一種新型平面型空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)

一種新型平面型空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)

0變電站電磁式電流傳感技術(shù)研究由于電磁式電流傳感器存在鐵心，在大電流的測(cè)量中容易產(chǎn)生磁界，二次輸出的信號(hào)波形畸變，無法正確測(cè)量大電流。電子式電流互感器(electroniccurrenttransformer,ECT)已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn),逐漸將取代電磁式電流互感器,這將對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)生全面而深遠(yuǎn)的影響。ECT分為兩類:無源型ECT和有源型ECT。比較而言,有源型ECT的傳感頭采用空心線圈取樣,高壓側(cè)采用有源電子電路,其性能較穩(wěn)定,便于工業(yè)化生產(chǎn),是目前研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。根據(jù)電磁理論分析,提出了一種新型結(jié)構(gòu)的空心線圈——基于PCB的平面型空心線圈電流互感器,其一次導(dǎo)體與二次線圈基本處于同一平面,電磁耦合更強(qiáng)烈,其結(jié)構(gòu)、工作原理以及抗電磁干擾機(jī)理與目前的空心線圈(羅氏線圈)有所不同,文中擬定對(duì)PCB平面型空心線圈電流互感器的結(jié)構(gòu)、原理作詳細(xì)分析,合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。1扁平空心曲線的電流傳感器的結(jié)構(gòu)和原理1.1次傳感圈的形成在單層或多層印制板上均勻密布環(huán)狀印刷線路,構(gòu)建電路板式線圈,如圖1所示。每層PCB上設(shè)有4個(gè)相同的平面螺旋線圈,圍繞同一中心均勻?qū)ΨQ分布,每層相鄰的螺旋線圈順次串聯(lián),層與層之間的螺旋線圈通過過孔順次串聯(lián),首末兩個(gè)端頭作為輸出端,構(gòu)成二次傳感線圈,如圖1(a)、圖1(b)所示;一次導(dǎo)體緊貼或鑲嵌在印制板上,圍繞每層半數(shù)彼此不相鄰的螺旋線圈構(gòu)成環(huán)路,如圖1(c)所示。從原理上講,它可設(shè)計(jì)成單層板或多層板,為清晰起見,圖1僅僅示意了兩層板。1.2直導(dǎo)電與螺旋圈的距離參見圖1(c),二次線圈與被測(cè)電流一次導(dǎo)體之間存在鉸鏈磁鏈,只要被測(cè)電流i(t)發(fā)生變化,即所鉸鏈的磁鏈變化,則每個(gè)螺旋線圈中就會(huì)產(chǎn)生與被測(cè)電流變化率有關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),且電動(dòng)勢(shì)方向均相同,順次串聯(lián)而相互疊加,輸出一個(gè)正比于被測(cè)電流變化率的電壓信號(hào)e(t).下面分二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e(t)與被測(cè)電流i(t)間的關(guān)系式。由文獻(xiàn)可知,圖1(d)中單個(gè)螺旋線圈與一次導(dǎo)體間的互感為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的物理意義如圖1(d)中所示;n為單個(gè)螺旋線圈的匝數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)率。令M(d)和S(d)分別為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)見圖1(c),每個(gè)螺旋線圈近似正方形,邊長為a;兩印制線間隔為c;一次導(dǎo)體可分割成8段直導(dǎo)體的串接,每段直導(dǎo)體與螺旋線圈的距離有4種情況:d1、d2、d3、d4。設(shè)印制板層數(shù)為N,忽略一次導(dǎo)體與傳感線圈的垂直距離(近似處于同一平面),可得PCB平面型空心線圈的互感系數(shù)為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,將d1、d2、d3、d4分別代入式(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分別為Si=S(d1)+S(d2)+S(d3)-S(d4)(5)S0=∑i=1nSi(6)S0=∑i=1nSi(6)S0可以看作單層印刷線路所包圍的有效面積,則M=2Nμ0π∑i=1nSi=2Nμ0πS0(7)Μ=2Νμ0π∑i=1nSi=2Νμ0πS0(7)由電磁感應(yīng)定律,可得e(t)的表達(dá)式為(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,互感系數(shù)M取決于以下因素:印制線圈的結(jié)構(gòu)、尺寸、匝數(shù)以及與一次導(dǎo)體的位置關(guān)系(它決定有效面積S0);印制板的層數(shù)N.一旦這兩個(gè)因素確定了,互感系數(shù)M即為一常數(shù)。1.3周邊或鄰相電流干擾實(shí)際應(yīng)用中,互感器所處的環(huán)境中不僅有遠(yuǎn)端磁場(chǎng)的干擾,還有附近或鄰相電流帶來的磁場(chǎng)干擾。以PCB平面型空心線圈的一層傳感線圈為例,分析其抗外磁場(chǎng)干擾的機(jī)理,如圖2所示,i1、i2、i3為附近干擾電流,與印制板處于同一平面。1.3.1螺旋線圈中各環(huán)節(jié)段,互串聯(lián)而相互u遠(yuǎn)端干擾磁場(chǎng)穿過線圈時(shí),螺旋線圈A、D感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小相等、方向相反,串聯(lián)而相互抵消,同樣螺旋線圈B、C感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也相互抵消,見圖2。