（电力系统及其自动化专业论文）电子式电流互感器传感头的研究与设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to 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 el e v e li n p o w e rs y s t e m ，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 r sh a v em o r ea n d m o r ew e a k n e s s e sa n dh a v eb e e nd i f f i c u l tt om e e tt h en e e dt h a tn e t w o r kd e v e l o d s t o w a r d sa u t o m a t i o na n dd i g i t i z e dd i r e c t i o n i nr e c e n t y e a r s ，t h 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 r ( e c t ) i ss t u d i e de x t e n s i v e l ya th o m ea n da b r o a d ，b e c o m ear e v o l u t i o n a r v r e s e a r c h t h ep a p e rf o c u s e so nt h ec u r r e n ts e n s o ra n ds o l v e st h e p r o b l e mt h a t 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 ri sd i f f i c u l tt om e a s u r el o w c u r r e n ta c c u r a t e l y a tf i r s t ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h es i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n ge 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 r ，a n da n a l y s e st h es i t u a t i o no fs t u d y i n ge l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f b r m e ra t h o m ea n da b r o a d a l lk i n d so fc u r r e n t s e n s i n gh e a da r es t u d i e d a n dt h e i r s h o r t c o m i n g sa r ea n a l y s e d a c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n a l y s i s ，t h ep a p e r p r o p o s e st h a ts p i r a l - t u b eh o l l o wc o i lc a nb eu s e da st h ec u r r e n ts e n s i n gh e a do fe c t ， a n dg i v e st w ot y p e so fs p i r a l t u b eh o l l o wc o i l sw h i c ha r el o n gs t r a i g h ts p i r a l t u b e h o l l o wc o i lb a s e do nm a n u a la n dp l a n a rs p i r a l t u b eh o l l o wc o i lb a s e do np c b t h e i r w o r k i n gp r i n c i p l ea n da n t i - i n t e r f e r e n c em e c h a n i s mo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d i sa r e g i v e n t h e i rf o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n gt h ec o i l sc o e f f i c i e n to fm u t u a li n d u c t a n c ea r e d e r i v e d t h ev a r i o u ss t r u c t u r e so fs p i r a l t u b eh o l l o wc o i la r er e s e r c h e da n de x p l