应用在混合式光电电流互感器中的Rogowski线圈-

1、应用在混合式光电电流互感器中的Rogowski 线圈乔峨1,安作平1,罗承沐2(1.沈阳沈变互感器制造有限公司,辽宁沈阳110135;2.清华大学电机工程系,北京100084摘要:介绍了光电式电流互感器的一种类型混合式光电电流互感器的传感头采样线圈,即R og owski 线圈的原理、结构及实验结果。关键词:光电式电流互感器;传感头;R og owski 线圈中图分类号:T M452+.93文献标识码:A 文章编号:1001-8425(200005-0017-051引言随着电力系统向高电压大电流方向发展,以及现代电力电子和光纤技术的发展,基于电磁感应原理的传统充油或充气式电流互感器面临挑战,一

2、种新型的利用法拉第磁光效应原理的光电式电流互感器越来越引起各国科学家的注意,并已进入广泛的研究阶段。光电式电流互感器以其体积小、无磁饱和、无二次开路危险、抗电磁干扰能力强、安装运输方便等优点成为国际竞相研制的热点。但直到目前,虽有不少试验样机挂网运行,但进入实用的还很少见。这的公式简单、明了,并易于掌握。(2通过以上公式计算可以看出,旁柱调压变压器在最大负分接中压对低压运行时,低压有过励磁现象,设计结构时应予以考虑。(3极限阻抗偏差要求较小时(与额定分接相比,可采用中压励磁,其公式推导可参照以上方法。参考文献1崔立君,张茂鲁,张洪,等.特种变压器理论与设计M.北京:科学技术文献出版社,1996

3、.2路长柏,朱英浩,等.电力变压器计算M.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1990.Deriving R eactance V oltage of Auto -T ransformer withOn -Load V oltage R egulation at Side -Yoke by U singR elative Magnetic Leakage MethodL I You 2xi a n g ,ZHAN G Qi n g 2j u n ,WAN G S hou 2mi n(Shenyang Trans former C o.Ltd ,Shenyang 110025,China Abstra

4、ct :A caculation method of deriving the reactance v oltage of auto -trans former with on -load v oltage regulation at side -y oke is introduced by using relative magnetic leakage method.K ey w ords :Transformer ;On -load voltage regulation ;Side -yoke ;Reactance voltage收稿日期:1999-05-13作者简介:李有香(1966-,

5、男,辽宁朝阳人,沈阳变压器有限责任公司装配车间主任,从事大型变压器设计与制造工作。张庆军(1965-,男,辽宁盘锦人,沈阳变压器有限责任公司市场营销部销售二处处长,从事变压器销售工作。王寿民(1966-,男(满族,辽宁东港人,沈阳变压器有限责任公司高级工程师,从事大型变压器设计工作。第37卷第5期2000年5月变压器TRANSFORMERVol .37May No .52000是由于基于法拉第磁光效应的传感头制作要求高,温度和振动以及长期稳定性问题始终没能很好地解决的缘故。作为从电磁式电流互感器向光电式电流互感器的过渡产物的混合式电流互感器目前已进入科学家的实验室。该型互感器的传感头不是光学元

6、件,而采用了传统的电流互感器或空心互感器(即R og owski线圈,通过光纤将信号从高电位传输到低电位。这种结构既具有光纤传输的优点,又避免了光学传感头存在的温度和振动问题。由于这种互感器处于高电位的电子装置需要可靠的电源供应,现在已不大采用处于高电位的小电流互感器供电的方式,而采用地电位反射入光能,在高电位处将光能变为电能的供电方式。所以这种光电式电流互感器又可称为混合式光电电流互感器。这种互感器的技术难点之一是传感头取信号绕组即采样绕组的制作。采样绕组可以用传统的电流互感器,但用传统互感器仍然存在磁饱和问题。由于传感头信号电源输出容量很小,所以R og owski线圈已能满足要求。2R

7、og owski线圈与传统电流互感器的比较电流互感器在继电保护和电流测量中的作用长期以来具有不可替代的地位,但在作为保护用时,电流互感器的饱和问题却一直困扰着人们。当电流互感器饱和时。二次信号发生畸变引起继电器误动作。造成电流互感器饱和的主要成分是一次电流的直流成分。在短路故障的暂态过程中,由于直流分量而使得暂态磁通比稳态磁通大许多倍而饱和,使励磁电流猛增,误差很大,影响到快速继电保护装置的正确动作。另外,闭合铁心中很可能有较大的剩磁,如果剩磁的极性与暂态磁通的直流分量的极性相同,铁心饱和就会更为严重。这种剩磁可以通过开气隙加以改善,但仍不尽人意,因这样设计出来的铁心绕组往往体积大、重量重。随

