新型傳感器儀表替代現(xiàn)有船用互感器的研究

黎 庶

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢430063）

引 言

現(xiàn)有船用電流互感器與電壓互感器在船舶電力系統(tǒng)中用于測量交流電流和交流電壓，電流互感器存在的副邊開路產(chǎn)生高壓可能會(huì)引起操作人員電擊的危險(xiǎn)，這種事故在船舶上時(shí)有發(fā)生；副邊開路產(chǎn)生高壓還可以擊穿電流互感器絕緣引起自身設(shè)備的損壞和火災(zāi)；且電流互感器過載能力差也易引起自身設(shè)備的過熱和損壞。電壓互感器則存在笨重和硅鋼和銅絲等材料耗費(fèi)較多的特點(diǎn)?；谝陨显蛭覀冃枰x擇新型傳感器儀表替代現(xiàn)有互感器，達(dá)到船舶電力測量儀表優(yōu)化配置的效果。

1 現(xiàn)有新型傳感器儀表介紹

1.1 羅氏線圈電流互感器

羅氏線圈是在非導(dǎo)磁骨架材料上，緊密且均勻地纏繞一定匝數(shù)的線匝，將待測電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓信號(hào)。羅氏線圈的電流互感器由高精度羅氏線圈、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、電流表組成。信號(hào)調(diào)節(jié)電路將羅氏線圈傳變的一次電流轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào)（4～20 mA，0～5 V），供電流表顯示或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集，結(jié)構(gòu)如圖1所示。［1］

圖1 羅氏線圈電流互感器原理圖

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，羅氏線圈一次側(cè)電流i(t) = I?sin (ωt?+ θ?)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 e(t)為 ：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；N為線圈匝數(shù)，匝；h為線圈骨架高度，m；r2為線圈骨架外徑，m；r1為線圈骨架內(nèi)徑，m。

由式（1）知，e(t)與真空磁導(dǎo)率μ0成正比，可見與導(dǎo)磁材料無關(guān)，因此羅氏線圈電流互感器不需要使用硅鋼片作為導(dǎo)磁材料；也就是不需要鐵芯。因此線圈骨架可以考慮使用空心的塑料支架，大大節(jié)約了硅鋼片的使用；同時(shí)減輕了電流互感器的質(zhì)量。假設(shè) N?= 3 000 匝，h?= 0.02 m，r2= 0.04 m，r1= 0.02 m，一次側(cè)電流I = 50 A，一次側(cè)電流頻率 f?= 50 Hz，真空磁導(dǎo)率 μ0= 4π×10-7T·m/A，帶入式（1），經(jīng)計(jì)算知 e(t)≈-0.13cos (ωt?+ θ?) V。由于e(t)是一個(gè)非常微弱的信號(hào)，因此對(duì)于安裝或更換羅氏線圈互感器的操作者來說，完全不存在觸電的危險(xiǎn)。

1.2 霍爾電流互感器

霍爾電流互感器具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中，常用于對(duì)大電流進(jìn)行精確的檢測和控制?；魻栃?yīng)電流互感器原理如圖2所示。

圖2 霍爾電流互感器工作原理圖

圖2中I為一次側(cè)待測電流，B為一次側(cè)電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，f為單位電荷所受到的洛倫茲力，v為電子平均運(yùn)動(dòng)速度，i為（沒有考慮溫度影響時(shí)）霍爾元件的激勵(lì)電流，b為霍爾元件寬度，UH為霍爾電動(dòng)勢。

洛倫茲力f的方向圖中是向里的（左手定則），電子漂移到圖里面一側(cè)，正電荷則漂移到靠圖外面一側(cè)，從而形成一個(gè)內(nèi)電場 EH，經(jīng)計(jì)算知 EH=vB［2］，故得：

式中：v與霍爾半導(dǎo)體器件的電子濃度有關(guān)，一旦半導(dǎo)體材料選定，則v就成了一個(gè)已知數(shù)。B是由一次側(cè)電流產(chǎn)生的，故B和一次側(cè)電流I成正比，因此霍爾電動(dòng)勢UH的大小直接反映了待測一次側(cè)電流I的大??；通過調(diào)理電路將霍爾電動(dòng)勢UH放大可獲得一次側(cè)待側(cè)電流I的大小。為使一次側(cè)電流I產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B有一定大小，且與霍爾半導(dǎo)體器件至一次側(cè)導(dǎo)線的距離無關(guān)，故在一次側(cè)導(dǎo)線周圍安裝導(dǎo)磁鐵芯，由于圖2是原理圖，故未體現(xiàn)；因此霍爾電流互感器同樣需要鐵芯，只不過鐵芯的尺寸比普通電流互感器小了許多，故節(jié)約了硅鋼片的使用量，減輕了電流互感器的質(zhì)量。由式（2）知霍爾電動(dòng)勢UH是一個(gè)較小的微弱信號(hào)，因此對(duì)于安裝或更換霍爾電流互感器的操作者來說，完全不存在觸電的危險(xiǎn)。

1.3 分壓式電壓表

傳統(tǒng)電壓互感器通過變壓器降壓來完成交流電壓的測量，分壓式電壓表通過電阻分壓降壓來測量交流電壓，省去了笨重的電壓互感器，簡化了測量設(shè)備。圖3為分壓式電壓表工作原理。

