（电气工程专业论文）pcb平面螺旋空心线圈电子式电流互感器的研究.pdf

| l i i ll li iii ii i i ii iiii 19 0 7 3 5 4 p c b p l a n es p i r a la i r - - c o r ec o i lh i g h - p r e s s u r ee l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e rr e s e a r c h b y c h e nl i n g b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o uy o u q i n g a n d s e n i o re n g i n e e rl i ux i a n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名： 降诠 日期： 加lf 年r 月西日 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，同意学校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。本人授权湖南大学可以将本学 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： p w t t 年r 月汀日 劫“年r 月订日 p c b 甲面螺旋空心线圈高压电子式电流互感器的研究 摘要 随着现在电力系统输送容量和电压等级的不断增大，以及坚强智能电网建设 的推进，传统的电磁式电流互感器已经不能满足电力系统发展的需求。电子式电 流互感器是智能电网的基础和关键设备之一，目前已成为科研院所研究的热点和 前沿方向。本文针对p c b 平面螺旋空心线圈新型电子式电流互感器进行研究，选 题具有重要的理论意义和实际应用价值。 p c b 平面螺旋空心线圈电子式电流互感器的传感头是我校近几年来提出的 一种电子式电流互感器的专利技术。论文针对p c b 平面螺旋空心线圈电子式电 流互感器传感头的二次线圈结构进行了深入的研究，根据一次导线的摆放位置以 及二次线圈结构形状的不同，提出了四种不同结构的p c b 平面螺旋空心线圈组 合形式。研究分析了这四种不同结构传感头的性能和抗干扰能力，推导出各自互 感系数的计算公式和干扰误差系数。并对四种不同结构的p c b 平面螺旋空心线 圈电子式电流互感器的性能进行分析、计算和比较，得出折导线四个圈结构的 p c b 平面螺旋空心线圈电子式电流互感器为最优选型方案，在此基础上建立了 p c b 平面螺旋空心线圈电子式电流互感器的数学模型，进行了稳态和暂态性能 的分析与计算机仿真，验证了理论分析和研究结论的正确性。 本文所取得的阶段性研究成果为p c b 平面螺旋空心线圈新型电子式电流互 感器的进一步深入研究、样机选型设计制作和将来产品化奠定了扎实的基础，具 有实际应用参考价值。 关键字：电子式电流互感器；性能因素；传感头；p c b 平面螺旋空心线圈；干 扰误差系数 i l 工程硕上学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e rh a sn o l o n g e rm e tt h e d e m a n do ft h ed e v e l o p m e n ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，w h i c hw a sd i s p l a y e di nt h e g r a d u a li n c r e a s i n go ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n dv o l t a g ea sw e l lt h es t r o n gs m a r tg r i d a st h eb a s a la n de s s e n t i a ld e v i c eo ft h es m a r tg r i d ，t h ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r h a sb e c o m et h eh o t s p o ta n df r o n t i e rd i r e c t i o no ft h es c i e n c er e s e a r c h t h et o p i co f t h i sp a p e rr o o t e di nt h er e s e a r