一種微機保護電流傳感器的設(shè)計及性能分析

盧小芬,周有慶,彭春燕,劉樂群

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州 362021; 2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長沙 410082)

一種微機保護電流傳感器的設(shè)計及性能分析

盧小芬1,周有慶2,彭春燕2,劉樂群2

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州 362021; 2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長沙 410082)

對Rogow ski空心線圈進行結(jié)構(gòu)改進,提出一種微機保護用新型電流傳感器.詳細(xì)分析該傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,給出其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時輸入輸出關(guān)系.模擬實驗結(jié)果表明,該傳感器對外界干擾磁場和相鄰相干擾磁場同樣具有很好的抗干擾能力;當(dāng)(L0,R0)?R?Rf時,測量電流時的誤差及相位移均可滿足準(zhǔn)確級的要求.此外,暫態(tài)特性分析表明,輸出電壓能夠準(zhǔn)確反映輸入的直流分量電流.

電流傳感器;保護;微機;電力系統(tǒng);Rogow ski空心線圈

目前,電力系統(tǒng)廣泛使用電磁式電流傳感器進行微機保護,即將電流互感器的二次電流變換成微處理器允許接收范圍的小電壓信號.由于電力系統(tǒng)向大容量、超高壓和特高壓方向發(fā)展,當(dāng)電磁式電流變換器出現(xiàn)短路電流或存在非周期分量時,易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象,此外,通頻帶不夠?qū)挕⑹４诺热秉c也對電流互感器的暫態(tài)誤差影響很大,進而影響電力系統(tǒng)微機保護裝置的性能[1].近年來,基于Rogow ski空心線圈的電子式電流互感器在微機保護領(lǐng)域已得到逐步應(yīng)用[2-3],但其結(jié)構(gòu)大多復(fù)雜、抗干擾能力有限[4].本文對Rogow ski空心線圈結(jié)構(gòu)[5-6]進行改進,提出一種應(yīng)用于微機保護系統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)電流傳感器.

1 原理與結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)分析

新型電流傳感器為兩層結(jié)構(gòu),一次導(dǎo)體采用一匝或多匝導(dǎo)線繞制,二次導(dǎo)體采用平面螺旋線圈,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

圖1 新型電流互感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the new style electric current transducer

每層印制電路板(PCB)上均有4個相同形狀的平面螺旋線圈,可以將其設(shè)計成方形、圓形、橢圓形或其他形狀并對稱擺放,將平面螺旋線圈的磁中心連線后應(yīng)為等邊四邊形(正方形或菱形).每層相鄰的螺旋線圈順次串聯(lián),層與層之間的螺旋線圈通過過孔順次串聯(lián),首未端頭作為二次電壓的輸出端.

同理,PCB平面螺旋線圈可設(shè)計成偶數(shù)多層板,各層PCB的對應(yīng)位置平面螺旋線圈要互相串聯(lián),4個多層平面螺旋線圈依次反極性串聯(lián)輸出二次電壓;或者設(shè)計成雙層板疊裝成多層PCB,采用多個雙層PCB輸出二次電壓端互相串接輸出二次電壓.

1.2 傳感原理

二次線圈與被測電流一次導(dǎo)體之間存在交鏈磁鏈,只要被測電流ip(t)發(fā)生變化,即所交鏈的磁鏈發(fā)生變化,則每個螺旋線圈中就會產(chǎn)生與被測電流變化率有關(guān)的感應(yīng)電動勢,電動勢方向均相同.電動勢順次串聯(lián)而相互疊加,輸出一個正比于被測電流變化率的電壓信號e(t).由電磁感應(yīng)定律,可得

式(1)中:M為一次導(dǎo)體與二次螺旋線圈之間的互感系數(shù).

不考慮二次螺旋線圈自身的結(jié)構(gòu)參數(shù),感應(yīng)電壓信號經(jīng)積分放大后的輸出電壓為

式(2)中:R,C為積分電路的積分電阻與電容;Kra為電子式電流傳感器一次電流輸入與二次電壓輸出的額定變比,Kra=RC/M.參見圖1可知,一次導(dǎo)體與4個二次螺旋線圈總的互感系數(shù)M=M1,2+M1,3+M1,4-M1,5.其中:M1,2,M1,3,M1,4,M1,5分別為一次導(dǎo)線與二次螺旋線圈2,3,4,5之間的互感系數(shù).