圖3 分壓式電壓表工作原理

圖3中UX為船舶電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)某相的電壓，R1和R2為分壓電阻，u0為電壓表測量電壓。根據(jù)分壓原理：

中國船級(jí)社規(guī)定船舶高壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)在1～15 kV，船舶低壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)小于1 kV，考慮到操作人員的安全及測量精度，電阻分壓式電壓表僅適合應(yīng)用于低壓電力系統(tǒng)的船舶。

對(duì)于1～15 kV船舶高壓電力系統(tǒng)的電壓測量，可采用電容分壓的方法測量電力系統(tǒng)中的電壓［3］，原理如圖4所示。

圖4 電容分壓器測量船舶高壓電力系統(tǒng)電壓原理圖

圖4中C1、C2、C3為分壓電容，被測高壓通過電容分壓器的分壓作用將高壓轉(zhuǎn)換為低壓，交流電壓表在接地部分取電壓測量［4］。

2 新型傳感器儀表替代現(xiàn)有互感器的必要性

2.1 船舶自動(dòng)化的需要

近代船舶廣泛使用自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)是大勢所趨，特別是對(duì)船舶電站的監(jiān)視與控制已經(jīng)成為自動(dòng)化船舶不可缺少的部分。 羅氏線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e(t)，霍爾電動(dòng)勢UH以及分壓式電壓表的測量電壓u0，都可以通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)變成4～20 mA或0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供計(jì)算機(jī)采集或儀表顯示。

2.2 使船舶電站小型化

由于電阻分壓技術(shù)的使用省去了電壓互感器，新型電流互感器的使用減少了傳感器部分的尺寸，知道了羅氏線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e(t)（或霍爾電動(dòng)勢UH）和分壓式電壓表的測量電壓u0的瞬時(shí)表達(dá)式，即可得到電流和電壓的有效值，以及頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率。所以可將電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率放在同一個(gè)LCD屏里分六部分同時(shí)顯示，省去分壓式電壓表的顯示表頭，大大節(jié)省了配電柜的尺寸。由于不使用傳統(tǒng)的變壓器式電流互感器和電壓互感器，減輕了配電柜的質(zhì)量。由于沒有鐵芯，電阻電容分壓技術(shù)和羅氏線圈電流互感器不會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，改善了配電柜的電磁環(huán)境，可滿足艦船電力系統(tǒng)測量和保護(hù)的需要［5］。

2.3 使船舶電站保護(hù)系統(tǒng)具有優(yōu)異的性能

傳統(tǒng)的變壓器式電流互感器存在隨著被測電流越大、電壓等級(jí)越高，鐵芯易趨于飽和，二次側(cè)電流波形發(fā)生畸變失真，產(chǎn)生很大測量誤差等不足之處［5］。由于波形失真，必然導(dǎo)致相位檢測誤差，船舶電力系統(tǒng)的逆功率保護(hù)器無法可靠動(dòng)作，調(diào)頻調(diào)載電路不能很好實(shí)現(xiàn)調(diào)載作用。新型電流互感器則具有較高的線性度和寬廣的測量范圍，不會(huì)使二次側(cè)電流波形失真和飽和。

3 部分新型傳感器儀表實(shí)例

3.1 基于高精度羅氏線圈研制及數(shù)字信號(hào)調(diào)理方案

某廠家采用特殊的柔性材料作為線圈骨架，經(jīng)特殊工藝處理，制造出如圖5所示的羅氏電流互感器。

圖5 羅氏線圈電流互感器實(shí)物

該互感器具有以下特點(diǎn)：

（1）適用環(huán)境廣：以特殊柔性材質(zhì)制作，便于測量任何特殊環(huán)境下的導(dǎo)體電流；

（2）電流測量范圍寬：可從50 mA到200 kA（工頻范圍）；

（3）電流測量檔位可調(diào)：電流測量分為3檔，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流測量精度的要求，儀表的精度為1級(jí)精度；

（4）使用安全：與常規(guī)電流鉗不同，無二次開路危險(xiǎn)，特別是測試大電流時(shí)，使用安全可靠。

3.2 根據(jù)電阻分壓原理

圖6為某廠家生產(chǎn)的電阻分壓式電壓表。其具有以下特點(diǎn)：

（1）測量范圍為0 ～1 500 V，圖6中照片為500 V交流電壓表；

圖6 電阻分壓式電壓表實(shí)物

（2）測量精度為1.5級(jí)，廠家可以根據(jù)客戶需要預(yù)定精度等級(jí)；

（3）后面有兩個(gè)接線柱，直接與待測交流電壓并聯(lián)連接。

4 結(jié) 語

綜上所述，新型傳感器儀表具有安裝和更換安全（不易發(fā)生觸電事故），線性度好、測量范圍寬、不易飽和、鐵芯材料使用少、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，既適合全手動(dòng)控制的船舶電站中的使用，又適合全自動(dòng)電站中的使用。上述新型傳感器儀表現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于陸上電力系統(tǒng)測量與控制，相信在不久的將來，新型傳感器儀表必將廣泛應(yīng)用于各類船舶，為提高船舶電力系統(tǒng)性能、節(jié)約金屬材料的使用，避免互感器安裝和更換過程中的人員傷亡事故作出貢獻(xiàn)。