c ha b o u tan e we l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e rw h i c h t y p e i sc a l l e dp l a n a r s p i r a l - t u b eh o l l o w c o i lb a s e dp c b ，a n do w ni m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e t h et e c h n o l o g yo ft h es e n s i n gh e a di np c bp l a n es p i r a la i r c o r ec o i le l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e ri sap a t e n tp r o p o s e db yo u rs c h o o l ( h u n a nu n i v e r s i t y ) t h i s p a p e ri sm a i n l yr e s e a r c ha b o u tt h es t r u c t u r eo ft h es e c o n d a r yc o i li np c bp l a n e s p i r a la i r - c o r e c o i le l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e rs e n s i n gh e a d ，a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c eo ft h ep o s i t i o no ft h ep r i m a r yc o i la n dt h es t r u c t u r eo ft h es e c o n dc o i l ， t h i sp a p e rp r o p o s e df o u rd i f f e r e n ts t r u c t u r e sf o rt h eh o l l o wc o i li nt h ee l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r i nt h i sp a p e r ，t h ef o r m u l ao ft h em u t u a li n d u c t a n c ec o e f f i c i e n t a n di n t e r f e r e n c ef a c t o rw a sd e d u c e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t y o f r e s i s t i n gd i s t u r b a n c ef o r t h ed i f f e r e n t s t r u c t u r e sr e f e ri np r e a m b l e ，a sw e l l ， t h r o u g ha n a l y z i n g ，c o m p u t i n ga n dc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n t s t r u c t u r e ，t h i sp a p e rg o tt h eo p t i m a ls c h e m ef o rs e l e c t i o no fs t r u c t u r eo fs e n s i n gh e a d i nt h ep c bp l a n es p i r a la i r - c o r ec o i le l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r b a s eo nt h e r e s e a r c hi np r e a m b l e ，t h i sp a p e rd i dn o to n l ye s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h ep c bp l a n es p i r a la i r c o r ec o i le l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，b u ta l s of