新型傳感器儀表替代現有船用互感器的研究

黎 庶

（武漢理工大學 能源與動力工程學院 武漢430063）

引 言

現有船用電流互感器與電壓互感器在船舶電力系統中用于測量交流電流和交流電壓，電流互感器存在的副邊開路產生高壓可能會引起操作人員電擊的危險，這種事故在船舶上時有發生；副邊開路產生高壓還可以擊穿電流互感器絕緣引起自身設備的損壞和火災；且電流互感器過載能力差也易引起自身設備的過熱和損壞。電壓互感器則存在笨重和硅鋼和銅絲等材料耗費較多的特點。基于以上原因我們需要選擇新型傳感器儀表替代現有互感器，達到船舶電力測量儀表優化配置的效果。

1 現有新型傳感器儀表介紹

1.1 羅氏線圈電流互感器

羅氏線圈是在非導磁骨架材料上，緊密且均勻地纏繞一定匝數的線匝，將待測電流信號轉化為感應電壓信號。羅氏線圈的電流互感器由高精度羅氏線圈、信號調節電路、電流表組成。信號調節電路將羅氏線圈傳變的一次電流轉換為標準的電流或電壓信號（4～20 mA，0～5 V），供電流表顯示或計算機數據采集，結構如圖1所示。［1］

圖1 羅氏線圈電流互感器原理圖

根據電磁感應原理，羅氏線圈一次側電流i(t) = I?sin (ωt?+ θ?)作用下產生感應電動勢 e(t)為 ：

式中：μ0為真空磁導率；N為線圈匝數，匝；h為線圈骨架高度，m；r2為線圈骨架外徑，m；r1為線圈骨架內徑，m。

由式（1）知，e(t)與真空磁導率μ0成正比，可見與導磁材料無關，因此羅氏線圈電流互感器不需要使用硅鋼片作為導磁材料；也就是不需要鐵芯。因此線圈骨架可以考慮使用空心的塑料支架，大大節約了硅鋼片的使用；同時減輕了電流互感器的質量。假設 N?= 3 000 匝，h?= 0.02 m，r2= 0.04 m，r1= 0.02 m，一次側電流I = 50 A，一次側電流頻率 f?= 50 Hz，真空磁導率 μ0= 4π×10-7T·m/A，帶入式（1），經計算知 e(t)≈-0.13cos (ωt?+ θ?) V。由于e(t)是一個非常微弱的信號，因此對于安裝或更換羅氏線圈互感器的操作者來說，完全不存在觸電的危險。

1.2 霍爾電流互感器

霍爾電流互感器具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優點，在電力系統中，常用于對大電流進行精確的檢測和控制?；魻栃娏骰ジ衅髟砣鐖D2所示。

圖2 霍爾電流互感器工作原理圖

圖2中I為一次側待測電流，B為一次側電流產生的磁感應強度，f為單位電荷所受到的洛倫茲力，v為電子平均運動速度，i為（沒有考慮溫度影響時）霍爾元件的激勵電流，b為霍爾元件寬度，UH為霍爾電動勢。

洛倫茲力f的方向圖中是向里的（左手定則），電子漂移到圖里面一側，正電荷則漂移到靠圖外面一側，從而形成一個內電場 EH，經計算知 EH=vB［2］，故得：

式中：v與霍爾半導體器件的電子濃度有關，一旦半導體材料選定，則v就成了一個已知數。B是由一次側電流產生的，故B和一次側電流I成正比，因此霍爾電動勢UH的大小直接反映了待測一次側電流I的大??；通過調理電路將霍爾電動勢UH放大可獲得一次側待側電流I的大小。為使一次側電流I產生的磁感應強度B有一定大小，且與霍爾半導體器件至一次側導線的距離無關，故在一次側導線周圍安裝導磁鐵芯，由于圖2是原理圖，故未體現；因此霍爾電流互感器同樣需要鐵芯，只不過鐵芯的尺寸比普通電流互感器小了許多，故節約了硅鋼片的使用量，減輕了電流互感器的質量。由式（2）知霍爾電動勢UH是一個較小的微弱信號，因此對于安裝或更換霍爾電流互感器的操作者來說，完全不存在觸電的危險。

1.3 分壓式電壓表

傳統電壓互感器通過變壓器降壓來完成交流電壓的測量，分壓式電壓表通過電阻分壓降壓來測量交流電壓，省去了笨重的電壓互感器，簡化了測量設備。圖3為分壓式電壓表工作原理。