2 性能分析

2.1 抗干擾性

實際應(yīng)用中,傳感器不僅能抗遠(yuǎn)端磁場(可視為均勻磁場)的干擾,還能抗附近或鄰相電流帶來的磁場干擾.從圖1可知,PCB上4個二次螺旋線圈因結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致且依次串接.當(dāng)外界均勻磁場垂直作用于PCB上時,4個二次螺旋線圈的感應(yīng)電動勢大小相同,方向相反,通過依次串接最終抵消,使得外界干擾磁場在整個傳感器中無響應(yīng)輸出.因此,該傳感器對外界干擾磁場具有很好的抗干擾能力.

相鄰相作用于傳感器上的磁場即可視為均勻磁場或梯度磁場,若將其視為均勻磁場,易知相鄰相作用在整個傳感器中無響應(yīng)輸出;若將其視為梯度磁場,由線性原理可知,螺旋線圈2與螺旋線圈5的感應(yīng)電動勢之和等于螺旋線圈3與螺旋線圈4的感應(yīng)電動勢之和.又因為和感應(yīng)電動勢方向相反,順次串聯(lián)后傳感器最終亦無響應(yīng)輸出.綜上所述,該傳感器對相鄰相干擾磁場同樣具有很好的抗干擾能力.

2.2 穩(wěn)態(tài)工作性能

新型電流傳感器的等效電路圖,如圖2所示.圖2中:L0為空心線圈的自感;R0為空心線圈的內(nèi)阻;C0為線圈雜散電容;M為空心線圈的互感.測量工頻電流時,空心線圈處在微分狀態(tài),通過它的輸出端接積分器,可實現(xiàn)對輸出電壓的積分.為簡化分析,忽略雜散電容的影響,由等效電路可得其傳遞函數(shù)為

將其轉(zhuǎn)化為

圖2 新型電流傳感器的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the electric current transducer

式(5)中:r=R0+R.式(5)的相量圖,如圖3所示.電流傳感器測量電流時的誤差ε及相位移φ為

由式(6),(7)可知,當(dāng)(L0,R0)?R?Rf時,電子式電流互感器測量電流時的誤差ε及相位移φ均可滿足準(zhǔn)確級的要求.

2.3 暫態(tài)特性

電力系統(tǒng)正常運行的破壞大多是由短路故障引起的.發(fā)生短路時,系統(tǒng)從一種狀態(tài)劇變到別一種狀態(tài),并伴隨產(chǎn)生復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象.高壓輸電線路的暫態(tài)電流中通常包含基頻分量、直流分量及高頻分量,微機保護電流傳感器對暫態(tài)電流的響應(yīng)可視為它對各部分分量響應(yīng)的疊加.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路時,考慮最嚴(yán)重情況,接入微機保護一次線圈的電流互感器的暫態(tài)電流假定為“全偏移”,其表達式為

圖3 空心線圈的相量圖Fig.3 Vecto r of the air coil

式(8)中:Ipsc為一次電流對稱分量方均根值;Tp為暫態(tài)一次時間常數(shù);ipres(t)為一次剩余電流,包括諧波,分?jǐn)?shù)諧波分量及一次直流電流.根據(jù)式(4),當(dāng)(L0,R0)?R?Rf時,在工頻電流分量Ipsccosw t作用下,傳遞函數(shù)可近似為|H(jw)|=M/RC,則二次電壓輸出值為

式(9)中:φ是相位差.由于空心線圈測量電路具有較寬的通頻帶,此相移一般很小,并可通過后級的移相電路加以校正.對直流分量在直流分量作用下二次電壓輸出值為Us,2(s)=H(s)Ip,2(s).經(jīng)拉氏逆變換,可得到輸出電壓為,其拉氏變換為

二次輸出電壓包含3個分量,第1分量為衰減時間常數(shù)T1的指數(shù)衰減分量,第2分量為衰減時間常數(shù)T2的指數(shù)衰減分量,第3分量的衰減時間常數(shù)為Tp的指數(shù)衰減分量,與輸入電流相同,是希望得到的輸出.由于L0值一般很小,因此T1值亦很小.第1分量衰減的非常快,對輸出電壓的影響很小,可以將其忽略;Tp為一次系統(tǒng)參數(shù),T2為可設(shè)計參數(shù),如滿足T2?Tp,則在第3分量的衰減過程內(nèi),第2分量基本不變,使輸出電壓波形基本與第3分量波形一致,即接近于輸入的電流波形.

