基于rogowski线圈的电子电流互感器的测量

基于rogowski线圈的电子电流互感器的测量

1积分环节影响电子式电流传感测量的准确度罗格格栅线圈的电流传感器采用rogwenwaski线圈作为电流传感器，线性好，隔离结构简单，无安全隐患，不含糊不清，磁饱和，测量带宽大，精度高，因此已被广泛应用。但由于Rogowski线圈二次输出电压信号是一次电流信号的微分，要恢复与一次电流成正比例的信号就必须添加相应的积分环节。目前，积分环节的低频噪声、电压漂移以及积分器相位的响应。影响了电子式电流互感器在低频小电流测量中的准确度。因此非常有必要对Rogowski线圈信号处理中积分算法进行研究，以进一步优化积分电路的设计，提高电子电流互感器对工频电流测量精度。2rogowski线圈简介在有源光电电流互感器中，将Rogowski线圈作为一次电流采样传感头的组件，Rogowski线圈是将导线均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上，线圈两端接上采样电阻就可以测量电流。由于这种线圈本身与被测电流回路并不存在直接的电联系，而是一种环绕被测电流的载流导体的闭合电气设备，它随被测电流所产生的磁场变化而感应出相应的电势，因此它与电气回路有良好的电气绝缘；骨架采用非铁磁材料加工，没有传统电磁式互感器的磁饱和、动态范围小的问题。圆形骨架的Rogowski线圈输出电压e正比于被测电流的变化率，即：式中：M为感应电压与被测电流间的比例系数；i为被测电流。通过对Rogowski线圈输出电压进行积分可以还原被测信号，即：式（2）表明，这种Rogowski线圈及其外接电阻实质上相当于一个微分环节。要使输出信号还原为被测电流形状，就必须后接一个积分电路将电压e积分还原。其积分性能的好坏直接影响电子电流互感器的测量精度，需重点研究。3联合算法的研究Rogowski线圈的积分环节有模拟和数字两种实现方式，它们各有其特性，分别对它们进行研究。3.1新型积分器设计传统上用高性能运算放大器构建模拟积分器，图1a示出理想有源积分器的结构，其传递函数为：一般运放的直流增益都很大，当积分器输入侧的信号中有直流偏置电压时，将会导致运放迅速饱和，带来积分器阻塞，在积分电容上并联一个阻值较大的电阻，可近似为理想积分器。但其幅度变化近似反比于频率变化，当频率很小时，增益很大。可能是工频信号的很多倍。这时积分器实际上是作噪声放大器使用的，且不稳定，漂移很大。因此，低频信号干扰极有可能影响积分电路正常工作，所以进行了改进。设计了一种基于低通滤波器特点的新型积分器。其结构如图1b所示。新型积分器的传递函数为：对所设计的积分器进行仿真验证，可绘制积分器的幅频和相频特性曲线，如图2所示。由图2可见，积分器的工作带宽接近1.0×104Hz，而所设计的用于测量工频电流的Rogowski线圈的频带宽度为5.5kHz。因此，该积分电路满足设计要求。通过仿真得到积分器的参数为：R1=3.183kΩ，R2=318.3kΩ,R3=R4=135.04kΩ,C1=C=1.6μF。3.2基于rogowski线圈的数字积分器设计同模拟积分器相比，数字积分器具有很多显著的优点：(1)性能稳定。模拟积分器中的模拟器件受温漂和时漂影响参数会发生变化，导致性能不稳定；数字积分器中的模数转换器（ADC）和运放驱动电路等模拟电路结构简单稳定，受温漂、时漂影响小，实现其积分器功能的算法则完全不受环境因素影响，并可以针对模拟电路的漂移进行有效的补偿。(2)相位特性优良。模拟积分器中的模拟器件参数不同，会引入轻微的相位响应变动，需要进行相位校准。数字积分器的相位响应主要由算法决定，具有一致性；(3)数字积分器结构灵活，调节方便。随着高速数字信号处理技术的出现，根据采样定理，可直接对低频信号采样，然后利用数值方法进行数字积分来还原被测量，通过采用A/D转换芯片将Rogowski线圈所得的模拟信号转换成数字信号，输入至DSP，再设计相应的数值积分算法，通过编程来实现。如图3所示。对Rogowski线圈输出电压信号频率进行锁相倍频后得到采样时钟，能保证工作在同步方式下。为减小误差，还可引入触发电路，在Rogowski线圈输出电压信号的正向过零点处启动积分过程。该方案可快速还原被测电流信号，较适合于实时应用场合。若要达到较高的测量准确度，ADC的转换位数要足够高，这样ADC芯片的价格自然昂贵；或者只要采样点数足够高，采用低分辨率的ADC也可以达到精度要求，不利于互感器其它功能的实现。因此选择合适的积分算法成为数字积分器实现的关键问题之一。根据数值积分的原理，对采样值相加求和的算法，最简单的是矩形求和，假设采样频率为f，时间间隔为△t=1/f，则式（2）可转化为：实际应用中，为了提高数字积分的精度，通常采用复化的梯形求积公式。实际计算中通常采用的复合梯形求积公式为：式（7）的z传递函数为：式中：T为采样间隔。由z=ejω，得：采样间隔设为10μs，经过仿真得到复化梯形求积公式的频率特性，如图4所示。由图可见，算法的采样率为10k/s，其幅频响应具有-20dB/dec的衰减，相频响应具有-90°的相移，非常理想化。4模数转换器的配置试制了以ADC,DSP,DAC为主要元件的数字积分器。ADC采用l6位模数转换器ADS8325,DSP采用TMS320LF2407A,DAC采用l2位的数模转换器TLV5616。实验的采样频率为55kHz。实验结果如下。4.1零位移测试在输入端接入标准正弦信号对其进行长时间积分漂移实验，积分时间为36h。实验证明整个积分过程没有零漂。4.2电流传感校验仪由Rogowski线圈和数字积分器构成电流互感器，在实验室环境下，取额定电流为1kA，使用GHJ-H电子式互感器校验仪对互感器进行校验，实验结果如图5所示。5数字积分算法的