i n i s h e d t h ea n a l y z i n ga n ds i m u l a t i o nf o rt h ep e r f o r m a n c eo fs t e a d ya n dt r a n s i e n ts t a t e ，a n d p r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y z i n ga n dr e s e a r c hc o n c l u s i o n t h ea c h i e v e m e n t so ft h i s p a p e rg o ti n c l u d et w oa s p e c t s ，t h e f i r s ti sf u r t h e r r e s e a r c h i n gi np c bp l a n es p i r a la i r - c o r ec o i le l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r , a n dt h e o t h e ri st h em o d e ls e l e c t i o na n d d e s i g n e r f o r t h em o d e lm a c h i n e t h e s e a c h i e v e m e n t sn o to n l yl a i das t r o n gf o u n d a t i o nf o rt h ep r o d u c t i z a t i o no fp c bp l a n e s p i r a l a i r c o r ec o i le l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ri nf u t u r e ，b u ts h o wt h a tt h e r e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sm o r em e a n i n g f u li np r a c t i c a la p p l i c a t i o n h i p c b 平面螺旋窄心线圈高压电子式电流互感器的研究 k e yw o r d ：e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；p e r f o r m a n c ef a c t o r s ；s e n s i n gh e a d ；p c b p l a n es p i r a la i r c o r ec o i l ；d i s t u r b a n c ee r r o rc o e f f i c i e n t i v t 程硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的来源与研究背景1 1 1 1 课题的来源。1 1 1 2 课题的研究背景1 1 2 电子式电流互感器的概述与研究现状2 1 2 1 电子式电流互感器的概述2 1 2 2 电子式电流互感器的研究现状3 1 3 电子式电流互感器存在的主要问题5 1 4 本文的主要工作和章节安排：2 第2 章空心线圈传感头的研究与分析一7 2 1 理想空心线圈的测量原理7 2 2 传统空心线圈传感头的分析8 2 2 1 矩形截面的空心线圈8 2 2 2 圆形截面的空心线圈9 2 3p c b 型空心线圈传感头的分析1 0 2 3 1 p c b 平板型空心线圈1 1 2 3 2p c b 组合型空心线圈1 2 2 4p c b 平面螺旋空心线圈传感头的分析1 3 2 4 1p c b 平面螺旋空心线圈的结构1 3 2 4 2p c b 平面螺旋空心线圈传感头的工作原理1 4 2 4 3p c b 平面螺旋空心线圈传感头的抗干扰原理1 5 2 5 积分器的原理与设计1 6 2 6 本章小结1 9 第3 章不同结构p c b 平面螺旋空心线圈的分析与计算2 0 3 1 直导线矩形结构的p c b 平面螺旋空心线圈原理与计算2 0 3 1 1 直导线矩形结构的传感原理2 0 3 1 2 直导线矩形结构的抗干扰分析2 2 3 2 折导线矩形结构p c b 平面螺旋空心线圈的原理与计算2 4 v p c b 甲面螺旋卒心线圈高压电了式电流互感器的研究 3 2 1 折导线矩形结构的传感原理2 4 3 2 2 折导线矩形结构的抗干扰分析2 8 3 3 直导线四个圈结构p c b 平面螺旋空心线圈的原理与计算2 8 