新型螺旋管空心线圈电流互感器

彭春燕,周有庆,龚 伟,曹志辉

(湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082)

摘要:空心线圈电流互感器无磁饱和,但感应信号小,易受外界电磁干扰。为解决此问题,提出一种新型螺旋绕线串接结构的空心线圈传感头,其互感系数大并能有效抗外界电磁干扰。文中介绍了其基本结构和工作原理,建立相应的数学模型,详细论述其电磁参数的计算方法,对自制的实验模型进行了线性度与抗干扰测试实验,对其频率特性进行了仿真分析。实验和仿真结果表明,其线性度好、抗干扰能力强、响应速度快、测量频率范围宽、动态范围大,理论上可以满足用于电力系统的电流互感器的要求。

关键词:空心线圈;互感器;抗干扰;仿真

中图分类号:T M933.1 文献标志码:A 文章编号:1003-30(2009)04-0053-05

New Style Spiral Air Core Coil Current Transducer

PEN G Chun-yan,ZH OU You-qing,GONG Wei,CAO Zh-i hui

(Colleg e of Electricity and Infor matio n Eng ineer ing,H unan U niversity,

Chang sha410082,China)

Abstract:A ir-core co il curr ent t ransducer is no t in magnetic sat ur ation,but its voltag e sig nal is weak and vu-l ner able to o utside magnetic interfer ence.T o so lv e this problem,a new-sty le air-core coil was proposed,which consist ed of ser ial spir al coils in seco ndar y w inding,had big mutual inductance and stro ng ability of ant-i elec-tromag netic interfer ence.T his paper illustr ated its basic structur e and mechanism,established a mathematic model,and analyzed calculation methods of the electro magnetic parameters in detail.T hen the linearit y of the hand-made mo del has been test ed.T he ex per iments and simulation r esults indicate that spira l air-co re coil cur-rent transducer has go od linearit y,fast r espo nse speed,w ide frequency bandwidth and dynamic range.In theo-ry,it can meet the requir ements of the current tr ansducer applied in the pow er g rid.

Key words:air-co re coil;transducer;ant-i int erference;simulation

基于空心线圈的电流互感器以其线性度好、无磁饱和、测量频率范围宽、动态范围大、结构简单等优点成为互感器发展的新方向[1]。空心线圈传感头作为整个装置的关键部分,其测量精度直接影响到整个装置的测量精度。本文提出一种互感系数较大、灵敏度高且本身结构就具有抗外界电磁干扰能力的螺旋管空心线圈电流传感器。

1 螺旋管空心线圈电流传感器介绍

1.1 结构介绍

新型螺旋管空心线圈结构如图1所示,横截面如图2所示(不含9、10、11)。图中1、2、3、4均为相同的二次线圈,彼此所留的空隙供一次导体通过,相邻的二次线圈依次首端或末端相连,5、6为整个二次线圈首尾引线端,作为二次感应信号的输出端。一次导体8围绕半数不相邻的二次线圈制成一匝或多匝的一次线圈。其中一次线圈绕成多匝时不要过于紧密,要考虑一次螺旋管的散热以及与二次螺旋管的绝缘。

1.2 传感原理与抗电磁干扰原理

当一次导体中通入被测交流电流时,1、2、3、4的二次线圈产生的感应电动势方向都相同,串接相

第21卷第4期2009年8月 电力系统及其自动化学报

P ro ceedings of the CSU-EPSA

V o l.21N o.4

Aug. 2009

收稿日期:2008-08-27;修回日期:2008-09-20发明专利:(200610032481.X)

互叠加,总的感应电动势从5、6

输出。

图1 螺旋管空心线圈的结构示意图Fig.1 Structure of spiral air -core

coil

图2 螺旋管空心线圈的结构剖面图Fig.2 Profile of spiral air -core coil

图2中,9、10、11为空心线圈附近的通电导

体,处于水平方向的导体9产生的交变磁场在线圈1与2中产生的感应电动势大小相等、方向相反,串接后相互抵消,在线圈3与4中产生的感应电动势也相互抵消,因此该干扰在二次无响应输出。同理,处于垂直方向的导体10产生的干扰磁场在线圈2与3及线圈1与4中产生的感应电动势均分别相互抵消,因此该干扰在二次亦无响应输出。导体11产生的交变磁场可等效为导体9与导体10共同产生的磁场之和,因此该干扰在二次同样无响应输出。该空心线圈电流传感器用于电力系统三相电流测量时,某一相的电流传感器能避免其它两相电流产生的电磁干扰,即保证了三相电流的测量互不受影响。当远端产生的干扰交变磁场(均匀磁场)垂直穿过上述的二次线圈时,因成对数目的二次线圈结构一致且首尾依次相互串接,所以该干扰所产生的电动势之和为0。外界干扰磁场水平穿过上述的二次线圈时,二次线圈无感应。

2 螺旋管空心线圈原理分析

以图2所示模型为研究对象,设二次线圈为单层多匝绕制,同时因一次线圈匝数少故可忽略其寄生参数,得到图3所示简化等效模型[2~6]。其中R 0、L 0和C 0分别代表二次线圈的电阻、自感及分布电容,R S 为采样电阻,R 、R m 与C

