基于羅氏線圈電流傳感器的研制

1、文章編號(hào):1001-1609(200203-0019-04基于Rog owski線圈電流傳感器的研制翟小社1,王穎2,林莘1(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,遼寧沈陽110023;2.河北省計(jì)量科學(xué)研究院,河北石家莊050031THE DEVE LOPMENT OF CURRENT TRANSDUCER BASE D ON THE R OG OWSKI COI LZH AI X iao2she1,W ANG Y ing2,LI N X in1(1.Shenyang University of T echnology,Shenyang110023,China;2.Hebei Province Ac

2、ademy of Metrological Science,Shijiazhuang050031,China摘要:論述了R og owski線圈電流傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、制作工藝等環(huán)節(jié)。對羅氏線圈進(jìn)行了靈敏度測量,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。另外,論述了羅氏線圈傳感器的功能與對應(yīng)的軟硬件措施。對抗干擾問題進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞:R og owski線圈;靈敏度;單片機(jī);抗干擾中圖分類號(hào):T M835.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAbstract:In this paper,the construction of current transducerbased on the R og owski coil i

3、s introduced,the principle of R og owskicoil used in current measurement is analysed,the equivalent circuitis discussed and the experimental results are presented.The mea2sures for immunity of interference are als o covered.K ey w ords:R og owski coil;sensitivity;micro2process or;immunity of interfe

4、rence1概述長期以來,具有鐵心的電磁感應(yīng)式電流互感器(CT在繼電保護(hù)和電流測量中的作用一直占主導(dǎo)地位。但是,隨著超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),傳統(tǒng)的互感器不僅體積和重量加大、價(jià)格上升、防爆絕緣困難、安全性能下降,更主要的是它帶有鐵心,頻帶很窄,磁飽和時(shí)二次信號(hào)波形嚴(yán)重畸變,作為繼電保護(hù)用時(shí),反應(yīng)速度滯后且容易導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作1。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)的普及,在繼電保護(hù)和測量中,控制部分的能量流和信息流分離,因而監(jiān)測設(shè)備不再需要高功率輸出的CT。另外,隨著變電站綜合自動(dòng)化和配電自動(dòng)化的應(yīng)用,要求開發(fā)出具有測量、保護(hù)以及通訊能力的電流傳 感器。R og owski線圈(以下簡稱羅氏線圈由于其結(jié)構(gòu)和測

5、量原理方面的特點(diǎn),受到了廣泛的關(guān)注。收稿日期:2002-01-17;修回日期:2002-03-14與帶鐵心的傳統(tǒng)互感器相比,羅氏線圈傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):測量范圍寬,精度高;穩(wěn)定可靠,同時(shí)具有測量和繼電保護(hù)功能;響應(yīng)頻帶寬;體積小、重量輕、安全且符合環(huán)保要求;易于實(shí)現(xiàn)微機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化。基于羅氏線圈的電流傳感器具有以下基本功能:電流實(shí)時(shí)測量和顯示;提供繼電保護(hù)信號(hào);具有微機(jī)通訊接口。筆者參考國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn),在試驗(yàn)測試和分析的基礎(chǔ)上,對羅氏線圈電流傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、工作過程以及抗干擾和提高可靠性的措施等方面進(jìn)行了研究。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成羅氏線圈電流傳感器測試系統(tǒng)如圖1所示,由以下幾部分組成:羅氏線圈部分

6、;模擬信號(hào)處理電路;單片機(jī)采控部分;輸出轉(zhuǎn)換電路;顯示/通訊接口。電力系統(tǒng)一次電流通過羅氏線圈的耦合以后,從羅氏線圈兩端的采樣電阻上取到電壓信號(hào),經(jīng)過模擬信號(hào)處理電路加工后送至單片機(jī)輸入端,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,由軟件計(jì)算分析,最后經(jīng)過輸出轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)保護(hù)動(dòng)作元件,同時(shí)通過顯示電路顯示各912002年6月高壓電器第38卷第3期種電網(wǎng)參數(shù)。羅氏線圈電流傳感器預(yù)留了通訊接口,可與上位機(jī)通訊,接受指令并且發(fā)送電網(wǎng)參數(shù)。3羅氏線圈的研制3.1羅氏線圈測量電流的原理羅氏線圈測量電流的理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律2。當(dāng)被測電流沿軸線通過線圈時(shí),在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場H 。由安培環(huán)路