3 3 1 直导线四个圈结构的传感原理2 8 3 3 2 直导线四个圈结构的抗干扰分析3 1 3 4 折导线四个圈结构p c b 平面螺旋空心线圈的原理与计算3 3 3 4 1 折导线四个圈结构的传感原理3 3 3 4 2 折导线四个圈结构的抗干扰分析3 7 3 5 四种p c b 平面螺旋空心线圈结构的分析比较3 8 3 6 本章小结3 8 第4 章p c b 空心线圈e c t 传感头性能分析及仿真3 9 4 1 建立数学模型3 9 4 2 稳态性能分析及仿真4 3 4 3 暂态性能分析及仿真4 4 4 4 本章小结4 9 结论与展望：5 0 参考文献5 2 致 射5 5 v i 工程硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源与研究背景 1 1 1 课题的来源 本次课题得到了以下科研项目的资助： 1 湖南省科技重大专项2 0 0 9 f j l 0 1 4 。 2 科技部中小企业创新基金。 1 1 2 课题的研究背景 电力是经济社会发展的基础设施和重要的公用事业之一。多年来，我国电网 建设逐步加强，城乡电网建设与改造取得的成效，保障了国民经济发展和社会进 步对用电的强劲需求。未来几十年将是我国全面建设小康社会，向工业化、城镇 化、信息化和现代化深入推进的重要发展时期，也是我国加强节能减排，建设“资 源节约型、环境友好型”社会，实现能源与经济社会和谐发展的关键时期，对作 为重要基础产业的电力工业发展，尤其是电网发展提出了更多、更高的要求他。3 3 。 电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简称c t ) 是电力系统中测量仪表、继电 保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器。电流互感器作为电力系统 构成中不可缺少的一部分，它的测量准确度和运行可靠性是电力系统实现可靠、 经济、安全运行的前提。 随着电力工业的发展，电力系统传输的电力容量不断增加，电网运行电压等 级不断提高，目前我国电网已将原来2 2 0 k v 的骨干电网提高到了5 0 0 k v ，随着 电压等级的提高，电磁式互感器逐渐暴露出一系列固有的缺点h 喝1 ： ( 1 ) 绝缘结构越来越复杂，产品的造价越来越高，产品重量大，支撑结构也 越来越复杂，导致它的成本增加，原本存在的技术( 例如气体绝缘、油纸绝缘、 串级绝缘和空气绝缘等) 已经无法满足系统超高压设备对绝缘的要求。 ( 2 ) 存在磁饱和问题。当系统发生短路故障的时候，互感器铁心出现的磁饱 和现象将使得二次输出电流的波形失真严重，无法完整和正确的描述出短路时的 完整过渡过程，从而使得继电保护的拒动或误动，引起很大的暂态误差，使得其 测量的范围受到了限制。 ( 3 ) 测量频带窄的问题。由于互感器的高频信号响应性能差、测量频带窄， 因此无法准确反映出高压电路的电流暂态情况，也不能达到谐波分析和故障录波 的要求。 p c b 平面螺旋窄心线圈高压电子式电流互感器的研究 ( 4 ) 增加了中间环节。由于二次绕组通过1 a 5 a 的模拟量输出过程，无法与 网络化、智能化的电力设备直接连接，因此必须通过使用电流变换器来转化成小 电流信号，然后再传输至保护装置或微机测量中，难以满足新一代电力数字网的 发展需要。 综上所述，鉴于电力系统大容量、高电压发展、坚强智能电网发展的需要和 传统电磁式电流互感器存在的问题，寻求新型电子式电流互感器已势在必行。电 子式电流互感器是数字化变电站和智能电网检测的基础部件，所以对电子式电流 互感器的研究对数字化变电站和智能电网的发展具有非常重要的意义。最近4 0 多年，基于电子学技术、光学传感技术和光通信技术的新型电子式电流互感器 ( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，e c t ) 的研究得到了国内外研究人员的广泛重视， 并取得了引人瞩目的成果 呻1 。 近几年来，我校对电子式电流互感器进行了大量的研究，所提出的新技术 p c b 平面螺旋空心线圈高压电子式电流互感器符合目前科研院的研究方向和研 究热点，得到了科技部的课题资助，并取得了不错的研究成果。 1 2 电子式电流互感器的概述与研究现状 1 2 1 电子式电流互感器的概述 t 程硕 学位论文 信号，信号通过传输系统，被传送到二次侧，由二次侧进行处理，转变成模拟量 或者数字量输出，用于测量和保护。i e c6 0 0 4 4 8 标准中规定电子式电流互感器 的模拟输出接口可以适当的保留，以适应现有的仪器设备。 2 电子式电流互感器的类型 按高压侧有无电源可以划分为有源式和无源式电子式电流互感器。