基于空心线圈的电子式电流互感器设计大学论文

2013届毕业生毕业设计说明书题目: 基于空心线圈的电子式电流互感器设计学院名称：电气工程学院班级： xxx学生姓名： xxx 学号： xxx指导教师： xxx 教师职称： xxx2013年05月15日目次引言 (1)1 电子式电流互感器概述 (2)1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义 (2)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 本课题研究的目的 (4)2 系统方案设计 (5)2.1 系统方案论证 (5)2.2 课题方案设计 (5)3 电子式电流互感器传感头介绍 (7)3.1 Rogowski线圈的结构及其工作原理 (7)3.2 计算Rogowski线圈的互感系数 (8)3.3 Rogowski线圈两种工作状态 (9)4 高压端电路和供电模块 (12)4.1 积分电路 (12)4.2 滤波电路 (14)4.3 A/D转换电路 (15)4.4 电源电路 (18)4.5 光纤收发模块 (20)5 低压端电路 (21)总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录： (26)引言随着电力系统的电压等级不断提高，对测量仪器的要求也越来越高，提高测量仪器的测量精度有利于电力系统安全和经济地运行。

目前广泛使用的电流互感器是传统的电磁式电流互感器，但由于其本身存在缺点，人们不得不研究开发一种新型的互感器来代替它，在这个背景下，一种新型的电流互感器——电子式电流互感器随之兴起，它满足了目前电力系统中对电网电流的测量的要求，克服了传统的电磁式电流互感器的缺点，有广阔的发展空间。

本文设计的电子式电流互感器采用了Rogowski线圈、89C51单片机、MAX197 A/D转换芯片为主要部分。

通过Rogowski线圈对电网中的电流进行采样，实时的分析和处理采样电流，将母线电流的实际状况显示出来，然后把信息反馈到控制室，如果电流出现异常，控制室向继电保护发出保护命令，保证电力系统的正常运行。

1 电子式电流互感器概述1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义随着电力系统进入以大机组、大电厂、大电网、超高压、自动化为主的新时期，智能化电网技术兴起并得到了发展。

这种新技术对电力系统中的传感器提出了“传输网络化、测量线性化、信号数字化”的新要求，同时，数字化功率计量、计算机继电保护装置的广泛应用，对电压、电流互感器技术及其产品向小型化和低功耗方向发展成为可能。

目前，国内外的输变电设备电压都达到了1000KV，系统的短路电流也跟着提高，测量高电压、大电流对电力系统的安全运行及经济运行有重大的意义，准确的测量电网中的电压、电流对电能测量、系统检测诊断、继电保护及电力系统分析极为重要。

目前，电网中常用的电流互感器是传统的电磁式电流互感器，虽然它有长期的运行经验，且技术成熟，但因它由铁芯和线圈构成，使用中存在很多问题，主要有以下几点：(1) 绝缘难度较大，为了提高绝缘强度适应500KV以上的电网，而提高了互感器的体积、质量；(2)动态范围小，由于互感器内部使用了铁芯，当被测电流较大时，容易出现磁饱和现象，从而导致互感器的测量不精准，使二次保护不能保证在故障情况下动作。

(3)互感器输出信号为模拟信号，输送的二次侧需要电缆作为媒介，还需要设备将其转换成数字信号输出；(4)二次侧不能开路，由电磁感应原理可知，开路后二次侧两端会产生高压，对人和其它设备产生危险；(5)易产生铁磁谐振。

上述原因使得传统的电磁式电流互感器面临着巨大挑战。

而电子式电流互感器克服了电磁式电流互感器的缺点，其有以下优点：(1)传感头使用的是线圈，没有了铁芯所造成的缺点，绝缘性能好，体积小、重量轻、造价低。

(2)良好的线性度，不存在磁饱和现象，其动态响应范围大。

(3)通过光电转换，转换成光信号，由光纤传输至二次侧设备接口，输出信号可以是数字信号也可以为模拟信号。

(4)不存在铁磁谐振现象，不干扰影响环境和设备。

(5)无充油，二次侧没有开路的危险，利于维护和维修。

综上所述，电子式互感器没有传统电磁式电流互感器的缺点，适合当前电网的需要，有广阔的发展和应用空间。

1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状为了适应现在电网的高速发展，传统的电磁式电流互感器已不能满足电网的需求，从20世纪80年代，人们开始对新型的电流互感器进行研究、创新。