o r e d w i t ht h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g t h ep a p e ra n a l y s e st h ef a c t o r s a f f e c t i n g i t s p e r f o r m a n c e ，a n dg i v e st h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n e x p e r i m e n t a lm o d e l sa r em a d e a n dt e s t e df o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a tl a s t ，t h ep a p e rs t u d i e sa n de x p l o r e se c t b a s e do ns p i r a l - t u b eh o l l o wc o i lf o ra p p l i c a t i o n t e c h n o l o g yi nt h eh i g h v o l t a g es y s t e m ， m e d i u m v o l t a g es y s t e ma n dt h el o w v o l t a g ed e v i c e ，a n dp r o p o s e st h a tt h ep l a n a r s p i r a l t u b eh o ll o wc o i lb a s e do np c bc a nb eu s e da st h ef u t u r ef o c u si nr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n ts e n s o rb a s e d o n s p i r a l - t u b eh o l l o wc o i lh a sg r e a tf r e q u e n c yb a n d w i d t hf o rm e a s u r e m e n t f a s t r e s p o n s ea n ds t r o n ga b i l i t yo fa n t i - e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n dc a nm e a s u r e l o w c u r r e n ta c c u r a t e l y i ti ss u i t a b l ef o ras p e c i a lc u r r e n tc o n v e r t e ro fe l e c t r o n i c p o w e rm e t e ra n dr e l a yp r o t e c t i o n s i m i l a r l y ，i ti sa l s os u i t a b l ef o r h i g h c u r r e n t m e a s u r e m e n ti nh i g h - v o l t a g ea n dm e d i u m - v o l t a g es y s t e m t h et e c h n o l o g yh a sb e e n t h en a t i o n a lp a t e n t t h e r ea r ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p o s i t i v ep r a c t i c a l 电子式屯流互感器传感头的研究j 设计 v a l u ef o rt h ed e v e l o p m e n to fn e 、me 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 k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ；c u r r e n ts e n s o r ；h o l l o wc o i l ； s p i r a l - t u b eh o l l o wc o i l ；p c b i v 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：袭伽 日期：矽口罗年岁月矽日 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“、”) 作者签名： 导师签名： 玺佛 同锨 日期：伊了年岁月7 oe 1 日期：卅年多月扣日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 本研究课题的背景及意义 电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，c t ) 是电力系统电能计量和保护控制的重要 设备，是电力系统电能计量、继电保护、系统诊断与监测分析的重要组成部分， 其测量精度、运行可靠性是实现电力系统安全、经济运行的前提。