應用在混合式光電電流互感器中的Rogowski線圈-

1、應用在混合式光電電流互感器中的Rogowski 線圈喬峨1,安作平1,羅承沐2(1.沈陽沈變互感器制造有限公司,遼寧沈陽110135;2.清華大學電機工程系,北京100084摘要:介紹了光電式電流互感器的一種類型混合式光電電流互感器的傳感頭采樣線圈,即R og owski 線圈的原理、結(jié)構(gòu)及實驗結(jié)果。關鍵詞:光電式電流互感器;傳感頭;R og owski 線圈中圖分類號:T M452+.93文獻標識碼:A 文章編號:1001-8425(200005-0017-051引言隨著電力系統(tǒng)向高電壓大電流方向發(fā)展,以及現(xiàn)代電力電子和光纖技術的發(fā)展,基于電磁感應原理的傳統(tǒng)充油或充氣式電流互感器面臨挑戰(zhàn),一

2、種新型的利用法拉第磁光效應原理的光電式電流互感器越來越引起各國科學家的注意,并已進入廣泛的研究階段。光電式電流互感器以其體積小、無磁飽和、無二次開路危險、抗電磁干擾能力強、安裝運輸方便等優(yōu)點成為國際競相研制的熱點。但直到目前,雖有不少試驗樣機掛網(wǎng)運行,但進入實用的還很少見。這的公式簡單、明了,并易于掌握。(2通過以上公式計算可以看出,旁柱調(diào)壓變壓器在最大負分接中壓對低壓運行時,低壓有過勵磁現(xiàn)象,設計結(jié)構(gòu)時應予以考慮。(3極限阻抗偏差要求較小時(與額定分接相比,可采用中壓勵磁,其公式推導可參照以上方法。參考文獻1崔立君,張茂魯,張洪,等.特種變壓器理論與設計M.北京:科學技術文獻出版社,1996

3、.2路長柏,朱英浩,等.電力變壓器計算M.哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1990.Deriving R eactance V oltage of Auto -T ransformer withOn -Load V oltage R egulation at Side -Yoke by U singR elative Magnetic Leakage MethodL I You 2xi a n g ,ZHAN G Qi n g 2j u n ,WAN G S hou 2mi n(Shenyang Trans former C o.Ltd ,Shenyang 110025,China Abstra

4、ct :A caculation method of deriving the reactance v oltage of auto -trans former with on -load v oltage regulation at side -y oke is introduced by using relative magnetic leakage method.K ey w ords :Transformer ;On -load voltage regulation ;Side -yoke ;Reactance voltage收稿日期:1999-05-13作者簡介:李有香(1966-,

5、男,遼寧朝陽人,沈陽變壓器有限責任公司裝配車間主任,從事大型變壓器設計與制造工作。張慶軍(1965-,男,遼寧盤錦人,沈陽變壓器有限責任公司市場營銷部銷售二處處長,從事變壓器銷售工作。王壽民(1966-,男(滿族,遼寧東港人,沈陽變壓器有限責任公司高級工程師,從事大型變壓器設計工作。第37卷第5期2000年5月變壓器TRANSFORMERVol .37May No .52000是由于基于法拉第磁光效應的傳感頭制作要求高,溫度和振動以及長期穩(wěn)定性問題始終沒能很好地解決的緣故。作為從電磁式電流互感器向光電式電流互感器的過渡產(chǎn)物的混合式電流互感器目前已進入科學家的實驗室。該型互感器的傳感頭不是光學元

6、件,而采用了傳統(tǒng)的電流互感器或空心互感器(即R og owski線圈,通過光纖將信號從高電位傳輸?shù)降碗娢?。這種結(jié)構(gòu)既具有光纖傳輸?shù)膬?yōu)點,又避免了光學傳感頭存在的溫度和振動問題。由于這種互感器處于高電位的電子裝置需要可靠的電源供應,現(xiàn)在已不大采用處于高電位的小電流互感器供電的方式,而采用地電位反射入光能,在高電位處將光能變?yōu)殡娔艿墓╇姺绞?。所以這種光電式電流互感器又可稱為混合式光電電流互感器。這種互感器的技術難點之一是傳感頭取信號繞組即采樣繞組的制作。采樣繞組可以用傳統(tǒng)的電流互感器,但用傳統(tǒng)互感器仍然存在磁飽和問題。由于傳感頭信號電源輸出容量很小,所以R og owski線圈已能滿足要求。2R

