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罗氏线圈现阶段的典型应用分析

最近更新时间:2020-05-26 19:57:06

罗氏线圈传感器的输出方式分三种:微分输出方式、自积分方式和外积分方式。微分输出方式罗氏线圈传感器可用来测量电流变化率,自积分式罗氏线圈传感器主要用于测量快速变化的脉冲电流或暂态电流;外积分式罗氏线圈传感器主要用来测量脉宽较宽的稳态周期电流。

同一性质的被测信号,当幅值、变化速度、频率等参量不同时,所设计罗氏线圈的结构尺寸、屏蔽方式、终端电阻大小和信号处理电路处理也有较大区别。正是由于罗氏线圈传感器的灵活性较强,使其在工程应用中有较突出的前景,本节主要介绍罗氏线圈传感器的几种典型应用。

宽量程周期电流的测量

工程实际中使用的电流大多是周期性的交流大电流。随着电力系统的发展和工业应用技术的进步,电力输配电系统和工业现场的交流大电流幅值常达数kA,而某些场合则须测量数A大小的电流,这就要求电流传感器具有较宽的测量范围。同时,不同的应用环境下被测电流的频率也大不相同,特别是现代电力电子技术的推广应用,使电力传输系统、工业控制系统的信号频率范围由十数Hz至数十kHz。电力系统暂态过程中信号频率成分更加复杂。这就要求测量或保护用传感器须具有较宽的频带。从实际应用方面来看,电力系统规划、工业生产系统安装调试完成后,电流母排不易断开,特别是对于在线监测与校验系统,常常要带电操作,因此,为了安装的方便,新投入运行的电流测量装置须采用开合式结构。

目前交流周期大电流的测量使用最普遍的是电磁式电流传感器和电子式电流传感器。传统的电磁式电流传感器准确度高、发展较成熟,目前在电力系统电流计量、继电保护、在线监测方面仍有不可取代的地位,在电力系统暂态保护中也有部分应用。但由于铁芯特殊的磁特性、传统测量方式的局限性,使得它的应用范围受到了一些限制,主要表现为测量范围小、频带窄。光纤式电子式电流传感器虽性能优良具有较大的研究价值,但目前尚未应用到工程实际中。

现阶段,罗氏线圈传感器已成为周期电流测量研究的热点方向。周期电流测量用罗氏线圈传感器包括罗氏线圈和信号处理电路两部分,罗氏线圈骨架选取、绕线选取、屏蔽方式、终端电阻匹配等关键问题不仅要结合工程实际,还须借助软件仿真分析,寻求合理的设计方法;积分放大电路的设计同样要求较高,运放及相关元器件的选取、电路的降噪处理、输出信号隔直、输出信号相位补偿等是设计的关键。对整个测量装置而言,不仅要求系统具有较高的准确度,而且要求稳定可靠运行。固定结构的罗氏线圈传感器已可做到高准确度、高稳定性,而柔性骨架结构的罗氏线圈传感器的性能仍需改善,特别是开口对传感器性能的影响需要深入研究。

基于上述对工程实际中要求的分析,本文研制开合式柔性骨架的罗氏线圈电流传感器,为了使其应用范围更广泛,该传感器的量程设计为3A3kA,频带设计为10Hz20kHz,准确度要求在±1%以内。这些参数设置可覆盖电力系统电流测量、设备的暂态保护、输电线路在线监测和多数工业生产等不同场合的应用要求。文中将详细分析罗氏线圈结构参数、电磁参数和开合式结构对传感器测量性能的影响,总结误差变化规律,阐述传感器设计原则,并研制开合式宽量程电流传感器,通过样机测试验证设计方案的合理性。

电流变化率的测量

当电力系统中产生上升速度快、冲击力强、无过零点的暂态大电流时,需要检测装置快速发现、保护装置快速动作。随着设备容量及电压等级的增大,传统的电流检测保护方式已无法满足高速动作的要求。工程应用实践已提出电流变化率保护要求,通过检测电流变化率预判可能产生的暂态大电流,使相应的保护装置在暂态大电流达到预期最大值前动作,保证系统的安全运行。现阶段采用电流变化率保护的设备或技术包括:使用电流变化率作为判据之一的新型限流断路器、通过检测电流变化率实现的本安电源技术、采用电流变化率作为辅助判据的抽水蓄能机组静止变频器系统的保护方案和应用于电力机车牵引供电系统的电流变化率保护等。

