一种电子式电流互感器的设计

一种电子式电流互感器的设计

随着能源生产、能源传输能力的增加和运营电压等级的不断提高，以往的电磁式电压和电压传感器难以确定。它们难以满足绝缘目标、磁饱和、铁磁协调、小动态区域、窄频带、易燃、易爆炸等缺点，难以满足能源系统进一步发展的需要。基于光学和电子学原理的电子式电压/电流互感器(ElectronicVoltage/CurrentTransformer,分别简称为EVT和ECT)以其抗电磁干扰性能好、消除了磁饱和与铁磁谐振、测量准确度高、频率响应范围宽、造价低、多功能、智能化等优点,已成为一种很有发展前途的超高压条件下电压、电流的测量设备。而Rogowski线圈是电子式电流互感器的重要组成部分,它的设计是互感器精确测量的基础。文中介绍了一种基于罗氏(Rogowski)线圈的电子式电流互感器的研制。1次电流时产生的感应电动势罗氏线圈是将导线密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈,可以方便的对高压回路进行隔离测量。无限长载流直导线产生的磁场为,如图1(a)所示。无限长载流直导线产生的磁场穿过矩形截面磁通为,如图1(b)所示。当一次电流为交流时,一次电流在矩形截面内交链的磁通会产生感应电动势,其大小为对于均匀密绕的矩形截面(形状如图2(a)所示)螺线环形螺线管罗氏线圈(匝数为N),其输出为(理想情况下)即输出的感应电动势正比与一次电流的微分(为了得到与一次电流成正比的输出,后面需接RC有源积分器,如图1(c))。但实际上由于罗氏线圈绕制不可能达到理想的均匀度,其输出与理想值会有一定的偏差。当罗氏线圈的两个出线端的距离很小时,一次电流产生的交变电场不会在罗氏线圈的输出端产生附加电动势。2罗氏线圈的测量误差2.1密并不完全垂直A:罗氏线圈绕线非均匀:匝间留有调节间隙或绕线稀疏不均匀,会造成磁密并不完全垂直于每匝线圈截面而造成测量误差。B:罗氏线圈非整层绕制,使得外部干扰对罗氏线圈输出影响较大,从而影响计量误差。目前的环形绕线机的绕制工艺要把罗氏线圈的计量误差限制在0.5%以内是非常困难的。2.2磁导率波动引起的误差A:骨架材料的磁导率并非μ0造成的计算误差,在罗氏线圈的输出公式中骨架材料的磁导率按μ0计算,而实际的骨架材料的磁导率在1.0μ0~1.1μ0之间波动,从而引起计算值与实际值之间的误差。B:罗氏线圈输出计算公式并未考虑各种变形误差,而在绕制过程中,骨架上面垫的绝缘胶带与绕线机绕线时对线的拉力的大小不同会产生不同的变形,同时内层漆包线也会在外层绕制时产生微小变形,而造成计算值与实际值的微小误差。2.3环氧树脂浇铸误差罗氏线圈绕线完毕后,外面还需要用皱纹纸及半导体纸进行包绕,然后在130°C下用环氧树脂浇铸,浇铸过程中的高温及压力会造成漆包线变软,甚至环氧树脂借助压力作用渗入绕线内空隙中,从而产生浇铸误差,浇铸误差一般在0.2~2%左右。2.4次导线偏心一次导线的不同放置位置(位于中心或偏心)会造成测量误差,该误差是由罗氏线圈的绕线不均匀造成的,误差大小取决于一次导线的偏心度及绕线的均匀程度。2.5测量相误差产生的原因由于电力线为三相,其它两相距离罗氏线圈测量相很近,其一次大电流产生的磁场会造成测量相的输出产生误差,该误差由罗氏线圈的绕制工艺误差产生(绕线非均匀或非整层绕制)。2.6其他误差罗氏线圈的使用温度条件及外部高频电磁场干扰也会造成罗氏线圈的输出产生误差。3减小罗氏线圈测量误差的方法3.1采用整层密绕方式选用熟练的使用环形绕线机的技术工人,罗氏线圈绕制时采用整层密绕方式(不留调节间隙),通过大量的绕制比较及实测误差比较,通过匝数调整的方法,可以将罗氏线圈的绕制误差与计算误差降低至最小。3.2再加褶皱纸及白布带罗氏线圈绕成后,外层用半导体纸用力紧绕一层后,再用皱纹纸及白布带用力密绕,增加绕制时的用力,将漆包线间的空隙充实,同时皱纹纸及白布带可起到有效地阻止浇铸时环氧树脂颗粒进入的作用。3.3用凹槽连接钻头，或在孔内钉铜排减小罗氏线圈过孔孔径可以有效地减小一次导线或铜排的偏心误差,从而减小综合误差。