罗氏线圈研制工作报告.doc

PCB罗氏线圈研制工作报告一、 概述随着电力系统的发展，电力系统传输的容量不断增加，电网运行电压等级不断提高，目前我国电网已将原来的220Kv的骨干电网提高到了500Kv，随着电压等级的提高，电磁式互感器逐渐暴露出一系列的缺点。绝缘结构更加 复杂、制造成本急剧增加；本身固有的磁饱和、动态范围小、通频带窄、剩磁对暂态 误差影响较大等缺点，难以满足电力系统智能化、网络化和数字化发展需要。随着微电子技术、微机技术和光纤技术的发展，基于这些技术的新型互感器成了互感器领域中发展的重要方向。Rogowski 线圈是一种比较成熟的测量元件，广泛应用于脉冲大电流或直流大电流（后者需要借助特殊的试验方法）测量，但它的测量输出信号比较微弱，无法驱动传统的计量和继电保护装置，在电力系统现场的计量和保护的应用中受到限制，随着数字技术和微型计算机技术的迅速发展和广泛应用，电力系统逐步向自动化、数字化的方向发展，现代测量装置和微机保护设备不再需要大功率驱动，Rogowski线圈应用于电力系统的设想引起了人们的广泛关注，并有望与光纤技术、数字信号处理技术相结合，制造出用于电力系统计量和保护的电流互感器和电压互感器，适应电力系统在线测量、数字化保护、控制、故障诊断以及光纤化的发展。与其他的交流电流测量方式相比，Rogowski 线圈具有自身显著的优点。它不含铁心、频带宽、线性度好、测量范围大、造价低、体积小、重量轻等优点，并且没有饱和与磁滞现象。Rogowski 线圈最初用于测量暂态电流；由于没有铁芯，它在测量大幅值短路电流时，不会像带铁芯的电流互感器那样产生磁饱和，使输出波形畸变；用它测量暂态电流时，线圈和被测回路之间没有直接的电的联系，对被测回路影响小，也不会消耗被测回路的能量。随着微机技术的普及应用，在继电器保护和测量中，设备不需高功率输出地电流互感器。因此，低功率输出、测量线性度好、测量频带宽的Rogowski 线圈不仅被广泛应用在暂态电流的测量，而且越来越多的应用于电力系统中的电流测量，供测量和保护之用。在很多特定场合取代传统电流互感器。为此，IEC制定了IEC 600448Electronic Current Transformer,以规范电子式互感器的发展。Rogowski 线圈就是IEC 600448规定的电子式互感器的一种。与传统的电流互感器相比，Rogowski 线圈有以下优点：1、 测量准确度高，设计准确度科大0.1%；2、 测量范围宽，由于没有铁芯饱和，同一绕组可测量范围从几安到几千安；3、 频率范围宽，一般为0.1到1MHz，特殊的可设计到200MHz；4、 可测量其他技术不能使用的受限制领域，而且二次侧开路无危险5、 生产制造成本低、体积小、重量轻。传统的Rogowski 线圈在制造时，二次线圈是半手工绕制，线圈密度很难做到恒定，使得测量准确度不高，难以满足计量和批量生产的要求。传统的Rogowski 线圈制造方法必须改进才能满足计量和保护的双重要求。研制了一种基于印制线路板的Rogowski 线圈的新结构，为了增大互感系数，二次线圈采用了主副印制板结构，可实现完全的生产自动化。二、 传统Rogowski 线圈传统Rogowski 线圈工作原理如图1所示。Rogowski 线圈是空心线圈，它是在非磁性材料骨架上均匀绕制多匝小线圈，测量电流时将其环绕在待测载流导体周围，首尾紧密吻合。理想条件下，线圈沿环形骨架绕制非常均匀，同时小线圈所包含的的面积非常细小而又均匀。 由全电流定律和电磁感应定律可得到Rogowski 线圈感应电压e(t)为：式中为磁链；M为Rogowski 线圈互感系数；为一次侧电流；为真空导磁率；N为线圈匝数；h为线圈骨架高度；Ra为骨架外径；Ri为骨架内径。