基于PCB的空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)

薛 晶，張 蕊

（西安電力高等?？茖W(xué)校，陜西 西安 710032）

基于PCB的空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)

薛 晶，張 蕊

（西安電力高等專科學(xué)校，陜西 西安 710032）

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站信息通訊等的連通性、集成性，大量的傳統(tǒng)電磁式電流互感器被電子式電流互感器所取代，然而大量電子器件、光學(xué)器件長(zhǎng)期暴露在復(fù)雜惡劣的外界環(huán)境之中，電子式電流互感器故障率大幅提升。文章對(duì)電流互感器在線校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，分析了電流互感器在線校準(zhǔn)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PCB空心線圈的電流互感器，采用多組錯(cuò)開(kāi)角度串聯(lián)方式、雙通道在線校準(zhǔn)方法，測(cè)量誤差小、精度高。

電流互感器；PCB空心線圈；在線校準(zhǔn)

傳統(tǒng)電磁式電流互感器曾經(jīng)在我國(guó)電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，近年來(lái)，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)運(yùn)行電壓等級(jí)越來(lái)越高，電力系統(tǒng)傳輸容量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器逐漸被電子式電流互感器所取代。由于部分電子元器件和光學(xué)器件不得不長(zhǎng)期處于變電站這類復(fù)雜又惡劣的戶外環(huán)境之中，電子式電流互感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和測(cè)量可靠性受到較大威脅[1]。就故障率來(lái)說(shuō)，新型的電子式電流互感器要遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)電磁式電流互感器。

1 電流互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀

電流互感器的準(zhǔn)確度是電力系統(tǒng)計(jì)量、保護(hù)、檢測(cè)的重要保證[2]。常規(guī)的檢測(cè)方法是將運(yùn)行中的電流互感器進(jìn)行離線處理后，再對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)。實(shí)際情況是，有些重要的在線運(yùn)行的電流互感器根本無(wú)法停電，因此，在線路不停電的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)電流互感器準(zhǔn)確度的在線校準(zhǔn)顯得尤為重要。

電流互感器在線校準(zhǔn)目前主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）現(xiàn)有的在線校準(zhǔn)原理需要改進(jìn)。隨著數(shù)字化變電站的推廣，電子式電流互感器的應(yīng)用，傳統(tǒng)的校驗(yàn)裝置不能完全滿足需要。針對(duì)數(shù)字量輸出的電子式電流互感器，因?yàn)槠鋽?shù)字接口、校驗(yàn)裝置的原理和結(jié)構(gòu)都需要相應(yīng)的改進(jìn)。（2）校驗(yàn)方式需要改進(jìn)?，F(xiàn)有的離線定期預(yù)防性校驗(yàn)方式，校驗(yàn)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，大多只在產(chǎn)品出廠時(shí)和使用過(guò)程中定期檢修，檢驗(yàn)需要停電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)、人力資源的損失。由于電子式電流互感器穩(wěn)定性大大降低，故障率增加，校驗(yàn)間隔時(shí)間需要大幅縮短，且離線檢驗(yàn)時(shí)由于環(huán)境的不同，電磁干擾小，可能發(fā)現(xiàn)不了潛在的故障和隱患，更不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

2 基于PCB的電流互感器設(shè)計(jì)

2.1 磁芯材料的確定

目前所使用的電流互感器磁芯材料一般分為鐵芯和空心磁芯兩種。

空心線圈與鐵芯線圈相比，空心線圈不存在鐵磁飽和、頻率響應(yīng)好、準(zhǔn)確度高，具有穩(wěn)定的互感系數(shù)，能夠更為準(zhǔn)確地檢測(cè)被測(cè)電流。但空心線圈的結(jié)構(gòu)、制造工藝、材料等對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度影響很大[3]。

國(guó)內(nèi)外研究表明，當(dāng)開(kāi)口距離在0.1 mm以內(nèi)時(shí)，可以使得空心線圈準(zhǔn)確度在0.05%以內(nèi)，而對(duì)于鐵芯線圈，隨著氣隙長(zhǎng)度增加，勵(lì)磁阻抗急劇下降，勵(lì)磁電流上升，誤差增大。因此本文選擇空心線圈作為磁芯材料，并通過(guò)仿真分析了適用空心線圈大截面結(jié)構(gòu)對(duì)電流測(cè)量性能的影響[4]。