綜上可知,第3分量對輸入的直流分量的靈敏度與工頻分量的靈敏度相同.當(dāng)Rf?Tp時,K2?K3,即第2分量對輸出電壓的影響非常小,因此,輸出電壓能夠準(zhǔn)確反映輸入的直流分量電流.

微機保護用空心線圈的電流傳感器具有很寬的頻帶,理論上,頻率在1 M Hz以上.因此,需考慮的高頻分量均在通頻帶內(nèi),空心線圈傳感器對高頻分量的靈敏度系數(shù)也應(yīng)為M/RC,能如實反映保護所需頻率分量.

3 仿真實驗

為驗證新型微機保護電流傳感器性能,設(shè)計并制作了樣機,如圖4所示.該樣機二次螺旋線圈由3塊雙層PCB面板分別串聯(lián)而成,首端與未端作為感應(yīng)電勢的輸出端與積分器相連.單個二次螺旋線圈,其最外回繞線尺寸為30,60 mm,由外向內(nèi)逐回繞線,繞線寬度為0.3 mm,繞線間空隙寬度為0.3 mm,共線繞20回.二次螺旋線圈中心部分留有的空白區(qū)域,使傳感器在具有更大的靈敏度系數(shù)的同時減小傳感器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)值(如R0,L0),因此具有更好的動態(tài)特性.

微機保護新型電流傳感器一次線圈采用等安匝法模擬大電流,采用精密儀表測量積分器輸出后的二次電壓值.圖5為該新型電子式電流互感器線性度;圖6為其輸出電壓與輸入電流波形.從圖6中可看出,二次輸出電壓能很好地隨一次電流線性變化,能滿足微機保護裝置對電流傳感器的精度要求.

將通以大電流的干擾導(dǎo)線置于實驗?zāi)Ｐ透浇?相距為0 cm時,比差變化在0.15%以內(nèi);當(dāng)距離大于10 cm時,比差變化幾乎為零;實驗?zāi)Ｐ偷娜嗤瑫r通入測量電流,感應(yīng)電壓不變,相互間基本無影響.因此,PCB平面型Rogow ski線圈對外磁場干擾有較好的抵御效果.

圖4 二次PCB平面螺旋線圈實物Fig.4 Model of the PCB coil

圖5 新型電流互感器的線性度Fig.5 Linearity of the new style electric current transducer

圖6 二次電壓與一次電流波形圖Fig.6 Waveform of primary current and secondary voltage

4 結(jié)束語

理論分析和實驗結(jié)果表明,該傳感器原理正確,具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、無鐵心和磁飽和現(xiàn)象、頻帶寬、抗干擾能力強等特點,可以在現(xiàn)有微機保護和微機測控系統(tǒng)中替代常規(guī)電磁式電流傳感器.

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(責(zé)任編輯:陳志賢英文審校:吳逢鐵)

Design and Performance of a Novel Curren t Sensor for M icroprocessor-Based Relay Protection

LU Xiao-fen1,ZHOU You-qing2, PENG Chun-yan3,L IU yue-qun4
(1.College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China; (2.Electricity and Info rmation Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

A novel electric current sensor(ECS)p rototype for microprocessor-based relay protection was proposed in the paper.The prototype makes some improvement on the structure of the rogowski coil.Both the fundamental structure and the principle of the ECS was analyzed in detail,then the static and transient input-output relationship of the ECS was given also.Simulated results verify that,the ECS has the same anti-interference capability for the adjacent magnetic field as to the outside magnetic field,and the error and phase shift can meet the accuracy requirements during the current measuring when(L0,R0)?R?Rf.In addition,the transient characteristic analysis show that the output voltage can accurately reflect the input of the DC component current.

current sensor;relay protection;microp rocesso r;power system;rogow ski coil

1000-5013(2011)03-0276-04

TM 452.02;TM 772

A

2010-05-23

盧小芬(1972-),女,副教授,主要從事電力系統(tǒng)與自動化的研究.E-mail:lxf@hqu.edu.cn.

湖南省重大科技專項(05GK1002-1);國務(wù)院僑辦科研基金資助項目(09QZQ01);福建省泉州市科技重點項目(2009G7)