测量回路的等效电路如图2所示：Rogowski 线圈的自感L为：Rc一般为几十千欧，Ro只有几十欧，所以很小，Uout与e(t)非常接近。通过积分器可以将e(t) 的波形还原成i(t)的波形，M为常数，通过运算九可以得到i(t)的准确值。三、 印制板Rogowski 线圈的原理Rogowski 线圈的作为电流互感器具有非常突出的优点，但从分析中可以看出，Rogowski 线圈电流互感器的测量准确度取决于一个稳定的互感系数M。为了获得高精度的Rogowski 线圈，制作室必须遵循以下远侧：线圈密度恒定；骨架截面积恒定；线圈截面积与中心线垂直；否则将引入较大的测量误差，这对绕制工艺提出了严格要求。一般Rogowski 线圈的设计精度可达到0.1%，实际应用时通常为1%到3%，主要原因是手工绕制的Rogowski 线圈准确度不高，批量生产时分散性较大，阻碍了产业化发展。印制线路板Rogowski 线圈的出现很好的解决了这些问题，用印制线路板设计的Rogowski 线圈从制造原理上来说，可以做的非常精确，因为其线圈的绕制完全用机械完成，定位精确，关键步骤无人工操作（处某些焊点外），所以特别适合准确标定和批量生产。所研制的Rogowski 线圈示意图如图3所示：基于印制线路板的Rogowski 线圈实际是让绕线均匀。主印制板的作用是给副印制板提串联供回路和固定作用，主印制板采用双层板，一面为副印制板的线圈串联起来，另一面沿串联回路反响布线构成回线，这样可以完全抵消垂直于主板的磁力线对。Rogowski 线圈产生的干扰。副印制板的作用是感应导体电流产生的磁场变化所引起的电动势，其精确与否直接影响Rogowski 线圈的性能。为了感应足够的电动势，副印制板采用八层印制线路板布置螺旋线，等价于增加匝数。如图4所示：为了有效抵御平行于主板平面的磁力线干扰，副印制板均匀布置在主板上，并保证与主板垂直，并根据被测电流的大小设计副印制板数量。实物照片如下图所示：主印制板和副印制板分开设计，安装时将副印制板插在主印制板插孔中焊接串联起来，为保证焊接时主印制板和副印制板垂直与固定，采用上下两块主板中间夹副印制板设计。四、 印制线路板的Rogowski 线圈的分析与传统的Rogowski 线圈相比。印制线路板的Rogowski 线圈的基本原理相同，但也有着不同的特点，主要体现在互感系数和自感系数计算不同。 1、实验结果 对一次电流为600A的印制线路板的Rogowski 线圈的各项指标进行了测试，其互感系数为210-6 H,自感系数为910-4 H，带宽为1Hz到5MHz。实验表明，其误差能够满足0.2级的准确度要求，让导线从外部穿过，以测量其抵御外磁场干扰能力，导线上通过额定电流，线圈基本无感应电势，因此，基于这种工艺的印制线路板的Rogowski 线圈对外磁场有较好的抵御效果。此外，改变环境温度，保持额定电流，感应电势的变化保持在0.1%范围内。2、印制线路板的Rogowski 线圈的互感系数互感系数M实际上是每个福印制线路板Ms之和，副印制线路板数量为N，副印制线路板的螺旋线可以看作是多匝线圈的串联，设每块副印制线路板上共有n圈，其绕线位置分布及a、b、c、d的物理意义如图4所示，计算可得出准确的Ms值：N=NMs对设计的主、副印制线路板的螺旋线圈计算后得M=1.99210-6 H,对其测试，其实际互感系数M=210-6 H,实际结论与理论分析及其接近，这为精确射击提供了可能。3、印制线路板的Rogowski 线圈的自感系数自感系数L实际上是每个副印制线路板Ls之和，每块副印制线路板对应一定的自感系数Lz（不考虑其他副印制线路板的影响）K为耦合系数，副印制线路板的间距较大，他们之间的耦合不应该是直接叠加，从实验结果看K值一般不小于N。