8、着微机的普及,在继电保护和测量中应用微机已是不可逆转的潮流,设备不再需要高功率输出的电流互感器。这样一来,低功率输出、结构简单、线性度良好的R og owski线圈在某些场合下,可以作为传统电流互感器的代用品。早在20世纪80年代,R og owski线圈在中压开关继电保护中的应用研究已在进行,R og owski线圈在高压开关中的测量和继电保护应用也有报道1。在我国,R og owski线圈的应用研究也一直在进行中2,3。与传统电流互感器相比,R og owski线圈有以下优点1:(1测量精度高:精度可设计到高于0.1%,一般为1%3%;(2测量范围宽:由于没有铁心饱和,同样的绕组可用来测量

9、的电流范围可从几安培到几千安培;(3频率范围宽:一般可设计到0.1H z到1MH z,特殊的可设计到200MH z的带通;(4可以测量其它技术不能使用的受限制领域的小电流;(5生产制造成本低。3R og owski线圈的原理用R og owski线圈测量电流的原理如图1所示。该绕组均匀绕在一个非磁性骨架上 。图1R og owski线圈原理图根据全电流定律:Hd l=I则H=I2r所以B=H=I2r再按电磁感应定律:e(t=-dd t=Bd S=0I2r d S=R a R i0I2r h d r=Ih2lnR aR i则磁链为:=N所以感应电势e(t为:e(t=-dd t=-Nh2lnR a

10、R id Id t式中I导体中流过的瞬时电流,Ar Rogowski线圈的骨架的任意半径0真空磁导率,4×10-7Hm81变压器第37卷N 绕组匝数h 骨架高度,m R a 骨架外径,m R j骨架内径,m绕组互感M :M =0Nh 2ln R aR i Rogowski 线圈的感应电势便是:e (t =-Md I d t当一次侧流过方均根值为I N 的正弦电流时,Rogowski 线圈的输出电压方均根值为E =MI N 。图2R og owski 线圈等效电路图现在我们分析包含有暂态分量的一次电流时的输出电压。图2是测量回路的等效电路图,R b 是取信号电阻,u out 是绕组的输

11、出电压,则回路方程为:i (t =u outR b(1e (t =L R b d u outd t +R 2u out R b+u out(2式中L绕组自感,H R 2绕组绕线电阻,把e (t =-Md Id t代入上式,得-M d I d t =L R b d u outd t +R 2u out R b+u out(3式中L =N i =(0N 2h 2ln (R a R i 代入式(3得:-R b N d I d t =d u out d t +R 2L u out +R bLu out-R b N d I d t =d u out d t +(R 2+R bLu out (4设T 2=

12、L R 2+R b,且I (t =I m (e -t T1-cos t (5式中I m一次电流交流分量幅值,AT 1一次电流直流分量衰减时间常数,ms对式(4和式(5进行拉氏变换:I (s =I m (-s s 2+2+1s +1T 1-R b N sI (s =su out (s +1T 2u out (s u out (s =-R bNsI (s ×(1s +1T 2式中s 拉氏变换因子将I (s 代入上式:u out (s =-R bNsI m ×(1s +1T 2×(-ss 2+2+1s +1T 1=-R b N I m (-2T 221+2T 22

13、15;s s 2+2+T 21+2T 22×s 2+2-11+2T 22×1s +1T 2-T 1T 2-T 1×1s +1T 2+T 2T 2-T 1×1s +1T 1(6对上式进行拉氏反变换:设A =-2T 221+2T 22,B =T 21+2T 22,Q =-11+2T 22-T 1T 2-T 1,P =T 2T 2-T 1则:u out (t =-R bNI m A cos (t +B sin (t +Qe-t T2+Pe-t T1(7从式(7看出,输出电压共包含四个分量,前两个分量是周期性分量,后两个是非周期性分量。可按以下两个表达式:u o

