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电流互感器传感头磁场研究 第39卷第1期2018年1月白动化仪表PROCESS AUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol.39No.1Jan.2018电流互感器传感头磁场研究李宽，张长胜，姚鑫，李川(昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500)摘要基于Rogowski线圈的电子式电流互感器是电力系统的关键检测设备。 电网信号的准确测量是电网电力系统可靠运行的重要保障。 电流互感器性能好坏直接影响电流准确测量和可靠保护控制。 传统的电流互感器存在磁饱和、绝缘性差、精度低、动态范围小、体积大等缺点。 电子式电流互感器具有良好的绝缘性、较宽的频率响应范围及较好的抗干扰能力。 电流互感器的关键技术是传感头-Rogowski线圈的设计。 对外磁场对电子式电流互感器传感头的误差影响进行研究，提出了改进措施。 在Rogowski线圈中，将一次电流产生的磁通分解成相对于骨架的平行分量和垂直分量，并考虑了外界干扰磁场对两个分量的影响，进而研究干扰磁场对检测性能的影响。 运用ANSYS有限元分析软件对磁场分布进行仿真。 改进绕线方法和加装屏蔽壳可降低外磁场对其的影响，提高其工作精度。 关键词电力系统；电流互感器；电网信号；罗氏线圈；外磁场；保护控制TH-39;TP202文献标志码A DOI10.16086/j.ki.issnlOOO-0380.201801019Study on the MagicField of the SensorHead ofCurrent TransformerL I Kuan,ZH AN GChangsheng,YAO Xin,LIChuan(School ofInformation Engineeringand Automation,Kunming Universityof Scienceand Technology,Kunming650500,China)AbstractThe electroniurrent transformerbased onRogowski coil is thekey detectionequipment inelectric powersystem.The aurate measurement of the power grid signalis animportant guaranteefor thereliable operationof thepowergridsystem.The performanceof theelectric current transformer directlyaffects theauratemeasurementand reliableprotection control.The traditionalcurrent transformerfeatures manydisadvantages,e.g.,magic saturation,poor insulation,low precision,small dynamicrange andlarge volume,etc.While electroniurrent transformeroutputs digitalsignal,it possessesexcellent insulation,wide frequencyresponse rangeand goodanti-interference capability.The keytechnology ofcurrenttransformeris thedesign ofthe sensorhead-Rogowski coil.The errorcaused by the influence ofthe external magic field onthe Rogowski coilis studied and the improvingmeasures areput forwardto reduce the error.The magic flux generatedbytheprimary currentis deposedinto theparallel ponentand thevertical ponentrelatives tothe bobbinof Rogowskicoil,and theeffect oftheexternaldisturbance magic field onthe twoponents isconsidered.Thus theinfluence ofthe interferencemagicfieldonthedetection performanceisstudiedandtheANSYS finiteelement analysissoftware isused tosimulate themagicfield distribution.It isconcluded thatimproving thewinding methodand installingthe shieldingshell canreducetheinfluenceofexternal magicfield andimprove theworking precision.KeywordsElectric powersystem；Current transformer；Power gridsignal；Rogowskicoil；External magicfield；Protection control引言电力行业在国家经济发展中占有很大比重，电流测量在电力行业中扮演着非常重要的角色1。 近年来，随着电力行业的飞速发展，超高压和特高压的应用越来越广泛。 我国在20世纪八十年代也进入超高压时代，最近几年输变电压甚至达到了1M V2_4。 随着输变电压的增大，传统互感器的弊端越来越明显。 由于传统互感器体积大、抗电磁干扰能力差、绝缘性不佳，难以满足电力行业的要求，因此，需要采用新型互感器54。 =xx-06-22基金项目国家自然科学基金资助项目（KKGDxx03106)作者简介:李宽（1992），男，在读硕士研究生，主要研究方向为智能仪表，E-mail:841166978qq.;张长胜(通信作者），男，博士，副教授，主要研究方向为智能检测、图像处理，E-mail:122832170qq.第1期电流互感器传感头磁场研究李宽，等?85?在这样的大环境下，电子式电流互感器逐渐取代传统的电磁式互感器，并广泛应用于电力系统中。 