7、定律得:H d l =I (t (1由B =H ,E =d d t得:E (t =d (N B d S /d t =M d I (t /d t(2當(dāng)檢測線圈為環(huán)形,其截面為矩形時(shí),見圖2?；ジ邢禂?shù)M 的值為:M =Nh ln (b/a /2(3L =N 2h ln (b/a /2(4以上各式中:H 為線圈內(nèi)部的磁場強(qiáng)度;B 為線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度;N 為線圈匝數(shù) ;E 為線圈兩端的感應(yīng)電壓。式(2即為一次被測電流和線圈兩端電壓的對應(yīng)關(guān)系,由(3式可知,互感系數(shù)M 與線圈匝數(shù)以及線圈的具體尺寸有關(guān)。增加匝數(shù)以及線圈尺寸,可以有效地增大M 。但是匝數(shù)過大會(huì)引起線圈內(nèi)阻的增加,因此匝數(shù)選取應(yīng)該適當(dāng)。

8、如圖2所示,將細(xì)的漆包線均勻密繞在環(huán)型絕緣骨架上,繞制時(shí)采用回線是為了消除外界磁場的干擾,均勻密繞是為了減少匝間電容對測量的影響。3.2羅氏線圈測量電流的簡化模型圖3為羅氏線圈測量電流的電路模型3,因?yàn)樵验g電容C 很小,在測量工頻信號(hào)時(shí)可以忽略。當(dāng)增大線圈端口的采樣電阻R a =100m,由于線圈自感L 引起的阻抗以及線圈內(nèi)阻r 相對于R a 很小,可以認(rèn)為,線圈電壓完全降落在R a 上,因此,測量可以簡化為:U =Md Id t(5當(dāng)測量工頻正弦波電流時(shí),可以簡單地計(jì)算出:U =100MI (6其中,S =U/I =100M 為一次電流和信號(hào)電壓的比例系數(shù),即羅氏線圈測量正弦波的靈敏度。靈敏

9、度數(shù)值的穩(wěn)定性,是反映羅氏線圈測量精度的重要指標(biāo) ,因此,在制作過程中應(yīng)對其進(jìn)行重點(diǎn)校核。3.3試驗(yàn)測試與結(jié)果分析針對10kV 系統(tǒng)電壓設(shè)計(jì)制作了羅氏線圈,羅氏線圈的截面為矩形,自制羅氏線圈尺寸為:大半徑b =66.13mm ,小半徑a =45.29mm ,矩形截面的高度為h =21mm ,匝數(shù)N =1592匝,用0.31mm 的銅線繞制,線圈內(nèi)阻r =31。由(3,(4式計(jì)算出線圈自感L =4.029mH ,互感M =2.531H ,S =0.7951×10-3。用試驗(yàn)方式測定羅氏線圈的靈敏度, 并與理論計(jì)算值作比較,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)大電流發(fā)生器的輸出電流,用標(biāo)準(zhǔn)

10、互感器和高精度電流表監(jiān)測羅氏線圈的一次電流,使用毫伏表測量羅氏線圈的信號(hào)電壓。經(jīng)過試驗(yàn)得到表1所示的測試結(jié)果。可以看出,靈敏度與理論計(jì)算的誤差在2%左右,靈敏度的穩(wěn)定性較好。02June 2002High Voltage Apparatus Vol.38No.3表1靈敏度試驗(yàn)結(jié)果序號(hào)一次側(cè)電流/AU 測量值/mV 靈敏度S/(×10-3誤差/% 600480.70.8010.74對結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合,作出實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示,同時(shí)得到平均靈敏度為0.8×10-3,作為采控軟件重要的標(biāo)定參數(shù)之一,后文軟件介紹中將進(jìn)一步說明。3.4短路電流的分析所謂短路是指三相電力系統(tǒng)中不同相

11、之間的非正常連接。要快速成功地分?jǐn)喽搪冯娏?需要在短路初期能迅速判定短路故障發(fā)生的信號(hào);確定短路電流的第1次、第2次過零時(shí)刻。在用電流的幅值大小來判斷電路中的短路故障時(shí),需要電流大到一定程度時(shí)才可以判斷(23倍正常電流額定值。而引入電流的上升率,即d I/d t 來判斷短路電流的發(fā)生時(shí),需要電流傳感器具有很好的幅頻特性,頻帶寬,能夠反映短路電流的快速變化;電網(wǎng)中短路情況發(fā)生時(shí),d I/d t 的變化范圍。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定及模型分析,d I/d t =700為判定短路電流發(fā)生的判據(jù),利用羅氏線圈頻帶寬的特點(diǎn),可方便地給出電路中發(fā)生短路的情況。見4.2節(jié)。4模擬信號(hào)的處理由羅氏線圈檢測單元采集的電流信號(hào)

