新型螺旋管空心线圈电流互感器.doc

新型螺旋管空心线圈电流互感器 第新型螺旋管空心线圈电流互感器?彭春燕,周有庆,龚?伟,曹志辉(湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082)摘要:空心线圈电流互感器无磁饱和,但感应信号小,?受外界电磁干扰。 为解决此问题,提出一种新型螺旋绕线?接结构的空心线圈传感头,其互感系数大并能有效抗外界电磁干扰。 文中介绍了其基本结构和工作原?,建立相应的数学模型,详细论述其电磁参数的计算方法,对自制的实验模型进?了线性度与抗干扰测试实验,对其频率特性进?了仿真分析。 实验和仿真结果表明,其线性度好、抗干扰能?强、响应速度快、测?频率范围宽、动态范围大,?论上可以满足用于电?系统的电流互感器的要求。 关键词:空心线圈;互感器;抗干扰;仿真:T M933.1?文献标志码:A?:1003-8930 (xx)04-0053-05NewStyleSpiralAir CoreCoil CurrentTransducerPENGChun-yan,ZH OUYou-qing,GONG Wei,CAO Zh-i hui(College ofElectricity andInformation Engineering,Hunan University,Changsha410082,China)Abstract:Air-core coilcurrent transduceris notin magicsaturation,but itsvoltage signalis weakand vu-lnerable tooutside magicinterference.To solvethis problem,a new-style air-core coilwas proposed,whichconsisted ofserial spiralcoils insecondary winding,had bigmutual inductanceand strongability ofant-i elec-tromagic interference.T hispaper illustratedits basicstructure andmechanism,established amathematicmodel,and analyzedcalculation methodsof theelectromagic parametersin detail.Then thelinearity of thehand-made modelhas beentested.T heexperiments andsimulation resultsindicate thatspiral air-core coilcur-rent transducerhas goodlinearity,fast responsespeed,wide frequencybandwidth anddynamic range.In theo-ry,it canmeet therequirements ofthe currenttransducer appliedin thepower grid.Key words:air-core coil;transducer;ant-i interference;simulation?基于空心线圈的电流互感器以其线性度好、无磁饱和、测?频率范围宽、动态范围大、结构简单等优点成为互感器发展的新方向1。 空心线圈传感头作为整个装置的关键部分,其测?精度直接影响到整个装置的测?精度。 本文提出一种互感系数较大、灵敏度高且本身结构就具有抗外界电磁干扰能?的螺旋管空心线圈电流传感器。 1?螺旋管空心线圈电流传感器介绍1.1?结构介绍新型螺旋管空心线圈结构如图1所示,横截面如图2所示(?含 9、 10、11)。 图中 1、 2、 3、4均为相同的二次线圈,彼此所留的空隙供一次导体通过,相邻的二次线圈依次首端或末端相连, 5、6为整个二次线圈首尾引线端,作为二次感应信号的输出端。 一次导体8围绕半数?相邻的二次线圈制成一匝或多匝的一次线圈。 其中一次线圈绕成多匝时?要过于紧密,要考虑一次螺旋管的散热以及与二次螺旋管的绝缘。 1.2?传感原?与抗电磁干扰原?当一次导体中通入被测交流电流时, 1、 2、 3、4的二次线圈产生的感应电动势方向都相同,?接相21卷第4期xx?8月?电?