近年来随着各 国经济的迅速发展，对电力系统的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额 定电流都有大幅度的增加，与之相适应的电力系统中的输变电设备的额定电压和 额定电流都要随之改变，因此必须研究和发展新型设备，电流互感器就是其中之 o 目前在电力系统中广泛应用的是电磁式电流互感器，它运行了近一个世纪， 但随着电力系统的传输容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁式电流互 感器因其传感原理而出现了不可克服的问题【1 4 】： ( 1 ) 潜在的突然危险，例如，突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统 的不稳定因素； ( 2 ) 若输出的二次测负荷开路将会产生高压对配电设备甚至人身安全造成危 害； ( 3 ) 随着电网电压等级的不断提高，绝缘问题的解决，必然使得电流互感器体 积增大，成本增高，设备变得极为笨重； ( 4 ) 由于电磁感应式电流互感器是用铁心制成，因此，对高频信号响应特性较 差，这样，对高压线路上的暂态过程不能正确反应； ( 5 ) 它的二次侧输出对负荷要求很严格，若二次负载较大，测量误差就增大， 准确度下降； ( 6 ) 对于高压及特高压电厂( 站) 来说，占地面积较大，传输二次侧的电信号 距离较远，故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，容易产生干扰； ( 7 ) 维护工作量大，如对于油浸式电流互感器还要定期对绝缘油进行化验、测 介质损耗和解决渗漏油等问题； ( 8 ) 目前使用的电磁式电流互感器在正常工作时磁通密度很低，而在系统发生 短路故障时，由于原方短路电流很大，使磁通密度大大增加，有时甚至远远超过 饱和值，从二次侧的电流与原方电流相比，在大小和相角上都不可避免地出现误 差。 鉴于电力系统大容量、高电压发展的需要和传统互感器存在的问题，十分有 电子式电流互感器传感头的研究j 设计 必要开发新型电流互感器。随着电磁学、光电子学、智能传感技术、数字信号处 理技术、通讯和计算机技术的飞速发展及多学科的交叉融合，电子式电流互感器 ( e c t ) 的研究得到了国内外研究人员的广泛重视，成为具有革命性意义的研究方 向1 5 8 】。 与传统的电磁式电流互感器相比，电子式电流互感器具有如下优点1 9 - 1 2 1 ： ( 1 ) 绝缘结构简单，体积小，重量轻。因无铁芯、绝缘油等，一般电子式电流 互感器的重量只有电磁式互感器重量的1 1 0 ，便于运输和安装。 ( 2 ) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险。由于电子式电流互感器的高 压侧与低压侧之间只存在光纤的联系，而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压 回路与二次回路在电气上完全隔离，因此低压侧没有因开路而产生高压的危险， 而且避免了电磁干扰的影响。 ( 3 ) 带负载能力强，对于接入有任何输入阻抗，以模拟或数字形式输入信息的 负载可具有任意需要的独立输出。 ( 4 ) 由于传感和信号处理部分外形小和重量轻，可以装入成套电器或成套配电 装置中，适应电力设备向集成化方向发展的趋势。 ( 5 ) 不存在磁饱和与铁磁振荡问题，能在很大的电流变化范围内，以高速动作、 准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流。 ( 6 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。电子式电流互感器采用光纤绝 缘而不采用油绝缘，在结构设计上就可以避免这方面的危险。 ( 7 ) 适应电力系统数字化、智能化和网络化发展的需要。电子式电流互感器可 以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子式计量设备， 而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的优势。 1 2 电子式电流互感器的概述 对于电子式电流互感器，国际电工委员会已经制定了相应的国际标准 i e c 6 0 0 4 4 8 。标准中提到：电子式电流互感器是指一种由连接到传输系统和二次 转换器的一个或多个电流传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪 器、仪表和继电保护或控制装置【1 3 】。 i e c 6 0 0 4 4 8 所规定的电子式电流互感器通用结构图如图1 1 。其基本原理是 将一次侧被测电流转变成方便传输的信号，一般为数字信号或频率变换信号，经 传输系统送到二次侧，在二次侧作一定的处理后，可以以模拟量形式或数字量形 式输出，供测量和保护用。根据国内电力系统的现状，标准规定电子式电流互感 器的模拟输出接口可适当保留，以适应现有的仪器设备。 根据电流传感头的不同，电子式电流互感器可分为无源电子式电流互感器和 有源电子式电流互感器。 