通過對大電流測量傳感器的分析, 提出羅氏線圈設(shè)計(jì)原則, 設(shè)計(jì)出雷電流傳感器線圈,并對線圈的輸出特性的實(shí)際測量, 驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。

雷電流傳感器作為變電站雷擊在線監(jiān)測的主要組成部分, 它性能的好壞將直接影響著系統(tǒng)的測量精度, 甚至決定著系統(tǒng)功能能否實(shí)現(xiàn)。以被測電流所建立的磁場為基礎(chǔ)的羅氏線圈是一種特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈, 不含鐵芯, 與電阻分流器相比, 羅氏線圈它具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):

測量線圈本身與被測電流回路沒有直接的電的聯(lián)系, 而是通過電磁場耦合, 因此與主回路有著良好的電氣絕緣;

由于沒有鐵芯飽和問題, 測量范圍寬, 同樣的繞組, 電流測量范圍可以從幾A 到數(shù)百kA;頻率范圍寬, 一般可設(shè)計(jì)到0. 1~ 100 MH z以上, 特殊的可設(shè)計(jì)到2 000MH z的帶寬, 線圈自身的上升時(shí)間可做得很小(如ns數(shù)量級(jí)) ;易于以數(shù)字量輸出, 實(shí)現(xiàn)測量數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化。

在現(xiàn)代測量、控制與保護(hù)裝置中, 以計(jì)算機(jī)為核心的傳感設(shè)備不斷淘汰那些不容易與電腦通信的傳感器, 已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢; 作為大電流現(xiàn)場測量用傳感器的羅氏線圈, 具有低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡單、線性良好等優(yōu)良特性, 在許多大電流測量場合下, 它都是傳感器件的優(yōu)選。

線圈的分布參數(shù)對測量的影響

羅氏線圈是基于電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)對電流的測量的, 電阻采樣的線圈等效電路如圖1所示。圖中M 為線圈與置于線圈中間的載流導(dǎo)體之間的互感,L、RL、C 0 分別為線圈的自感、內(nèi)阻和雜散電容, R 為采樣電阻。

圖1 電阻采樣的羅氏線圈等效電路圖

由等效電路得羅氏線圈的傳遞函數(shù)為:

工作在自積分狀態(tài)下的羅氏線圈的幅頻特性曲線如圖2所示。

考慮到對傳遞函數(shù)進(jìn)行近視化簡。從圖2可見, 曲線的截止頻率為與

圖2??羅氏線圈的幅頻特性曲線它們之間存在一段與頻率無關(guān)的區(qū)域。R、RL 和C0越小, L 越大, 系統(tǒng)的下限截止頻率越小,上限截止頻率越大, 此工作頻帶區(qū)域越寬。因此, 如何減小線圈的內(nèi)阻RL 和雜散電容C0、增大線圈的互感L , 是設(shè)計(jì)積分器的關(guān)鍵。

羅氏線圈的設(shè)計(jì)

 雷電流波形按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取2. 6 /50的斜角波。對變電站直擊雷造成的?反擊#情況和繞擊情況進(jìn)行ATP - EMTP 仿真計(jì)算。經(jīng)計(jì)算表明: 考慮

到系統(tǒng)遭受大電流雷擊的概率較小(超過200 kA的概率為0. 5% ) , 雷擊時(shí)各監(jiān)測支路電流幅值在1~100之間變化; 電流的波頭、波尾時(shí)間分別在1~ 20??s、10~ 500 ??s范圍內(nèi)變化, 通過對1 /10 ??s和20/500 ??s兩種電流波形進(jìn)行快速傅立葉變換得出被測電流的高頻分量主要在700H z~ 1 610H z之間,設(shè)計(jì)的羅氏線圈必須滿足此幅值和頻率要求。羅氏線圈的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3所示。為了便于加工和現(xiàn)場安裝, 線圈骨架在設(shè)計(jì)中選用了圓形截面的半圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。線圈的設(shè)計(jì)包括圓環(huán)的內(nèi)外半徑a、b, 繞線的線徑d, 繞線匝數(shù)N, 和取樣電阻R 。

