基于rogowski线圈的电子式电流互感器暂态特性仿真与设计

基于rogowski线圈的电子式电流互感器暂态特性仿真与设计

0rogowski线圈测量设备数字电子通信和电压传感器网络的ect-evt（电子currenttrans格式）是未来能源传感器网络的发展趋势。传感元件是电子式互感器必不可少的组成部分。由于Rogowski线圈有着诸多优良的特性,采用Rogowski线圈作为ECT的传感元件已经成为研究ECT的一个热点。目前已有大量的研究工作表明基于Rogowski线圈的ECT测量稳态交流电流时能获得较好的测量精度[1鄄3],但是对其测量故障暂态电流时的性能却研究不多。然而,由于故障电流的暂态过程含有丰富的谐波成分和衰减的非周期分量,而且基于Rogowski线圈的ECT采用电子电路进行信号处理,电子电路对输出信号能否真实反映被测电流的暂态过程也有着重要影响。实验表明,适用于测量稳态交流的ECT并不一定能良好地测量故障暂态电流。本文在仿真和实验研究的基础上,设计了一种由Rogowski线圈和改进的有源积分电路组成的电流传感元件,实验表明该传感元件能有效地测量故障暂态电流。1rogowski线圈暂态特性应用于工频时,Rogowski线圈的输出电压是被测电流的微分函数。所以,原理上需要对Rogowski线圈的输出信号进行积分运算。在实际应用中,常采用有源的模拟电路积分器来实现这一功能。在此,首先研究采用理想的有源积分器与Rogowski线圈构成的联合系统的暂态特性。Rogowski线圈与理想有源积分器组成的联合系统的等值电路,如图1所示[4鄄5]。图1中,R0是Rogowski线圈绕组自身的电阻,L0为线圈的自感,C0是线圈的等效杂散电容,Ra为取样电阻。电阻R、理想电容C以及运算放大器A构成理想积分器,RL是积分器的负载电阻。图1中,u1(t)是积分器的输出,u0(t)是Rogowski线圈的输出。u(t)是理想Rogowski线圈的内电势,是电流的微分函数,即式(1)中,M为Rogowski线圈输出信号与被测电流之间的比例系数,它决定于线圈的结构参数。根据图1,写出整个系统的传递函数如下:实际制作的Rogowski线圈的相关参数是R0=270Ω,L0=21.56mH,C0=0.12nF,Ra=10kΩ。由于式(2)中的M、R和C的值只关系到幅频响应的衰减倍数,不会影响相频响应特性,所以令式(2)中的M/(RC)=1,然后用Matlab仿真,就可以得到Rogowski线圈联合理想积分器的频率响应特性,如图2所示(上图为幅频响应,下图为相频响应)。电力系统发生故障时,故障电流包含有稳态交流、衰减交流以及衰减直流分量。采用文献标准所定义的暂态一次电流表达式为基础进行暂态特性仿真。i(t)和Im均取标么值,且Im=1p.u.,取一次直流衰减时间常数τ1为IEC60044-8规定的额定值中最严格的0.12s。用Matlab对上述模型进行仿真,将式(3)所表达的电流作为被测电流作用于联合系统的传递函数,即可得到仿真输出波形,如图3所示。从仿真结果可以看出,Rogowski线圈配合理想积分器具有良好的暂态性能,对上述被测电流不会产生波形畸变。2暂态特性对比在实际应用中,稳定性问题是影响模拟电路积分器应用的一个重要问题。由于运算放大器存在失调电流、偏置电流和温度漂移等非理想因素,这些直流量经过积分电容的不断累积,将在输出端产生叠加在有用信号上的斜坡输出。不管运放的失调和漂移多小,只要它们存在,就会使积分器达到饱和。为了使积分器长期稳定工作,实际应用中采用了带有负反馈通道的模拟电路积分器,即在积分电容C两端并联一个反馈电阻Rf,如图4所示。但并不是只要能实现积分功能的电路参数就可以良好地反映故障电流的暂态过程。在实验中,取反馈电阻为1MΩ,积分电容为0.1μF。按照图5所示的实验接线进行互感器暂态特性对比实验,采用分流器获取真实的被测电流波形。当被测电流是正弦稳态交流电流时,新的系统仍然具有良好的精度。但是当被测电流为故障暂态电流时,新系统的输出将会严重失真,实验波形如图6所示。从图中可以看出,输出波形衰减速度明显快于被测电流。经研究发现,造成暂态特性严重恶化的原因是,在故障电流期间,反馈电阻和积分电容构成了一阶放电回路,导致输出波形比被测电流衰减快。为了改善暂态特性,可以提高反馈电阻或者积分电容的参数[7鄄8]。根据图4,可以写出新的联合系统的传递函数为仍然采用前述的各项线圈自身参数,并采用式(3)确定的故障暂态电流作为被测电流,对式(4)表达的系统进行仿真分析。在仿真中,取反馈电阻为1MΩ,改变积分器的电容C,以考察系统的暂态响应特性。图7、8为仿真对比结果。从图7、8可以看出,提高积分电容的参数,可以明显改善系统的暂态响应特性。所以,当积分器的反馈参数配置不当时,暂态输出波形将严重失真。适当提高积分器的反馈电阻或者积分电容的参数可以改善暂态特性。3测量精度和暂态特性为实验研究基于Rogowski线圈的ECT的暂态特性,设计了基于Rogowski线圈的电流传感元件,图9所示为传感元件的原理电路图[9鄄10]。Rogowski线圈可以采用框型和圆环形,两者原理相同。实验中样机的Rogowski线圈为方框型,采用0.16mm的漆包线双层紧密绕在直径为16mm的环氧树脂棒上。在两根棒的接头处,使用了高导磁率的材料进行磁短路。在此电路中,第1个运算放大器构成跟随电路,第2个运算放大器构成了积分电路。在前文仿真研究的基础上取反馈电阻为1MΩ,积分电容为2μF。由于跟随电路具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点,它将不会对前面基于Rogowski线圈和积分电路直接相连的仿真分析的结论有太大影响。首先,对电流传感元件进行了稳态交流电流的测量精度实验。实验是通过等值安匝大电流发生器进行的。被测电流从0~300A。表1给出了测量精度实验结果。当被测电流较小时,由于电子电路不可避免的噪声,使得测量精度比较低。测量小电流是基于Rogowski的电流互感器所共有的难题。但是当电流比较大的时候,传感元件的比差优于1%,而且测试精度很稳定。由于传感元件不含铁心,当进一步提高被测电流时,可以预见传感元件的精度不会降低。图10显示了传感元件的线性度情况,u1为传感元件的积分器输出电压,i为被测电流。从图中可以看出样机具有良好的线性度。然后进行了暂态特性实验。在实验中,同时比较了Rogowski线圈传感元件和传统电磁式电流互感器MCT(MagneticCurrentTransformer)的暂态性能。实验接线图见图5。通过变比为300A/75mV的分流器,可以获取真实的原方被测电流。在实验中,分流器、MCT以及基于Rogowski线圈的传感元件都测量发电机机端A相的电流,它们的输出都接入录波器进行比较。图11和图12为某次短路故障时的录波对比图。图11表明由于电流过大,MCT饱和,使得输出信号有明显的畸变。而在图12中,由于基于Rogowski线圈的电流传感元件没有磁饱和,所以输出信号没有畸变。而更重要的是,它与从分流器获得的真实的原方电流波形非常吻合,所以,它能良好地测量原方的故障暂态电流波形。可以预见,基于Rogowski线圈的电子式电流互感器应用于继电