2 硕士学位论文 e f ：设备故障 m r ：维修申请 8 1 ：测量用信号 s 2 ：保护用信号 s 1 s 2 s 1 s 2 图1 1 电子式电流互感器通用结构图 1 2 1 无源电子式电流互感器 无源型电子式电流互感器可分为磁光式电流互感器、全光纤式电流互感器和 混合式电流互感器。所谓无源型电子式电流互感器就是传感头部分不需要供电电 源。其原理主要基于法拉第( f a r a d a y ) 磁光效应，l e d 发出的光经起偏器后为一 线偏振光，线偏振光在磁光材料中绕载流导体一周后，其偏振面发生旋转，通过 测量线偏振光偏振面的旋转角度，就可以间接地测量出导体中的电流值。 无源电子式电流互感器，虽然结构简单，克服了传统电磁式电流互感器的缺 点，但是，其本身的双折射问题难以解决，易受干扰而使其精度难以保证，还有 环境温度和震动会影响它的工作稳定性，这些问题都还有待解决。 1 2 2 有源电子式电流互感器 有源电子式电流互感器的高压侧采用有源电子线路，利用光纤作为传输通道。 其原理是：首先用电流传感头测得一次侧的电流，用大规模集成电路模数转换器 将检测到的信号进行数字化转换和利用发光元件进行光电转换，利用光纤将信号 传输到低电位，并且再进行光电转换和数字化处理，最后直接将还原后的测得量 送至测量装置或继电保护等仪器。其中，最具代表性的就是基于空心线圈 ( r o g o w s k i 线圈) 的电子式电流互感器，以其结构简单、精度高、稳定性好等优 点而成为目前研究的热点【1 4 16 1 。 1 3 国内外电子式电流互感器的研究现状 随着光电子技术的成熟和不断发展，国内外很多大学和科研机构对e c t 的研 究都投入很大的精力，发展到现在，已经取得了很大成就【1 7 2 3 1 。 1 3 1 国外e c t 的研究状况 早在2 0 世纪6 0 年代国外科研工作者就开始利用法拉第磁光效应从事电流互 电了式电流互感器传感头的研究与设计 感器的研究【2 4 2 5 1 ，到8 0 年代和9 0 年代初期电子式电流互感器就己初具商品使用 价值。 美国五大电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了e c t 专题研究小组，致力于无 源e c t 的研究，以块状结构的混合型磁光式电流互感器为主，对磁光式电流互感 器的传感头的结构、温度问题、计量、继电保护、信号处理和互感器的长期运行 可靠性做了深入的研究，在19 8 6 年至19 8 8 年期间，分别成功研制出了l6 1k v 独 立式、1 6 1 k v 组合式和1 6 l k v 继电保护式的e c t ，在1 9 8 9 年5 月至1 9 9 2 年又 成功研制了最高工作电压为3 4 5k v ，测量范围为2 0 - - 一2k a ，精确度为o 3 级的计 量及保护用电子式电流互感器，且挂网运行成功【2 6 1 。 法国的a l s t o m 公司研制出了1 2 3 k v 至7 5 6 k v 的无源e c t 。自1 9 9 5 年以来， a l s t o m 公司的e c t 已有多台在欧洲及北美运行。a b b 公司已研制出多种无源电 子式电流互感器，如磁光电流互感器、组合式光学测量单元、数字光学仪用互感器 等。日本研究德重点是g i s 用的e c t 与光学p t 、组合式光学零序电流互感器，取 得了不少挂网运行经验，在1 9 8 2 年首次获得磁光材料s f 6 、f r 5 玻璃、y i g 等磁光 材料的温度特性曲线。现在s f 6 被公认为是无源e c t 的最好磁光材料之一。 无源e c t 因其结构简单，灵敏度高等优点，成为各国研究的热点，但所存在 的双折射问题难以解决，光源输出功率波动、光波波长的变化都会使其精度和灵 敏度受到影响，并且所选用的磁光材料在外界温度、压力等因素变化之下的稳定 性也很难保证。所以这种互感器没有得到很好的推广和应用。 随着电子技术、计算机技术和大规模集成电路的不断发展，低功耗、高精度、 高速度的a d 变换器、压控振荡器和信号处理芯片已经实用化了。这些技术的进 步使得有源e c t 成为新的发展方向。 1 9 7 9 年，意大利已经研制出了压频转换式有源e c t ，英国l i v e r p o o l 大学于1 9 9 3 年研制的有源e c t ，都是采用参数变压器从电流母线上获得电源以供电的方法。 德国r i t z 互感器公司也研究出了同样的产品。19 9 4 年a b b 公司推出有源型电子式 电流互感器，其电压等级为7 2 5 7 6 5k v ，额定电流为6 0 0 - 6 0 0 0 a ，并在插接式智 能组合电器( p a s s ) 、s f 6 气体绝缘开关( g i s ) 、高压直流( h v d c ) 和中低压开关柜中 得到了应用【2 7 1 。近年来，美国的p h o t o n i cp o w e rs y s t e m s 公司已经初步将a d 采集 式有源电流互感器产品化，其供电方式为激光供电。英国利物浦大学电机系也在 进行电子式电流互感器的研究【2 引。 