對(duì)比分析目前使用的幾種空心線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及其測(cè)量性能，主要包括普通空心線圈、機(jī)制空心線圈及PCB空心線圈，如圖1所示。普通空心線圈是由人工或繞線機(jī)繞制，使得松緊度不夠、整齊性差，準(zhǔn)確度低；機(jī)制空心線圈采用激光刻蝕方法，準(zhǔn)確度高，但缺點(diǎn)是制造復(fù)雜、靈活性差；PCB空心線圈是今年來(lái)興起的一種新型的空心線圈，可由CAD軟件設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確度高，基材輕薄、體積小，磁場(chǎng)分布均勻，且設(shè)計(jì)制造靈活，加工精度較高。綜合上述特點(diǎn)，本文選擇PCB空心線圈作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器的線圈基材。

圖1 普通空心線圈、機(jī)制空心線圈、PCB空心線圈示意

2.2 空心線圈材料和類型的選擇

采用CAD設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，保證PCB空心線圈結(jié)構(gòu)的精確性，一般采用雙面剛性覆銅板（基材）制造，孔位精度一般為50 μm，為了獲得較大互感，基材厚度通常選為3.2 mm左右，厚度偏差可達(dá)±1%，PCB空心線圈測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.1%，PCB空心線圈的熱膨脹誤差主要由基材Z方向的線膨脹系數(shù)決定，故選用Z方向線膨脹系數(shù)小的基材。

PCB空心線圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：線圈截面積均勻一致性較好，線匝規(guī)律離散分布并會(huì)產(chǎn)生位置誤差，線匝平面垂直于骨架，線圈導(dǎo)線與骨架為約束耦合，單層線圈結(jié)構(gòu)。

2.3 電磁干擾的影響分析

空心線圈不含鐵芯，容易受到外界變化電磁場(chǎng)的干擾。將外界干擾磁場(chǎng)分解為與線圈平面垂直和平行的兩個(gè)分量。

2.3.1 干擾磁場(chǎng)垂直分量的影響

如圖2所示，每一匝小線圈首尾相連，沿空心線圈圓周形成一個(gè)額外的大線匝，干擾磁場(chǎng)的垂直分量垂直于大線匝，會(huì)在空心線圈的輸出端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而影響線圈電流測(cè)量的準(zhǔn)確度。

消除干擾的方法：（1）繞制一圈與大線匝面積相等、方向相反的回線，并和線圈輸出端相連，則干擾磁場(chǎng)垂直分量在大線匝和回線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等、方向相反而互相抵消；（2）兩組線圈串聯(lián)，循行方向相反，互相構(gòu)成回線，進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 干擾磁場(chǎng)垂直分量的影響

2.3.2 干擾磁場(chǎng)平行分量的影響

如果干擾磁場(chǎng)的平行分量由遠(yuǎn)場(chǎng)干擾源產(chǎn)生，則由于空心線圈是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，相互抵消，不會(huì)對(duì)線圈產(chǎn)生影響，如果干擾磁場(chǎng)的平行分量由近場(chǎng)干擾源產(chǎn)生，則應(yīng)采取屏蔽措施。

2.3.3 電場(chǎng)的干擾

為抵御電場(chǎng)干擾，線圈應(yīng)該裝有接地的屏蔽層，材料的導(dǎo)電性能良好如銅箔。試驗(yàn)證明，實(shí)用空心線圈同樣具有較好的抗外界干擾磁場(chǎng)的能力[4]。

2.4 載流導(dǎo)體形狀和長(zhǎng)度的影響

當(dāng)載流導(dǎo)體有效長(zhǎng)度大于5倍線圈直徑時(shí)，可以近似看作無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線[5]。載流導(dǎo)體形狀和線圈位置的變化以及空心線圈的磁場(chǎng)屏蔽結(jié)構(gòu)會(huì)改變載流導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，從而影響到測(cè)量的準(zhǔn)確度[4]。

