羅氏線圈電子式電流互感器的設(shè)計(jì)

司小平，樂麗琴，趙國(guó)生

（黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450063）

隨著電力生產(chǎn)、電力傳輸容量增加以及運(yùn)行電壓等級(jí)不斷提高，傳統(tǒng)的電磁式電流、電壓互感器暴露出諸如，難達(dá)到絕緣要求、磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶窄、易燃、易爆炸等一系列缺點(diǎn)，難以滿足電力系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的需要?；诠鈱W(xué)和電子學(xué)原理的電子式電壓/電流互感 器 （Electronic Voltage/Current Transformer， 分別簡(jiǎn) 稱 為EVT和ECT）以其抗電磁干擾性能好、消除了磁飽和與鐵磁諧振、測(cè)量準(zhǔn)確度高、頻率響應(yīng)范圍寬、造價(jià)低、多功能、智能化等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種很有發(fā)展前途的超高壓條件下電壓、電流的測(cè)量設(shè)備[1-2]。而Rogowski線圈是電子式電流互感器的重要組成部分，它的設(shè)計(jì)是互感器精確測(cè)量的基礎(chǔ)[3]。文中介紹了一種基于羅氏（Rogowski）線圈的電子式電流互感器的研制。

1 羅氏線圈測(cè)量原理

對(duì)于均勻密繞的矩形截面（形狀如圖2（a）所示）螺線環(huán)形螺線管羅氏線圈（匝數(shù)為N），其輸出為（理想情況下）

即輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比與一次電流的微分 （為了得到與一次電流成正比的輸出，后面需接RC有源積分器，如圖1（c））[4]。但實(shí)際上由于羅氏線圈繞制不可能達(dá)到理想的均勻度，其輸出與理想值會(huì)有一定的偏差。當(dāng)羅氏線圈的兩個(gè)出線端的距離很小時(shí)，一次電流產(chǎn)生的交變電場(chǎng)不會(huì)在羅氏線圈的輸出端產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。

2 羅氏線圈的計(jì)量誤差

2.1 繞制工藝誤差

A:羅氏線圈繞線非均勻：匝間留有調(diào)節(jié)間隙或繞線稀疏不均勻，會(huì)造成磁密并不完全垂直于每匝線圈截面而造成測(cè)量誤差。

B:羅氏線圈非整層繞制，使得外部干擾對(duì)羅氏線圈輸出影響較大，從而影響計(jì)量誤差。

目前的環(huán)形繞線機(jī)的繞制工藝要把羅氏線圈的計(jì)量誤差限制在0.5%以內(nèi)是非常困難的。

圖1 無限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)和穿過矩形截面磁通Fig.1 The magnetic field generate by infinite long straight current-carrying wires and magnetic flux through the rectangular cross section

2.2 計(jì)算誤差

A:骨架材料的磁導(dǎo)率并非μ0造成的計(jì)算誤差，在羅氏線圈的輸出公式中骨架材料的磁導(dǎo)率按μ0計(jì)算，而實(shí)際的骨架材料的磁導(dǎo)率在1.0μ0~1.1μ0之間波動(dòng)，從而引起計(jì)算值與實(shí)際值之間的誤差。

B:羅氏線圈輸出計(jì)算公式并未考慮各種變形誤差，而在繞制過程中，骨架上面墊的絕緣膠帶與繞線機(jī)繞線時(shí)對(duì)線的拉力的大小不同會(huì)產(chǎn)生不同的變形，同時(shí)內(nèi)層漆包線也會(huì)在外層繞制時(shí)產(chǎn)生微小變形，而造成計(jì)算值與實(shí)際值的微小誤差。

2.3 澆鑄誤差

羅氏線圈繞線完畢后，外面還需要用皺紋紙及半導(dǎo)體紙進(jìn)行包繞，然后在130°C下用環(huán)氧樹脂澆鑄，澆鑄過程中的高溫及壓力會(huì)造成漆包線變軟，甚至環(huán)氧樹脂借助壓力作用滲入繞線內(nèi)空隙中，從而產(chǎn)生澆鑄誤差，澆鑄誤差一般在0.2~2%左右。

2.4 一次導(dǎo)線位置誤差

一次導(dǎo)線的不同放置位置（位于中心或偏心）會(huì)造成測(cè)量誤差，該誤差是由羅氏線圈的繞線不均勻造成的，誤差大小取決于一次導(dǎo)線的偏心度及繞線的均勻程度。