7、og owski線圈與傳統(tǒng)電流互感器的比較電流互感器在繼電保護和電流測量中的作用長期以來具有不可替代的地位,但在作為保護用時,電流互感器的飽和問題卻一直困擾著人們。當電流互感器飽和時。二次信號發(fā)生畸變引起繼電器誤動作。造成電流互感器飽和的主要成分是一次電流的直流成分。在短路故障的暫態(tài)過程中,由于直流分量而使得暫態(tài)磁通比穩(wěn)態(tài)磁通大許多倍而飽和,使勵磁電流猛增,誤差很大,影響到快速繼電保護裝置的正確動作。另外,閉合鐵心中很可能有較大的剩磁,如果剩磁的極性與暫態(tài)磁通的直流分量的極性相同,鐵心飽和就會更為嚴重。這種剩磁可以通過開氣隙加以改善,但仍不盡人意,因這樣設計出來的鐵心繞組往往體積大、重量重。隨

8、著微機的普及,在繼電保護和測量中應用微機已是不可逆轉(zhuǎn)的潮流,設備不再需要高功率輸出的電流互感器。這樣一來,低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡單、線性度良好的R og owski線圈在某些場合下,可以作為傳統(tǒng)電流互感器的代用品。早在20世紀80年代,R og owski線圈在中壓開關繼電保護中的應用研究已在進行,R og owski線圈在高壓開關中的測量和繼電保護應用也有報道1。在我國,R og owski線圈的應用研究也一直在進行中2,3。與傳統(tǒng)電流互感器相比,R og owski線圈有以下優(yōu)點1:(1測量精度高:精度可設計到高于0.1%,一般為1%3%;(2測量范圍寬:由于沒有鐵心飽和,同樣的繞組可用來測量

9、的電流范圍可從幾安培到幾千安培;(3頻率范圍寬:一般可設計到0.1H z到1MH z,特殊的可設計到200MH z的帶通;(4可以測量其它技術不能使用的受限制領域的小電流;(5生產(chǎn)制造成本低。3R og owski線圈的原理用R og owski線圈測量電流的原理如圖1所示。該繞組均勻繞在一個非磁性骨架上 。圖1R og owski線圈原理圖根據(jù)全電流定律:Hd l=I則H=I2r所以B=H=I2r再按電磁感應定律:e(t=-dd t=Bd S=0I2r d S=R a R i0I2r h d r=Ih2lnR aR i則磁鏈為:=N所以感應電勢e(t為:e(t=-dd t=-Nh2lnR a

10、R id Id t式中I導體中流過的瞬時電流,Ar Rogowski線圈的骨架的任意半徑0真空磁導率,4×10-7Hm81變壓器第37卷N 繞組匝數(shù)h 骨架高度,m R a 骨架外徑,m R j骨架內(nèi)徑,m繞組互感M :M =0Nh 2ln R aR i Rogowski 線圈的感應電勢便是:e (t =-Md I d t當一次側(cè)流過方均根值為I N 的正弦電流時,Rogowski 線圈的輸出電壓方均根值為E =MI N 。圖2R og owski 線圈等效電路圖現(xiàn)在我們分析包含有暫態(tài)分量的一次電流時的輸出電壓。圖2是測量回路的等效電路圖,R b 是取信號電阻,u out 是繞組的輸

11、出電壓,則回路方程為:i (t =u outR b(1e (t =L R b d u outd t +R 2u out R b+u out(2式中L繞組自感,H R 2繞組繞線電阻,把e (t =-Md Id t代入上式,得-M d I d t =L R b d u outd t +R 2u out R b+u out(3式中L =N i =(0N 2h 2ln (R a R i 代入式(3得:-R b N d I d t =d u out d t +R 2L u out +R bLu out-R b N d I d t =d u out d t +(R 2+R bLu out (4設T 2=