3.4小骨架和耦合信号的干扰由于变电站或开关柜的一次导线间距固定,减小罗氏线圈外径可以减小罗氏线圈到其它一次导线的距离,由磁场计算公式可知,罗氏线圈受其它一次导线的耦合干扰误差可以得到有效减小。因此,制造小内径小外径高度较高的罗氏线圈骨架是减小偏心误差与工频耦合误差的有效办法。罗氏线圈的引出线采用屏蔽双绞线,屏蔽双绞线的屏蔽层(铜)可以有效的阻止外部高频电磁场的干扰(利用涡流效应进行屏蔽),双绞线可以减小传输中的电容效应,由于双绞线所形成的环的面积很小,耦合工频磁场在环内形成的感应电动势很小,且各个环之间的产生的感应电动势可以互相抵消,因此,可以把外部干扰减小到最小。有线电视传输线可以有效地阻止传输信号电磁场向外部空间的能量传播,适合于远距离通信,同时信号线外部包绕铜线也可以有效的阻止高频电磁场的干扰,而外部工频磁场不会在传输线内形成磁链,产生电动势。同轴电缆单位长度的电容为,单位长度电感为,因此信号衰减很小,适合于长距离传输。4罗马法和双重式纤维的结构设置骨架材料:采用大理石、纤维、尼龙66、环氧树脂、陶瓷等骨架材料,一般为环形骨架(如图2(b)所示)。绕线:可采用线径为0.17、0.2、0.3毫米等多种线规导线,这需根据骨架尺寸及输出电压要求及密绕要求来选择。绕制方法:采用环形绕线机均为密绕,不留调节间隙。注意:这是影响罗氏线圈精度的主要因素。半导体屏蔽层:罗氏线圈外层用半导体纸进行包括,以保持电场均匀,防止高压时罗氏线圈内部出现局部放电现象。注意:半导体屏蔽层需外接屏蔽接地线。环氧树脂浇铸层:半导体屏蔽层外可用皱纹纸与布密绕,以防止浇铸时环氧树脂渗入导线间隙内,也可直接在半导体层外用环氧树脂浇铸。环氧树脂浇铸温度在130度左右,浇铸厚度在8~12mm之间,真空浇铸。帯伞裙的支撑架:考虑到电子互感器对爬电距离的要求,罗氏线圈环外需用帯伞裙的支撑架支撑,以保证一次导线与二次出线距离大于270mm。5罗圈电子电流传感器设计5.1电子电流传感器由模拟积分器构成得电流互感器和采用DSP芯片的数字输出电子式电流互感器如图3、4所示。5.2电子式积分器与李氏线圈传感头分开对于35kV电压等级以下的电子式电流互感器,其组合方式有以下几种:1)模拟式积分器与罗氏线圈传感头一体化构成电子式电流互感器。2)模拟式积分器与罗氏线圈传感头分开构成电子式电流互感器,中间采用屏蔽双绞线或有线电视电缆连接(适用于开关柜)。3)罗氏线圈传感头与数字式DSP电路分开,中间采用屏蔽双绞线或有线电视电缆连接(也适用于开关柜)。对于110kV电压等级以下的电子式电流互感器,其组合方式为:罗氏线圈传感头与DSP数字化部分一体化构成电子电流互感器,通过通信光纤以数字方式向合并器传送电流信号,电子式互感器采用光纤激光供能。6测试设备及现场1)绝缘耐压:二次短路接大地,在一次与二次间施加高电压(对于10kV电子CT,施加电压为42kV,持续时间为1分钟),观察内外绝缘是否击穿。对于环氧树脂真空浇铸,绝缘厚度在8~13mm即能满足要求。2)局部放电测试:二次短路接大地,在一次与二次间施加高电压,电压达到42kV的80%时保持1分钟,再降到14.14kV(对于10kV电子CT)并保持1分钟,观察二次绕组内部及环氧树脂浇铸体内有无局部放电现象。3)爬电距离:指一次出头与二次出头间的距离,对于10kV电子CT,其爬电距离大于270mm即可(可以用尺子量)。4)动稳定测试:在一次短路情况下,一次短路电流为额定电流的2.55*75倍时(峰值),一次线间的短路力不能使一次绕组有明显的变形及折断现象,短路电流持续时间为1秒(武汉高压所取一个波峰,80KVA进行测试)。5)热稳定测试:在一次短路情况下,一次短路电流为额定电流的75倍时,一次绕组的发热不能使互感器局部出现烧毁现象。短路电流持续时间根据要求为1~4s(武汉高压所取3s,31.5kVA进行测试)。6)误差特性测试:由精度要求来决定。7)雷电冲击测试:施加75kV(对于10kV电子CT)的雷电电压(波头为1.2μs,波尾为50μs),观察互感器绝缘是否损坏。测试设备及测试现场如图5所示。其中1、2、3与6为厂家出厂必作测试,其它为型式测试项目。其它传统互感器测试项目:1)PT二次短路测试2)CT伏安特性测试,对于电子互感器不需要。测试结果:所研制电子式电流互感器测量精度为0.5级,个别参数达到0