圖3羅氏線圈的結(jié)構(gòu)示意圖

線匝截面的直徑遠(yuǎn)小于線圈骨架的平均半徑時(shí), 由考慮磁場梯度計(jì)算出的線圈的總磁通量和認(rèn)為截面上的磁場強(qiáng)度處處相等計(jì)算的結(jié)果基本一致。為了使線匝截面上的磁場強(qiáng)度趨于處處相等,盡量減少對一次載流導(dǎo)線的位置要求, 通常取骨架截面的直徑和骨架內(nèi)半徑的比值在1 /6左右, 即骨架的內(nèi)外半徑之比在1. 2左右。設(shè)計(jì)中內(nèi)外半徑取值按b = ( 1. 2 ~ 1. 3) a的關(guān)系確定。

根據(jù)以上對a, b 的選擇, 線匝截面上的磁場強(qiáng)度可近似于處處相等。這時(shí)由安培環(huán)路定理可得線圈的互感和自感

由上式可以看出L 與N 的二次方成正比, RL 與N 成正比與線徑d的平方成反比, 所以將N 和d取得盡可能大一些有利于滿足自積條件

同時(shí)可以降低線圈的下限截止頻率提

高線圈的測量帶寬△f。

對于信號(hào)電阻R 阻值的選擇而言, 為滿足L> > RL + R 的條件, R 值應(yīng)選的小些, 但R 值太小,將會(huì)影響到線圈的靈敏度, 使得羅氏線圈的輸出電壓信號(hào)太小, 帶來測量誤差。因此, R 大小的選擇應(yīng)兼顧這兩方面的要求, 一般與RL 同數(shù)量級(jí)。根據(jù)實(shí)際尺寸和靈敏度要求, 并滿足線圈的自積條件下計(jì)算出的線圈的參數(shù)見表1。

由于線圈沒有鐵芯飽和問題, 測量范圍寬, 能滿足雷電流幅值的要求。另外, 在取樣電阻兩端加TVS管起保護(hù)作用,把線圈放在鐵盒內(nèi)屏蔽起來, 以減小外界磁場的干擾, 抑制雜散磁場進(jìn)入線圈。

測量結(jié)果

 為測試線圈的靈敏度和線性度, 用設(shè)計(jì)的線圈和經(jīng)過校準(zhǔn)的圓管式分流器測量相同沖擊電流波,以示比較。峰值數(shù)據(jù)如表2所示, 測試波形如圖4所示。

從上表的試驗(yàn)結(jié)果可以看出: 線圈的變比系數(shù)大于理論上的1 600, 但是測量不同的電流等級(jí)變比系數(shù)近似相同, 即測量電壓與輸入電流近似是一個(gè)

線性關(guān)系。平均變比系數(shù)為1 750 A /V, 如果取這個(gè)平均變比系數(shù)作為線圈的變比, 則此線圈的最大誤差為。線圈的靈敏度為如圖4所示, 1為羅氏線圈測量波形, 2 為分流器電流波形。從羅氏線圈和分流器的波形比較來看, 線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)能較好的滿足被測電流信號(hào)的頻帶寬度的要求, 保證輸出信號(hào)沒有失真。另外線圈的屏蔽干擾等措施也基本達(dá)到設(shè)計(jì)的目的, 輸出信號(hào)中沒有高頻振蕩現(xiàn)象, 起始點(diǎn)有毛刺, 是由于線圈出口處的寄生電容導(dǎo)致的。

圖 羅氏線圈沖擊電流測試波形

結(jié)論

 上文提出了測量雷電流的羅氏線圈的設(shè)計(jì)原則, 根據(jù)實(shí)際安裝的需要, 提出了線圈的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu), 該系統(tǒng)有很寬的測量頻帶與幅值。對線圈的輸出特性的實(shí)際測量, 驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。本文所設(shè)計(jì)的線圈能夠測量波形在1 /10 s和20 /500s范圍內(nèi), 幅值在3~ 150 kA 之間變化雷電流, 線圈輸出靈敏度為0. 571 V /kA。