12、L R 2+R b,且I (t =I m (e -t T1-cos t (5式中I m一次電流交流分量幅值,AT 1一次電流直流分量衰減時間常數(shù),ms對式(4和式(5進行拉氏變換:I (s =I m (-s s 2+2+1s +1T 1-R b N sI (s =su out (s +1T 2u out (s u out (s =-R bNsI (s ×(1s +1T 2式中s 拉氏變換因子將I (s 代入上式:u out (s =-R bNsI m ×(1s +1T 2×(-ss 2+2+1s +1T 1=-R b N I m (-2T 221+2T 22

13、15;s s 2+2+T 21+2T 22×s 2+2-11+2T 22×1s +1T 2-T 1T 2-T 1×1s +1T 2+T 2T 2-T 1×1s +1T 1(6對上式進行拉氏反變換:設A =-2T 221+2T 22,B =T 21+2T 22,Q =-11+2T 22-T 1T 2-T 1,P =T 2T 2-T 1則:u out (t =-R bNI m A cos (t +B sin (t +Qe-t T2+Pe-t T1(7從式(7看出,輸出電壓共包含四個分量,前兩個分量是周期性分量,后兩個是非周期性分量?？砂匆韵聝蓚€表達式:u o

14、ut (t =-R bNI m A cos (t +B sin (t (8u out (t =-R b NI m (Qe-t T 2+Pe-t T1(9若令d u out d t=0,可求得非周期性輸出電壓達到最大值的時間:91第5期喬峨、安作平、羅承沐:應用在混合式光電電流互感器中的R og owski 線圈t m=T1T2T1-T2ln(-QPT1T2(10下面我們討論Rogowski線圈的穩(wěn)態(tài)特性的誤差:由式(8可表示為:u out(t=-R bNI m A2+B2cos(t+(11式中=arctan(BA(12所以Rogowski線圈的穩(wěn)態(tài)誤差為:=K N u out -I1I1,%式

15、中KN 額定變比,KN=I1nU2nI1實際一次側(cè)電流式(12中的就是繞組的相位差。繞組的暫態(tài)特性的影響參數(shù)分析如下:從式(9可以看出,與一次電流相比,對直流分量的大小主要取決于二次側(cè)時間常數(shù)。二次回路時間常數(shù)T2為:T2=LR2+R bT2的大小取決于繞組的自感L、繞組電阻R2和負荷電阻Rb。繞組的自感L=Ni=(0N2h2ln(R aR i其繞組的匝數(shù)平方成正比,與繞組的高度成正比,還與繞組的內(nèi)外徑有關,即與ln(RaR i成正比?？紤]到我們所研究的電子式光電電流互感器的整體結(jié)構(gòu)在體積與重量上要盡可能小,因此,繞組電感值較小,時間常數(shù)T2就很小。在式(9中,第一項衰減非?？?只有第二項在起

16、作用,即一次衰減時間常數(shù)起作用,亦即一次電流成線性變換到二次側(cè)。輸出電壓為:u out=-R bNI(t(13從上式可以看出,在數(shù)值上輸出電壓與一次電流成正比。下面我們就相同結(jié)構(gòu)的帶氣隙鐵心繞組與R og owski線圈計算參數(shù)進行比較:從表1中可以看出,兩者的時間常數(shù)相差80多倍,二次時間常數(shù)衰減快,可以正確反映短路電流。4試驗研究4.1樣機的技術參數(shù)表1計算參數(shù)比較帶氣隙鐵心繞組R og owski線圈鐵心尺寸mm175267×125骨架mm175267×125鐵心重kg29.5骨架重kg 5.6繞線匝數(shù)匝2500繞線匝數(shù)匝2500負荷R b0.354負荷R b354二