只要对副印制线路板的自感系数进行测定，就可大概估算出整个Rogowski 线圈的自感系数： L=NLs=NKLz4、结论分析从上述求解中不难发现，与传统的的Rogowski 线圈相比，印制线路板的Rogowski 线圈运用了分散均匀的方法，在一个平面布置多匝线圈，更容易准确的求出互感系数M，改善了传统Rogowski 线圈的加工工艺问题，人工因数减少，离散性大大减小，从而有利于精确批量自动化生产。如果采用几个印制线路板的Rogowski 线圈串联组合使用，就可在调整互感系数大小的同时，减少自感系数，有利于带宽的提高。五、 积分器的设计由于Rogowski线圈二次输出是对一次电流的微分信号，要恢复与一次电流等比例的信号就必须加入积分环节。Rogowski线圈有两种工作方式，即自积分和外积分两种。在电力系统中暂态电流构成中，适合选用外积分电路。比较典型的外积分电路一般采用有源积分器。为保证暂态特性采用了T型积分器。如图5所示等效电路的传递函数为： 式中：六、 试验数据和实验报告：研制的RCS050-200A/4V暂态特性电子式电流互感器委托国家开普实验室进行了安全检验和动模检验，测试数据如下：1、 安全检验：检验依据：检验方法：国际标准GB/T 72612008继电器和安全自动装置基本试验方法。技术要求：企业标准Q/ZYX0012012暂态特性电子式电流互感器通用技术条件。序号检验项目及检验要求测量或观察结果判定1比值误差限制检验输入范围误差（%）10%Ie1.520%Ie0.75100%Ie40Ie0.5注：Ie=5A输入电流（）理论输出值实测输出值误差（）10mv10.013mv0.1320mv19.999mv-0.01100mv100.06mv0.06120mv120.02mv0.02200mv200.08mv0.04500mv500.06mv0.011000mv1000.04mv0.002V1.999V-0.053V2.996V-0.134V4.005V0.12合格2相位差限值检验输入范围误差（）20%Ie4540Ie100%Ie30注：Ie=5A输入电流（A）相位差（）1-14.42-7.838.44.06.057.8合格检验项目汇总表：序号检验项目判定结果1比值差限值检验合格2相位差限值检验合格2、 动模试验项目及结果检验依据：国际标准GB/T 72612008继电器和安全自动装置基本试验方法。企业标准Q/ZYX0012012暂态特性电子式电流互感器通用技术条件。2、1非周期分量的衰减时间常数模拟短路故障，短路电流的基波分量为5倍额定电流值，控制合闸角使短路电流的非周期分量达到最大，非周期分量衰减时间常数设定为100ms。互感器二次输出波形的非周期分量衰减时间常数的测量误差小于5%。第5周期测量值为49.871A，稳态测量值为35.624A，时间常数为98.2ms,测量误差为-1.8%。被测装置衰减时间常数能力满足要求，录波见附图1。2、2暂态大电流峰值顺势误差模拟短路故障，在规定的工作循环：C-t-0-tfr-C-t-0(每次短路持续时间为t=0.04ms,两次短路间隔时间tfr=1s)，控制合闸角，使短路电流的非周期分量达到最大；上述实验两次，实验时短路电流的基波分量为额定电流的10倍和20倍，非周期分量衰减时间常数设定为100ms。要求装置记录的电流波形不失真，互感器二次输出波形的第一峰值、第二峰值误差应小于10%。被测装置的大短路电流能力满足要求，实验数据记录如下：2、2、1 短路电流工频有效值为10倍额定电流施加值（A）测量值（A）误差（%）首次故障第1周波峰值136.162135.269-0.656首次故障第2周波峰值124.449123.348-0.885二次故障第1周波峰值139.17413