14、ut (t =-R bNI m A cos (t +B sin (t (8u out (t =-R b NI m (Qe-t T 2+Pe-t T1(9若令d u out d t=0,可求得非周期性输出电压达到最大值的时间:91第5期乔峨、安作平、罗承沐:应用在混合式光电电流互感器中的R og owski 线圈t m=T1T2T1-T2ln(-QPT1T2(10下面我们讨论Rogowski线圈的稳态特性的误差:由式(8可表示为:u out(t=-R bNI m A2+B2cos(t+(11式中=arctan(BA(12所以Rogowski线圈的稳态误差为:=K N u out -I1I1,%式

15、中KN 额定变比,KN=I1nU2nI1实际一次侧电流式(12中的就是绕组的相位差。绕组的暂态特性的影响参数分析如下:从式(9可以看出,与一次电流相比,对直流分量的大小主要取决于二次侧时间常数。二次回路时间常数T2为:T2=LR2+R bT2的大小取决于绕组的自感L、绕组电阻R2和负荷电阻Rb。绕组的自感L=Ni=(0N2h2ln(R aR i其绕组的匝数平方成正比,与绕组的高度成正比,还与绕组的内外径有关,即与ln(RaR i成正比。考虑到我们所研究的电子式光电电流互感器的整体结构在体积与重量上要尽可能小,因此,绕组电感值较小,时间常数T2就很小。在式(9中,第一项衰减非常快,只有第二项在起

16、作用,即一次衰减时间常数起作用,亦即一次电流成线性变换到二次侧。输出电压为:u out=-R bNI(t(13从上式可以看出,在数值上输出电压与一次电流成正比。下面我们就相同结构的带气隙铁心绕组与R og owski线圈计算参数进行比较:从表1中可以看出,两者的时间常数相差80多倍,二次时间常数衰减快,可以正确反映短路电流。4试验研究4.1样机的技术参数表1计算参数比较带气隙铁心绕组R og owski线圈铁心尺寸mm175267×125骨架mm175267×125铁心重kg29.5骨架重kg 5.6绕线匝数匝2500绕线匝数匝2500负荷R b0.354负荷R b354二

17、次时间常数T2s1.719二次时间常数T2s0.0209二次电流A1二次电流A0.001我们所研究的电子式光电电流互感器样机的技术参数如下:额定电压:500kV一次电流:2500A额定频率:50H z暂态特性:一次时间常数:100ms对称短路系数:20工作循环:C-100ms-O-300ms-C-40ms -O输出电压:最大值10V额定值0.354V后级电子线路系统要求采样绕组输出电压最大值为10V。根据这一要求,我们设计了两个绕组,一个为带气隙铁心绕组,另一个为R og owski线圈,作为系统的采样绕组。对于带气隙铁心绕组,我们的设计满足IEC标准TP4Y级暂态保护的要求,即准确限值以在规

18、定的工作顺序内的峰值瞬时误差确定,剩余磁通不超过饱和磁通的10%,其峰值瞬时误差以一次电流交流分量峰值的百分比表示;对于R og owski线圈,我们的设计满足其后续电子线路的电压输入要求,且采样信号稳定可靠,其输出电压以一次电流的百分比表示误差不超过3%。带气隙铁心绕组满足设计要求的最小尺寸,即为表1所列尺寸,其暂态误差为4.98%;R og owski线圈的骨架尺寸可以设计为130170×16,电压输出及误差即可达到要求。4.2样机的结构样机的整体结构包括顶部壳体、绝缘支柱、底座和安装在控制室的信号接收及处理四部分。采样绕02变压器第37卷组安装在样机的顶部壳体内。为了减小产品的

19、结构和降低产品的成本,在满足要求的情况下,应尽可能地减小各个部件的尺寸。我们样机所设计的尺寸是带气隙铁心绕组的最小尺寸为118334×197,而R og owski 线圈的最小尺寸为116180×29。两者在体积上相差20多倍,重量上相差100多倍。由于试验条件所限,我们只进行了R og owski 线圈的输出电压及其线性测试研究。我们手工绕制了上述R og owski 线圈,骨架尺寸为130170×16的酚醛纸板,用0.9的缩醛漆包圆铜线密绕2000匝做成R og owski 线圈,绕组尺寸为116180×29。试验数据如表2所列。表2试验数据 250

20、0输出电压U 2V0.1150.2330.3490.4670.579由图3可见,R og owski 线圈的线性度良好,很适合我们作电流互感器的继电保护用。图3I -U 曲线在实际应用中,由于输出二次电压与一次母线电流的导数成正比,故在相位上两者相差90°,这样我们需在线路里加一RC 积分环节,使其相位一致。另外,为免受周围磁场干扰, 将R og owski 线圈置于一定厚度的屏蔽罩内。屏蔽问题不属于本文的内容,在此暂不论述。4.3积分环节加积分环节后的等效电路见图4。这样整个采样绕组回路由绕组回路部分、测量回路和积分回路三部分组成。现在研究接入积分回路后的输入电流与积分电压之间的关