系统及其自动化学报Proceedings ofthe CSU-EPSA?Vol.21No.4Aug.?xx?:xx-08-27;修回日期:xx-09-20发明专利:(xx10032481.X)?互叠加,总的感应电动势从 5、6输出。 图1?螺旋管空心线圈的结构示意图Fig.1?Structure of spiral air-core coil图2?螺旋管空心线圈的结构剖面图Fig.2?Profile of spiral air-core coil?图2中, 9、 10、11为空心线圈附近的通电导体,处于水平方向的导体9产生的交变磁场在线圈1与2中产生的感应电动势大小相等、方向相反,?接后相互抵消,在线圈3与4中产生的感应电动势也相互抵消,因此该干扰在二次无响应输出。 同?,处于垂直方向的导体10产生的干扰磁场在线圈2与3及线圈1与4中产生的感应电动势均分别相互抵消,因此该干扰在二次亦无响应输出。 导体11产生的交变磁场可等效为导体9与导体10共同产生的磁场之和,因此该干扰在二次同样无响应输出。 该空心线圈电流传感器用于电?系统三相电流测?时,某一相的电流传感器能避免其它两相电流产生的电磁干扰,即保证了三相电流的测?互?受影响。 当远端产生的干扰交变磁场(均匀磁场)垂直穿过上述的二次线圈时,因成对数目的二次线圈结构一致且首尾依次相互?接,所以该干扰所产生的电动势之和为0。 外界干扰磁场水平穿过上述的二次线圈时,二次线圈无感应。 2?螺旋管空心线圈原?分析以图2所示模型为研究对象,设二次线圈为单层多匝绕制,同时因一次线圈匝数少故可忽略其寄生参数,得到图3所示简化等效模型26。 其中R 0、L0和C0分别代表二次线圈的电阻、自感及分布电容,R S为采样电阻,R、R m与C为积分器参数。 图3?带积分的等效电?图Fig.3?Equivalent circuitwith integrationcircuit?假设初始条件为零,通过拉氏变换,得到线圈的传递函数为H(s)=MRCL0C0?s(s2+2?s+w2n)(s+1R fC) (1)式中:?=12L0C0(R0C0+L0R?R S)=?w n;w2n=1L0C0(R0R?R S+1);?为衰减系数;?为阻尼比;w n为自然频率。 可适当调节外围参数使?为最佳阻尼比?=0.707,这样既可有效地抑制线圈中自感、分布电容与线圈内阻发生谐振,也可以最大限度地减小分布电容的?良影响2。 3?螺旋管空心线圈参数计算两同轴回线(图4中的线圈i、j)及两?同轴回线(图4中的线圈i、k)间的的互感系数分别为7M ij=?o R1R2(2k-k)K(k)-2kE(k) (2)M ik=?M ij (3)式中:k=2R1R2h2+(R1+R2)2;一般0 本文为了简化分析,忽略?同轴线圈间的电磁参数值。 设一次线圈半径为R1,匝数为n,所使用的绕制线直径为d,二次线圈半径为R2,匝数为N,所使用的绕制漆包铜线直径为D。 结合图4,设线圈i为一次线圈中的一匝,线圈j为二次传感线圈中的一匝,因一次均匀而非紧密绕制,二次紧密绕制,一次线圈两相邻回线间相距N?Dn-1,二次线圈两相邻回线间相距D,则两线圈距离为?54电?系统及其自动化学报?第21卷第?h=|i?N?Dn-1-j?D| (4)根据式 (2)、 (4)知,螺旋管空心线圈互感为M=2?ni=1?Nj=1M ij (5)线圈二次侧的自感系数L07,8为L0=4?(N?i)=4?o n2V (6)式中:n=NN?D=1D;V=N?D?R22。 设?为铜导线电阻率,线圈二次侧总电阻值为R0=N?32R2D2 (7)由文献5与文献9可知,总分布电容为C0=?R22?(N-1)?o?6011+1?rInD oD c-cos?d? (8)式中:?o为真空介电常数;?r绝缘层介电常数;D o为漆包铜线外径值(包括绝缘层厚度);Dc为漆包铜线铜芯标称直径。 图4?两回线间的互感系数Fig.4?Mutual inductancebetweentwo loops4?螺旋管空心线圈性能分析4.1?螺旋管空心线圈频率特性分析根据式 (5)、 (6)、 (7)和 (8)可得电磁参数为:M=4.4458?H,L0=278.56?H,R0=1.718?,C0=0.0053pF。 并取比例积分参数为:R S=1M?,R=2k?,C=0.047?F,R f=100M?。 根据式 (1)用Matlab对线圈的单位阶跃及频率特性进?仿真10,11,如图 5、6所示。 可见,线圈响应上升时间为10-6s级,线圈的上限角频率高达6.7?106rad/s,对应频率为1.1?106H z。 