圖3 分壓式電壓表工作原理

圖3中UX為船舶電力系統中的發電機某相的電壓，R1和R2為分壓電阻，u0為電壓表測量電壓。根據分壓原理：

中國船級社規定船舶高壓電力系統電壓等級在1～15 kV，船舶低壓電力系統電壓等級小于1 kV，考慮到操作人員的安全及測量精度，電阻分壓式電壓表僅適合應用于低壓電力系統的船舶。

對于1～15 kV船舶高壓電力系統的電壓測量，可采用電容分壓的方法測量電力系統中的電壓［3］，原理如圖4所示。

圖4 電容分壓器測量船舶高壓電力系統電壓原理圖

圖4中C1、C2、C3為分壓電容，被測高壓通過電容分壓器的分壓作用將高壓轉換為低壓，交流電壓表在接地部分取電壓測量［4］。

2 新型傳感器儀表替代現有互感器的必要性

2.1 船舶自動化的需要

近代船舶廣泛使用自動化設備已經是大勢所趨，特別是對船舶電站的監視與控制已經成為自動化船舶不可缺少的部分。 羅氏線圈產生的感應電動勢e(t)，霍爾電動勢UH以及分壓式電壓表的測量電壓u0，都可以通過調理電路轉變成4～20 mA或0～5 V的標準信號供計算機采集或儀表顯示。

2.2 使船舶電站小型化

由于電阻分壓技術的使用省去了電壓互感器，新型電流互感器的使用減少了傳感器部分的尺寸，知道了羅氏線圈產生的感應電動勢e(t)（或霍爾電動勢UH）和分壓式電壓表的測量電壓u0的瞬時表達式，即可得到電流和電壓的有效值，以及頻率、功率因數、有功功率、無功功率。所以可將電流、電壓、頻率、功率因數、有功功率、無功功率放在同一個LCD屏里分六部分同時顯示，省去分壓式電壓表的顯示表頭，大大節省了配電柜的尺寸。由于不使用傳統的變壓器式電流互感器和電壓互感器，減輕了配電柜的質量。由于沒有鐵芯，電阻電容分壓技術和羅氏線圈電流互感器不會產生鐵磁諧振，改善了配電柜的電磁環境，可滿足艦船電力系統測量和保護的需要［5］。

2.3 使船舶電站保護系統具有優異的性能

傳統的變壓器式電流互感器存在隨著被測電流越大、電壓等級越高，鐵芯易趨于飽和，二次側電流波形發生畸變失真，產生很大測量誤差等不足之處［5］。由于波形失真，必然導致相位檢測誤差，船舶電力系統的逆功率保護器無法可靠動作，調頻調載電路不能很好實現調載作用。新型電流互感器則具有較高的線性度和寬廣的測量范圍，不會使二次側電流波形失真和飽和。

3 部分新型傳感器儀表實例

3.1 基于高精度羅氏線圈研制及數字信號調理方案

某廠家采用特殊的柔性材料作為線圈骨架，經特殊工藝處理，制造出如圖5所示的羅氏電流互感器。

圖5 羅氏線圈電流互感器實物

該互感器具有以下特點：

（1）適用環境廣：以特殊柔性材質制作，便于測量任何特殊環境下的導體電流；

（2）電流測量范圍寬：可從50 mA到200 kA（工頻范圍）；

（3）電流測量檔位可調：電流測量分為3檔，可實現對電流測量精度的要求，儀表的精度為1級精度；

（4）使用安全：與常規電流鉗不同，無二次開路危險，特別是測試大電流時，使用安全可靠。

3.2 根據電阻分壓原理

圖6為某廠家生產的電阻分壓式電壓表。其具有以下特點：

（1）測量范圍為0 ～1 500 V，圖6中照片為500 V交流電壓表；

圖6 電阻分壓式電壓表實物

（2）測量精度為1.5級，廠家可以根據客戶需要預定精度等級；

（3）后面有兩個接線柱，直接與待測交流電壓并聯連接。

4 結 語

綜上所述，新型傳感器儀表具有安裝和更換安全（不易發生觸電事故），線性度好、測量范圍寬、不易飽和、鐵芯材料使用少、體積小、質量輕等優點，既適合全手動控制的船舶電站中的使用，又適合全自動電站中的使用。上述新型傳感器儀表現已廣泛應用于陸上電力系統測量與控制，相信在不久的將來，新型傳感器儀表必將廣泛應用于各類船舶，為提高船舶電力系統性能、節約金屬材料的使用，避免互感器安裝和更換過程中的人員傷亡事故作出貢獻。