17、次時間常數(shù)T2s1.719二次時間常數(shù)T2s0.0209二次電流A1二次電流A0.001我們所研究的電子式光電電流互感器樣機的技術參數(shù)如下:額定電壓:500kV一次電流:2500A額定頻率:50H z暫態(tài)特性:一次時間常數(shù):100ms對稱短路系數(shù):20工作循環(huán):C-100ms-O-300ms-C-40ms -O輸出電壓:最大值10V額定值0.354V后級電子線路系統(tǒng)要求采樣繞組輸出電壓最大值為10V。根據(jù)這一要求,我們設計了兩個繞組,一個為帶氣隙鐵心繞組,另一個為R og owski線圈,作為系統(tǒng)的采樣繞組。對于帶氣隙鐵心繞組,我們的設計滿足IEC標準TP4Y級暫態(tài)保護的要求,即準確限值以在規(guī)

18、定的工作順序內(nèi)的峰值瞬時誤差確定,剩余磁通不超過飽和磁通的10%,其峰值瞬時誤差以一次電流交流分量峰值的百分比表示;對于R og owski線圈,我們的設計滿足其后續(xù)電子線路的電壓輸入要求,且采樣信號穩(wěn)定可靠,其輸出電壓以一次電流的百分比表示誤差不超過3%。帶氣隙鐵心繞組滿足設計要求的最小尺寸,即為表1所列尺寸,其暫態(tài)誤差為4.98%;R og owski線圈的骨架尺寸可以設計為130170×16,電壓輸出及誤差即可達到要求。4.2樣機的結(jié)構(gòu)樣機的整體結(jié)構(gòu)包括頂部殼體、絕緣支柱、底座和安裝在控制室的信號接收及處理四部分。采樣繞02變壓器第37卷組安裝在樣機的頂部殼體內(nèi)。為了減小產(chǎn)品的

19、結(jié)構(gòu)和降低產(chǎn)品的成本,在滿足要求的情況下,應盡可能地減小各個部件的尺寸。我們樣機所設計的尺寸是帶氣隙鐵心繞組的最小尺寸為118334×197,而R og owski 線圈的最小尺寸為116180×29。兩者在體積上相差20多倍,重量上相差100多倍。由于試驗條件所限,我們只進行了R og owski 線圈的輸出電壓及其線性測試研究。我們手工繞制了上述R og owski 線圈,骨架尺寸為130170×16的酚醛紙板,用0.9的縮醛漆包圓銅線密繞2000匝做成R og owski 線圈,繞組尺寸為116180×29。試驗數(shù)據(jù)如表2所列。表2試驗數(shù)據(jù) 250

20、0輸出電壓U 2V0.1150.2330.3490.4670.579由圖3可見,R og owski 線圈的線性度良好,很適合我們作電流互感器的繼電保護用。圖3I -U 曲線在實際應用中,由于輸出二次電壓與一次母線電流的導數(shù)成正比,故在相位上兩者相差90°,這樣我們需在線路里加一RC 積分環(huán)節(jié),使其相位一致。另外,為免受周圍磁場干擾, 將R og owski 線圈置于一定厚度的屏蔽罩內(nèi)。屏蔽問題不屬于本文的內(nèi)容,在此暫不論述。4.3積分環(huán)節(jié)加積分環(huán)節(jié)后的等效電路見圖4。這樣整個采樣繞組回路由繞組回路部分、測量回路和積分回路三部分組成?，F(xiàn)在研究接入積分回路后的輸入電流與積分電壓之間的關

21、系。由圖4可列出積分回路的回路方程如下:u out =Ri c +u c圖4等效電路圖i c =Cd u cd t所以u out =RC d u cd t+u c (14解以上微分方程式得:u c =1RCu out e-t RC(15將式(13代入上式u c =R b RCNI (t e -t RC(16由式(16可知衰減常數(shù)=1RC ,當選擇較大的R 、C 值時,可以消除或減少衰減,而且經(jīng)過RC 積分環(huán)節(jié)后,可以使u c 在相位上與I (t 基本保持一致。我們曾就4.2節(jié)所設計的Rogowski 線圈加RC 電路進行試驗,當R =30k,C =1.5F 時,測出u c 與u out 相位差