现在工程应用中的电流变化率保护均是通过测量电流实现,由电流测量装置得到被测回路电流波形,配合优化的算法计算出电流变化率,该方法增加了故障判断的时间,再加之典型的保护用电流传感器响应时间较长,则电流变化率保护速动的优越性很难体现出来。综合上述论述,配置电流变化率保护的场合暂态电流初始变化率为数十A/μs至数百A/μs,第一章论述表明,PCB式罗氏线圈的灵敏度不易满足此种保护的要求。针对这种类型的电流变化率保护,未见有直接输出变化率信号且性能优良的传感器。骨架式罗氏线圈的传感原理与PCB式罗氏线圈相同,且灵敏度相对更高。因此,本文提出将骨架式罗氏线圈传感器应用于电流变化率传感器的研究。

直流输电系统阀短路电流和直流输电线路短路电流均具有变化速度快、冲击力强、破坏性大的特点,可作为电流变化率保护的研究对象。本文以直流输电线路短路保护为例,研制用于切除快速暂态大电流的电流变化率传感器,保护要求传感器灵敏度不低于0.15V/(A·μs-1),响应时间小于5μs,常规的罗氏线圈传感器很难同时满足灵敏度高和响应时间短的要求,如何平衡两者间相互制约的关系是本文研究的重点。本部分所研究内容是骨架式罗氏线圈传感器的新型应用,国内尚未发现同类产品。下文将进行罗氏线圈电流变化率传感器的理论分析,建立分布参数等效模型,仿真分析传感器的高频特性,总结该类传感器的设计原则,并研制样机,搭建模拟试验平台对样机进行测试,分析其性能是否满足电流变化率保护的要求。

脉冲电流的测量

上升时间短、幅值大、脉宽较窄的脉冲大电流,对科学研究具有较大的应用价值,如何获取其准确波形与参数,是当今电磁测量领域的热点问题。在核物理研究、强磁场脉冲研究中对脉冲功率源技术要求较高,为确保脉冲功率源的稳定运行,需要准确地测量出放电电流,提供实测数据。另一方面,现代电力系统中大功率电力电子器件使用日益增加,其开通和断开时间为数纳秒,在开关动作过程中会产生瞬间变化的脉冲大电流,威胁电力系统的稳定运行,例如适用于先进电力变换装置技术的高速大功率RSD开关,开关动作时产生电流峰值数十千安以上、电流上升时间数十纳秒以下的脉冲大电流,准确、可靠的监测RSD开关状态电流,对于研究其开关特性、改善其高速大功率工作性能具有重要意义。

现今测量脉冲电流主要有两种方法:一是直接测量法,使用分流器测量脉冲电流;二是电磁感应法,使用罗氏线圈测量脉冲电流。用来测量脉冲电流的分流器,电感值必须很小,否则会大大影响测量准确度,此外,集肤效应的存在使得分流器输出端电压发生时移。目前,电感值和集肤效应的影响不可避免,分流器只适合用来测量电流峰值不太大(几百千安以下)、上升时间不太短(毫微秒级及以上)的脉冲大电流。罗氏线圈从1921年提出后,主要用于脉冲大电流的测量。罗氏线圈具有两种工作状态:自积分方式和外积分方式。自积分方式适合测量变化较快、持续时间较短的脉冲电流;外积分方式适合测量变化较慢、持续时间较长的脉冲电流。对于频带较窄的脉冲电流,罗氏线圈传感器的准确度已可满足0.5%的要求。

雷电流属于脉冲大电流的一种,研究雷电的放电规律,一方面有利于雷电流能量的利用,另一方面可为防雷提供基础数据。但雷电流上升沿很陡,下降沿变化缓慢,整个雷电流波形涵盖的频率范围较宽,跨越了典型外积分和自积分两个工作状态所覆盖的带宽,这也是使用罗氏线圈传感器测量雷电流的难点。基于雷电流测量的重要性,部分文章已提及使用罗氏线圈测量雷电流的问题,现今,雷电流测量及其参数获取的方法主要有以下5种:

1)磁钢棒法。研究雷电流测量的早期即出现了磁钢棒法,现今该方法仍广泛应用于电力系统雷电流测量。磁钢棒法的基本原理为电磁感应,雷电流形成后,其周围存在强大的磁场,该磁场将附近的磁钢棒磁化,雷电流消失后,因其特殊的强磁矫顽特性,磁钢棒上仍有大量剩磁,由剩磁大小可计算出雷电流的幅值,根据磁钢棒的磁特性可获取雷电流陡度。该方法具有准确度低、产品一致性差、生产运输不易、不能反映雷电流极性和存在磁饱和问题等缺点,限制了其应用范围的拓展。

2)阴极射线示波器。阴极射线示波器用来记录雷电流最早在1928年,现今示波器的频带可以做到很宽,可以完整记录雷电流放电过程[40],且精密度很高,但它的成本较高、绝缘隔离复杂,只能用于特定的测试条件下,不适合野外作业。