21、系。由图4可列出积分回路的回路方程如下:u out =Ri c +u c图4等效电路图i c =Cd u cd t所以u out =RC d u cd t+u c (14解以上微分方程式得:u c =1RCu out e-t RC(15将式(13代入上式u c =R b RCNI (t e -t RC(16由式(16可知衰减常数=1RC ,当选择较大的R 、C 值时,可以消除或减少衰减,而且经过RC 积分环节后,可以使u c 在相位上与I (t 基本保持一致。我们曾就4.2节所设计的Rogowski 线圈加RC 电路进行试验,当R =30k,C =1.5F 时,测出u c 与u out 相位差

22、仅为1°,而该相位差在后级电子电路是可以校正的。5总结通过以上分析,在我们所研究的混合式光电电流互感器上可以选用R og owski 线圈作为低电压输出要求的电流测量和继电保护应用。R og owski 线圈不仅具有结构简单、线性度良好、无磁饱和、测量频带宽、动态范围大等优点,而且体积小、重量轻,非常适合混合式光电电流互感器的取信号采样绕组用。关于R og owski 线圈暂态特性的试验研究及其配合光电电流互感器的整机试验,以及由于引入积分环节而导致的附加误差有待于我们进一步研究。参考文献1K ojovic L.R og owski coils suit relay protecti

23、on andmeasurementJ .IEEE C omputer Applications in P ower ,1997,(7:4752.2罗承沐,高英,崔豪等.脉冲电流测量线圈的研究和C AD 设计J .清华大学学报(自然科学版,1995,35(4:1828.3张适昌.外积分罗柯夫斯基线圈J .高电压技术,1986,(2:3740.12第5期乔峨、安作平、罗承沐:应用在混合式光电电流互感器中的R og owski 线圈Vol . 37 第 37 卷 5 期 第 No . 5 变压器 May 2000 年 5 月 2000 TRANSFORMER 交流传动机车牵引变压器设计时应考虑的几个

24、问题 马录宝 ,姜悦礼 ,张金平 ( 大同机车厂设计处 , 山西 大同 037038 摘要 : 针对交流传动电力机车的传动特点 ,对其中的牵引变压器的工作状态进行了分析 ,指出交流传动电力 机车用牵引变压器设计时需考虑的牵引绕组的短路阻抗大 、 电流的高次谐波 、 网压波动大可能引起的过励磁以及 直流磁化等问题 ,同时给出了相应的一些解决方法 。 关键词 : 牵引变压器 ; 电力机车 ; 交流传动 ; 谐波 ; 短路阻抗 中图分类号 : TM922. 73 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 8425 ( 2000 - 05 - 0022 - 04 质的不同 ,因此作为重要部件之一的牵

25、引变压器对 于在交流传动电力机车上和相控交直传动电力机车 上使用也有所不同 。本文着重从外部环境对交流传 动电力机车牵引变压器的影响的角度 , 分几个问题 进行说明 。 1 引言 随着大功率半导体元件及逆变器技术的迅猛发 展 ,交流传动电力机车已成为当今电力机车的发展 方向 。目前 ,我国也已经开始研究交流传动电力机 车 ,并已于 1996 年研制生产了第一台 AC4000 型交 流传动电力机车 。传统的相控交直传动电力机车采 用晶闸管与整流管相结合 , 将交流电变为直流电供 给直流牵引电动机 ,这种传动方式功率因数低 ,网侧 电流波形正弦性差 , 牵引特性差 。交流传动电力机 车采用交 交或交 直 交传动 , 采用交流电动机 作为牵引动力 ,这种传动方式功率因数高 ,网侧电流 波形接近正弦 , 牵引特性好 。由于交流传动电力机 车同相控交直传动电力机车的电路及其控制有着本 2 环境条件 交流传动电力机车牵引变压器一般都部分或全 部安装于机车车底下 。牵引变压器高度受到严格限 制 ,散热条件相当恶劣 , 环境温度为 - 25 40 , 除 了要承受风雨尘埃的侵袭外 , 还要直接承受来自走 行部三个方向的较大