为积分器参数。

图3 带积分的等效电路图

Fig.3 Equivalent circuit with integration circuit

假设初始条件为零,通过拉氏变换,得到线圈的传递函数为

H (s)=M RCL 0C 0

s

(s 2

+2 s +w 2n

)(s +1R f C

)

(1)

式中: =

12L 0C 0(R 0C 0+L 0R R S

)= w n ;w 2n =

1L 0C 0(R 0

R R S

+1); 为衰减系数; 为阻尼比;w n

为自然频率。可适当调节外围参数使 为最佳阻尼比 =0.707,这样既可有效地抑制线圈中自感、分布电容与线圈内阻发生谐振,也可以最大限度地减小分布电容的不良影响

[2]

。

3 螺旋管空心线圈参数计算

两同轴回线(图4中的线圈i 、j )及两不同轴回线(图4中的线圈i 、k)间的的互感系数分别为

[7]

M ij = o R 1R 2[(2k -k )K (k)-2

k

E (k )]

(2)M ik = M ij

(3)

式中:k =2

R 1R 2

h 2

+(R 1+R 2)2

;一般0< <0.5;

o 为真空磁介质常数;K (k )、E(k)分别为第一类和第二类全椭圆积分。本文为了简化分析,忽略不同轴线圈间的电磁参数值。

设一次线圈半径为R 1,匝数为n,所使用的绕制线直径为d,二次线圈半径为R 2,匝数为N ,所使用的绕制漆包铜线直径为D 。

结合图4,设线圈i 为一次线圈中的一匝,线圈j 为二次传感线圈中的一匝,因一次均匀而非紧密绕制,二次紧密绕制,一次线圈两相邻回线间相距N D n -1,二次线圈两相邻回线间相距D,则两线圈距离为

54 电力系统及其自动化学报 第21卷

h =|i N D n -1

-j D |(4)

根据式(2)、(4)知,螺旋管空心线圈互感为

M =2

n i=1 N

j =1

M

ij

(5)

线圈二次侧的自感系数L 0

[7,8]

为

L 0=4 (N i )=4 o n 2

V

(6)

式中:n =

N N D =1D

;V =N D R 2

2。

设 为铜导线电阻率,线圈二次侧总电阻值为R 0=N 32R 2

D

2

(7)

由文献[5]与文献[9]可知,总分布电容为

C 0= R 2

2 (N -1)

o

6

11+1 r In D o D c

-cos d (8)

式中: o 为真空介电常数; r 绝缘层介电常数;D o 为漆包铜线外径值(包括绝缘层厚度);D c 为漆包铜

线铜芯标称直径。

图4 两回线间的互感系数

Fig.4 Mutual inductance between two loops

4 螺旋管空心线圈性能分析

4.1 螺旋管空心线圈频率特性分析

根据式(5)、(6)、(7)和(8)可得电磁参数为:M =4.4458 H ,L 0=278.56 H ,R 0=1.718 ,C 0=0.0053pF 。并取比例积分参数为:R S =1M ,R =2k ,C =0.047 F ,R f =100M 。根据式(1)用Matlab 对线圈的单位阶跃及频率特性进行仿真[10,11],如图5、6所示。可见,线圈响应上升时间为10-6

s 级,线圈的上限角频率高达6.7 106r ad/s ,对应频率为1.1 106H z 。电流互感器作为保护用,要求如实反映13次以内谐波,13次以上谐波分量很小可忽略。短路暂态过程时间常数一般

在几十ms 以上,实际频率响应要求在1kH z 以内。

所以基于螺旋管空心线圈的电流互感器从理论上可满足用于电力系统电流互感器的要求。

图5 螺旋管空心线圈单位阶跃响应

Fig.5 Step response of spiral air -core coil

图6 螺旋管空心线圈幅频、相频特性Fig.6 Bode diagram of spiral air -core coil

4.2 线性度与抗干扰测试实验

用于测试的螺旋空心线圈,内环骨架半径为8m m ,二次传感线圈用 0.74mm 的漆包铜线紧密

单层绕制,匝数200,一次线圈用 1.5m m 的塑包线在与二次线圈总长相同的长度上均匀单层 8

字型绕制且匝数为8。外接如图3所示的积分电路,积分参数设置与4.1节中的相同。

采用VENUS -330微机保护测试仪作为交流正弦电流提供装置,其单相最大输出电流可达15A (有效值)。任选三相输出电流中的一相(如A 相)作为一次信号输入,再选一相(B 相)作为产生干扰磁场的电流输出。通过控制A 、B 相输出电流的大小,进行电流测量和抗干扰实验,首先,不加干扰磁场,观察A 相输出的感应电压;然后,保持以上已调好的A 相输出电流值不变,将B 相干扰输出电流相调节至A 相一次电流的10倍输出,进行抗干扰测试实验。将B 相电流导线按图2所示的干扰电流的位置逐一摆放试验,发现螺旋管空心线圈输出的感应电压与无干扰时相同。最终其测量的小电流(0~1.2A )与输出电压关系如图7所示,实验表明:该空心线圈电流互感器在测量小电流时线性度

