空心线圈的理论分析及试验(徐雁)

统 中 每 相 电 流 一 般 需 要 F个 测 量 $ F个 保 护 共 需 " 个电流互感器的 情 况 $ 在采用空心线圈电流互感器 时$ 经过充 分 考 虑 $ 现 用 一 个 空 心 线 圈 代 替$ 保护和 测量由二次线路分别处理输出 % 新的方案使线圈部 分体积大大缩小 $ 二次输出能直接输出到微机保护 装置 % 针对实际所用的空心线圈电流互感器 $ 现设计
8 引言
电力互感器是电力系统自动化最基本的测量设 备之一 ! 在电力系统中被广泛地应用 ) 目前 ! 电磁式 互感器得到了比较充分的发展 ! 然而 ! 随着电力传输 容 量 的不断增长 ! 电网电压等级的不断提高及保护 要 求 的不断完善 ! 铁心式电流互感器已逐渐暴露出 与 之 不相 适 应 的 弱 点 ! 如 固 有 体 积 大. 磁 饱 和. 铁磁 谐振. 动态 范 围 小 . 使 用 频 带 窄 等! 已难以满足电力 系统发展的要求 ! 因此 ! 寻求更理想的电流互感器已 是当务之急 ) 目 前! 已在电力系统中广泛应用的以微处理器 为基础的数字保护装置 . 计量测试仪表 . 运行监控系 统 以 及发电机励 磁 控 制 装 置 等 都 要 求 采 用 低 功 率 . 紧凑型的电压和电流量测代替常规的电流互感器和 电 压 互感器 ! 这是 电 力 系 统 技 术 创 新 面 临 的 重 要 任 务! 它对提高电力 系 统 特 别 是 电 力 系 统 保 护 的 可 靠
图 中 0* ‘ 为空心线圈的互 + 为 原 方 被 测 电 流_ 感_ 为内阻 _ a为自感 _ ) 8 7 & 为寄生电容 _ b 为取样电 阻_ 为空心线圈后接积分器的积分电阻 7 _ 8为空心 线圈后接积分器的积分电容 _ , . /为感生电动势 _ c3 为实际输出电压 _ 为空心线圈互感器积分器的输 c& 出电压 6 该系统的传递函数 d为0 / e de /" c&e / c e /c3e /c&e / g " " f e / f e /c e / c3e / g
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积分等于穿过这封闭轮廓所限定面的电流 ! 即( ge ] hW Z d
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收稿日期 (* % % / 6 % 7 6 $ % 1修回日期 (* % % / 6 / * 6 * # )
则有 (
} 研制与开发 } 徐 雁等 空心线圈作为保护用电流互感器的理论分析和试验 > Z ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
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p q " 从 以 上 的 设 计 原 理 可 以 看 出5 空心线圈电流互 感器由于不含铁心 5 从理论上消除了磁饱和现象 5 改 善了电磁式电流互感器频带窄和范围小的缺点 6 由 于 不 存在剩磁和 磁 饱 和 5 电流互感器的测量准确度 和稳定性也大为改善 6 同时 5 空心线圈电流互感器相 对传统互感器体积大大减小 5 重量大为减轻 5 十分有 利于产品的绝缘设计和产品的小型化 6 空心线圈电 流互感器与传统电流互感器在二次输出上有很大的 不同5 电流互感器 的 二 次 输 出 不 再 是 一 个 电 流 量 而 是一个电压量 5 而且没有二次输出不能开路的限制 5 它 的 小电压信号 输 出 可 以 十 分 方 便 地 实 现 量 化 5 或 与计算机接口实现数字化保护 4 测量和传送 6
采用一环形非磁性骨架 ! 骨架半径为 U 截面积 ! 为V 线圈均匀缠绕在此环形骨架上 ! 可以证明 WX ! Y 测量线圈所交链的磁链与环形骨架内的被测电流 Z [ * : 存在线性关系 9 当 时 空心线圈单位长度 ) U \X ! ] ^ 上的小线圈所交链的磁链 ] 为( _ ‘ V b ] ^ ] _ W c * a U 式中 ( b c 为磁感应强度在测量线圈轴线方向上的切 线分量 1 ‘ 为小线圈的总匝数 ) 整个空心线圈的小线圈所交链的总磁链 _ 为( ‘V f ‘V % _ W b ] ^W ge ] h ce * a U * a U 根据全电流定律 ! 磁场强度 g 沿任意封闭轮廓
的空心线圈结合现代集成电子技术 ; < = < >? + @ 作为电力电流互感器 ! 以其突出的优点 ! 得到了广大 研究人员的青睐 ) 空心线圈电流互感器采用非磁性 材 料 作 为 传 感 器! 无 饱 和. 无 剩 磁. 体 积 小. 频 带 宽. 输 出 低电平小电 流 信 号 ! 特别适用于电力系统数字 保护装置 ) 华中科技大学早在 * %世纪 & %年代就空 心线圈互感器在高压大电流 . 脉冲大电流 . 焊接电流 等方面做了大量的工作 ! 积累了丰富的经验 ! 为现在 开发研制电力系统保护用空心线圈电流互感器打下 了坚实的基础 )
