基于Rogowski線圈的微機(jī)保護(hù)裝置的研究

李隨科 ，羅 園

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741018）

1 引言

電器試驗(yàn)就是對(duì)電器工作在正常或故障狀態(tài)下所應(yīng)具備的性能的驗(yàn)證。電器試驗(yàn)電流的大小及通流時(shí)間隨著電器產(chǎn)品的不同而不同，即使相同的電器產(chǎn)品，試驗(yàn)項(xiàng)目不同其電流大小及通流時(shí)間也有巨大的差異，這就對(duì)電器試驗(yàn)回路的保護(hù)提出了嚴(yán)酷的要求。比如在短路試驗(yàn)中，電流往往達(dá)到數(shù)百千安，采用傳統(tǒng)的鐵磁式電流互感器可能由于發(fā)生磁飽和導(dǎo)致保護(hù)失靈而造成事故發(fā)生；如果采用無磁飽和的Rogowski線圈解決了大電流問題，但電器通斷試驗(yàn)電流又可能是數(shù)十安或者更小，又可能因Rogowski線圈在小電流情況下準(zhǔn)確度不足產(chǎn)生保護(hù)失靈而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。為了解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種集傳統(tǒng)鐵磁式電流互感器和Rogowski線圈為一體的新的微機(jī)保護(hù)裝置。

2 微機(jī)保護(hù)裝置的組成單元

結(jié)合電器試驗(yàn)特性以及微機(jī)保護(hù)功能，將微機(jī)保護(hù)裝置分為模擬量信號(hào)輸入單元、非電量信號(hào)輸入單元、中心處理系統(tǒng)、人機(jī)接口單元、開關(guān)量輸出單元、通訊接口六部分。

2.1 模擬量信號(hào)輸入單元

模擬量信號(hào)輸入單元主要包括電壓信號(hào)輸入、電流信號(hào)輸入，而本裝置中電流信號(hào)輸入又包括傳統(tǒng)鐵磁式電流互感器輸入信號(hào)和Rogowski線圈輸入信號(hào)兩種。

2.1.1 傳統(tǒng)鐵磁式電流互感器輸入信號(hào)的處理

傳統(tǒng)鐵磁式電流互感器將一次電流轉(zhuǎn)換到5A的范圍內(nèi)，但是通常計(jì)算機(jī)處理信號(hào)要求電壓信號(hào)，所以還需要將鐵磁式電流互感器經(jīng)過變換器轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)處理到與計(jì)算機(jī)要求匹配的電平范圍內(nèi)。為了滿足采樣要求以及保護(hù)CPU的需要，在變換器后增加低通濾波器以形成傳統(tǒng)的鐵磁式電流互感器輸入信號(hào)處理回路如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)鐵磁式電流互感器輸入信號(hào)的處理回路示意圖

2.1.2 Rogowski線圈輸入信號(hào)的處理

Rogowski線圈就是將導(dǎo)線均勻纏繞在等截面、非磁性的骨架上而形成的電感線圈，電感線圈輸出電壓與一次電流的微分電流成正比，如式（1）所示。

實(shí)踐證明，Rogowski線圈具有良好的精度和線性度，但無論用于測(cè)量還是保護(hù)，微分信號(hào)還需要配備相應(yīng)的積分放大器才能夠滿足使用要求。由于Rogowski線圈與積分放大器配合后輸出依然是小電壓的模擬信號(hào)，所以同傳統(tǒng)的鐵磁式電流互感器輸入信號(hào)的處理相比可以省略變換器和低通濾波器而增加了積分放大器。Rogowski線圈輸入信號(hào)的處理如圖2所示。

圖2 Rogowski線圈輸入信號(hào)的處理回路示意圖

考慮到電器試驗(yàn)的電流范圍大，為了保證中心處理系統(tǒng)檢測(cè)電流的準(zhǔn)確性，在電流處理回路根據(jù)傳統(tǒng)的鐵磁式電流互感器與Rogowski線圈的特性增加了不同的電流檔位選擇。