2.5 溫度影響

PCB基材厚度越大，熱膨脹系數(shù)越小，所以，選用厚度較大和熱膨脹系數(shù)較小的基材來(lái)減小PCB空心線圈的溫度誤差。

2.6 氣隙影響

由于空心線圈不存在鐵磁飽和，隨著氣隙長(zhǎng)度增加，不會(huì)產(chǎn)生像鐵磁材料的勵(lì)磁阻抗和勵(lì)磁電流變化，影響較小。國(guó)內(nèi)外研究表明，當(dāng)空心線圈開(kāi)口距離在0.1 mm以內(nèi)時(shí)，可以保證傳感頭準(zhǔn)確度在0.05%以內(nèi)。

3 基于PCB的電流互感器誤差分析

3.1 在線校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選擇雙通道同步校驗(yàn)方法，即標(biāo)準(zhǔn)通道和被測(cè)通道，將標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被校電流互感器的輸出分別送到信號(hào)采集通道，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)送入數(shù)字處理平臺(tái)，比較兩路信號(hào)的幅值和相位的誤差，即比差和角差。

該系統(tǒng)主要包括標(biāo)準(zhǔn)通道、被校通道、校驗(yàn)平臺(tái)3部分。標(biāo)準(zhǔn)通道主要包括標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理3部分。

標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器要求實(shí)現(xiàn)10 kV配網(wǎng)電壓下，對(duì)配網(wǎng)電流20～400 A范圍的測(cè)量，其準(zhǔn)確度要求為0.1級(jí)，結(jié)構(gòu)類別屬于開(kāi)口鉗式電流互感器。

信號(hào)調(diào)理電路包括放大電路、基準(zhǔn)電壓電路、去耦電容電路、外加直流電池以及電源接口電路。放大電路需要將標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器輸出的小幅值電流信號(hào)放大至易于測(cè)量的幅值，該放大電路性能可靠性和穩(wěn)定性要求較高，基準(zhǔn)電源電路為放大器提供一個(gè)基準(zhǔn)電平，放大電路由一個(gè)外加直流電池提供電源，典型的放大電路如圖3所示。

圖3 放大器電路圖

直流電池同時(shí)連接到基準(zhǔn)電源電路提供的基準(zhǔn)電平以及作為接口電路提供的整個(gè)放大電路電壓，去耦電容作用于放大器，濾除高次諧波。由于本文中測(cè)量的電流幅值較小，極易出現(xiàn)噪聲、諧波，需要通過(guò)傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，將輸出信號(hào)的高頻分量濾除，僅留下50 Hz以下的信號(hào)分量。

積分器采用傅里葉積分，將放大電路輸出后的合適幅值大小的電流信號(hào)積分成電壓信號(hào)，輸送到信號(hào)處理部分繼續(xù)進(jìn)行比較運(yùn)算。

3.2 空心線圈位置誤差分析

理想空心線圈是將導(dǎo)線均勻密繞在截面積細(xì)小均勻的環(huán)形非導(dǎo)磁材料骨架上而形成的封閉空心螺線管，不會(huì)產(chǎn)生磁飽和，因此，準(zhǔn)確度、線性度、抗電磁干擾能力較強(qiáng)，且頻帶較寬，動(dòng)態(tài)范圍廣[6]。影響實(shí)用空心線圈準(zhǔn)確度的因素主要包括線匝分布的均勻性、線匝平面與骨架之間的垂直性以及截面積的一致性。

本文通過(guò)建模仿真，研究了線圈性能與線圈截面積的均勻一致性、閑雜的均勻連續(xù)性、線圈的集合形狀、被測(cè)導(dǎo)體位置等結(jié)構(gòu)方面的依賴性，對(duì)實(shí)用空心線圈影響因素進(jìn)行分析研究[7]。

空心線圈和載流導(dǎo)體的理想相對(duì)位置是載流導(dǎo)體垂直于線圈平面且穿過(guò)線圈中心。當(dāng)載流導(dǎo)體偏離理想位置時(shí)，會(huì)引起輸出信號(hào)的相對(duì)誤差，即位置誤差。位置誤差又分為：偏心位置誤差和傾斜位置誤差。其中，偏心位置誤差是當(dāng)載流導(dǎo)體垂直于線圈平面但不位于線圈中心時(shí)造成的誤差。傾斜位置誤差是當(dāng)載流導(dǎo)體和線圈平面不垂直，即具有一定夾角時(shí)造成的誤差。假設(shè)線圈截面高度為h、內(nèi)徑為a、外徑為b、線圈匝數(shù)為N。

