罗氏线圈电流传感检测技术研究概况重点.docx

1、罗氏线圈电流传感检测技术研究概况重点广西轻工业GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 机械与电气2011年2月第2期(总第147期1引言近年来,伴随现代高压、超高压输电网络的建设,电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展1,这就对电流测量装置提出了更高的要求。传统的电流测量装置因其主要采用带有铁心的电磁式电流互感器,不仅体积大、频带窄、防爆绝缘困难,且在大电流下铁心磁路易饱和,对测量结果产生较大的误差。因而,其难以满足电力系统发展的要求,必须寻求基于其他传感机理的电流测量装置来取代之。Rogowski线圈(以下简称罗氏线圈电流互感器作为电子式电流互感器的一种,具有测

2、量范围宽、测量精度高、无磁饱和、频带范围宽、体积小、易于数字量输出等一系列优点。目前,基于罗氏线圈电流互感器的研究与应用已成为新世纪互感器发展的重要方向之一,在电力系统中具有广阔的应用前景。2罗氏线圈工作原理罗氏线圈也称磁位计,它的产生和应用源于1912年2。它是一种将导线(漆包线均匀绕制在非磁性环形骨架上的空心线圈,其结构原理图如图1所示。测量时,将载流导线从线圈中心穿过,被测电流不须与罗氏线圈直接接触。根据安培环路定律和电磁感应定律,磁场将在线圈的两端产生一个感应电动势,其值的大小正比于被测电流对时间的微分。图1罗氏线圈工作原理图当线圈均匀绕制,且满足线匝截面积处处相等,截面各点磁感应强度

3、相同的情况下,线圈产生的感应电动势e(t3为:上式中:,为线圈与载流导线之间互感的理论计算值。=410-7H/m为真空磁导率,;N为绕组匝数; h/m表示线圈骨架高度,a/m表示骨架外径;b/m表示骨架内径;i1/A表示载流导线中的电流大小。3罗氏线圈研究现状罗氏线圈最初是用来测量磁场的,由于那时罗氏线圈的输出电压还不足以驱动当时的计量与保护设备,它的应用受到了一定限制。伴随现代通讯传感技术的飞速发展以及数字信号处理技术的广泛应用,罗氏线圈的应用范围也越来越广,是电磁式电流传感器的一种很好的替代品。近几十年来,世界各国学者已经高度重视这方面的研究,并取得了不少研究成果。3.1国外研究状况在理论

4、研究方面:1963年,英国科学家Cooper从理论上对罗氏线圈的频率特性进行了大量的研究,特别是在高频响应技术方面,取得了一些创造性的成果,奠定了罗氏线圈在大功率脉冲技术应用中的理论基础。二十世纪六十年代中期,德国科学家荷曼对罗氏线圈的结构进行了一些改进,将以前的挠性线圈骨架做成刚性的形式,在结构上更容易保证线圈匝数分布均匀,线圈抗干扰能力大大增强,提高了测量准确度,大大推动了罗氏线圈的产业化进程。此外,科学家3411Heumamn、K.L.Williams、John D.Ramboz、G.Pellinen D、Mahonen P、StygarW,Gerdin、Thomsa Eriksson等

5、在罗氏线圈的理论研究、高压及脉冲大电流中的测量应用、光电组合式罗氏线圈电子式电流互感器设计和性能改进等方面,做出了大量的贡献。特别是新世纪以来,美国科学家Lj.A.Kojovic在新型、高精度罗氏线圈结构设计与继电保护5罗氏线圈电流传感器的制作和测试,做了大量前沿性的工作,为罗氏线圈的产业化奠定了坚实的基础。在产业化进程方面:二十世纪八十年代初期,英国的Ro-coil公司在已取得理论基础上,首次实现了罗氏线圈的初步系列化和产业化。二十世纪八十年代中后期以来,罗氏线圈检测技术得到飞速发展。如梅兰日兰公司(MG通过不断的试验,将罗氏线圈与断路器结合为一体,做成了集测量和继电保护一体化的装置。瑞士的