电流互感器作为保护用,要求如实反映13次以内谐波,13次以上谐波分?很小可忽略。 短?暂态过程时间常数一般在几十ms以上,实际频率响应要求在1kHz以内。 所以基于螺旋管空心线圈的电流互感器从?论上可满足用于电?系统电流互感器的要求。 图5?螺旋管空心线圈单位阶跃响应Fig.5?Step responseofspiralair-core coil图6?螺旋管空心线圈幅频、相频特性Fig.6?Bode diagramofspiralair-core coil4.2?线性度与抗干扰测试实验用于测试的螺旋空心线圈,内环骨架半径为8mm,二次传感线圈用?0.74mm的漆包铜线紧密单层绕制,匝数200,一次线圈用?1.5mm的塑包线在与二次线圈总长相同的长度上均匀单层?8?字型绕制且匝数为8。 外接如图3所示的积分电?,积分参数设置与4.1节中的相同。 采用VENUS-330微机保护测试仪作为交流正弦电流提供装置,其单相最大输出电流可达15A(有效值)。 任选三相输出电流中的一相(如A相)作为一次信号输入,再选一相(B相)作为产生干扰磁场的电流输出。 通过控制A、B相输出电流的大小,进?电流测?和抗干扰实验,首先,?加干扰磁场,观察A相输出的感应电压;然后,保持以上已调好的A相输出电流值?变,将B相干扰输出电流相调节至A相一次电流的10倍输出,进?抗干扰测试实验。 将B相电流导线按图2所示的干扰电流的位置逐一摆放试验,发现螺旋管空心线圈输出的感应电压与无干扰时相同。 最终其测?的小电流(01.2A)与输出电压关系如图7所示,实验表明:该空心线圈电流互感器在测?小电流时线性度?55?4期?彭春燕等:新型螺旋管空心线圈电流互感器?好、抗干扰能?强。 图7?电压随电流的变化图Fig.7?Diagram ofvoltage versuscurrent?通过实验数据可以算得螺旋管空心线圈的互感系数为5.78?H,略大于?论计算值。 这主要是因为?论计算忽略了?同轴线圈之间的互感。 5?使用中应注意的一些问题 (1)实际应用中一次绕线在电?系统应用中,由于一次导线较粗,因此?宜绕成多匝及?8?字型。 可考虑将一次导线绕成一匝?几?字型,并将其与螺旋管空心线圈固定在一起(如图8所示)。 采用图2中的抗干扰分析方法可知,其抗外界磁场干扰能?与一次绕成?8?字型的螺线管空心线圈相同。 图8?实际应用中一次绕线图Fig.8?Primary windingsdiagraminpractical application? (2)一次螺旋线圈所受电动?因为一次线圈尺寸与形状的变化将影响到测?精度,在大电流(80kA以上)情况下,一次螺旋线圈在自身电流产生的磁场下将受到电动?作用。 为保证在这种受?情况下,其形状与尺寸?发生改变,一次螺旋线圈选材应该满足其内?强度要求。 如图9所示,通有电流I的圆环在I dl1小段总的电磁场强度为B=?o4?2?-?2?2Idl?r or2=?o I8?RIn|(1+?cos?4)/(1-cos?4)| (9)Idl1段该电磁场中所受的作用?为F=Idl?B=IR?B=?o I28?ln|(1+cos?4)/(1-cos?4)| (10)式 (9)和 (10)中,?=dl1/R。 将一次螺旋线圈分成数个Idl1小段,拉?F拉与电动?F共同作用将对I dl1段产生轴?N与剪?Q,由文献12可以得出:N=F2cot?A?Q=F2?A? (11)式中:?为所用材?许可拉伸强度;?为许可剪切强度;A为截面面积。 图9?电动?分析计算图Fig.9?Diagram forelectric forcecalculation?取?=1?,I=80kA,根据式 (9)、 (10),F?399N,由于铜线每平方毫米能通电流6A左右,当I=80kA时需导线截面积A约为1.3?104mm2,根据式 (11),?1MPa,?0.1MPa,可采用高导电铍铜合金导线绕制一次螺旋线圈。 6?与罗氏线圈相比存在的优势螺旋管空心线圈与罗氏线圈一样都为空心线圈,无铁磁材?,?存在磁饱和现象,除此之外,螺旋管空心线圈与罗氏线圈相比存在以下优势: (1)抗干扰能?强。 螺旋管空心线圈连线方式使外界干扰在管中产生的感应电动势两两相消,而一次螺旋导线在管中产生的感应电动势分别叠加,既保证了抗干扰能?,又保证了测?精度。 (2)增大互感系数容?。 在通过增加单层匝数与层数的办法上,罗氏线圈因环形骨架结构很难保证各层均匀密绕,直螺旋管比环?管容?绕制,?