罗氏线圈研制工作报告.docx
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罗氏线圈研制工作报告
PCB罗氏线圈研制工作报告
一、概述
随着电力系统的发展,电力系统传输的容量不断增加,电网运行电压等级不断提高,目前我国电网已将原来的220Kv的骨干电网提高到了500Kv,随着电压等级的提高,电磁式互感器逐渐暴露出一系列的缺点。
绝缘结构更加复杂、制造成本急剧增加;本身固有的磁饱和、动态范围小、通频带窄、剩磁对暂态误差影响较大等缺点,难以满足电力系统智能化、网络化和数字化发展需要。
随着微电子技术、微机技术和光纤技术的发展,基于这些技术的新型互感器成了互感器领域中发展的重要方向。
Rogowski线圈是一种比较成熟的测量元件,广泛应用于脉冲大电流或直流大电流(后者需要借助特殊的试验方法)测量,但它的测量输出信号比较微弱,无法驱动传统的计量和继电保护装置,在电力系统现场的计量和保护的应用中受到限制,随着数字技术和微型计算机技术的迅速发展和广泛应用,电力系统逐步向自动化、数字化的方向发展,现代测量装置和微机保护设备不再需要大功率驱动,Rogowski线圈应用于电力系统的设想引起了人们的广泛关注,并有望与光纤技术、数字信号处理技术相结合,制造出用于电力系统计量和保护的电流互感器和电压互感器,适应电力系统在线测量、数字化保护、控制、故障诊断以及光纤化的发展。
与其他的交流电流测量方式相比,Rogowski线圈具有自身显著的优点。
它不含铁心、频带宽、线性度好、测量范围大、造价低、体积小、重量轻等优点,并且没有饱和与磁滞现象。
Rogowski线圈最初用于测量暂态电流;由于没有铁芯,它在测量大幅值短路电流时,不会像带铁芯的电流互感器那样产生磁饱和,使输出波形畸变;用它测量暂态电流时,线圈和被测回路之间没有直接的电的联系,对被测回路影响小,也不会消耗被测回路的能量。
随着微机技术的普及应用,在继电器保护和测量中,设备不需高功率输出地电流互感器。
因此,低功率输出、测量线性度好、测量频带宽的Rogowski线圈不仅被广泛应用在暂态电流的测量,而且越来越多的应用于电力系统中的电流测量,供测量和保护之用。
在很多特定场合取代传统电流互感器。
为此,IEC制定了IEC60044—8《ElectronicCurrentTransformer》,以规范电子式互感器的发展。
Rogowski线圈就是IEC60044—8规定的电子式互感器的一种。
与传统的电流互感器相比,Rogowski线圈有以下优点:
1、测量准确度高,设计准确度科大0.1%;
2、测量范围宽,由于没有铁芯饱和,同一绕组可测量范围从几安到几千安;
3、频率范围宽,一般为0.1到1MHz,特殊的可设计到200MHz;
4、可测量其他技术不能使用的受限制领域,而且二次侧开路无危险
5、生产制造成本低、体积小、重量轻。
传统的Rogowski线圈在制造时,二次线圈是半手工绕制,线圈密度很难做到恒定,使得测量准确度不高,难以满足计量和批量生产的要求。
传统的Rogowski线圈制造方法必须改进才能满足计量和保护的双重要求。
研制了一种基于印制线路板的Rogowski线圈的新结构,为了增大互感系数,二次线圈采用了主副印制板结构,可实现完全的生产自动化。
二、传统Rogowski线圈
传统Rogowski线圈工作原理如图1所示。
Rogowski线圈是空心线圈,它是在非磁性材料骨架上均匀绕制多匝小线圈,测量电流时将其环绕在待测载流导体周围,首尾紧密吻合。
理想条件下,线圈沿环形骨架绕制非常均匀,同时小线圈所包含的的面积非常细小而又均匀。
由全电流定律和电磁感应定律可得到Rogowski线圈感应电压e(t)为:
式中
为磁链;M为Rogowski线圈互感系数;
为一次侧电流;
为真空导磁率;N为线圈匝数;h为线圈骨架高度;Ra为骨架外径;Ri为骨架内径。
测量回路的等效电路如图2所示:
Rogowski线圈的自感L为:
Rc一般为几十千欧,Ro只有几十欧,所以
很小,Uout与e(t)非常接近。
通过积分器可以将e(t)的波形还原成i(t)的波形,M为常数,通过运算九可以得到i(t)的准确值。