1 3 2 国内e c t 的研究状况 我国由于对电子式电流互感器的研究起步比较晚，无论是从技术角度还是研 制情况都比国外落后，一些厂商、科研院所和高校也在努力研制电子式电流互感 器【2 弘3 l j ，如清华大学、电力科学研究院、华中科技大学、西安交通大学、湖南大 4 硕士学位论文 学、燕山大学、上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、 西安高压开关厂、南瑞继保电气有限公司等单位在从事电子式电流互感器的研制 工作，且已有多种样机研制出来，但绝大多数仅限于实验室阶段，还没有实用化 产品投入运行。 前几年，国内各单位的研究重点主要是无源e c t ，如华中科技大学1 9 9 8 年曾 研制出11 0k v 的无源e c t ，并在广东新会挂网试运行，并于1 9 9 3 年与广东新会供 电局在广东新会供电局所在的大泽变电站进行试挂网运行，于1 9 9 4 年通过电力部 鉴定，其技术指标为1 1 0 k v ，1 0 0 3 0 0 a ，精度为0 3 级。清华大学和中国电力科 学研究院共同研制出了1 1 0 k v 的无源e c t ，于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网运行。 近几年，由于有源e c t 的技术较为成熟，且便于工业化生产，国内多家科研 单位已开始注重基于r o g o w s k i 线圈的有源e c t 的研究，接着又研究出了基于印刷 电路板( p c b ) 的r o g o w s k i 线圈1 3 2 - 3 4 。但就目前研究情况来看，用于小电流测量 的电子式电流互感器的研制还很薄弱，主要是由于r o g o w s k i 线圈的互感系数很 小，测量小电流时感应出的电压信号极其微弱，易受干扰而很难精确测量。这个 难题亟待解决，也正是本文研究的重点。 1 4 本文主要研究内容 为了推进电子式互感器的研究开发以及产品实用化，湖南大学电气工程系成 立了的电子式互感器应用技术研究所，周有庆教授为负责人，并聘请国内著名变 压器专家朱英浩院士担任技术顾问。本人主要负责e c t 电流传感头的研究和设 计，解决e c t 用于小电流测量的难题。本课题是电子式电流互感器科研项目中的 核心部分，具有十分重要的理论研究意义和实际应用价值，主要研究内容包括以 下几个方面： 第一章：阐述了研究电子式电流互感器的必要性及意义，分别研究了两种类 型电子式电流互感器的传感原理和优缺点，分析了国内外电子式电流互感器的研 究状况，概述了本文研究的主要内容。 第二章：研究了电子式电流互感器各种类型传感头的结构和工作原理，分 析了基于磁光效应的电流传感头难以克服的技术难点，以及r o g o w s k i 空心线 圈难以精确测量小电流的原因。 第三章：提出了螺旋管空心线圈作为电子式电流互感器的电流传感头，给 出了两种结构的螺旋管空心线圈手绕长直型螺旋管空心线圈和p c b 平面 型螺旋管空心线圈，分别分析了它们的传感原理和抗外磁场干扰的机理，推导 出了各自互感系数的计算公式。 第四章：研究了螺旋管空心线圈的两种工作状态，分析了两种工作状态下 的频率特性，对影响传感头的各种因素进行了分析，并给出了相应的解决措施， 电了式电流互感器传感头的研究与设计 最后设计了实验模型，并进了实验测试和分析。 第五章：研究探索了螺旋管空心线圈在各个电压等级中的应用技术，给出了 高压、中压系统以及低压装置中螺旋管空心线圈电子式电流互感器的结构和原理。 结论：对全文工作进行了总结和展望。 6 硕上学位论文 第2 章电子式电流互感器传感头的研究与分析 随着电力系统的传输容量越来越大、电压等级越来越高，传统的电磁式电流 互感器暴露出一系列严重的缺点，难以满足新一代电力系统向自动化、数字化发 展的需要。电子式电流互感器的研究具有重大的理论意义和实际应用价值，将成 为常规互感器的替代品。其中，电子式电流互感器的传感头是个核心部件，目前 重点研究的传感头分为两种：一种是基于法拉第磁光效应( f a r a d a ye f f e c t ) 的电 流传感器；另一种是基于空心线圈( r o g o w s k i 线圈) 的电流传感器。本章重点研 究分析这两种传感头的工作原理以及所存在的缺陷，并研究探索新型的电流传感 头。 2 1 基于磁光效应的电流传感器 无源电子式电流互感器所采用的传感头就是基于法拉第磁光效应，其基本原 理是当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性 的随着平行于光线方向的磁场的大小而发生旋转，通过测量其旋转的角度日，就 可以间接地测量出导体中的电流值f ，其计算公式为： o = v 卢庐v f ( 2 1 ) 其中，秒为线偏振光偏振面的旋转角度；v 为磁光材料的维而德( v e r d e t ) 常数， 由介质和光波的波长决定；，为光在磁光材料中通过德路程；日为被测电流f 在光 路上产生的磁场强度。 由公式( 2 1 ) 可知：只要测得口角，就可以计算出被测电流f 的大小。 利用法拉第磁光效应实现电流传感器有多种方法，其中最具代表性的就是块 状玻璃型电流传感器和全光纤型传感器。 2 1 1 块状玻璃型电流传感器 块状玻璃型电流传感器原理图如图2 1 所示，入射光经起偏器后，在重火石 玻璃内绕被测导体电流一周，然后经过检偏器和准直透镜送给p i n 。