2.1.3 電壓信號(hào)輸入的處理

電壓信號(hào)接收到的電壓互感器二次電壓在100V范圍內(nèi)，對(duì)其的處理基本上與傳統(tǒng)鐵磁式電流互感器輸入信號(hào)的處理方法相同，只不過傳統(tǒng)鐵磁式電流互感器的變換器是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而電壓信號(hào)輸入的變換器是將100V的信號(hào)處理為與低通濾波器相匹配的電壓信號(hào)。

2.2 非電量信號(hào)輸入單元

非電量信號(hào)輸入單元就是將電器試驗(yàn)保護(hù)的非電量信號(hào)（比如瓦斯繼電器、溫度繼電器的輸出信號(hào)）傳送到中心處理系統(tǒng)。為了保護(hù)CPU，在非電量信號(hào)輸入與中心處理系統(tǒng)之間增加了光電隔離環(huán)節(jié)。

2.3 人機(jī)接口單元

人機(jī)接口單元包括液晶顯示、鍵盤、各種面板開關(guān)、狀態(tài)指示燈等，其主要功能用于人機(jī)對(duì)話，如調(diào)試、定值調(diào)整等。

2.4 中心處理系統(tǒng)

中心處理系統(tǒng)包括微處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器（EPROM）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、定時(shí)器（TIMER）、電源及A/D轉(zhuǎn)換器等。

2.5 開關(guān)量輸出單元

開關(guān)量輸出單元包括報(bào)警信號(hào)輸出和跳閘輸出，而跳閘輸出又根據(jù)電器試驗(yàn)以及輸入信號(hào)的不同分為瞬動(dòng)跳閘或停機(jī)、短延時(shí)跳閘或停機(jī)、長(zhǎng)延時(shí)跳閘或停機(jī)三種輸出。考慮到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器（比如跳閘機(jī)構(gòu)）的功率較大，所以輸出增加了光電隔離以及功率繼電器。

2.6 通訊接口

微機(jī)保護(hù)與試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)采用串行總線。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的RS232通信方式雖然工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是其無法實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能，而且抗干擾能力差。如果考慮方便組網(wǎng)，可采用能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）間互連的RS422/485通信接口。本裝置為適應(yīng)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信需求和系統(tǒng)維護(hù)需要，選用的通訊模塊設(shè)置了多個(gè)通信接口，包括RS232接口和RS485接口。

3 微機(jī)保護(hù)裝置的整體設(shè)計(jì)

圖3 微機(jī)保護(hù)裝置系統(tǒng)框圖

微機(jī)保護(hù)裝置系統(tǒng)柜圖如圖3所示。本文的中心處理系統(tǒng)以STC12C5A60S2主控芯片為核心，外加數(shù)據(jù)采樣保持及AD轉(zhuǎn)換模塊、輸入模塊、輸出模塊、通訊模塊、同步電路和復(fù)位電路等輔助部分，由其單片機(jī)最小系統(tǒng)與各功能模塊相連組成，主芯片與各模塊之間有隔離保護(hù)器件，避免了信號(hào)干擾，主電源端口和通信端口處設(shè)計(jì)有防雷保護(hù)電路，可在惡劣環(huán)境下正常使用。

軟件系統(tǒng)是微機(jī)保護(hù)裝置的核心，猶如人體之神經(jīng)系統(tǒng)，直接關(guān)系到保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)與否。裝置軟件由主程序和定時(shí)中斷處理程序兩部分構(gòu)成（見圖4），程序主要包括上電過程的自檢、初始化和運(yùn)行。保護(hù)部分軟件的保護(hù)判據(jù)計(jì)算和保護(hù)邏輯運(yùn)算是其核心（見圖5）。

圖4 主程序結(jié)構(gòu)圖

圖5 中斷處理程序結(jié)構(gòu)圖

4 羅氏線圈保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)