12、,不能直接送單片機(jī),必須先進(jìn)行前置處理,以下介紹所采用的幾個(gè)主要的電子電路。4.1絕對值電路絕對值電路又稱為整流電路,如圖6所示。其輸出電壓等于輸入信號(hào)電壓的絕對值,而與輸入信號(hào)電壓的極性無關(guān)。由圖6可推知,當(dāng)R 1=R 2=R 3=R 5=2R 4時(shí),U o =U i ,該電路的輸入阻抗為R 2/R 3(R 2與R 3并聯(lián),下同=R 2/2,為使其對前級(jí)電路的影響盡可能減小,取其值為10k,則R 4為10k ;平衡電阻R 6=R 1/R 2=10k,R 7=R 3/R 4/R 5,采用兩片LM318運(yùn)算放大器,其特點(diǎn)是:失調(diào)電壓小、溫漂低、噪聲小、高增益、寬頻帶、轉(zhuǎn)換速度高、建立時(shí)間快。另外

13、,在電路中還對每個(gè)運(yùn)放加了調(diào)零電位器。4.2短路故障電流快速檢測電路(簡稱快速檢測從羅氏線圈微分端引出的感應(yīng)電壓直接接到比較器上,采用輸入阻抗很大的運(yùn)放LM339。根據(jù)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)電流的上升速率整定比較器動(dòng)作的門限值。比較器的輸出跳變信號(hào)送單片機(jī)HIS.0。4.3輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)輸出環(huán)節(jié)是由HIS.1口發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)U in ,經(jīng)光電耦合為U out 送入動(dòng)作元件,通過光電耦合,切斷了輸入和輸出端電氣上的直接聯(lián)系,有效地避免了干擾的竄入;同時(shí)該電路由U 1和U 2根據(jù)動(dòng)作元件的觸發(fā)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),完成電平轉(zhuǎn)換,電路如圖7所示。另外,模擬信號(hào)的處理還包括信號(hào)的隔離,線性放大,以及濾波

14、和積分環(huán)節(jié),通過積分環(huán)節(jié),可以得到與一次電流同相的信號(hào)電壓。122002年6月高壓電器第38卷第3期 檢測信號(hào)通過硬件電路的處理,可以提高測量精度,滿足系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的連接需要, 并且緩解對單片機(jī)運(yùn)算速度的壓力,達(dá)到對系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。模擬電路工作的流程框圖如圖8所示。5采控單元介紹采控單元的核心為MCS196K C 型單片機(jī),片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器,外部程序存儲(chǔ)器EPROM 主要用于存放指令代碼和固定數(shù)據(jù),而靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 用來存放各種即時(shí)采樣數(shù)據(jù)值,以便程序進(jìn)一步處理。該芯片自帶8個(gè)A/D 通道,A/D 轉(zhuǎn)換精度為10位,轉(zhuǎn)換完成后存入相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū), 根據(jù)所測羅氏線圈的靈敏度S ,連同設(shè)定的模擬

15、通道增益倍數(shù)以及單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換參考電壓一起,可以將采樣得到的10位二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成所對應(yīng)的電流有效值。由軟件程序計(jì)算出電流的有效值,然后調(diào)用顯示子程序送數(shù)碼管顯示4。高速輸入口HIS.0檢測硬件通道跳變信號(hào),檢測電流過零點(diǎn)以及計(jì)算電流周期。利用羅氏線圈響應(yīng)速度快,無磁飽和現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn),可以快速地測量計(jì)算出電流變化的速率5,利用高速輸入口檢測硬件跳變信號(hào),為早期的短路故障提供判據(jù)。另外,由單片機(jī)軟件根據(jù)過電流的大小,計(jì)算出過流保護(hù)的反時(shí)限時(shí)間值,為開關(guān)提供分閘信號(hào)。輸出信號(hào)經(jīng)過光電耦合、電平轉(zhuǎn)換送到操作機(jī)構(gòu);由模擬通道處理后的信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換和軟件處理后送到數(shù)碼管顯示,鍵盤負(fù)責(zé)切換顯示項(xiàng)