无源式电 子式电流互感器选取纯光学装置的传感头，无需一次电源，其中基于f a r a d a y 磁 光效应的电子式电流互感器实用化前景广阔，得到了最广泛的研究；有源式电子 式电流互感器的一次电流传感器可选取低功率电流互感器、分流器或者空心线 圈，此传感器接入一次电源，可以应用在高压侧模拟信号的处理电路中。 根据工作原理可以划分为光学电子式电流互感器( 无源式) 、空心线圈电子 式电流互感器电流互感器( 又称r o g o w s k i 线圈型、有源式) 和铁心线圈低功率 型电子式电流互感器三类。 目前，基于空心线圈的有源式电子式电流互感器性能相对优异，是电子式电 流互感器研究的热点n 卜1 2 1 。 1 2 2 电子式电流互感器的研究现状 电子式电流互感器的研究最早兴起于2 0 世纪6 0 年代，国外的研究人员根据 f a r a d a y 磁光效应，致力于研究电子式电流互感器。多年来，基于光纤绝缘的新 型电子式电流互感器是互感器领域的热点研究方向。电子式电流互感器经过发 展，到8 0 年代和9 0 年代初期，已经初步具有了商品价值。 在i e c 6 0 0 4 4 8 标准提出来以前，人们将电子式电流互感器统称为光学电流 互感器( o c t ) 。无源式电子式电流互感器的传感头不需要电源并且没有测量频带 问题，被视为常规电流传感器的理想代替品，所以被最先研究n 引。 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，英国的a j r o g e r s 、a m s m i m t h 和德国的a p a p p 等人对全光纤式电子式电流互感器的原理、特性、测量、构成及信号处理进行了 研究，表明：振动和温度等环境因素的变化对光纤的线性双折射的影响较明显， 成为影响全光纤式电子式电流互感器实际应用的重要因素。9 0 年代以后，因为 特种光纤技术发展迅速，国内外研究工作者对光纤传感新结构的研制方面和双折 射的抑制方面开展了深入的研究，全光纤式电子式电流互感器的研制取得了很大 的进展n 4 叫6 l 。从2 0 0 1 年起，加拿大n x t p h a s e 公司研制成功的1 1 5 k v - 5 0 0 k v 全 系列光纤式电子式电流互感器，目前已通过各种工业性试验，进入商业生产阶段， 并有产品在美国亚利桑那州电力公司运行。 在早期全光纤式电子式电流互感器研究出现光纤固有双折射问题以后，研究 者们就将目光看向了块状玻璃式电子式电流互感器。块状玻璃式电子式电流互感 器与全光纤式电子式电流互感器比较可知，块状玻璃式电子式电流互感器的光学 p c b 平面螺旋窄心线圈高压电子式电流互感器的研究 材料选择范围较宽、受线性双折射影响较小、稳定性较好以及准确度较高，成为 了国内外实用化的重点选择n 乱1 7 1 。最近几十年以来，国际上的许多大型电气制造 商推出了块状玻璃式光学电流互感器产品，进行了挂网试运行。在1 9 9 7 年1 月， a b b 公司研制出组合式光学电压电流互感器：其额定电流为2 0 0 0 a ，电压为 1 1 5 k v - 5 5 0 k v 。1 9 9 5 年法国a r e v a 公司在美国b o n n e v i l l e 装设了电压为5 2 5 k v 的组合式光学电压电流互感器；在1 9 9 7 年，又研制出了1 2 3 k v - 7 6 5 k v 组合式 光学电压电流互感器。自1 9 9 7 年以来，在美国、比利时、加拿大、荷兰和法国 等国家的变电站已有7 0 多台电流互感器投入运行。 自8 0 年代以来，我国开始了无源式电流互感器进行研究，起步相对于西方 国家比较晚，相继由清华大学、北京电科院、电子部2 6 所、沈阳变压器厂等多 所高等院校、科研院所和工厂开始了研究，但研制的样机很多只处于在实验室和 挂网试运行的阶段。在1 9 7 9 年，沈阳变压器研究所通过四平电业局、清华大学 等单位的协助研制出第一台样机。清华大学与北京电科院于1 9 9 1 年联合研制了 1 1 0 k v 光学电流互感器通过了国家鉴定并挂网试运行。之后，于1 9 9 3 年广东省 新会电力局与华中理工大学电力系合作研制出了单相1 1 0 k v 光学电流、电压互 感器样机，并于同年、1 2 月在新会电力局挂网试运行三年半时间拍1 。西安同维公 司生产的3 3 0 k v 和1 1 0 k v 无源式电子式电流互感器先后于2 0 0 2 年和2 0 0 5 年挂 网运行n 引。2 0 0 4 年，由华北电力大学和哈尔滨工业大学研制的1 1 0 k v 自适应无 源式电子式电流互感器的测量准确度和运行稳定性有所提高，并且在河北省保定 市的一个l l o k v 线路变电站试运行了两年多的时间，其稳定性良好n 引。 