55 第4期 彭春燕等:新型螺旋管空心线圈电流互感器

好、

抗干扰能力强。

图7 电压随电流的变化图

Fig.7 Diagram of voltage versus current

通过实验数据可以算得螺旋管空心线圈的互感系数为5.78 H ,略大于理论计算值。这主要是因为理论计算忽略了不同轴线圈之间的互感。

5 使用中应注意的一些问题

(1)实际应用中一次绕线

在电力系统应用中,由于一次导线较粗,因此不宜绕成多匝及 8 字型。可考虑将一次导线绕成一匝 几 字型,并将其与螺旋管空心线圈固定在一起(如图8所示)。采用图2中的抗干扰分析方法可知,其抗外界磁场干扰能力与一次绕成 8 字型

的螺线管空心线圈相同。

图8 实际应用中一次绕线图Fig.8 Primary windings diagram

in practical application

(2)一次螺旋线圈所受电动力

因为一次线圈尺寸与形状的变化将影响到测量精度,在大电流(80kA 以上)情况下,一次螺旋线圈在自身电流产生的磁场下将受到电动力作用。为保证在这种受力情况下,其形状与尺寸不发生改变,一次螺旋线圈选材应该满足其内力强度要求。

如图9所示,通有电流I 的圆环在I d l 1小段总的电磁场强度为

B = o 4

2 -

2

2I d l r o r

2= o I 8 R In |(1+ cos 4)/(1-co s 4)|

(9)

I d l 1段该电磁场中所受的作用力为

F =I d l B =IR B = o I

2

8

ln |(1+cos

4)/(1-co s 4

)|(10)

式(9)和(10)中, =d l 1/R 。

将一次螺旋线圈分成数个I d l 1小段,拉力F 拉与电动力F 共同作用将对I d l 1段产生轴力N 与剪力Q,由文献[12]可以得出:

N =F 2

cot A [ ]

Q =F 2 A [ ]

(11)

式中:[ ]为所用材料许可拉伸强度;[ ]为许可剪

切强度;A 为截面面积。

图9 电动力分析计算图

Fig.9 Diagram for electric force calculation

取 =1 ,I =80kA ,根据式(9)、(10),F

399N ,由于铜线每平方毫米能通电流6A 左右,当I =80kA 时需导线截面积A 约为1.3 104m m 2,根据式(11),[ ] 1M Pa ,[ ] 0.1MPa ,可采用高导电铍铜合金导线绕制一次螺旋线圈。

6 与罗氏线圈相比存在的优势

螺旋管空心线圈与罗氏线圈一样都为空心线圈,无铁磁材料,不存在磁饱和现象,除此之外,螺旋管空心线圈与罗氏线圈相比存在以下优势:

(1)抗干扰能力强。螺旋管空心线圈连线方式使外界干扰在管中产生的感应电动势两两相消,而一次螺旋导线在管中产生的感应电动势分别叠加,既保证了抗干扰能力,又保证了测量精度。

(2)增大互感系数容易。在通过增加单层匝数与层数的办法上,罗氏线圈因环形骨架结构很难保证各层均匀密绕,直螺旋管比环行管容易绕制,更易保证其一致性;此外,螺旋管空心线圈还可通过成对增加直螺旋管个数的办法来增大互感系数,如

图10所示。

(3)灵敏度高。单层绕制的罗氏线圈的互感大小为0.1 H ~1 H ,螺旋管空心线圈一次与二次

56 电力系统及其自动化学报 第21卷

旋管空心线圈,实验测得互感系数为5.78 H

。

图10 有三对直螺旋管的结构剖面图

Fig.10 Profile of three pairs of pipes

(4)所有长直螺旋管结构匝数一致,且比环形制作加工简单,成本低。

7 结论

(1)新型螺旋管空心线圈电流互感器,其线性度好,抗干扰能力强,灵敏度高,频率特性好,结构简单,制作加工容易。

(2)针对外界电磁干扰,进行抗电磁干扰实验,模拟了外界电磁环境对其测量的影响。实验证明其具有良好的抗电磁干扰能力。

(3)提出一些应用中应该注意的问题,分析了可能出现的电动力问题,给出解决措施。

(4)与罗氏线圈进行了分析比对,分析表明螺旋管空心线圈具有一定的相对优势。

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作者简介:

彭春燕(1983-),女,硕士研究生,主要从事电力系统微机保护与综合自动化研究。Email:pcy505@163.com

周有庆(1944-),男,教授,博士生导师,主要从事电力系统微机保护与综合自动化研究。Email:zho uyouqing@to m. com

龚 伟(1984-),男,硕士研究生,主要从事电力系统微机保护与综合自动化研究。Email:g ongw ei02@163.com

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第4期 彭春燕等:新型螺旋管空心线圈电流互感器