一种新型平面型空心线圈电流互感器的设计

一种新型平面型空心线圈电流互感器的设计

0变电站电磁式电流传感技术研究由于电磁式电流传感器存在铁心，在大电流的测量中容易产生磁界，二次输出的信号波形畸变，无法正确测量大电流。电子式电流互感器(electroniccurrenttransformer,ECT)已成为国内外的研究热点,逐渐将取代电磁式电流互感器,这将对变电站自动化系统产生全面而深远的影响。ECT分为两类:无源型ECT和有源型ECT。比较而言,有源型ECT的传感头采用空心线圈取样,高压侧采用有源电子电路,其性能较稳定,便于工业化生产,是目前研究和应用的重点。根据电磁理论分析,提出了一种新型结构的空心线圈——基于PCB的平面型空心线圈电流互感器,其一次导体与二次线圈基本处于同一平面,电磁耦合更强烈,其结构、工作原理以及抗电磁干扰机理与目前的空心线圈(罗氏线圈)有所不同,文中拟定对PCB平面型空心线圈电流互感器的结构、原理作详细分析,合理设计实验模型,并进行实验测试。1扁平空心曲线的电流传感器的结构和原理1.1次传感圈的形成在单层或多层印制板上均匀密布环状印刷线路,构建电路板式线圈,如图1所示。每层PCB上设有4个相同的平面螺旋线圈,围绕同一中心均匀对称分布,每层相邻的螺旋线圈顺次串联,层与层之间的螺旋线圈通过过孔顺次串联,首末两个端头作为输出端,构成二次传感线圈,如图1(a)、图1(b)所示;一次导体紧贴或镶嵌在印制板上,围绕每层半数彼此不相邻的螺旋线圈构成环路,如图1(c)所示。从原理上讲,它可设计成单层板或多层板,为清晰起见,图1仅仅示意了两层板。1.2直导电与螺旋圈的距离参见图1(c),二次线圈与被测电流一次导体之间存在铰链磁链,只要被测电流i(t)发生变化,即所铰链的磁链变化,则每个螺旋线圈中就会产生与被测电流变化率有关的感应电动势,且电动势方向均相同,顺次串联而相互叠加,输出一个正比于被测电流变化率的电压信号e(t).下面分二次感应电动势e(t)与被测电流i(t)间的关系式。由文献可知,图1(d)中单个螺旋线圈与一次导体间的互感为M(d)=∫d+adμ02πx⋅adx+∫d+a−cd+cμ02πx⋅(a−2c)⋅dx+⋯+∫d+a−(n−1)cd+(n−1)cμ02πx⋅[a−2(n−1)c]⋅dx=μ02π∑i=1n[a−2(i−1)c]lnd+a−(i−1)cd+(i−1)c(1)Μ(d)=∫dd+aμ02πx⋅adx+∫d+cd+a-cμ02πx⋅(a-2c)⋅dx+⋯+∫d+(n-1)cd+a-(n-1)cμ02πx⋅[a-2(n-1)c]⋅dx=μ02π∑i=1n[a-2(i-1)c]lnd+a-(i-1)cd+(i-1)c(1)式中:a,c,d的物理意义如图1(d)中所示;n为单个螺旋线圈的匝数;μ0为真空磁导率。令M(d)和S(d)分别为M(d)=μ02π∑i=1nS(d)(2)Μ(d)=μ02π∑i=1nS(d)(2)S(d)=[a−2(i−1)c]lnd+a−(i−1)cd+(i−1)c(3)S(d)=[a-2(i-1)c]lnd+a-(i-1)cd+(i-1)c(3)见图1(c),每个螺旋线圈近似正方形,边长为a;两印制线间隔为c;一次导体可分割成8段直导体的串接,每段直导体与螺旋线圈的距离有4种情况:d1、d2、d3、d4。设印制板层数为N,忽略一次导体与传感线圈的垂直距离(近似处于同一平面),可得PCB平面型空心线圈的互感系数为M=N(4M(d1)+4M(d2)+4M(d3)-4M(d4))=2Nμ0π∑i=1n(S(d1)+S(d2)+S(d3)−S(d4))(4)=2Νμ0π∑i=1n(S(d1)+S(d2)+S(d3)-S(d4))(4)其中,将d1、d2、d3、d4分别代入式(2)和式(3)可得M(d1)、M(d2)、M(d3)、M(d4)和S(d1)、S(d2)、S(d3)、S(d4).令Si、S0分别为Si=S(d1)+S(d2)+S(d3)-S(d4)(5)S0=∑i=1nSi(6)S0=∑i=1nSi(6)S0可以看作单层印刷线路所包围的有效面积,则M=2Nμ0π∑i=1nSi=2Nμ0πS0(7)Μ=2Νμ0π∑i=1nSi=2Νμ0πS0(7)由电磁感应定律,可得e(t)的表达式为(8)e(t)=−Mdi(t)t=2Nμ0S0π⋅di(t)te(t)=-Μdi(t)t=2Νμ0S0π⋅di(t)t由以上分析可知,互感系数M取决于以下因素:印制线圈的结构、尺寸、匝数以及与一次导体的位置关系(它决定有效面积S0);印制板的层数N.