2 0 世纪9 0 年代中后期，由于无源式电子式电流互感器测量准确度不高，稳 定性不好，有源式电子式电流互感器成为了研究的重点。有源式电子式电流互感 器采用了光纤信号传输的优点，利用了现有的实用的电流传感技术，使之有望先 于无源电子式电流互感器实现实用化口引。 目前，国际上的大型电器制造商对于有源式电子式电流互感器已经从研究开 发阶段进入到小规模的生产阶段，现在已经有部分样机挂网试运行。a b b 公司 开发出7 2 k v - 7 6 5 k v 全系列有源式电子式电流互感器，其额定电流为 5 0 a 4 0 0 0 a ，准确度0 2 级n 。美国p p s 公司开发的有源式电子式电流互感器的 传感头选取多路信号组合方式，除了采集测量和保护信号，还采集温度、电压和 报警等信号。该系统已普遍应用在芬兰、美国等国的变电站。在我国天生桥、徐 州、广州等地的5 0 0 k v 换流站广泛使用了s i e m e n s 公司的激光供能型电子式电 流互感器，应用良好。 我国有源式电子式电流互感器的研究与发达国国家相比还处于初步发展阶 段，清华大学罗承沐教授在多年的深入研究下，开发出了有源式电子式电流互感 器样机，该样机的准确度接近电流互感器国家标准o 2 级。2 0 0 4 年，南瑞继保电 t 程硕士学位论文 气有限公司( n a r i r e l a y se l e c t r i cc o l t d ) 研究出了一台2 2 0 k vg i s 的基 于空心线圈的电子式电流互感器，外界环境温度和磁场对其影响较小，准确度满 足o 2 级的要求心。2 0 0 4 年6 月中国电力企业联合会对国电南自新宁公司的 o e t 7 0 0 系列产品进行了鉴定，鉴定结果：通过鉴定，使之成为我国首家正式推 广电子式互感器的公司，该系列的电子式互感器的电流采样元件选取低功率电流 互感器，用于计量，其计量准确度达到0 1 、0 2 s 级，采用空心线圈做为电流采 样元件用于保护，保护准确度为5 p 级。 随着电子式电流互感器的飞速发展，2 0 0 2 年7 月颁布实施了由国际电工委 员会制定的电子式电流互感器标准i e c6 0 0 4 4 8 2 0 0 2 。该标准给出了电子式电流 互感器的定义，根据该定义，电子式电流互感器的范畴包括了各种类型的光纤 光学电流互感器。参考国际标准i e c6 0 0 4 4 8 2 0 0 2 再根据国内实际情况，2 0 0 7 年8 月1 日我国颁布实施了电子式电流互感器国家标准g b t2 0 8 4 0 8 2 0 0 7 。该 标准规范了电子式电流互感器的研究与应用，标志着我国电子式电流互感器已迈 入实用化研究的新阶段。 1 3 电子式电流互感器存在的主要问题 最近些年，虽然无源式或有源式电子式电流互感器已经在国内外挂网运 行，然而这并不标志着电子式电流互感器技术发展成熟乜2 1 。要真正进入大规模 商业化应用阶段，它的长期稳定性和可靠性、测量准确度仍然有待深入研究。 基于法拉第磁光效应原理的纯光学电子式电流互感器( 无源式) 主要存在下 面几个方面的问题： ( 1 ) 温漂问题。f a r a d a y 磁光材料在外界环境的温度变化时，会发生双折射 现象，而输出光强会受到双折射现象的影响，系统测量准确度将会降低，达不到 电力系统计量准确度的要求。 ( 2 ) 长期运行稳定性问题。选取双层光路传感结构的块状玻璃式无源电子式 电流互感器，输出光强会随运行时间变长而逐渐减弱，最后将无法测量电流心引。 ( 3 ) 造价昂贵。 基于电磁感应原理的有源式电子式电流互感器主要采用空心线圈作为电流 互感器的电流传感器，被测电流经过微分后成为了线圈的输出信号，通过后续电 路的处理，输出电流信号。空心线圈电流传感器主要存在下面几个方面的问题： ( 1 ) 线圈的结构和制造工艺对测量的准确度会产生非常大的影响。常用的空 心线圈设计准确度最高可以达到0 1 ，然而实际应用中只有1 - 3 ，并且在进行 批量生产时，其分散性很大；机制空心线圈的准确度最高可以达到0 2 ，p c b 空心线圈的准确度最高可以达到0 1 ，其参数具有较好的一致性乜引。 ( 2 ) 测量准确度会受到一次母线与线圈的相对位置变动的影响，其受影响的 p c b 平面螺旋窄心线圈高压电子式电流互感器的研究 程度由线圈的结构、制造工艺和相对位置变化的大小决定心4 2 引。 ( 3 ) 系统的测量准确度和可靠性受工作环境中强大而复杂的电磁干扰的影响 非常大乜引。导致在现场运行过程中，空心线圈电子式电流互感器的准确度很难 达到计量要求，不能在电力系统的继电保护广泛应用。 