3)磁带式雷电记录仪。测量雷电流的磁带法由Jafferis WCerrato R J提出,其原理为:预先将基准信号录制在高灵敏度的磁带上,并安装在雷电流导体附近,雷击导体时,雷电流磁场使预录在磁带上的基准信号发生变化,通过检测预录的基准信号变化幅度,可获得雷电流幅值。广西大学的王巨丰教授根据此方法结合单片机研制出国内首台“磁带式雷电记录仪”样机[41][42][43]。磁带法测量精度高,误差一般在±2%14 华中科技大学硕士学位论文以内。同时该方法也具有较明显的局限性,它仅可获取雷电流幅值,不能获取雷电流发生的时间、雷电流陡度等参数。

4)雷电定位系统。雷电流定位系统出现在上世纪 70 年代,由Martin A UmanKrider E P等人开发,既可记录雷电流参数又能精确定位雷击点[44][45],该系统功能强大,但其局限性也较明显:该设备十分复杂且需要大量探测站作支撑,投资非常大;若想定位准确需有精确的电子地图作支持;地形因素对其影响较大[46]80年代国家电网公司武汉高压研究所引进该项技术,但由于我国国土面积较大、且地形地貌复杂,该方法并未推广应用。

5)罗氏线圈传感器。响应时间短、频带宽、易与高压回路绝缘是罗氏线圈用于雷电流测量的优势。使用罗氏线圈测量雷电流在日本发展较成熟[29],其主要应用在输电线路的雷电流监测系统中,整套设备采集雷电的电流范围为 10kA~300kA,带宽1MHz。在国内,清华大学和山东电力集团公司共同研制的输电线路雷击定位及雷电特征参数监测系统使用罗氏线圈作为测量雷电流的传感器,该系统在线监测杆塔受雷击时的雷电流波形、输电线路环境温度湿度等信息,已于200712月调试完成。其重点在测试系统的实现、去除被击物对雷电流波形的影响等。

基于罗氏线圈传感器用于脉冲电流测量的研究成果,此部分本文重点研究用于雷电流监测的罗氏线圈传感器,分析传感器测量8/20μs标准雷电流时的性能,研究目标为准确获取雷电流波形参数,准确度在0.5%以内。该部分内容的研究工作将在本文第五章体现,主要包括理论研究、仿真分析、试验验证三部分。

 

谐波电流的测量

随着电力电子装置的广泛应用,电力传输与应用中的谐波问题日趋严重,谐波的存使周围电磁环境复杂化,威胁电力系统安全、稳定、经济运行。同时,谐波问题也阻碍了电力电子技术的发展。由于其危害性大,现今,电力系统谐波的研究得到了重视,研究内容包括:谐波的测量、畸变波形的分析方法、谐波源的分析、谐波限制标准的制定以及有谐波存在的环境下各种电气量测量方法研究等。其中谐波的测量是解决问题的主要依据,其主要作用包括[48][49]:校验实际电力系统和谐波源用户的谐波水平是否符合标准;测量电气设备调试及运投时的谐波,确保投运设备符合谐波限制标准;测量谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振点等谐波参量,……

 

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谐波电流测试结构框图

 

现阶段谐波测量过程如图,首先通过电流测量装置得到回路电流波形,其次使用滤波器滤除基波信号,然后进行信号采集,再通过优化的算法实现谐波分离和谐波量的分析。谐波分析的算法发展较快,如带通滤波、傅立叶变换、神经网络理论和小波分析方法、瞬时无功功率理论等。然而,电流测量装置依然依靠同轴分流器或电流互感器。同轴分流器体积笨重、造价高且测量谐波时集肤效应影响较大;电流互感器的频带不够宽,测量准确度受铁芯磁特性影响较大,且热稳定性较差。

对于电力系统的谐波而言,要求对50次以内的谐波进行测量,其频率上限为2.5kHz,罗氏线圈传感器可满足测量频带要求。其他工业应用中,具有数十kHz频带的传感器也可满足基本测量要求。前文叙述的开合式宽量程电流传感器,其频带设计指标为20kHz,对于电力系统的谐波测量以及20kHz以内工业应用中的谐波,均可归结于该项研究中。此外,罗氏线圈传感器用于谐波测量的缺点是灵敏度较低,对幅值较小的谐波电流,其输出信号较小,从而信噪比较低,影响测量准确度。提高罗氏线圈输出灵敏度,同时使其保持较宽的频带是罗氏线圈用于谐波电流测量的难点。谐波测量对灵敏度的要求也可归结于宽量程电流传感器中小幅值电流的测量,故关于谐波电流的测量研究将在第三章论述。

本章简要介绍了罗氏线圈传感器的结构和原理,根据罗氏线圈的3种信号获取方式,列举出罗氏线圈传感器的3种典型应用,并分析了实际应用中对罗氏线圈传感器的要求,明确了3种应用下罗氏线圈传感器的典型技术指标。

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