美国主要研究的是块状结构的磁光式电流互感器，并进行过挂网运行试验。

在电流互感器发展的几十年里，日本及西欧的几个国家也在这种电流互感器上进行了大量的研究，但是由于磁光式电流互感器本身存在的缺点（制造难度大、受外界影响大），以至于它不易于大规模的工业生产，所以没有推广。

磁光式电流互感器没有得到推广，加拿大的NxtPhase公司向另一种电流互感器进行了研发，他们利用激光陀螺中的研究成果，成功的研制了全光纤式电流互感器，且此种电流互感器的准确等级达到了0.2级，并生产出了系列的产品。

该产品已在多个国家挂网运行。

全光纤式电流互感器有巨大的研究价值和市场空间，大部分国家都加大了对它的研究力度。

20世纪90年代，美国ABB公司成功研制出了有源式的电子式电流互感器，为电流互感器的发展做出了巨大贡献。

1.2.2 国内研究现状我国对电子式电流互感器的研究起步较晚，目前国内从事电流互感器的研究的有清华大学、华中科技大学、西安交通大学、沈阳互感器厂、大连第一互感器厂、北京四方华能电网控制有限公司等，但大多数都处于试制阶段。

华中科技大学研制的电子式电流互感器是利用法拉第效应，清华大学研究的有两种，一种是利用Rogowski线圈，一种是利用法拉第效应。

清华大学和中国科学院共同研制的110KV的光学电流互感器于1991年进行了挂网运行。

华中科技大学在2004年设计了电子式低功耗电流互感器。

至今，我国在研究电子式电流互感器方面已经取得阶段性的成果，虽然和国外一些发达国家相比仍有差距，但我相信我们会很快追上发达国家的研制水平的。

1.3 本课题研究的目的本课题研究的目的就是设计出一个电子式电流互感器，在当今高电压、大电流的电力系统中能够准确的测量电网中母线电流，克服传统的电磁式电流互感器的缺点。

2 系统方案设计2.1 系统方案论证电子式电流互感器由一次采样传感头、数据传输部分及数字信号处理部分组成，电子式电流互感器按一次侧是否有供电电源分，可分为有源式和无源式两种，高压侧有电源的为有源式电流互感器，没有电源的为无源式电流互感器。

无源式电流互感器的传感头不需要供电装置，但其易受外界影响。

有源式电流互感器传感头虽然需要供电装置，但其原理简单，已被广泛应用。

有源式电流互感器可分为压频转换式、A/D转换式两种。

压频转换式电流互感器经传感头采样的信号传至低压端电路需要经过两个步骤，采样得到的电压信号需要转换成脉冲频率变化信号，电脉冲信号再经过光电转换转换成光信号，光信号通过光纤传输至低压侧经过一系列的处理后在控制室显示出来。

A/D转换式电流互感器和压频式电流互感器的大致结构基本相同，不同的是将传感头采样的信号经过A/D转换器转换成数字信号，然后经过电光转换变成光信号，信号通过光纤传输至低压侧，经过一系列的处理可以以数字信号方式输出也可以以模拟信号输出。

2.2 课题方案设计上文论述了电子式电流互感器的组成部分及两种不同的有源电子式电流互感器的工作步骤，经过比较个人感觉A/D转换式电流互感器比较简单，故本课题设计的电子式电流互感器定为A/D转换式电流互感器，本设计的系统结构框图如图2.1所示。

积分电路A/D 转换光电转换发射光电转换接收数字信号处理时序电路稳定电源数字输出高压端低压端采样线圈高压母线D/A 转换模拟输出2.1系统结构框图整个系统由Rogowski 线圈、积分电路、A/D 转换器、E/O 转换模块、电源等几部分组成。