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Q " s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s 由式 ! 可画出对数幅频曲线 $ 如图 "所示 % " # 线圈的骨架材料及互感器所用电子元器件都做了精 心的选择 $ 尤 其 注 意 了 温 度 变 化 的 影 响O 另 外$ 为了 适应恶劣的电磁 干 扰 环 境 $ 对空心线圈做了特别的 处理 $ 对二次电路进行了电磁兼容性设计 % 对电力系
准确地测量 9 6 + 就可获得 * + 通过适当地放大和补偿非理想情况造成的相 移5 可将信号 9 调整为 ; / . < =标 准 规 定 的 标 准 值 5 + 成严格的线性关系 该值与被测信号 * 6模拟电路根 + 据 保 护和测量的 不 同 要 求 5 分别将保护和测量的额 定 信号输出调整为 3 有效值/ 和 A@有效 > &?@值/ 数 字 电 路 的 额 定 输 出 分 别 为 6 & 3 = B C和 ’ A 3 D C6 系统结构框图如图 ’所示 6
第 * i卷
第 / i期
k< l 2 * i m< 2 / i
* % % *年 j月 * 5日 op = 2 * 5 !* % % * 5 * n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n
样机的主要技术指标为 C 保护 QR 计量 " L L_$ F L级 $ 测量 L 输出组合 L 环 L * F级 $ * Q级 $ * F ‘ L W Q ‘ QR ‘ QR $ 形线圈外径 aDE Y LZZ% 测 量 和 保 护 信 号 集 于 一 个 线 圈 上$ 根据前面分 析可知要同时考 虑 频 率 响 应 和 误 差 的 要 求 $ 并对温 度变化的影响及外部干扰影响也做了相应的测试 % ^ * b 频率响应试验 首 先$ 将线圈与二次电路部分整个作为电流互 感器整体 $ 施加 L 的 正 弦 信 号$ 观察其幅频 c F\ B] 特性的变化 % 图 Q为试验原理图 %
空心线圈的上 ? 下限频率分别为 @ A和 @ BC E @ AD F G H I E @ B D F GK J I L 理论上的工作频率范围 M 为 @ C M @D @ B N @ AD E N F GK J I L 在 实 际 应 用 中$ 考虑最佳阻尼情况和保护与测 量的相对误差要求 $ 工作频率范围会相应减小 O 而且 随着相对误差要求的提高 $ 频带范围亦会变窄 $ 这是 因 为 随着误差要 求 的 提 高 $ 必然提高线圈输出信号 的 信 噪比 % 这 样 就 导 致 单 位 长 度 匝 数 增 加 $ 最后使 上限频率 @ $ $ J I P 增加 $ L B 下降 % 电力系统保护用电流互感器按照国标规定分为 则额定电流 QR级和 E LR级 % 本文按 QR级 要 求 $ 时$ 二次保护输出值的相对误差 S 应小于 TE U% 由 式! 可推导证明在 时有 " # DTE U C S E L @ @ A B @ D D @ AV BV F W X X KF 电流互感器作为保护用 $ 要求如实反映 E Y次以 内谐波 $ 可忽略O 而短路 E Y次以上的谐波分量 很 小 $ 暂 态 过 程 的 时 间 常 数 一 般 在 几 十 Z[以 上 $ 所以实 际的频率响应要求只在 E\ 以内 % 作为测量用电 B] 流互感器 $ 主要测量稳态时的基波有效值 $ 所以空心 线圈电流互感器从理论上和实际上都完全能满足用 于电力系统的电流互感器的要求 % E F G H I
#$ % & * + ’ ( ) 整个线圈的感应电势 , 为0 / . ! " #$ % * 2 ! &2 + "1 3 / 2 . ’ ( ) 2 . 当线圈骨架材料一定 4 尺寸一定 4 绕制线圈所用 , . /"1 的 导 线 线 径 一 定 时5 则) 感 5 #5 $均 可 视 为 恒 定 值 5 应电势 , 就正比于被测电流 * / . + 的微分值 6 传感器 输 出 的 信 号 , 是被测信号 * / . +的微分 积分器是模 值 6 为求得输出与 * + 的 直 接 线 性 关 系5 拟电路部分的关键 6 设积分器积分参数为 7 和 8 则 5 有0 % 3 3 #$ & * , . / 2 . " ’ / + 7 8 7 8 ’ ( ) 积分器输出 9 与被测电流成线性关系 5 只要 / . + 9 . /"1 +