偏心位置誤差：載流導(dǎo)體垂直于線圈平面，載流導(dǎo)體中心Q點(diǎn)到線圈中心O點(diǎn)的距離，即載流導(dǎo)體偏心距為λ。建立以O(shè)點(diǎn)為極點(diǎn)、OQ為極軸的極坐標(biāo)系。設(shè)線圈截面上任一點(diǎn)P（ρ，θ）到Q點(diǎn)的距離為k。偏心位置誤差如圖4所示。

k：線圈環(huán)徑比，即線圈外徑與內(nèi)徑之比；

σ：線圈偏心度，即載流導(dǎo)體偏心距與線圈內(nèi)徑之比。

圖4 偏心位置誤差示意圖

當(dāng)線匝均勻連續(xù)分布時(shí)，矩形截面線圈寬度和載流導(dǎo)體偏心度的大小不影響偏心位置誤差。

傾斜位置誤差：載流導(dǎo)體通過(guò)線圈平面，但并不垂直于線圈平面的情況，即與線圈平面有一個(gè)傾斜角。載流導(dǎo)體與線圈平面的軸線成x角，設(shè)載流導(dǎo)體與線圈軸線MN的交點(diǎn)為O，在MN上距離O點(diǎn)h處，考察高度為微元dh的線圈平面。設(shè)該線圈平面的中心為O'，載流導(dǎo)體與該平面上的交點(diǎn)為Q。建立以O(shè)'點(diǎn)為極點(diǎn)，O'Q為極軸的極坐標(biāo)系。傾斜位置誤差含義如圖5所示。

圖5 傾斜位置誤差示意

當(dāng)x=0時(shí)，曲線是一條平坦的直線，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)沿圓周均勻分布；隨著x增大，曲線越來(lái)越不平坦，說(shuō)明分布越來(lái)越不均勻。

可以看出，減小電流互感器位置誤差的方法是：保證線圈截面積均勻一致，線匝沿線圈圓周規(guī)律分布，盡可能降低分布的離散性。

3.3 PCB空心線圈誤差分析

3.3.1 偏心位置誤差

仿真4組匝數(shù)N分別為10，20，30時(shí)，偏心位置誤差與偏心度、環(huán)徑比之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 偏心位置誤差δ（σ）與線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系曲線（N=10，20，30）

由以上仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：偏心度在0～0.8之間變化，環(huán)徑比在1～3變化時(shí)，（1）當(dāng)匝數(shù)N越大，偏心位置誤差δ（σ）越小，當(dāng)N>30匝后，偏心位置誤差可忽略；（2）環(huán)徑比κ越大，偏心位置誤差δ（σ）越小；（3）偏心度σ越大，偏心位置誤差δ（σ）越大。

3.3.2 傾斜位置誤差

建立模型內(nèi)徑a=0.025 m，外徑b=0.05 m，傾斜度，分別仿真該模型隨匝數(shù)N變化、當(dāng)傾斜度在0°～90°之間、環(huán)徑比κ在1.2～2.8之間變化以及固定環(huán)徑比k=2不變，改變內(nèi)徑a、外徑b擴(kuò)大倍數(shù)時(shí)，傾斜位置誤差的變化曲線，如圖7—10所示。

圖7 傾斜位置誤差δ（σ）隨匝數(shù)N變化的關(guān)系曲線

圖8 傾斜位置誤差δ（σ）隨傾斜度變化的關(guān)系曲線

圖9 傾斜位置誤差δ（σ）隨環(huán)徑比k變化的關(guān)系曲線

圖10 當(dāng)環(huán)徑比k=2，傾斜位置誤差δ（σ）隨a，b擴(kuò)大倍數(shù)變化的關(guān)系曲線

綜上所述，能夠改進(jìn)位置誤差的措施包括：（1）將多個(gè)線圈串聯(lián)，在線圈疊放時(shí)，將線圈相互錯(cuò)開(kāi)一定角度，以此平衡各個(gè)線圈造成的位置誤差；（2）增加線圈匝數(shù)，線匝變密，連續(xù)性增強(qiáng)；（3）適當(dāng)增大環(huán)徑比，即一定程度增大線圈骨架截面積；（4）使用固定機(jī)構(gòu)，減小偏心度和傾斜度。