保证其一致性;此外,螺旋管空心线圈还可通过成对增加直螺旋管个数的办法来增大互感系数,如图10所示。 (3)灵敏度高。 单层绕制的罗氏线圈的互感大小为0.1?H1?H,螺旋管空心线圈一次与二次?56电?系统及其自动化学报?第21卷第紧贴,磁通铰链?强,单层绕制时互感系数明显大于这个范围,如用于线性度与抗干扰测试实验的螺旋管空心线圈,实验测得互感系数为5.78?H。 图10?有三对直螺旋管的结构剖面图Fig.10?Profile ofthree pairsof pipes? (4)所有长直螺旋管结构匝数一致,且比环形制作加工简单,成本低。 7?结论 (1)新型螺旋管空心线圈电流互感器,其线性度好,抗干扰能?强,灵敏度高,频率特性好,结构简单,制作加工容?。 (2)针对外界电磁干扰,进?抗电磁干扰实验,模拟了外界电磁环境对其测?的影响。 实验证明其具有良好的抗电磁干扰能?。 (3)提出一些应用中应该注意的问题,分析了可能出现的电动?问题,给出解决措施。 (4)与罗氏线圈进?了分析比对,分析表明螺旋管空心线圈具有一定的相对优势。 参考文献:1?Fiber OpticSensors WorkingGroup.Optical currenttransducersfor powersystems:a reviewJ.IEEETrans onPower Delivery,1994,9 (4):1778-1788.2?李维波,毛承雄,陆继明,等(Li Weibo,Mao Chengxiong,Lu Jiming,et al).分布电容对Rogowski线圈动态特性影响研究(Study ofthe influenceofthedis-tributed capacitanceon dynamicproperty of Rogowskicoil)J.电工技术学报(Transactions ofChina Elec-trotechnical Society),xx,19 (6):12-17.3?李维波,毛承雄,陆继明,等(Li Weibo,Mao Chengxiong,Lu Jiming,et al).Rogowski线圈的结构、电磁参数对其性能影响的研究(Study ofthe influencesofdimensions andelectromagic parameterson theperformanceof Rogowski coil)J.高压电器(HighVoltage Apparatus),xx,40 (2):94-97.4?刘艳峰,尚秋峰,周文昌(Liu Yanfeng,Shang Qiufeng,Zhou Wenchang).Rogowski线圈典型外积分电?暂态性能比较与仿真(Comparison ofRogowskicoil transientperformance withtypical outerintegralcircuits andits simulation)J.电?自动化设备(E-lectric PowerAutomation Equipment),xx,26 (7):30-33.5?翟小社,耿英三,宋政湘,等(Zhai Xiaoshe,GengYingsan,Song Zhengxiang,et al).Rogowski线圈分布参数的分组建模与数值计算方法(A subdividedmodelingmethod andnumerical calculationofRo-gowskicoil?s distributedparameter)J.高压电器(High VoltageApparatus),xx,43 (2):102-105.6?李维波,毛承雄,李启炎(Li Weibo,Mao Chengxiong,Li Qiyan).神光III强激光能源模块测?线圈研究(Simulation researchon Rogowski coils withSG IIIhith-power laser)J.中国电机工程学报(Proceed-ings ofthe CSEE),xx,23 (5):53-57.7?冯慈璋.电磁场M.?京:高等教育出版社,1983.8?李军峰,李文杰(Li Junfeng,Li Wenjie).航空电磁发射线圈自感系数的精确计算(A calculationmethod ofself-inductrance oftranmiting coilfor AEMsystem)J.物探化探计算技术(Computing TechniquesforGeophysical a