4.1 改善保護(hù)動(dòng)作的性能

傳統(tǒng)電流互感器磁飽和一直是影響保護(hù)正確動(dòng)作的重要因素。在各種差動(dòng)保護(hù)中，故障時(shí)兩側(cè)互感器由于飽和而產(chǎn)生的輸出不平衡電流是導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的一個(gè)主要原因，而基于Rogowski線圈的差動(dòng)保護(hù)可簡(jiǎn)化保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)，提高保護(hù)快速性和可靠性，并可降低比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作定值和比率制動(dòng)系數(shù)，提高保護(hù)的靈敏性。另外，當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)出口時(shí)，傳統(tǒng)電流互感器可能會(huì)在一次側(cè)大電流下飽和，使二次電流不能正確傳變一次電流，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)；而Rogowski線圈不含鐵芯，在一次大電流下不會(huì)飽和，在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)能保持良好的線性度，可以正確反應(yīng)一次電流，使保護(hù)快速動(dòng)作。

4.2 促進(jìn)保護(hù)新原理的研究和應(yīng)用

高可靠的保護(hù)原理依賴高精度的測(cè)量，特別是故障狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)測(cè)量。傳統(tǒng)電流互感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量能力差，為了應(yīng)對(duì)測(cè)量的不準(zhǔn)確，通常在保護(hù)邏輯和判據(jù)方面采取了諸多方法，但效果都不理想。Rogowski線圈有準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)測(cè)量能力，不僅能準(zhǔn)確測(cè)量故障基波，還能準(zhǔn)確測(cè)量非周期分量的高次諧波，可以產(chǎn)生實(shí)用化價(jià)值的新原理。例如采用非周期分量和各次諧波分量的保護(hù)方法。

4.3 簡(jiǎn)化保護(hù)裝置

Rogowski線圈的使用，將一次系統(tǒng)的電氣量信息通過合并單元變?yōu)榈碗娖降臄?shù)字信號(hào)，經(jīng)光纜直接傳遞給保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)之間有效的電氣隔離。常規(guī)交流電纜引起的傳導(dǎo)性電磁干擾將不復(fù)存在，減少了誤差源。保護(hù)裝置的測(cè)量系統(tǒng)因此可以省去采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)化部分，只需要一個(gè)高速的以太網(wǎng)通訊口接收合并單元的數(shù)字信號(hào)即可，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了硬件系統(tǒng)的可靠性。

4.4 為保護(hù)提供新的功能

由于Rogowski線圈的動(dòng)態(tài)范圍大，正常和故障時(shí)均可較準(zhǔn)確地反應(yīng)一次大電流的值，因此許多測(cè)量功能也可在保護(hù)中實(shí)現(xiàn)。另外由于Rogowski線圈的頻率特性好，可以紀(jì)錄發(fā)生故障瞬間和斷路器預(yù)分合時(shí)刻的波形，從而具有錄波和監(jiān)視開關(guān)狀態(tài)的功能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種集傳統(tǒng)互感器電流保護(hù)與光電電流傳感器羅氏線圈保護(hù)、電壓保護(hù)、非電量保護(hù)、測(cè)量于一體的微機(jī)保護(hù)裝置。本微機(jī)保護(hù)裝置既克服了采用傳統(tǒng)鐵磁互感器微機(jī)保護(hù)裝置在大電流電器實(shí)驗(yàn)中因?yàn)榇棚柡蛯?dǎo)致保護(hù)失靈的問題，又克服了采用光電電流傳感器羅氏線圈的微機(jī)保護(hù)裝置小電流電器試驗(yàn)中因?yàn)闇?zhǔn)確性差而導(dǎo)致保護(hù)不準(zhǔn)確的問題，通過保護(hù)矩陣還可根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置各級(jí)保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間，相對(duì)于傳統(tǒng)保護(hù)方式，保護(hù)范圍更大、更準(zhǔn)確、更可靠，從而能夠極大限度地保護(hù)試驗(yàn)室人員和設(shè)備的安全。