基于rogowski线圈的新型电流互感器的仿真分析

基于rogowski线圈的新型电流互感器的仿真分析

0光电式电流整体传感关键技术研究随着电气系统传输容量的增加和电压等级的提高，传统的电磁式电流传感器由于其传动机而无法克服的问题：绝缘结构变得复杂、体积大、成本高。在故障电流下，铁心容易饱和，二次电流值和波形发生变化，导致无法容忍的测量误差。由于高电压对设备和人员的潜在影响，充油容易爆炸，意外故障。当输出端打开时，高压对周围设备和员工构成威胁。容易受到电磁干燥等。为适应电力系统快速发展的需要,必须研究利用其他感应原理的电流互感器。目前,利用光学传感器或光纤传输信号技术研制的光电式电流互感器(OTA),与传统的电磁式电流互感器相比,具有抗电磁干扰、不饱和、测量范围大、频带宽、数字信号传输、体积小、重量轻等优点。文中主要目的是对OTA的传感特性进行仿真分析,检验OTA的暂态特性,为OTA应用于实际提供一些理论探索。1ota的原理和模拟模型1.1rogowski工作原理Rogowski线圈是一种特殊结构的空心线圈,亦称空心互感器,其特点是电流测量频带宽、反应速度快、受外磁场和被测载流导体位置的影响极小,不存在动力和热力的稳定性问题,尤其适合于快速变化的脉冲大电流,如峰值在几个兆安以上,且精确度可高达0.1%。将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上,就构成Rogowski线圈[7鄄11],如图1所示。被测电流从线圈中心穿过,由电磁感应原理可知:任何一个随时间变化的电流i(t)总是伴随着一个随时间变化的磁场环链,这个磁场将在线圈中感应产生电势e(t)。式中S和l分别为线圈的截面积和长度,W为测量线圈的匝数。M为线圈与被测载流导体之间的互感,且有若Rogowski按偶数层绕制,且绕制方向相反,则线圈的感应电势为式中∑i为Rogowski线圈所包围区间流过的电流之和,即被测电流。式(3)表明,Rogowski线圈实际上为一微分环节,因此要反映被测电流还必须有一积分环节。这里有2种情况,一种情况是,由测量线圈构成的回路,如图2所示。图2具有RL积分环节,此时,有如下电路方程:式中L和Rs分别表示测量线圈的自感和电阻,Ra为取样电阻。当满足如下条件时:有式(8)表明,测量回路的电流i1和取样电阻Ra上的电压u1与被测电流成正比。为了满足不等式(5)的条件,取样电阻Ra应选择较小,一般为零点几欧或几欧,工作在这种状态下的磁位计为自积分式磁位计。另一种情况是测量回路本身为纯电阻网络,为了还原被测电流的大小,需外加一积分环节,如图3所示。对于方程(4),若有此时,方程(4)可以近似地写成:则取样电阻Ra上的电压降:显然,u1与被测电流存在微分关系。工作在这种状态下的磁位计称为磁分式磁位计。在这种情况下,为了满足不等式(9),取样电阻Ra应取较大值,一般选择几百欧到几千欧。在外加积分电路中,电阻R常选择大于10Ra,可导出积分电容上的输出电压与被测电流关系为Rogowski线圈在暂态电流测量方面得到广泛使用。用Rogowski线圈可测量兆安范围、纳秒级的电流脉冲,上升时间小于1ns,灵敏度很高,在大辐射磁场环境中使用,具有良好的抗外电磁干扰能力。1.2磁位计工作状态OTA的特性仿真模型如图4[12鄄14]所示,其中u(t)为系统侧输入电源,L和Rs构成磁位计,Rs是磁位计的内阻;Co为杂散电容,Ra为取样电阻;R、C和运算放大器构成积分电路;uo(t)为OTA的输出信号。依取样电阻值Ra的选择不同,磁位计有2种可能的工作状态,即自积分工作状态和微分工作状态。