三、印制板Rogowski线圈的原理
Rogowski线圈的作为电流互感器具有非常突出的优点,但从分析中可以看出,Rogowski线圈电流互感器的测量准确度取决于一个稳定的互感系数M。
为了获得高精度的Rogowski线圈,制作室必须遵循以下远侧:
线圈密度恒定;骨架截面积恒定;线圈截面积与中心线垂直;否则将引入较大的测量误差,这对绕制工艺提出了严格要求。
一般Rogowski线圈的设计精度可达到0.1%,实际应用时通常为1%到3%,主要原因是手工绕制的Rogowski线圈准确度不高,批量生产时分散性较大,阻碍了产业化发展。
印制线路板Rogowski线圈的出现很好的解决了这些问题,用印制线路板设计的Rogowski线圈从制造原理上来说,可以做的非常精确,因为其线圈的绕制完全用机械完成,定位精确,关键步骤无人工操作(处某些焊点外),所以特别适合准确标定和批量生产。
所研制的Rogowski线圈示意图如图3所示:
基于印制线路板的Rogowski线圈实际是让绕线均匀。
主印制板的作用是给副印制板提串联供回路和固定作用,主印制板采用双层板,一面为副印制板的线圈串联起来,另一面沿串联回路反响布线构成回线,这样可以完全抵消垂直于主板的磁力线对。
Rogowski线圈产生的干扰。
副印制板的作用是感应导体电流产生的磁场变化所引起的电动势,其精确与否直接影响Rogowski线圈的性能。
为了感应足够的电动势,副印制板采用八层印制线路板布置螺旋线,等价于增加匝数。
如图4所示:
为了有效抵御平行于主板平面的磁力线干扰,副印制板均匀布置在主板上,并保证与主板垂直,并根据被测电流的大小设计副印制板数量。
实物照片如下图所示:
主印制板和副印制板分开设计,安装时将副印制板插在主印制板插孔中焊接串联起来,为保证焊接时主印制板和副印制板垂直与固定,采用上下两块主板中间夹副印制板设计。
四、印制线路板的Rogowski线圈的分析
与传统的Rogowski线圈相比。
印制线路板的Rogowski线圈的基本原理相同,但也有着不同的特点,主要体现在互感系数和自感系数计算不同。
1、实验结果
对一次电流为600A的印制线路板的Rogowski线圈的各项指标进行了测试,其互感系数为2×10-6H,自感系数为9×10-4H,带宽为1Hz到5MHz。
实验表明,其误差能够满足0.2级的准确度要求,让导线从外部穿过,以测量其抵御外磁场干扰能力,导线上通过额定电流,线圈基本无感应电势,因此,基于这种工艺的印制线路板的Rogowski线圈对外磁场有较好的抵御效果。
此外,改变环境温度,保持额定电流,感应电势的变化保持在0.1%范围内。
2、印制线路板的Rogowski线圈的互感系数
互感系数M实际上是每个福印制线路板Ms之和,副印制线路板数量为N,副印制线路板的螺旋线可以看作是多匝线圈的串联,设每块副印制线路板上共有n圈,其绕线位置分布及a、b、c、d的物理意义如图4所示,计算可得出准确的Ms值:
N=NMs
对设计的主、副印制线路板的螺旋线圈计算后得M=1.992×10-6H,对其测试,其实际互感系数M=2×10-6H,实际结论与理论分析及其接近,这为精确射击提供了可能。
3、印制线路板的Rogowski线圈的自感系数
自感系数L实际上是每个副印制线路板Ls之和,每块副印制线路板对应一定的自感系数Lz(不考虑其他副印制线路板的影响)K为耦合系数,副印制线路板的间距较大,他们之间的耦合不应该是直接叠加,从实验结果看K值一般不小于N。
只要对副印制线路板的自感系数进行测定,就可大概估算出整个Rogowski线圈的自感系数:
L=NLs=NKLz
4、结论分析
从上述求解中不难发现,与传统的的Rogowski线圈相比,印制线路板的Rogowski线圈运用了分散均匀的方法,在一个平面布置多匝线圈,更容易准确的求出互感系数M,改善了传统Rogowski线圈的加工工艺问题,人工因数减少,离散性大大减小,从而有利于精确批量自动化生产。
如果采用几个印制线路板的Rogowski线圈串联组合使用,就可在调整互感系数大小的同时,减少自感系数,有利于带宽的提高。
五、积分器的设计
由于Rogowski线圈二次输出是对一次电流的微分信号,要恢复与一次电流等比例的信号就必须加入积分环节。