6、ABB公司通过多年的经验积累,已研制出一系列主要采用罗氏线圈作为一次传感头部分的有源电子式互感器3,产品包括采用罗氏线圈测量电流和利用电容环分压原理测量电压的有源电子式电流电压组合互感器、采用罗氏线圈作为电流测量部分而开发出的集成式电流电压互感器等。有些技术也被引入到我国,如长江三峡至常州直流输电工程中采用了ABB公司研制的罗氏线圈互感器测量电流和谐波。德国的的RITZ公司坚持产学研的途径,通过与德国一些罗氏线圈电流传感检测技术研究概况龚勇镇(广东石油化工学院机电工程学院,广东茂名525000【摘要】传统的电磁式电流测量装置,因其结构上的缺点,无法满足目前电力系统发展要求。罗氏线圈电流传感检测

7、技术已成为新的发展方向。系统地概括了国内外对该技术的研究现状,分析了三种不同骨架罗氏线圈的优缺点及应用,为系统深入地研究性能更为优越的罗氏线圈、推动产业化等,奠定了理论基础。【关键词】罗氏线圈;传感检测;电流【中图分类号】TM452【文献标识码】A【文章编号】1003-2673(201102-54- 03著名大学的研究所合作,继研发出基于罗氏线圈测量技术的一些早期产品后,又新推出了基于罗氏线圈的电子式电流互感器产品,产品的性能和参数优化方面都有了大幅度的提高。还有法国、美国的一些电力公司也研制出了基于罗氏线圈测量技术的一些样机。3.2国内研究状况目前,就国内的状况来看,我国在罗氏线圈检测技术的

8、研究方面,起步比较晚,一些关键技术的研究还处于跟踪国外大公司(如ABB、ALSTOM等公司的水平。但随着发展罗氏线圈电子式互感器的时机逐渐成熟,国内许多高等院校如清华大学、华中科技大学、西安交通大学、燕山大学等,科研院所如电力科学研究院、武汉高压研究所等,以及相关的生产厂家如上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司、西安高压开关厂等单位都投入了大量的人力物力,对Rogowski线圈电子式互感器进行了深入的探索和研究,并取得了不少成果。在理论研究方面:二十世界八十年代以来,国内很多学者对罗氏线圈的应用进行了大量研究678912,如揭秉信、金涌涛、刘会金等对罗氏线圈的频率特性和工作状态作了进一步的分析

9、;廖京生、邸志刚、郑绳楦等对罗氏线圈用于小电流测量做了不少研究,扩大了测量范围;段雄英、邹积岩、申烛、李维波、任洪林等在罗氏线圈测量电流的仿真分析及误差分析与补偿、传输线路的抗干扰等方面做出了贡献,为试验研究和产业化打下了基础;李红斌、陈庆等对不同种类的罗氏线圈进行了详细分析,提出了一些设计高精度罗氏线圈的方法。在产业化方面:2001年,华中科技大学与广东某公司合作研制的110kV变压器套管用的罗氏线圈电流互感器通过武汉高压研究所的型式试验和湖北省科委组织的鉴定;同年,与江苏某厂合作研制了35kV断路器用罗氏线圈电流互感器。2002年,与河南某公司合作研制的110kVSF6封闭电器用有源互感器

10、样机通过武汉高压研究所型式试验及河南省科委组织的鉴定,并在河南许昌挂网试运行,运行情况良好;2002年,清华大学电机系研制的110kV OETA试验样机在山东省挂网试运行,其中保护传感器为罗氏线圈,计量传感器为TA,达到0.5级要求。所以,就目前国内情况来看,虽然罗氏线圈电子式电流互感器的理论已经成熟,但并未推广应用。对它的研究还主要停留在实验测试和初步挂网试运行阶段,距离实际应用和产品市场化还有很长的一段路要走。为了适应电力系统的发展要求,迫切需要尽快研发出性能优越的罗氏线圈电流互感器,以缩小同国外的差距。4几种罗氏线圈的结构4.1挠性罗氏线圈自罗氏线圈产生以来,最初的线圈大多采用能够弯曲的