2.5 外部一次導(dǎo)線電流的磁場(chǎng)耦合干擾誤差

由于電力線為三相，其它兩相距離羅氏線圈測(cè)量相很近，其一次大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)造成測(cè)量相的輸出產(chǎn)生誤差，該誤差由羅氏線圈的繞制工藝誤差產(chǎn)生（繞線非均勻或非整層繞制）。

2.6 其它誤差

羅氏線圈的使用溫度條件及外部高頻電磁場(chǎng)干擾也會(huì)造成羅氏線圈的輸出產(chǎn)生誤差。

3 減小羅氏線圈計(jì)量誤差的方法

3.1 提高羅氏線圈的繞制工藝水平

選用熟練的使用環(huán)形繞線機(jī)的技術(shù)工人，羅氏線圈繞制時(shí)采用整層密繞方式（不留調(diào)節(jié)間隙），通過大量的繞制比較及實(shí)測(cè)誤差比較，通過匝數(shù)調(diào)整的方法，可以將羅氏線圈的繞制誤差與計(jì)算誤差降低至最小。

3.2 減小澆鑄誤差

羅氏線圈繞成后，外層用半導(dǎo)體紙用力緊繞一層后，再用皺紋紙及白布帶用力密繞，增加繞制時(shí)的用力，將漆包線間的空隙充實(shí)，同時(shí)皺紋紙及白布帶可起到有效地阻止?jié)茶T時(shí)環(huán)氧樹脂顆粒進(jìn)入的作用。

3.3 減小羅氏線圈過孔孔徑或在過孔中澆鑄一次銅排

減小羅氏線圈過孔孔徑可以有效地減小一次導(dǎo)線或銅排的偏心誤差，從而減小綜合誤差。

3.4 減小羅氏線圈骨架外環(huán)直徑

3.5 羅氏線圈的引出線采用屏蔽雙絞線或有線電視傳輸線

羅氏線圈的引出線采用屏蔽雙絞線，屏蔽雙絞線的屏蔽層（銅）可以有效的阻止外部高頻電磁場(chǎng)的干擾（利用渦流效應(yīng)進(jìn)行屏蔽），雙絞線可以減小傳輸中的電容效應(yīng)，由于雙絞線所形成的環(huán)的面積很小，耦合工頻磁場(chǎng)在環(huán)內(nèi)形成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，且各個(gè)環(huán)之間的產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以互相抵消，因此，可以把外部干擾減小到最小。

4 羅氏線圈制作

骨架材料：采用大理石、纖維、尼龍66、環(huán)氧樹脂、陶瓷等骨架材料，一般為環(huán)形骨架（如圖2（b）所示）。繞線：可采用線徑為0.17、0.2、0.3毫米等多種線規(guī)導(dǎo)線，這需根據(jù)骨架尺寸及輸出電壓要求及密繞要求來選擇[5]。繞制方法：采用環(huán)形繞線機(jī)均為密繞，不留調(diào)節(jié)間隙。注意：這是影響羅氏線圈精度的主要因素。半導(dǎo)體屏蔽層：羅氏線圈外層用半導(dǎo)體紙進(jìn)行包括，以保持電場(chǎng)均勻，防止高壓時(shí)羅氏線圈內(nèi)部出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。注意：半導(dǎo)體屏蔽層需外接屏蔽接地線。環(huán)氧樹脂澆鑄層：半導(dǎo)體屏蔽層外可用皺紋紙與布密繞，以防止?jié)茶T時(shí)環(huán)氧樹脂滲入導(dǎo)線間隙內(nèi)，也可直接在半導(dǎo)體層外用環(huán)氧樹脂澆鑄。環(huán)氧樹脂澆鑄溫度在130度左右，澆鑄厚度在8～12 mm之間，真空澆鑄。帯傘裙的支撐架：考慮到電子互感器對(duì)爬電距離的要求，羅氏線圈環(huán)外需用帯傘裙的支撐架支撐，以保證一次導(dǎo)線與二次出線距離大于270 mm。

圖2 羅氏線圈的繞制Fig.2 Winding of Rogowski coil

5 采用羅氏線圈的電子式電流互感器設(shè)計(jì)