Rogowski线圈有两种工作方式,即自积分和外积分两种。
在电力系统中暂态电流构成中,适合选用外积分电路。
比较典型的外积分电路一般采用有源积分器。
为保证暂态特性采用了T型积分器。
如图5所示
等效电路的传递函数为:
式中:
六、试验数据和实验报告:
研制的RCS050--200A/4V暂态特性电子式电流互感器委托国家·开普实验室进行了安全检验和动模检验,测试数据如下:
1、安全检验:
检验依据:
检验方法:
国际标准GB/T7261—2008继电器和安全自动装置基本试验方法。
技术要求:
企业标准Q/ZYX001—2012暂态特性电子式电流互感器通用技术条件。
序号
检验项目及检验要求
测量或观察结果
判定
1
比值误差限制检验
输入范围
误差(%)
10%Ie
1.5
20%Ie
0.75
100%Ie—40Ie
0.5
注:
Ie=5A
输入电流(A)
理论输出值
实测输出值
误差(%)
0.5
10mv
10.013mv
0.13
1
20mv
19.999mv
-0.01
5
100mv
100.06mv
0.06
6
120mv
120.02mv
0.02
10
200mv
200.08mv
0.04
25
500mv
500.06mv
0.01
50
1000mv
1000.04mv
0.00
100
2V
1.999V
-0.05
150
3V
2.996V
-0.13
200
4V
4.005V
0.12
合格
2
相位差限值检验
输入范围
误差(′)
20%Ie
45
40Ie~100%Ie
30
注:
Ie=5A
输入电流(A)
相位差(′)
1
-14.4
2
-7.8
3
8.4
4.0
6.0
5
7.8
合格
检验项目汇总表:
序号
检验项目
判定结果
1
比值差限值检验
合格
2
相位差限值检验
合格
2、动模试验项目及结果
检验依据:
国际标准GB/T7261—2008继电器和安全自动装置基本试验方法。
企业标准Q/ZYX001—2012暂态特性电子式电流互感器通用技术条件。
2、1非周期分量的衰减时间常数
模拟短路故障,短路电流的基波分量为5倍额定电流值,控制合闸角使短路电流的非周期分量达到最大,非周期分量衰减时间常数设定为100ms。
互感器二次输出波形的非周期分量衰减时间常数的测量误差小于5%。
第5周期测量值为49.871A,稳态测量值为35.624A,时间常数为98.2ms,测量误差为-1.8%。
被测装置衰减时间常数能力满足要求,录波见附图1。
2、2暂态大电流峰值顺势误差
模拟短路故障,在规定的工作循环:
C-t-0-tfr-C-t-0(每次短路持续时间为t=0.04ms,两次短路间隔时间tfr=1s),控制合闸角,使短路电流的非周期分量达到最大;上述实验两次,实验时短路电流的基波分量为额定电流的10倍和20倍,非周期分量衰减时间常数设定为100ms。
要求装置记录的电流波形不失真,互感器二次输出波形的第一峰值、第二峰值误差应小于10%。
被测装置的大短路电流能力满足要求,实验数据记录如下:
2、2、1短路电流工频有效值为10倍额定电流
施加值(A)
测量值(A)
误差(%)
首次故障第1周波峰值
136.162
135.269
-0.656
首次故障第2周波峰值
124.449
123.348
-0.885
二次故障第1周波峰值
139.174
133.918
-1.657
二次故障第2周波峰值
124.462
121.748
-2.181
录波见附图2
2、2、2短路电流工频有效值为20倍额定电流
施加值(A)
测量值(A)
误差(%)
首次故障第1周波峰值
271.603
270.664
-0.346
首次故障第2周波峰值
248.498
246.534
-0.790
二次故障第1周波峰值
271.603
266.787
-1.773
二次故障第2周波峰值
248.482
242.954
-2.225
录波图见附图3
3录波通道说明:
模拟量通道
通道名称
通道说明
A9
施加电流
A29
测量电流
- 配套讲稿:
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