自积分工作状态适合于测量快速变化、持续时间较短(微秒级)的脉冲大电流(此时Ra值较小),而微分工作状态适合于测量电流变化速度较慢、持续时间长的大电流,故对于电力系统继电保护情况,磁位计应工作在微分工作状态。当磁位计工作在微分状态时,为反映被测电流的大小,必须另外增加一个积分环节,如采用RC积分电路,或运放积分电路,或数字积分电路等。2模拟测试和结果2.1采样电阻ra的暂态特性OTA工作在微分状态,其传递函数为仿真参数:将有关参数代入式(14),获得本系统的传递函数,通过在Matlab中编写程序对传递函数仿真,来实现对OTA的仿真分析。使用Matlab的库函数可以很容易获得OTA的波特图、阶跃响应曲线、单位冲击响应曲线。对于实际给定的罗氏线圈,线圈的结构决定了Rs、L、Co值的大小,这些参数相互制约,不好调节,而且从传递函数中可以看出,积分器的RC只是影响幅频响应的放大倍数,所以,主要是通过改变采样电阻Ra调节系统的性能。取采样电阻Ra分别为810Ω、5kΩ、10kΩ、30kΩ,通过仿真,得到OTA的波特图,见图5(图中,横坐标为角频率ω)。从图5可知,取样电阻值的大小对OTA的频率响应特性有着很大的影响。对于OTA的幅频特性,当取样电阻Ra=810Ω时,通频带比较窄。但是,随着取样电阻值变大,通频带会随之变宽,当Ra=30kΩ时,截止频率可达105/(2π)Hz,这完全可以满足暂态保护对电流互感器频率特性的要求。对于OTA的相频特性,取采样电阻Ra=810Ω,在频率大于103/(2π)Hz处,相频特性不稳定,但是随着采样电阻值变大,OTA的上限频率也随之变大。所以,通过增大采样电阻可以使得OTA的频率特性更好。然而,当Ra=30kΩ时,幅频特性曲线出现了上翘,高频特性不够理想,所以在实际使用中应按保护的要求选择合适的采样电阻。为了观测OTA的暂态特性,在程序中设置了一个模拟的故障电流i(t)检验它的跟随特性。模拟的故障电流i(t)中含有工频、倍频分量以及非周期分量。仿真结果如图6所示。图6的仿真结果表明,OTA具有很好的实时性,跟随一次侧信号的能力很强,作为测控用电流传感器是完全可行的。这种传递函数仿真方案优点是,只要获得系统的传递函数,就可很容易地通过Matlab中的函数库得到系统的单位阶跃响应、单位冲击响应、波特图等,使用方便,但是这种方案不够直观,而且一旦电路结构发生变化,就得重新编写程序,使用不够方便。2.2次侧短路时传感器的随性特性Simulink建模与程序建模相比更为直观,操作也更为简单,不必记忆各种参数,只要用鼠标拖动模块就可以完成复杂的建模任务。当系统结构发生变化时,用户可以直接对仿真电路进行修改,而不需考虑系统的传递函数是否发生变化。并且Simulink中可以很容易地获得各种信号发生器,与外部接口的能力更强。按照图4的电路模型在Simulink中搭建OTA的仿真电路,参数不变,如图7所示。为了得到OTA的传感特性,建立了一个单电源带阻性负载的简单一次系统,如图8所示。图中,us是一个工频三相交流电源,R为阻性负载,k点为短路点,OTA测量一次回路电流。其中,电源相电压有效值为37kV,负载电阻为1kΩ。系统正常工作时,仿真结果如图9所示,其中上半部分是OTA的输出波形,下半部分是OTA的输入波形。传感器稳态运行时的输入、输出波形在相位上完全吻合,很好地跟随了一次侧的电流信号。设k点发生三相短路,OTA输出波形如图10所示。由图可见,当一次系统发生短路故障时,传感器对高频和直流分量的跟随特性同样很好。此仿真方案同前一种方案得出了共同的结论,即OTA具有线性好、反应速度快、无磁饱和