一旦这两个因素确定了,互感系数M即为一常数。1.3周边或邻相电流干扰实际应用中,互感器所处的环境中不仅有远端磁场的干扰,还有附近或邻相电流带来的磁场干扰。以PCB平面型空心线圈的一层传感线圈为例,分析其抗外磁场干扰的机理,如图2所示,i1、i2、i3为附近干扰电流,与印制板处于同一平面。1.3.1螺旋线圈中各环节段,互串联而相互u远端干扰磁场穿过线圈时,螺旋线圈A、D感应的电动势大小相等、方向相反,串联而相互抵消,同样螺旋线圈B、C感应的电动势也相互抵消,见图2。同理,其它层相邻的螺旋线圈因远端磁场感应的电动势均相互抵消。因而,PCB平面型空心线圈基本不受远端磁场干扰的影响。1.3.2空心圈的影响见图2,干扰电流i1产生的交变磁场通过螺旋线圈A、D时,两螺旋线圈感应的电动势大小相等,方向相反,串联而相互抵消,线圈B、C感应的电动势也相互抵消;同理,空心线圈不受i2的影响。i3产生一个线性梯度磁场,线圈B、D感应的电动势方向相同,通过其他层的线圈而串联,设叠加后的电动势为e1,线圈A、C感应的电动势方向相同,设叠加后的电动势为e2,可以看出:e1与e2方向相反,大小近似相等,串联而相互抵消。同时,垂直印制板的干扰电流产生的磁场与传感线圈的每一匝平行,则无影响。因此,PCB平面型空心线圈基本也不受附近电流的影响。以上分析说明:PCB平面型空心线圈基本不受外磁场干扰的影响。1.4惯性环节积分器根据1.2节的分析可知,PCB平面型空心线圈输出的是一个微分信号,对其积分可以还原出被测电流。积分器的积分信号精确才能保证后面数字变换的正确及整个测量系统的精度,因此,积分处理电路是一个很重要的环节。由于运算放大器存在着失调电压、失调电流、偏置电流以及温度漂移等问题,经积分电容的不断积累,出现所谓“积分漂移”的现象,给测量造成很大的误差。为解决此问题,在选择元器件时,尽可能选用输入失调电压小的高性能运放,采用惯性环节积分器,即在积分电容两端并联大阻值的反馈电阻Rf,如图3所示。由于Rf的存在,为慢变化的漂移电压提供了一个反馈通道,较好的抑制了漂移。同时,Rf的引入也可以起到保护积分器的作用。此外,应用在要求更高的场合,可采用数字积分技术取代模拟积分器,能大大减小温度变化对积分器的影响,提高互感器的稳定性。2空心线圈测试实验根据1.1节的分析制作了两层板的PCB平面型空心线圈模型,见图4。图中一次导体印制在PCB上,一般用于额定电流较小(≤10A)的测量,若测量较大电流可另设一次导体紧贴PCB上。由于实验需要,为提高互感器的抗干扰性和互感系数,将PCB平面型空心线圈制作成多层板的PCB线圈,并集成积分放大电路,如图5所示,8层板的PCB平面型空心线圈电流互感器,上下2层均覆铜通过过孔连接接地,作为电磁屏蔽罩,中间6层印制2次传感线圈。每相的线圈参数如下:线圈层数N=6;单个小螺旋线圈匝数n=13,边长a=396mil(1mil=0.0254mm),印制线间隔c=12mil;一次导体与二次线圈的间隔d1=60mil,d2=42mil,d3=18mil,d4=516mil.运用上述计算公式可求得其互感M为1.6409×10-5H,实际测得互感为1.65×10-5H,实际结论和理论分析非常接近,这为精确设计提供了可能。空心线圈无磁饱和问题,对于大电流测量具有很大的优势,难点在于小电流的测量。文中对额定电流为100A的小电流作了实验测试,结果见表1,可满足0.2级的要求。外磁场干扰实验:将通以额定电流的干扰导线置于实验模型附近,相距为0时,比差变化0.15%以内;当距离大于10cm时,比差变化几乎为0;实验模型的三相同时通入测量电流,感应电压不变,相互间基本无影响。因此,PCB平面型空心线圈对外磁场干扰有较好的抵御效果。此外,利用数字示波器进行了波形显示,由图6可知,输出电压u(t)与被测电流i成线性比例关系。3次电流测量,适合电力系统一次测量的测量和制作犯罪聚合物小(1)提出了一种基于PCB的平面型空心线圈电流互感器,由于空心线圈无铁