1 4 本文的主要工作和章节安排 本文的主要工作是：根据国际电工委员会制定的电子式电流互感器标准 i e c 6 0 0 4 4 8 ，结合本人在校期间参与项目的研究工作情况，分析研究了四种不同 结构类型的p c b 平面螺旋空心线圈传感性能和抗干扰能力。 本论文写作章节安排如下： 一章对论文的研究背景，对电子式电流互感器在国内外的研究状况，对电 流互感器在国标i e c 6 0 0 4 4 8 的定义以及其存在的主要问题进行了综述。 二章对空心线圈进行了研究与分析，介绍了理想空心线圈的测量原理，并 空心线圈传感头、p c b 型空心线圈传感头和p c b 平面螺旋空心线圈传感 不同类型的空心线圈传感头作了分析。 三章根据一次导线的摆放位置以及二次线圈结构形状的不同，提出了四种 构的p c b 平面螺旋空心线圈组合形式。并对四种不同结构的p c b 平面螺 线圈电子式电流互感器的性能进行分析、计算和比较，得出折导线四个圈 p c b 平面螺旋空心线圈电子式电流互感器为最优选型方案。 四章对传感性能较佳的p c b 平面螺旋空心线圈电子式电流互感器传感头 进行了详细的分析和研究，建立了数模模型，对其自身的参数自感、内阻 计算方法进行了推导分析，最后对其暂态特性和稳态特性进行了分析和仿 工程硕l 学位论文 第2 章空心线圈传感头的研究与分析 随着电力系统电压等级的升高、传输容量的增大，传统电磁式电流互感器已 不能满足全新数字化变电站的发展需求。从整个变电站的发展需要来说，研究电 子式电流互感器具有重要的理论意义和实用价值，将替代常规互感器。电子式电 流互感器的传感头是其核心部件，一次电流传感头的性能直接影响甚至决定了电 子式电流互感器的性能。所以为了提高电子式电流互感器的性能，应从研究空心 线圈的结构和测量原理两个方面入手。 空心线圈是1 9 1 2 年推出的用于磁场测量。当时因为传感头输出过低，不能 直接驱动测量装置，故没能应用于电流测量。现在，如今随着微电子和信息技术 的发展，其所需驱动能量的下降，空心线圈也能应用到电流的测量中乜 。 2 1 理想空心线圈的测量原理 理想空心线圈就是将导线均匀密制在截面积均匀细小的环形非导磁材料骨 架上的封闭空心螺线管，其测量原理心引如下图2 1 所示。 载流导体穿过线圈，根据安培环路定律有： f b c o s a d l = j c l o f ( 2 1 ) t 式中，l 为线圈的周长，b 为线元处的磁感应强度，d l 为线圈周长上的一段线元 长度，角口为b 和线元沿d l 方向的夹角，f 是载流导体流过的电流，o 为真空磁 导率，j c l o 一锄1 0 h m 。 设s 为线圈的截面积，n 为单位长度线圈的匝数，则线元长度内线圈匝数为 n d l 。d l 长度线圈内的磁通为： d o n s b c o s a d l ( 2 2 ) 整个线圈的磁链： 妒= 弘驴= n s f b c o s a d l = o n s i ( 2 3 ) z z 当被测电流发生变化时，根据法拉第电磁感应定律可知： 荆一掣= - o n s 警一m 警 仁4 ， m = o n s ( 2 5 ) 式中，m 为线圈与载流导线间的互感。 p c b 平面螺旋空心线圈高压电子式电流互感器的研究 b 图2 1 空心线圈工作原理 由式( 2 4 ) n - - i9 【l ，线圈的感应电动势与被测电流成微分关系，所以需要通过积 分环节将输出电压转换成与被测电流f ( f ) 的相同关系。 2 2 传统空心线圈传感头的分析 圆形截面和矩形截面是空心线圈横截面的两种常用结构，以下分析是专门针 对这两种截面结构空心线圈的心 。 2 2 1 矩形截面的空心线圈 图2 2 所示为空心线圈的矩形截面结构。无限长载流直导线通过线圈中心， 且与该线圈平面垂直，整个导线均匀地绕在圆形截面非磁性骨架之上。设被测载 流直导线中流过的瞬时电流为，线圈骨架的任意半径为，绕组匝数为，绕 组的互感系数为m ，骨架外径为r 。，骨架内径为r ，骨架高度为h ，真空磁导 率为t 。，其值为锄x 1 0 h m 。线圈的感应电动势e o ) 和线圈骨架的内磁通爹， 均可由全电流定律和电磁感应定律n 2 3 推导而来，其推导过程如下： 全电流定律可知： f ，h 讲= i x 辛h 。丢 ( 2 6 ) 从而可得 b ；。日；警 ( 2 7 ) t 程硕i ：学位论文 图2 2 矩形截面空心线圈结构原理图 其中，为线圈中心到线圈截面内任意距离。 单匝绕组内的磁通为： 妒= 尸搬 2 n r2 产地2 z r ；等嚎 ( 2 8 ) 磁链妒为： 妒= 脚= 訾l l l 惫 ( 2 9 ) 根据电磁感应定律可得： p ( t ) f f i - 警i n u o h - n 惫鲁 ( 2 1 0 ) 则绕组的互感系数为： m ：n h1 n 生 ( 2 1 1 ) 2 z r r b e o ) ：一m 孕 ( 2 1 2 ) 2 2 2 圆形截面的空心线圈 图2 3 所示为空心线圈的圆形截面结构。