利用检偏器 将偏转角口的变化转变为光强的变化，由光强的变化可以测得偏转角9 。当线偏 振光通过检偏器的时候，其输出光强p 为： p = r c o s 2 妒2 昂c o s 2 ( 日+ y )( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，昂为入射光经过起偏器后的光强；驴为射入检偏器光的偏振面与 检偏器透光轴方向之间的夹角；) ，为起偏器与检偏器光轴的夹角。 7 电子式i 乜流互感器传感头的研究与设计 当7 = x 4 时，p 的变化具有最高的灵敏度，线性度也很好。此时式( 2 2 ) 变为： p = p o c o s 2 ( 0 + 三) = i e o 【1 “n ( 2 钏 ( 2 3 ) 磁光材料 图2 1 块状玻璃型电流传感原理图 当0 远小于1 时， d p 粤( 1 2 0 ) ( 2 4 ) 、 ： 由公式( 2 1 ) 可得， 1 p 寺c o ( 1 2 1 ，f ) ( 2 5 ) 二 通过光电变换、滤波等电路环节，式( 2 5 ) 可以分解为交流分量电压c 和直 流分量电压，其值如下： 叽c = k l e o i( 2 6 ) 1 = k 2 p o ( 2 7 ) 二 最终输出电压为 u = u a c 2 尼f ( 2 8 ) 由式( 2 6 ) 禾1 1 ( 2 7 ) 可知，k 为比例常数，这样由公式( 2 8 ) 就可以求得被测导体 中的电流f 大小。 2 1 2 全光纤式电流传感器 如图2 2 所示，全光纤式电流传感器是将一根单模光纤绕在被测导体上，激 光器发出的激光经过起偏器变为线偏振光候，再由显微物镜耦合进入光纤中，如 果忽略光纤的双折射，则射出光仍然是一线偏振光。 8 硕士学位论文 起偏器 被测导体 w o l l a s t o n 棱镜检偏器2 图2 2 全光纤式o c t 结构图 设导体中的电流为f ，由上式( 2 1 ) 可知： o = n v f i e n v ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中，n 为单模光纤绕在被测导体上的匝数。 偏振光射出经w o l l a s t o n 棱镜分为二束，两束光的偏振面互相垂直，其电场 矢量图如图2 3 。其中，e 0 为被测导体中无电流时出射线偏振光的电场矢量；e o 为 被测导体中有电流时出射线偏振光的电场矢量；e l 、易为经w o l l a s t o n 棱镜分开 的二束光的电场矢量。 晶 乓 1 l 、 。“e | 、形 ，7 沁也 椤 写协 图2 3 出射线偏振光的电场矢量图 以上两种电流传感器均需采用磁光材料，结构简单，克服了常规电流互感器 的缺陷，但仍存在难以解决的技术难点：双折射效应的影响、环境温度的影响以 及震动问题的影响。这些技术难点使其应用受到了限制【3 5 36 1 。 2 2 基于r o g o w s k i 线圈的电流传感器 r o g o w s k i 线圈是1 9 1 2 年推出的用于磁场测量。当时它还不能用于电流测量， 9 电了式电流互感器传感火的研究与设计 因为输出电压过低，无法驱动测量装置。然而，随着微机的发展，r o g o w s k i 线圈 也适合了电流的测量。电流互感器历来应用于保护和测量系统，其输出能为机电 设备提供所需的高电压。而现代测量装置输出的低电压即可驱动微机工作( 不需高 电压) ，这样r o g o w s k i 线圈用于电流测量成为了可能，并且有很多优于传统电流 互感器的特点【3 7 1 。最初，r o g o w s k i 线圈主要由手工绕制，但考虑到其绕线不能够 绝对均匀，且其互感系数和干扰系数和预计的相差很大，一般无法满足计量的要 求，也不适合批量生产3 引。为了解决这些问题，相关科研机构又提出了基于p c b 的r o g o w s k i 线圈，其工作原理与传统手工绕制的r o g o w s k i 线圈差不多。 2 2 1 传统的r o g o w s k i 线圈 传统的r o g o w s k i 线圈是由绕线均匀地绕制在一个非磁性环形骨架上做成的。 根据r o g o w s k i 线圈横截面形状的不同，用来计算输出电压的互感系数也不同。 r o g o w s k i 线圈横截面的形状主要有两种：矩形和圆形，下面分别就这两种横截面 形状的r o g o w s k i 线圈传感头的互感系数进行分析计算。 2 2 1 1 横截面为矩形的r o g o w s k i 线圈 如图2 4 ，为被测导体中流过的瞬时电流；r 为线圈骨架的任意半径；r 。为 骨架外径；r 。为骨架内径；h 为骨架高度；n 为绕组匝数；a 。为真空磁导率，其 值为4 万1 0 h m 。根据全电流定律和电磁感应定律，可以推导出线圈骨架内磁 通和线圈感应电动势e ( t ) 。 r o g o w s k i 线圈 i 由全电流定律： 得 图2 4 矩形r o g o w s k i 线圈结构原理图 弘讲= ，- h = 刍 b _ 刖2 筹 其中，为线圈中心到线圈截面内任意距离。 