特别是使用Rogowski线圈作为传感头的电子式电流互感器7。 Rogowski线圈具有输出功率低、频率响应范围宽、线性度好、不存在磁饱和等优点8，在未来电力系统发展中占有重要地位。 外界磁场的干扰会造成测量误差。 本文对外界磁场对罗氏线圈造成的误差进行研究，并提出减小误差的方法，这对罗氏线圈的设计有一定的参考价值11_12。 1Rogowski线圈的测量原理21世纪以来，采用Rogowski线圈的电子式电流互感器得到了广泛应用。 Rogowski线圈实际上是一种空芯线圈。 在对大电流进行测量时，要求设备结构具有诸多特点，如:不能直接接入被测电流电路中，能够安全隔离高压回路并且对其进行测量;作为一种相对理想的传感元件，其可应用于混合型光电电流互感器中13。 Rogowski线圈由非磁性材料的框架和测量导线两部分组成。 其框架的截面必须是均勻的，然后将被测导线缠绕在框架上即构成Rogowski线圈。 被测电流从线圈中心穿插经过。 由电磁感应原理可知:这个磁场将在线圈中感应产生感应电势，随时间变化的电流(0都会产生随时间变化的磁场环链，电压e(0与电流随时间的导数量值成正比。 如果电子式电流互感器的互感系数M已知，则产生的感应电势e(为/、(t)e=M dt (1)根据全电流定律=/，则丑=。 B=H=r (2)再根据电磁感应定律/.X d0e(t)=1 (3)则通过Rogow ski线圈的磁链为:=f*=厂idr=叫0I hR a丄n (4)/.d0fNh6(t)=dt=2.lnR JiRdt (5)绕组互感为M Nh,RaM=2lnY (6)式中J为导线中的瞬时电流，A;为骨架高度，为磁感应强度;为真空磁导率，x1(T7H/m;/?为线圈骨架每一处半径；y v为绕组匝数;圪为骨架外径，为骨架内径，m。 2外界磁场对Rogowski线圈的误差在实际应用中，Rogowski线圈避免不了外界干扰因素，例如外界的干扰磁场对其影响，致使测量应用时产生误差。 因此，对磁场的研究分析可以有效地规避误差。 在立体环境中，干扰磁场将其分为横竖两个方向来进行研究:与骨架垂直的磁场分量、与骨架平行的磁场分量。 如果不考虑线圈漏感等误差因素时，Rogowski线圈的自感系数等同于单位电流所产生的磁链，得出=BA=2/0A式中动为单位线圈的磁通量。 线圈等效电感表达式为Lj!一fiN2A (7) (8)式中M为Rogowski线圈骨架截面积4为线圈等效周长;/V为Rogowski线圈数。 将Rogowski线圈接入测量系统电路后，其磁感线主要通过两个方向进行闭合。 第一个为切向于线圈骨架的主磁通少i;第二个是分布于Rogowski线圈外部的漏磁少2。 Rgw ski线圈磁通示意图如图1所示。 图1Rogowski线圈磁通示意图Fig.1Schematic diagramofthemagicfluxof Rogowskicoil3平行分量的影响骨架截面必须与线圈紧密缠绕时，才能使测量误差不受磁场分量因素影响，否则将会对测量系统造成巨大误差.平行于骨架的磁场分布图如图2所示。 图2平行于骨架的磁场分布图Fig.2The magicfielddistributionparallel tothe bobbin?86?自动化仪表第39卷当漆包线缠绕密集时，Rogowski线圈受到被测电流影响所产生的感应电势为d dcpdtjjui0snHfdl-jui0snjHdl=0 (9)1L L当线圈绕线不够紧密时，线圈感应电势为e-x备I(L2+r-2Lrcosa)5cos(a+arctan rsina_ (10)V L-rcosa式中为匝数密度。 当s为均勻、为不均勻时n=n (11)!0a 通过数学模型计算，得出标准结构互感为4.1H，实际测得自感为1.0m H，线圈等效内阻为10.7I I。 运用ANSYS仿真分析软件对Rogowski线圈的平行分量进行仿真分析，可知骨架中部磁场分量较为密集。 其主要原因为磁感线在穿过线圈时，磁感应强度因被测电流从线圈中间穿过，导致电流中部周围的磁感应强度比其他区域高。 4垂直分量的影响被测电流在穿过线圈时，一部分磁场分量垂直于整个线圈，且平行于每一匝线圈，故其不能穿过匝线圈，因此就不能引起感应电势。 由法拉第电磁感应定律可知，它穿过了大的骨架闭合回路，因此会在线圈上引起感应电势，进而影响输出电压d(j)fdtiHfdAXf1J r2-x2d x八1丨f y*vJ-v-v7T dtJ-rL-X (12)这时，线圈所造成的感应电势受到与骨架方向垂直的磁场影响较大。 因此，加入一个与原缠绕方向相反的线圈，使二者同时缠绕在一个骨架上。 当有磁通穿过骨架时，正反方向的线圈所造成的感应电势就可以消除。 在缠绕制作的过程中，当线圈满足=时，才可以削弱外界干扰。 为了降低由磁场导致的误差，可以用如下方法进行改进:在线圈制作时，要保证绕线均勻和骨架截面均勻;在绕制线圈时，在骨架内绕一圈与线圈方向相反的导线;加装电磁屏蔽外壳。 5结束语在电力系统中，保护型Rogowski线圈的骨架绕线非常密集，所以外部线圈形成一层磁通。 由试验结果可知，内圆的磁感应强度受骨架绕线密度和切向漏磁的影响，外圆磁通密度的骨架漏磁略有减小。 根据分析得出，线圈的外部漏磁变化范围为5%?10%。 参考文献1朱朝辉，吴平，周焕林，等.基于有限元优化法的油气管道内壁腐蚀识别研究J.合肥工业大学学报（自然科学版），xx，36 (6)709-712.2张士文，何晓雄.罗氏线圈互感分析与仿真计算J.合肥工业大学学报（自然科学版），216,39 (8):1072-1074.3M AB,SHUAI J,LIU DX,et al.Assessment onfailure pressureof highstrength pipelinewith corrosiondefectsJ.Engineering FailureAnalysis,xx (32)209-219.4CUI Y,YE MY.Research on220kV binedoptical transformerJ.The InternationalSociety forOptical Engineering,2000 (3897)292-296.5谢彬，尹项根，张哲，等.基于Rogowski线圈的电子式电流互感器的积分器技术J.电力系统保护与控制，xx，35 (3):45-50.6周文中.基于Rogowski线圈的电子式电流互感器传感头的研究D.郑州:郑州大学，xx.7乔卉.基于Rogowski线圈的新型电流互感器的研究与实现D.武汉:武汉大学，xx.8G UO XH,LIAO JS,ZHU MJ,et al.An improvedfrequency characteristicrogowski curre