11、挠性绝缘材料作为骨架,将漆包线均匀地绕在骨架上,测量时将骨架弯曲成一个首尾紧密吻合的环,使通电导线从线圈中心穿过。这种线圈使用方便,但在制作中有一定的缺点,很难保证线圈线匝绕制均匀和线匝截面积均匀,导致测量精度低、稳定性不高,在实际应用中受到了很大限制。4.2刚性罗氏线圈1966年,有科学家提出使用固定式的罗氏线圈,即刚性结构的罗氏线圈3,相比挠性线圈,由于骨架不易变形,骨架横截面积可视为相等,在结构上容易使绕线均匀分布,抗外磁场干扰的能力大大加强,提高了测量的准确度。目前,已有不少该类产品挂网运行。对于刚性罗氏线圈,根据线圈骨架截面形状的不同又可以分为矩形、圆形、跑道形三种形状。选取合适参数

12、,使用MATLAB软件对三种罗氏线圈的参数模型进行仿真分析10得到:就线圈测量性能、可靠性而言,圆形截面的线圈性能最优,跑道形线圈次之,矩形线圈较差。但是为了便于加工,没有特殊要求的话,很多线圈都采用矩形的骨架截面。此外,为了降低外界温度变化对线圈互感的影响,减少误差,应当选择热膨胀系数较少的材料作为罗氏线圈的骨架,真正从源头上将误差降到最低。通过比较分析,陶瓷是目前最好的骨架材料,在各种陶瓷中,又以氧化物陶瓷的性能最佳。总之,骨架材料的选取原则要满足便于机械加工和产业化、热膨胀系数小,尺寸稳定不易变形等要求。4.3P CB型罗氏线圈上述罗氏线圈原则上可以通过绕线机或手工绕制将漆包线均匀绕制在

13、绝缘骨架上,但实际上这种均匀性很难保证,而且存在易断线及层间电容增大等缺点,参数一致性很难保证,不利于批量化生产。根据前面的分析可知,要想设计出高精度的罗氏线圈,须满足下列要求:线圈密度恒定;骨架截面积恒定;线圈截面与中心线垂直。为此,一些专家学者提出研制基于印刷电路板(PCB骨架的罗氏线圈9,PCB型罗氏线圈从制造原理上来说,可以制作的很精确,因为它是全过程计算机辅助设计与制造。相比传统罗氏线圈,PCB型罗氏线圈灵敏度、测量精度及稳定性能都有明显的提高,误差级别可达到0.025mm 左右。PCB型罗氏线圈按其种类3,9又可分为平板型线圈和组合型线圈。平板型PCB罗氏线圈,如图2所示。为了增大

14、线圈互感,提高测量准确度,平面型空芯线圈由一对或者多对PCB板制成的线圈串联连接而成。连接时,相邻两块PCB线圈绕线方向相反,即两相邻线圈的电气方向(顺时针和逆时针相反。这样使流过线圈内部的电流产生的感应电压增加,而线圈外部干扰磁场在线圈上产生的感应电压相互抵消,达到抑制外界电磁干扰的目的。图2平板型PCB罗氏线圈结构示意图图3组合PCB罗氏线圈结构示意图组合型PCB罗氏线圈,由主印制电路板和若干个副印制电路板组成,其结构示意图如图3所示。主印制电路板采用双层板,中心开有通孔,用于被测电流导体通过,它的作用是一方面为副印制电路板提供回路,副印制电路板即主印制电路板上面的小贴片(以下简称小贴片,

15、小贴片与小贴片之间通过主印制电路板上正面的印制线串联起来。 另一方面则是在反面沿串(上接第49页通常在高压蒸汽或有腐蚀性介质的系统,为防止变送器膜盒被损坏,一般均允有隔离液,对于蒸汽系统而言,隔离液就是冷凝水。当差压变送器的三阀组上平衡阀被打开后,若同时打开三阀组上高压侧和低压侧的的截止阀,引压管内原已存在的冷凝液会因压差的作用被冲入蒸汽管道,使高温蒸汽进入变送器膜盒,而变送器的温度太高将导致测量失真,甚至损坏变送器。对这一类系统,开表一定要按正确的操作步骤进行。处理措施:在该变送器膜盒没有被高温蒸汽损坏的情况下,等待几个小时后引导管内产生冷凝液时仪表自然就有指示。2.5液位差压变送器开表输出