5.1 電子式電流互感器

由模擬積分器構(gòu)成得電流互感器和采用DSP芯片的數(shù)字輸出電子式電流互感器如圖3、4所示。

圖4 采用DSP芯片的數(shù)字輸出電子式電流互感器Fig.4 Electronic current transducer Using DSP chip with digital output

5.2 羅氏線圈與電子式互感器的電子部分組合方式

對(duì)于35 kV電壓等級(jí)以下的電子式電流互感器，其組合方式有以下幾種：

1）模擬式積分器與羅氏線圈傳感頭一體化構(gòu)成電子式電流互感器。

2）模擬式積分器與羅氏線圈傳感頭分開構(gòu)成電子式電流互感器，中間采用屏蔽雙絞線或有線電視電纜連接（適用于開關(guān)柜）。

3）羅氏線圈傳感頭與數(shù)字式DSP電路分開，中間采用屏蔽雙絞線或有線電視電纜連接（也適用于開關(guān)柜）。

對(duì)于110 kV電壓等級(jí)以下的電子式電流互感器，其組合方式為：羅氏線圈傳感頭與DSP數(shù)字化部分一體化構(gòu)成電子電流互感器，通過通信光纖以數(shù)字方式向合并器傳送電流信號(hào)，電子式互感器采用光纖激光供能[6]。

6 電子互感器測(cè)試項(xiàng)目與測(cè)試結(jié)果

1）絕緣耐壓：二次短路接大地，在一次與二次間施加高電壓（對(duì)于10 kV電子CT，施加電壓為42 kV，持續(xù)時(shí)間為1分鐘），觀察內(nèi)外絕緣是否擊穿。對(duì)于環(huán)氧樹脂真空澆鑄，絕緣厚度在8～13 mm即能滿足要求。

2）局部放電測(cè)試：二次短路接大地，在一次與二次間施加高電壓，電壓達(dá)到42 kV的80%時(shí)保持1分鐘，再降到14.14 kV（對(duì)于10 kV電子CT）并保持1分鐘，觀察二次繞組內(nèi)部及環(huán)氧樹脂澆鑄體內(nèi)有無局部放電現(xiàn)象。

3）爬電距離：指一次出頭與二次出頭間的距離，對(duì)于10 kV電子CT，其爬電距離大于270 mm即可（可以用尺子量）。

4）動(dòng)穩(wěn)定測(cè)試：在一次短路情況下，一次短路電流為額定電流的2.55*75倍時(shí)（峰值），一次線間的短路力不能使一次繞組有明顯的變形及折斷現(xiàn)象，短路電流持續(xù)時(shí)間為1秒（武漢高壓所取一個(gè)波峰，80KVA進(jìn)行測(cè)試）。

5）熱穩(wěn)定測(cè)試：在一次短路情況下，一次短路電流為額定電流的75倍時(shí)，一次繞組的發(fā)熱不能使互感器局部出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。短路電流持續(xù)時(shí)間根據(jù)要求為1～4 s（武漢高壓所取 3 s，31.5 kVA 進(jìn)行測(cè)試）。

6）誤差特性測(cè)試：由精度要求來決定。

7）雷電沖擊測(cè)試：施加75 kV（對(duì)于10 kV電子 CT）的雷電電壓（波頭為 1.2 μs，波尾為 50 μs），觀察互感器[7-8]絕緣是否損壞。

測(cè)試設(shè)備及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。其中1、2、3與6為廠家出廠必作測(cè)試，其它為型式測(cè)試項(xiàng)目。其它傳統(tǒng)互感器測(cè)試項(xiàng)目：1）PT二次短路測(cè)試2）CT伏安特性測(cè)試，對(duì)于電子互感器不需要。

測(cè)試結(jié)果：所研制電子式電流互感器測(cè)量精度為0.5級(jí)，個(gè)別參數(shù)達(dá)到0.2級(jí)。

圖5 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 The test equipment and test site

7 結(jié) 論

Rogowski線圈的設(shè)計(jì)師電子式電流互感器測(cè)量精度的關(guān)鍵，本文在考慮引起羅氏線圈計(jì)量誤差的各種原因的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用多種減小羅氏線圈計(jì)量誤差的方法，繞制了一種羅氏線圈。并利用該線圈設(shè)計(jì)出一種電子式電流互感器，經(jīng)測(cè)試，其測(cè)量精度和性能穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)的電流互感器，有著很好的應(yīng)用前景。

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