16、以及給出各種分合閘動(dòng)作指令,具體的功能由相應(yīng)的中斷子程序完成。圖9為單片機(jī)采控部分的系統(tǒng)框圖,其中寬箭頭表示數(shù)據(jù)流,細(xì)箭頭表示模擬信號(hào)以及電平信號(hào)。6抗干擾以及提高精度措施電磁干擾因素是影響羅氏線圈在實(shí)際中應(yīng)用的主要障礙,當(dāng)空間雜波穿越線圈包圍的空間時(shí),其垂直分量引起的感應(yīng)電壓與信號(hào)電壓疊加,對后續(xù)的測量產(chǎn)生干擾,甚至引起硬件誤動(dòng)作。因此,所采用的抗干擾措施除了硬件上附加濾波環(huán)節(jié)外,還必須對羅氏線圈以及傳感器電子部分進(jìn)行電磁屏蔽。在羅氏線圈部分采用了屏蔽罩6,7,在內(nèi)壁開一條能通過磁通的窄縫,允許母線產(chǎn)生的環(huán)形磁場通過窄縫進(jìn)入屏蔽罩內(nèi)部,而高頻的干擾波由于在屏蔽罩的環(huán)流中阻抗過大被衰減掉。單片

17、機(jī)采控部分以及模擬信號(hào)處理部分都被置于鋁制箱體內(nèi),從線圈引出的信號(hào)傳輸線屏蔽層需要接地。A/D 轉(zhuǎn)換的模擬參考電壓為U ref ,輸入電壓在0U ref 范圍內(nèi)。10位A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果為8:1023×(U in -U ANG ND /(U ref -U ANG ND U ANG ND 為模擬地電壓,為了提高A/D 轉(zhuǎn)換精度,U ref由一次母線經(jīng)鐵心線圈直接耦合,并且經(jīng)濾波穩(wěn)壓后提供給單片機(jī)。對于傳感器的電流測量范圍,預(yù)置了測量檔,由單片機(jī)控制模擬開關(guān),切換不同的放大倍數(shù),然后送入單片機(jī)模擬信號(hào)輸入端。7結(jié)語對組成羅氏線圈電流傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,對于各部分的結(jié)構(gòu)和工(

18、下轉(zhuǎn)第26頁r 為線圈半徑;e (t ,e no (t 分別為鄰相不通電流、通過電流時(shí)被測相的輸出電壓。 表5外磁場影響試驗(yàn)d e (t /Ve n o (t /V/%r0.328840.328880.016.4E MC (電磁兼容試驗(yàn)依據(jù)G B/T17626.2-1998和IEC60044-8等標(biāo)準(zhǔn)要求,對ROCT -電流傳感器進(jìn)行了電磁兼容試驗(yàn),包括靜電放電抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)、快速瞬變脈沖抗擾度試驗(yàn)、浪涌(沖擊抗擾度試驗(yàn)、工頻磁場抗擾度試驗(yàn)、脈沖磁場抗擾度試驗(yàn)、阻尼振蕩磁場抗擾度試驗(yàn)、振蕩波抗擾度試驗(yàn)、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓漸變抗擾度試驗(yàn)9項(xiàng)內(nèi)容,全部通過。7結(jié)論空心線

19、圈電流傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍寬、體積小、重量輕、造價(jià)低廉等一系列優(yōu)點(diǎn),在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景,可用于變壓器、GIS 、斷路器、PASS 開關(guān)中的電流測量,也可獨(dú)立制成有源光電電流傳感器,它的研究和推廣具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。參考文獻(xiàn):1揭秉信.大電流測量M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.2陳本孝.對交流大電流測量裝置中慣性環(huán)節(jié)的誤差分析J .華中工學(xué)院學(xué)報(bào),1980,8(4:129-136.作者簡介:郭曉華(1977-,女,博士生,現(xiàn)從事電子式電流傳感器研究,電話:027-*。(上接第18頁6結(jié)論通信是SC ADA 系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),也是影響SC ADA 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性最顯著的環(huán)節(jié)。下位機(jī)和通信機(jī)之間,通信方式的選擇要考慮的因素較多,因此,可從軟件設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面來提高實(shí)時(shí)性;在通信機(jī)和工作站之間,TCP 和UDP 的合理選擇、直接通信和數(shù)據(jù)庫中轉(zhuǎn)方式的有效結(jié)合以及通信規(guī)約的合理設(shè)計(jì),都將在很大程度上提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。參考文獻(xiàn):1提兆旭,陳赤配.電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)調(diào)度自動(dòng)化M.上海:上海交通大學(xué)出版社,1995.2盛壽麟.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)原理M.北京:水利電力出版社,1992.3M odicon Inc.M odicon M odbus Protocol Reference G uideS.1996.4Anthony