16、上限值故障现象及分析判断:检查发现,该表进行过负迁移,负压测的冷凝液被排掉了,致使变送器输出上限值。处理措施:重新加入冷凝液后,该表恢复正常。2.6差压变送器接电输出没有指示故障现象:某变送器检定后,在现现场投运中发现DCS显示为零,但该设备已经带有0.15MPa的压力。分析判断:该变送器由于刚检定过,所以变送器本身没有问题,经线路检查也没有问题,后发现变送器电源极性“+”、“-”接反。处理措施:重新接线。参考文献1杨帮文.新型传感器和变送器实用手册M.北京:电子工业出版社, 2008.2姚士春.压力仪表使用维修与检定M.北京:中国计量出版社,2003.联回路反方向布一圆形线(如图中的虚线所示

17、,这样就可以抵消垂直于主板的外磁场在线圈中产生的干扰电压。小贴片的作用是产生感应电动势,多块相同型号的小贴片可以增加整个线圈的互感系数,其数量应该保持为偶数,如16片、20片等。目前,虽然大多数产品仍以刚性罗氏线圈为主,但是PCB 型罗氏线圈由于其独特的制作方式,具有重量轻、体积小、绝缘性能好、制作准确度高、便于标准化和产业化等一系列优点,已成为电力系统罗氏线圈发展的一个重要方向。5结束语本文详细介绍了罗氏线圈的工作原理及发展趋势,国内外研究现状,以及各种罗氏线圈的优缺点及应用,总结出了制作高精度线圈的原则。采取PCB作为骨架的罗氏线圈具有测量精度高、线性度很好、结构简单等一系列优点,如何更好

18、的综合考虑各影响因素,设计出性能优越的PCB型罗氏线圈电流传感器以满足电力系统各个层次要求,是当前国内外专家学者研究的重点方向之一,对它的研究具有重要的现实意义。参考文献1李聪华,温丽颖.传感器在电力系统中的应用J.科技情报开发与经济,2007,(17:159-160.2李维波,毛承雄,陆继明.新型磁位计在线检测技术研究J.传感技术, 2001,20(11:14-17.3龚勇镇.基于PCB型R ogowski线圈电流传感器的研究D.江苏大学硕士学位论文,2009.4R amboz,John D.Machinable R ogowski Coil Design and Cali-bration.

19、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2001,45(2:511-515.5Lj.A.Kojovic.Application of R ogowski Coils used for Protective R elaying PurposesJ.IEEE PSCE2006Conference,2006(6: 538-543.6邹积岩,段雄英,张铁.罗柯夫斯基线圈测量电流的仿真计算及实验研究J.电工技术学报,2001,16(1:82-84.7金涌涛,刘会金,熊玲玲.R ogowski线圈频率特性分析及拓宽频带方法J.电测与仪表,

20、2003,40(453:12-15.8邸志刚,贾春荣,郑绳楦.用于小电流测量的高精度R ogowski线圈的研究与设计J.检测技术,2005,24(5:62-65.9陈庆,李红斌,张明明,刘延冰.采用主副印制电路板构造的R ogowski 线圈性能分析及设计J.电力系统自动化,2004,28(16:79-82.10王海明,郑绳楦,刘丰.高压电子式电流互感器R ogowski线圈优化设计J.高电压技术.2005,31(9:5-7.11Thomsa Eriksson,Jakob Blomgren,Dag Winkler.An HTS SQ UID Picoroltmeter used as preamplifer for R ogowski coil sen-sors.Phusica C,2002,368:130133.12廖京生,郭晓华,朱明均等.用于小电流测量的R ogowski线圈电流互感器J.电力系统自动化,2003,27(2:56-59.