同理,其它層相鄰的螺旋線圈因遠(yuǎn)端磁場(chǎng)感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)均相互抵消。因而,PCB平面型空心線圈基本不受遠(yuǎn)端磁場(chǎng)干擾的影響。1.3.2空心圈的影響見圖2,干擾電流i1產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)通過螺旋線圈A、D時(shí),兩螺旋線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小相等,方向相反,串聯(lián)而相互抵消,線圈B、C感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也相互抵消;同理,空心線圈不受i2的影響。i3產(chǎn)生一個(gè)線性梯度磁場(chǎng),線圈B、D感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)方向相同,通過其他層的線圈而串聯(lián),設(shè)疊加后的電動(dòng)勢(shì)為e1,線圈A、C感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)方向相同,設(shè)疊加后的電動(dòng)勢(shì)為e2,可以看出:e1與e2方向相反,大小近似相等,串聯(lián)而相互抵消。同時(shí),垂直印制板的干擾電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與傳感線圈的每一匝平行,則無影響。因此,PCB平面型空心線圈基本也不受附近電流的影響。以上分析說明:PCB平面型空心線圈基本不受外磁場(chǎng)干擾的影響。1.4慣性環(huán)節(jié)積分器根據(jù)1.2節(jié)的分析可知,PCB平面型空心線圈輸出的是一個(gè)微分信號(hào),對(duì)其積分可以還原出被測(cè)電流。積分器的積分信號(hào)精確才能保證后面數(shù)字變換的正確及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度,因此,積分處理電路是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。由于運(yùn)算放大器存在著失調(diào)電壓、失調(diào)電流、偏置電流以及溫度漂移等問題,經(jīng)積分電容的不斷積累,出現(xiàn)所謂“積分漂移”的現(xiàn)象,給測(cè)量造成很大的誤差。為解決此問題,在選擇元器件時(shí),盡可能選用輸入失調(diào)電壓小的高性能運(yùn)放,采用慣性環(huán)節(jié)積分器,即在積分電容兩端并聯(lián)大阻值的反饋電阻Rf,如圖3所示。由于Rf的存在,為慢變化的漂移電壓提供了一個(gè)反饋通道,較好的抑制了漂移。同時(shí),Rf的引入也可以起到保護(hù)積分器的作用。此外,應(yīng)用在要求更高的場(chǎng)合,可采用數(shù)字積分技術(shù)取代模擬積分器,能大大減小溫度變化對(duì)積分器的影響,提高互感器的穩(wěn)定性。2空心線圈測(cè)試實(shí)驗(yàn)根據(jù)1.1節(jié)的分析制作了兩層板的PCB平面型空心線圈模型,見圖4。圖中一次導(dǎo)體印制在PCB上,一般用于額定電流較小(≤10A)的測(cè)量,若測(cè)量較大電流可另設(shè)一次導(dǎo)體緊貼PCB上。由于實(shí)驗(yàn)需要,為提高互感器的抗干擾性和互感系數(shù),將PCB平面型空心線圈制作成多層板的PCB線圈,并集成積分放大電路,如圖5所示,8層板的PCB平面型空心線圈電流互感器,上下2層均覆銅通過過孔連接接地,作為電磁屏蔽罩,中間6層印制2次傳感線圈。每相的線圈參數(shù)如下:線圈層數(shù)N=6;單個(gè)小螺旋線圈匝數(shù)n=13,邊長a=396mil(1mil=0.0254mm),印制線間隔c=12mil;一次導(dǎo)體與二次線圈的間隔d1=60mil,d2=42mil,d3=18mil,d4=516mil.運(yùn)用上述計(jì)算公式可求得其互感M為1.6409×10-5H,實(shí)際測(cè)得互感為1.65×10-5H,實(shí)際結(jié)論和理論分析非常接近,這為精確設(shè)計(jì)提供了可能?？招木€圈無磁飽和問題,對(duì)于大電流測(cè)量具有很大的優(yōu)勢(shì),難點(diǎn)在于小電流的測(cè)量。文中對(duì)額定電流為100A的小電流作了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果見表1,可滿足0.2級(jí)的要求。外磁場(chǎng)干擾實(shí)驗(yàn):將通以額定電流的干擾導(dǎo)線置于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透浇?相距為0時(shí),比差變化0.15%以內(nèi);當(dāng)距離大于10cm時(shí),比差變化幾乎為0;實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜嗤瑫r(shí)通入測(cè)量電流,感應(yīng)電壓不變,相互間基本無影響。因此,PCB平面型空心線圈對(duì)外磁場(chǎng)干擾有較好的抵御效果。此外,利用數(shù)字示波器進(jìn)行了波形顯示,由圖6可知,輸出電壓u(t)與被測(cè)電流i成線性比例關(guān)系。3次電流測(cè)量,適合電力系統(tǒng)一次測(cè)量的測(cè)量和制作犯罪聚合物小(1)提出了一種基于PCB的平面型空心線圈電流互感器,由于空心線圈無鐵