1 0 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 硕卜学位论文 而 妒= 抄布2 堞舔2 掣咖兰訾h 去 亿 = n 妒= 百n p o h i lh l 鲁 ( 2 1 4 ) 所以，由电磁感应定律得 郇卜警一掣h 等等 亿 设绕组互感系数为m ，则 m = 型2 r eh l 鲁r ( 2 1 6 ) 、 e ( t ) 一m 象 ( 2 1 7 ) 2 2 1 2 横截面为圆形的r o g o w s k i 线圈 如图2 5 ，导线均匀地绕在截面为圆形的非磁性骨架之上，r 为线圈中心到骨 架中心的半径；r 为线圈截面的半径；为被测导体中的电流；n 为绕组匝数；j l l 。 为真空磁导率，其值为4 万1 0 h m 。 * 1 0 一 ：一 圆 r o g o w s k i 线圈 图2 5 圆形r o g o w s k i 线圈结构原理图 由全电流定律：4 h d l - i lj h - - 去 得 b = a 0 h = 婴 z 7 z x 其中x 为线圈中心到线圈截面内任意距离。 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 电了式电流互感器传感又的研究j 设计 妒= 拉豳= 璐拉2 0 i j ；- 。( r - r ) 一d x = p o i l ( r 一厅7 ) ( 2 2 。) 则有 = n 9 = n 。k 一托爵) ( 2 2 1 ) 所以，由电磁感应定律得 e ( t ) = 一警= 啪c r 一届了) 面d 1 ( 2 2 2 ) 设线圈互感系数为m ，则 m = c r 一厨) ( 2 2 3 ) e ( t ) - - 一m 拿 ( 2 2 4 ) 由公式( 2 1 7 ) 和( 2 2 4 ) 可知，两种不同截面形状r o g o w s k i 线圈输出电压的公式 可归结为e ( t ) = 一m 粤的形式。由公式( 2 16 ) 和( 2 2 3 ) 可知，互感系数m 只与线 圈尺寸、匝数有关，一二次电磁耦合强度较小，以致互感系数较小，难以制作的 较大。 2 2 2 基于p c b 的r o g o w s k i 线圈 传统的r o g o w s k i 线圈需要手工绕制，或者是绕线机绕制的。无论手工绕制， 还是绕线机绕制，r o g o w s k i 线圈的二次绕线不能够绝对的均匀，同批量的产品互 感系数和抗干扰系数相差很多，线圈的分布参数难以保持一致，并且容易断线。 最近科研人员又提出了基于p c b ( 印刷电路板) 的r o g o w s k i 线圈，将p c b 作为 骨架，印制导线代替传统r o g o w s k i 线圈的绕线，其原理跟传统r o g o w s k i 线圈基 本一样，根据结构不同分为两种：基于p c b 的平板型r o g o w s k i 线圈和基于p c b 的组合型r o g o w s k i 线圈。 2 2 2 1 基于p c b 的平板型r o g o w s k i 线圈 p c b 平板型r o g o w s k i 线圈，将p c b 作为骨架，印制线作为传感线圈，上下 通过过孔绕在骨架上，p c b 中心开有通孔，用于一次导体穿过，其原理图如图2 6 所示。 由电磁感应定律和安培环路定律可推导出： e = 一m 鲁一- 警hc 妻i 鲁 c 2 筋， 式( 2 2 5 ) 中，i 。为被测电流，为一块p c b 板上绕线匝数，r 。为线圈外圆半 1 2 硕学位论文 径，r 。为线圈内圆半径，h 为p c b 板厚度，。为真空磁导率，其值为47 r 1 0 h m ! 图2 6p c b 平板型r o g o w s k i 线圈原理图 为了得到更高的准确度，消除外界电磁场的干扰，线圈要由偶数块串联起来。 且相邻两个线圈的绕线方向相反，见图2 7 。通过右手定则，可以判断流过线圈 内部的电流产生的感应电压相加，线圈外部电磁场在线圈上产生的感应电压相互 抵消。因此，利用这种结构不必另外制作回线。 图2 7p c b 平板型r o g o w s k i 线圈串接结构图 由于p c b 厚度h 很小，以致互感系数m 也较小，难以提高。 2 2 2 2 基于p c b 的组合型r o g o w s k i 线圈 如图2 8 所示，组合型r o g o w s k i 线圈由主印制电路板和副印制电路板( 小贴 片) 组成。主印制电路板中心开有通孔，用于被测电流导体通过。同型号的小贴 片均匀垂直分布在主印制电路板上，且其分布指向主印制电路板的轴线，小贴片 与小贴片之间通过主印制电路板上的印制线相连接。在主印制电路板的反面，逆 着正面小贴片和连线的方向印有一圆形线，它相当于回线，可以抵消外磁场在线 圈中感应的电压。一块主印制电路板上可以加上很多同型号的小贴片，这样可以 电了式电流瓦感器传感头的研究与设计 增加整个线圈的互感系数，其数量应该保持为偶数。 图2 8p c b 组合型r o g o w s k i 线圈示意图 小贴片上有形成回路的印制导线，这些绕线可以制成多层，以增加小贴片的 互感系数。小贴片的两面都可以印上线路，也可以将将其做成多层板，这样会大 大增加其互感系数。小贴片的精度直接影响着整个线圈的精度，所以它的制作精 度要求很高，组装到主印制电路板上的精度也要有保障，一般用焊接工艺安装。 