22、僅為1°,而該相位差在后級電子電路是可以校正的。5總結(jié)通過以上分析,在我們所研究的混合式光電電流互感器上可以選用R og owski 線圈作為低電壓輸出要求的電流測量和繼電保護應用。R og owski 線圈不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、線性度良好、無磁飽和、測量頻帶寬、動態(tài)范圍大等優(yōu)點,而且體積小、重量輕,非常適合混合式光電電流互感器的取信號采樣繞組用。關于R og owski 線圈暫態(tài)特性的試驗研究及其配合光電電流互感器的整機試驗,以及由于引入積分環(huán)節(jié)而導致的附加誤差有待于我們進一步研究。參考文獻1K ojovic L.R og owski coils suit relay protecti

23、on andmeasurementJ .IEEE C omputer Applications in P ower ,1997,(7:4752.2羅承沐,高英,崔豪等.脈沖電流測量線圈的研究和C AD 設計J .清華大學學報(自然科學版,1995,35(4:1828.3張適昌.外積分羅柯夫斯基線圈J .高電壓技術,1986,(2:3740.12第5期喬峨、安作平、羅承沐:應用在混合式光電電流互感器中的R og owski 線圈Vol . 37 第 37 卷 5 期 第 No . 5 變壓器 May 2000 年 5 月 2000 TRANSFORMER 交流傳動機車牽引變壓器設計時應考慮的幾個

24、問題 馬錄寶 ,姜悅禮 ,張金平 ( 大同機車廠設計處 , 山西 大同 037038 摘要 : 針對交流傳動電力機車的傳動特點 ,對其中的牽引變壓器的工作狀態(tài)進行了分析 ,指出交流傳動電力 機車用牽引變壓器設計時需考慮的牽引繞組的短路阻抗大 、 電流的高次諧波 、 網(wǎng)壓波動大可能引起的過勵磁以及 直流磁化等問題 ,同時給出了相應的一些解決方法 。 關鍵詞 : 牽引變壓器 ; 電力機車 ; 交流傳動 ; 諧波 ; 短路阻抗 中圖分類號 : TM922. 73 文獻標識碼 :A 文章編號 :1001 - 8425 ( 2000 - 05 - 0022 - 04 質(zhì)的不同 ,因此作為重要部件之一的牽

25、引變壓器對 于在交流傳動電力機車上和相控交直傳動電力機車 上使用也有所不同 。本文著重從外部環(huán)境對交流傳 動電力機車牽引變壓器的影響的角度 , 分幾個問題 進行說明 。 1 引言 隨著大功率半導體元件及逆變器技術的迅猛發(fā) 展 ,交流傳動電力機車已成為當今電力機車的發(fā)展 方向 。目前 ,我國也已經(jīng)開始研究交流傳動電力機 車 ,并已于 1996 年研制生產(chǎn)了第一臺 AC4000 型交 流傳動電力機車 。傳統(tǒng)的相控交直傳動電力機車采 用晶閘管與整流管相結(jié)合 , 將交流電變?yōu)橹绷麟姽?給直流牽引電動機 ,這種傳動方式功率因數(shù)低 ,網(wǎng)側(cè) 電流波形正弦性差 , 牽引特性差 。交流傳動電力機 車采用交 交或交 直 交傳動 , 采用交流電動機 作為牽引動力 ,這種傳動方式功率因數(shù)高 ,網(wǎng)側(cè)電流 波形接近正弦 , 牽引特性好 。由于交流傳動電力機 車同相控交直傳動電力機車的電路及其控制有著本 2 環(huán)境條件 交流傳動電力機車牽引變壓器一般都部分或全 部安裝于機車車底下 。牽引變壓器高度受到嚴格限 制 ,散熱條件相當惡劣 , 環(huán)境溫度為 - 25 40 , 除 了要承受風雨塵埃的侵襲外 , 還要直接承受來自走 行部三個方向的較大