3.3.3 PCB空心線圈的結(jié)構(gòu)誤差

PCB空心線圈實(shí)際制造時(shí)，影響幾何精度的主要因素為孔位精度（一般小于0.05 mm）。它會(huì)造成線匝沿徑向和圓周方向偏離理想位置，導(dǎo)致線圈互感發(fā)生變化。為獨(dú)立隨機(jī)誤差?？孜唤Y(jié)構(gòu)誤差主要包括徑向偏移誤差和沿圓周偏移誤差兩種，如圖11所示。

圖11 孔位偏移示意

當(dāng)內(nèi)圓上的孔位均向圓心而外圓周上的孔位均背離圓心沿線圈徑向偏移相同距離時(shí)，孔位徑向偏移結(jié)構(gòu)誤差為最大值，當(dāng)內(nèi)圓周上的孔位均背離圓心而外圓周上的孔位均向圓心沿線圈徑向偏移相同距離時(shí)，孔位徑向偏移結(jié)構(gòu)誤差為最小值。如圖12—13所示為仿真結(jié)果為孔位徑向偏移誤差極值隨環(huán)徑比和內(nèi)徑a變化的關(guān)系曲線。

圖12 孔位徑向偏移結(jié)構(gòu)誤差最大值

可以看出，當(dāng)內(nèi)徑a在30～60 mm內(nèi)變化、環(huán)徑比k在1.5～3之間變化時(shí)，隨內(nèi)徑a和環(huán)徑比k增大，孔位徑向偏移結(jié)構(gòu)誤差極值減小。

當(dāng)內(nèi)外圓上的孔位沿線圈圓周發(fā)生偏移α角時(shí)，若載流導(dǎo)體和線圈處于理想相對(duì)位置，即載流導(dǎo)體垂直于線圈平面且位于中心，則所有線匝的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均相等，不會(huì)產(chǎn)生孔位圓周方向偏移結(jié)構(gòu)誤差。但是當(dāng)載流導(dǎo)線偏心或傾斜于線圈平面，線匝分布的不規(guī)律性會(huì)產(chǎn)生孔位圓周方向偏移結(jié)構(gòu)誤差。

圖13 孔位徑向偏移結(jié)構(gòu)誤差最小值

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了影響空心線圈準(zhǔn)確度的一系列因素，并建模對(duì)其仿真，畫(huà)出了包括位置誤差、結(jié)構(gòu)誤差等在內(nèi)的多種誤差仿真曲線，研究了干擾磁場(chǎng)等的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PCB空心線圈的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器。該標(biāo)準(zhǔn)電流互感器由多組PCB空心線圈錯(cuò)開(kāi)角度串聯(lián)而成，測(cè)量誤差小、精度高，克服了傳統(tǒng)開(kāi)口鉗式電流互感器氣隙誤差大的弱點(diǎn)。

[1]張志.電子式電流互感器在線校驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)理論研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

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Design of current transformer for hollow coil based on PCB

Xue Jing, Zhang Rui
（Xi’an Electric Power College, Xi’an 710032, China）

In order to realize the connectivity and integration of digital substation information communication, a large number of electromagnetic current transformers are replaced by electronic current transformers. However, a large number of electronic devices and optical device long-term were exposed in the complex and harsh environment, and he fault rate compared with the traditional electromagnetic current transformer increased dramatically. The paper researched on on line calibration method for current transformer, and analyzed the problems of current transformer on line calibration, designing a current transformer based on PCB hollow coil, using method of multiple sets of stagger angle series, double channel on-line calibration,which has small measurement error, and high precision.

current transformer; PCB hollow coil groups; on-line calibration

薛晶（1982— ），女，河南三門(mén)峽，碩士，講師；研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)，自動(dòng)化，電力通信。