无限长载流直导线通过线圈中心， 且与线圈平面垂直，整个线圈均匀地绕在圆形截面非磁性骨架之上。设被测载流 直导线中流过的瞬时电流为i ，绕组匝数为n ，绕组的互感系数为m ，线圈中心 到骨架中心半径为r ，线圈截面半径为，真空磁导率为。，其值为4 zx 1 0 h m 。 p c b 甲面螺旋空心线圈高压电了式电流互感器的研究 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) m 的大 工程硕上学位论文 2 3p c b 型空心线圈传感头的分析 传统的空心线圈有手工绕制和绕线机绕制两种。但是，不管是用手工绕制的， 还是用绕线机绕制的，空心线圈的二次绕线都不可能绝对的均匀，而且即使是同 批量的产品，线圈的互感系数和抗干扰系数也会存在较大差别，线圈的分布参数 很难保持一致，并且容易出现断线的现象。基于p c b 型空心线圈是将p c b 做为 骨架，印制导线替代传统空心线圈的绕线，其原理同传统空心线圈的原理基本一 致。根据结构的不同可以分为基于p c b 平板型空心线圈和基于p c b 组合型空心 线圈两种。 2 3 1p o b 平板型空心线圈 p c b 平板型空心线圈，将传感线圈印制到p c b 骨架上面，p c b 中心开有通 孔，用于一次导线穿过，其原理图下图2 4 所示。 根据安培环路定律和电磁感应定律可得出： e b ) ：一肘堕。一n 比。hi n 生堕( 2 2 0 ) 。 出幼 r 出 。 其中，为被检测的电流，为单个p c b 板上的绕组匝数，尺。为线圈外圆半径， 凡为线圈内圆半径，h 为p c b 板的厚度，真空磁导率为。，其值为锄x 1 0 h m 。 窖辜) 图2 4p o b 平板型空心线圈原理图 线圈可选择由偶数块p c b 板串联起来，同时使两个相邻线圈的绕线方向相 反，这样可以消除外界电磁场的干扰，从而得到更高的准确度，其结构如图2 5 所示。由右手定则，可得出流过线圈内部的电流所产生的感应电动势之和，可以 抵消线圈外部电磁场在线圈上所产生的感应电动势。所以，应用此结构不需要另 p c b 平面螺旋窄心线罔高压电子式电流互感器的研究 外再制作回线。 其中 的分 印制 相抵 工程硕t 学位论文 副印制电路板上面有形成回路的印制导线，当需要提高互感系数时，可以将 印制导线制成多层，也可以通过在一块主印制电路板上加入多个相同型号的副印 制板，只是其在数量上应保持为偶数。副印制板一般使用焊接工艺安装，因为它 的精度直接影响整个线圈的精度，所以对它的制作精度要求很高。具体的工程设 计决定了副印制板绕线层数和绕制形状，绕线形状一般包括螺旋形、椭圆形和矩 形心7 1 。其中矩形绕制的副印制板的结构如图2 7 所示。 图2 7 矩形绕制副印制板结构图 副印制板的互感系数同样可以根据电磁感应定律和全电流定律求出。设副印 制板的互感系数为m ，副印制板的数量为，从而可以求得整个p c b 组合型空 心线圈的互感系数为： m = n m ( 2 2 1 ) p c b 组合型空心线圈的互感系数相对于p c b 平板型空心线圈和传统的空心 线圈有了很大的提高。但是，由于主印制电路板和副印制板构成的p c b 组合型 空心线圈结构复杂，且对副印制电路板的安装精度和制作精度要求很高，制作的 难度也就增大。 2 4p c b 平面螺旋空心线圈传感头的分析 2 4 1p c b 平面螺旋空心线圈的结构 p c b 平面螺旋空心线圈电子式电流互感器是我校近几年来提出的一种新型 结构电子式电流互感器。其传感头的结构简单，抗干扰性能也优于前面介绍的传 统空心线圈和p c b 型空心线圈的抗干扰性0 1 。 p c b 平面螺旋空心线圈具有以下的结构特征： ( 1 ) p c b 平面螺旋空心线圈由2 个或者以上的偶数数量的平面螺旋空心线圈 细成。 p c b 平面螺旋空心线圈高压电了式电流互感器的研究 ( 2 ) 每个平面螺旋空心线圈可以为分布均匀的矩形、圆形、或者是椭圆形 种形状中的任何一种。 ( 3 ) 被测电流导线可以根据设计的需要，设计成直线型导线或者是曲折形 的导线。 p c b 平面螺旋线圈可以制作成单层或者多层板，可以提高互感系数的大小。 根据上述的结构特征，可知p c b 平面螺旋线圈的结构可以有多种类型，像图2 8 所示的结构。 上i 。 阳 q 一 - 厂 门 i _ j _ ( b ) 工程硕上学位论文 p 0 ) ；一m 竺生 ( 2 2 2 ) 出 、。 其中，m 为一次被测导体与二次线圈之间的互感系数。 由式( 2 2 2 ) 可知道，输出电压p ( f ) 与一次被测电流的微分成正比关