小贴片上的绕线层数和绕制形状可以根据具体设计而定，其形状一般有螺旋形、 椭圆形、矩形等。矩形小贴片结构图如图2 9 所示。 图2 9 矩形小贴片结构图 小贴片的互感系数也可以由全电流定理和电磁感应定理求出。设小贴片的互 感系数为m ，小贴片的数量为n ，则整个p c b 组合型r o g o w s k i 线圈的互感系数 m 为： m = n m ( 2 2 6 ) 可以看出，p c b 组合型r o g o w s k i 线圈的互感系数有了很大提高，可要由主 印制电路板和副印制电路板构成，结构较复杂，且副印制电路板的制作精度和安 装精度均会影响整个r o g o w s k i 线圈的精度。 1 4 硕十学位论文 2 3 小结 电子式电流互感器的传感头主要分为两种类型：基于磁光效应的电流传感器 和基于空心线圈( r o g o w s k i 线圈) 的电流传感器。本章主要对这两种类型的传感 头进行了研究分析，为下一步研究探索新型的电流传感头做好准备。 基于磁光效应的电流传感头，虽然结构简单，克服了传统电磁式电流互感器 的缺点，但是，其本身的双折射问题难以解决，易受干扰而使其精度难以保证， 还有环境温度和震动会影响它的工作稳定性，这些问题都难以解决。 基于r o g o w s k i 线圈的电流传感头中，传统r o g o w s k i 线圈和p c b 平板型 r o g o w s k i 线圈的互感系数都较小，难以提高，加之抗干扰性z 日t 匕- 非常有限，测量小 电流时误差较大。p c b 混合型r o g o w s k i 线圈，虽然互感系数相对较大，但其结 构复杂，线圈制作精度和安装精度均影响其测量精度。 比较而言，空心线圈电流传感头相对基于磁光效应的电流传感头稳定性更好， 下文重点对目前的空心线圈进行改进，研究探索一种新型的电流传感头，提高其 测量精度和抗电磁干扰性能，并克服小电流测量的缺陷，扩大空心线圈电流传感 头应用的范围。 电了式电流瓦感器传感爻的研究与设计 第3 章螺旋管空心线圈电流传感头的结构和原理 由于电网的容量不断扩大，系统的短路电流越来越大，从以前的2 0 1 n 增大到 3 0 i n 、甚至4 0 i n 。这不仅对电流互感器的测量范围要求提高，对继电保护专用电 流变换器的测量范围要求也相应的提高。目前，电流变换器采用的是带铁芯的变 压器式原理的互感器，由于励磁电流的影响，电流较小时会产生较大的数值误差 和相角误差，当出现短路电流或存在非周期分量时，易出现磁饱和现象。此外， 目前电子式电能表中大多也采用带铁芯的电流互感器，而具有高抗直流能力的电 流互感器是电子式电能表的关键技术之一【3 9 】，且额定电流也日益增大，特别是对 于出口国外的电能表，往往要求有此能力，国内对此项技术也相当关注。 r o g o w s k i 线圈电流传感头以其线性度好、无磁饱和、测量动态范围大、结构 简单等优点成为互感器发展的新方向。但目前的r o g o w s k i 线圈主要适于大电流 或脉冲电流的测量，而在测量低频小电流时设计难度较大，其原因就在于互感系 数难易提高，感应信号较弱容易受到干扰。 为进一步提高r o g o w s k i 线圈的互感系数和抗电磁干扰能力，本文对r o g o w s k i 线圈进行了改进，研究并提出了螺旋管空心线圈电流传感器，其一次导体与二次 线圈电磁耦合更强烈，互感系数便于提高，二次线圈由多个螺旋线圈构成，彼此 补偿抵抗外磁场的干扰，具有更高的抗电磁干扰能力，该技术已获国家专利 ( z l 2 0 0 6 2 0 0 5 2 6 5 9 2 、z l 2 0 0 6 2 0 0 5 2 6 6 0 5 ) 。螺旋管空心线圈根据骨架和结构的不 同可分为两种：长直型螺旋管空心线圈和p c b 平面型螺旋管空心线圈。下面分别 对这种两种螺旋管空心线圈的结构和原理进行研究分析。 3 1 长直型螺旋管空心线圈的结构和原理 3 1 1 长直螺旋管空心线圈的结构 螺旋管型空心线圈，由内外两层套装的长直形非磁性骨架以及一次线圈、二 次传感线圈、二次补偿线圈构成，二次补偿线圈均匀紧密绕在外层的非磁性骨架 上，二次传感线圈均匀紧密绕在内层的非磁性骨架上，二次传感线圈与二次补偿 线根据绕向按限定的方式连接，另两端不连，作为二次感应信号的输出端，一次 线圈贴近二次传感线围绕制成一匝或少数多匝的螺旋管线圈。其中，二次传感线 圈与二次补偿线圈均由相同的绝缘导线绕制成两个共轴的多匝单层或多层螺旋管 线圈，每层线圈匝数均相同，且两螺旋管线圈层数与其截面积的乘积相等。 如图3 1 所示，优选二次补偿线圈截面积为二次传感线圈截面积的3 倍，二 1 6 硕十学位论文 次传感线圈绕制成3 层螺旋管线圈，二次补偿线圈绕制成1 层螺旋管线圈，两者 每层线圈匝数相等，绕向相同，同极性端相连，另一端作为二次输出端；一次线 圈，紧围绕二次传感线圈绕制成螺旋管，使得二次传感线圈能更加强烈地耦合一 次线圈，便于互感系数的增大或减小。 二次补偿线圈 e ( t ) ( a ) 侧面图 图3 1 螺旋管空心线圈结构图 ( b ) 截面图 3 1 2 长直螺旋管空心线圈的传感原理 见图3 1 ，一次线圈通入被测电流f 时，二次传感线圈产生的感应电动势较二 次补偿线圈产生的感应电动势大( 磁链大) ，方向相反，相互叠加，输出一个正比 于被测电