系统由89C51单片机控制，采样线圈（Rogowski 线圈）在高压母线上经过电磁感应得到一个电压信号，该电压信号为微分信号，需要经过积分电路使其相位还原，还原后的信号经过A/D 转换器把模拟信号转换成数字信号，再经过光电转换和传输模块送至低压端，经过数字信号处理后以数字信号输出。

3 电子式电流互感器传感头介绍电子式电流互感器的传感头采用Rogowski 线圈，Rogowski 线圈根据截面来分可以分为两种，一种是矩形，一种是圆形；根据骨架来分又可以分为环形骨架和方形骨架两种。

本设计采用的是横截面为矩形，骨架为环形的Rogowski 线圈。

其优点是结构简单，容易工业化生产且易均匀缠绕。

3.1 Rogowski 线圈的结构及其工作原理目前，大多数电子式电流互感器的传感头选用的是Rogowski 线圈，Rogowski 线圈造价便宜，且性能优异。

它的测量精度可达到0.5%——1%，测量范围也较广，可以达到几千安培。

环形骨架的Rogowski 线圈的结构原理图如图3.1。

)(t i )(t e图3.1 环形骨架的Rogowski 线圈的结构原理图Rogowski 线圈均匀缠绕在一个由塑料棒（例如聚酰胺等非磁性材料)构成的截面均匀的环形骨架上，被测电流穿过上图所示的环形，由电磁感应原理可知线圈两端会产生一个感应电动势)(t e 。

测量线圈的磁链与被测电流存在线性关系，设环形半径为R ，骨架半径为r ，则横截面积2r S π=。

当r R >>时，骨架单位长度dl 上的小线圈的磁链：dl SB Rn d l πφ2= 式中：l B ——磁感应强度在测量线圈轴线方向的切线分量；n ——Rogowski 线圈的总匝数。

小线圈的总磁链为：Hdl RnS dl B R nS l ⎰=⎰=Φπμπ220 根据全电流定律有：Hdl i ⎰=，则有i RnS π2=Φ。

()dtdi R nS dt d t e t πμφ20== 0μ——真空磁导率，m H /10470-⨯=πμ3.2 计算Rogowski 线圈的互感系数当一个线圈中的电流发生变化时，将在它周围空间产生变化的磁场，从而可在附近的另一个线圈中产生感应电动势，这种因两个载流线圈中的电流变化而相互在对方线圈中激起感应电动势的现象称为互感现象，相应的电动势叫做互感电动势。

为了使Rogowski 线圈测得的母线电流更加准确，我们需要研究Rogowski 线圈的互感系数，下面就以横截面积为矩形的线圈进行分析。

图3.2为横截面积为矩形的Rogowski 线圈测量电流的示意图，骨架的材料为非磁性材料，且线圈均匀的缠绕。

)(t i )(t e 1R 2R 21R R -图3.2 横截面为矩形的线圈测量电流示意图设骨架的半径为R ，通过母线的电流为1i ，根据全电流定律有：Hdl i ⎰=1； 则： R i H π21= 故： Ri H B πμμ2100== (1) 横截面面积为： )(12R R h S -= (2)由电磁感应定律有： dtd te Φ-=)( (3) B d s ⎰=ϕ (4)将(1)式和(2)式带入(4)式积分的：1210ln 2R R h i πμϕ= 总磁链： ϕφn = (5)将上式带入(5)式得感应电动势为：dt di R R nh dt d t e 120ln 2)(πμ-=Φ-= 由于： dtdi M t e -=)( 所以互感系数M 为： 120ln 2R R nh M πμ=式中： ● 0μ——真空磁导率，M H /10470-⨯=πμ；● 1i ——被测导体中流过的电流，单位A ；● n ——线圈匝数；● h ——骨架高度，单位m ；● 2R ——骨架外径，单位m ；● 1R ——骨架内径，单位m 。