点，并简单介绍了各个原理的应用现状。特别对本文所选择的主要研究对象罗 氏线圈原理和直流电流比较仪原理提出了初步的模型设想。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 罗柯夫斯基线圈研究 3 1 引言 本章将从以下几个方面对罗氏线圈进行研究： ( 1 ) 对罗氏线圈的等效电路进行分析，得到二次侧电压和一次侧电流变化率的对 应关系以及系统的传递函数表达式： ( 2 ) 推导罗氏线圈的结构参数与其电气参数之间的关系，推导用结构参数表示的 系统传函的显式，为仿真建立数学模型； ( 3 ) 通过m a f l a b 仿真，得到线圈的阶跃响应和频率特性曲线，分析结构参数对 线圈动态特性的影响，为线圈参数的选择提供理论和数据依据，为后续实验奠定基础。 3 2 罗氏线圈的等效电路分析 本文忽略线圈分布电容( p f 级) 的作用以方便研究，用匿3 。l 表示它的等效电路 。3 1 】。图中l 、m 、r 分别表示线圈的自感、互感和内阻：i 为破测电流；i 为流过线圈 的电流；u i 为感应电势；r ；、1 , 1 ，分别为采洋电阻和采洋黾压( 以下推导使用国际单( 立 制s i ) 。 v r 根据罗氏线圈等效电路可知 图3 1 罗氏线圈等效电路 “。= 一m d y d t “= c a f d t + ( r + r 、) i 假设初始条件为零，根据拉氏变换，可以得到线圈的传递函数为 f 3 1 、 ( 3 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 蚺一者 限，、 ( 1 ) 当l r + ，h ( s ) * k m l ，线圈相当于一个比例环节。直感l 起到内部 积分作用，无须外加积分电路。我们称这种罗氏线圈是自积分型。作为空心线圈，罗 氏线圈的l 很小，要满足l r + r s ，r ；必须很小，不妨令r s 一0 则有 r i i j 器粥= 彘 ( 3 4 ) _ + o i ，l工j + r 、。 此类型线圈的测量机理与传统c t 相似，适合测量高频或者陡脉冲电流。 ( 2 ) 当( ) l 戳，r i 盔 l 鼢 “警 一l 心i ：r 一了- t - i r ”2 ， 嚣e ，= 。0 3 ：罄。一一一 ；二摹了 差 m 、 、 图3 5 矩形横截面线圈在不同高度c 下的阶跃响应和幅频特性 华中科技大学硕士学位论文 h - - o0 0 5 mn = 1 0 0 0 c = o0 3 m 在此基础上，当 ，匝时，在o l 0 的范围内选取o 0 1 、 o 0 2 、o 0 3 m 三条特性曲线，如上图3 5 所示。其仿真图形与h 值变化时的相似，但是 c 值取太小会使得线圈有效面积变小，感应信号过弱，从而降低系统灵敏度，增大误 差干扰的影响，因此可以适当选择大一点的c ，以增加骨架矩形横截面积，也即增大 线圈每一匝的有效面积，从而提高测量精度和系统增益。此处取c = o 0 1 m 。 当h = o 0 0 5 m ，c = o 0 1 m 时，在n = 1 0 0 0 2 0 0 0 匝范围内选取1 0 0 0 、1 5 0 0 、2 0 0 0 匝 三条特性曲线为代表，如图3 ：6 所示。 荔焉_ _ ，劬 溅 t ，2 0 ， 4 拄f f 4 嚆矗i 一i ；一r 鼍i ： 一一尹芝寻蛋 运，鬈m 如翩， 图3 6 矩形截面线圈在不同匝数n 下的阶跃响应和幅频特性 该特性图形情况与h 和c 的相似，即匝数越少，上升时间越短，响应速度越快， 系统灵敏度也越高。但是，线圈匝数越多，与磁场交链的总有效面积就越大，感应信 号也越强；并且从公式( 7 ) 知道，在直径相同的骨架上线圈密绕的匝数越多，所采 用的漆包线的直径就越小，加工所需工艺水平就越高。综合考虑上述情况，建议在 d = 0 1 m 时选取n = l s 0 0 匝。 综上所述，线圈结构参数通过其电气参数对线圈性能产生影响，线圈性能随c 和 h 的减小以及r l 的增大而提高。也就是说在选取线圈结构参数时，其宽度h 应在工艺 条件允许的情况下尽量取小；结台对感生信号强弱的要求考虑，横截面高度c 取值稍 大；同时应选取较细的导线密绕，与线圈匝数n 相适宜。以此有效地减小其阶跃响应 的上升时间，提