吳 驍

(上海電科臻和智能科技有限公司, 上海 201400)

0 引 言

隨著防雷工程的增大和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,設(shè)計(jì)人員越來(lái)越重視防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。防雷技術(shù)的應(yīng)用已成為各用電設(shè)備可靠、安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素。但現(xiàn)有防雷技術(shù)的落后,使用的防雷系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品存在著較大的弊端,防護(hù)安全難以保證,雷電流沖擊及瞬間過(guò)流的檢測(cè)與影響始終沒(méi)有太好的辦法來(lái)觀察并解決,最多只能對(duì)雷電流沖擊的有無(wú)進(jìn)行判斷,還存在誤判的現(xiàn)象,給雷電監(jiān)測(cè)帶來(lái)極大的難度。

Rogowski線圈電流互感器(簡(jiǎn)稱(chēng)羅氏線圈)獨(dú)特的結(jié)構(gòu),不需要與直接測(cè)量的電氣聯(lián)接,而是通過(guò)電磁場(chǎng)進(jìn)行耦合,因此具有良好的電氣絕緣性能;由于沒(méi)有鐵心飽和問(wèn)題,測(cè)量范圍寬,同樣的繞組,電流測(cè)量范圍達(dá)到幾百kA;頻率范圍寬為1 Hz～100 MHz。羅氏線圈作為電子式電流互感器的一種,具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、無(wú)磁飽和、頻帶寬、反應(yīng)時(shí)間低、靈敏度高等特點(diǎn),是十分優(yōu)異的電力電流檢測(cè)傳感器件。

1 羅氏線圈原理

羅氏線圈是基于法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律而研制的用于測(cè)量電流變化量的傳感器件,目前主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)大電流環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

1.1 羅氏線圈原理與計(jì)算

羅氏線圈示意如圖1所示。

圖1 羅氏線圈示意

羅氏線圈截面示意如圖2所示。

圖2 羅氏線圈截面示意

為便于計(jì)算,假定線圈截面為矩形,由安培環(huán)路定理知,磁場(chǎng)強(qiáng)度為電流I在一個(gè)曲面上的通量,等于電場(chǎng)沿著l的邊緣閉合回路的路徑積分:

式中:B——線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度;

μ——骨架材料磁導(dǎo)率;

Hx——線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度;

dx——距離導(dǎo)線軸心的距離,取值范圍[a,b]。

由圖2,結(jié)合式(1)～式(3)計(jì)算,根據(jù)磁通量與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系式,穿過(guò)線圈繞組的磁通量為

(4)

式中:N——線圈匝數(shù);

a、b——線圈橫截面的內(nèi)徑、外徑;

h——截面高度。

線圈末端感應(yīng)電壓為

(5)

因此,互感系數(shù)為

M=Nhμln(b/a)/2π

(6)

自感系數(shù)為

L=N2hμln(b/a)/2π

(7)

由式(5)可以看出,羅氏線圈確定時(shí)M為定值,輸出電壓與di/dt成正比,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是對(duì)被測(cè)電流求導(dǎo)后得到的,故羅氏線圈輸出的是微分波,通過(guò)外接積分回路,便可以還原出要測(cè)量的電流大小。

1.2 羅氏線圈等效電路

羅氏線圈等效電路如圖3所示,R為外加負(fù)荷采樣電阻,L為羅氏線圈等效自感,C0為羅氏線圈等效雜散電容,RL為羅氏線圈等效電阻。

圖3 羅氏線圈等效電路

線圈電感、電容計(jì)算公式分別如下:

(8)

(9)

式中:a——線圈線匝截面積;

ε0——真空磁導(dǎo)率;

εr——骨架芯相對(duì)磁導(dǎo)率;

l——導(dǎo)線長(zhǎng)度;

為簡(jiǎn)化分析,忽略羅氏線圈的雜散電容C,則T2=0,T1=L/(R+RL),因此H(s)=U0(s)/I(s)=RMTs/L(Ts+1),其中Ts=L/(R+RL)。

考慮到L/RL遠(yuǎn)大于RC0,對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行近似化簡(jiǎn)發(fā)現(xiàn),R、RL和C0越小,L越大,系統(tǒng)的下限截止頻率越小,上限截止頻率越大,此時(shí)羅氏線圈工作頻帶區(qū)域越寬。因此,如何減小線圈內(nèi)阻RL和雜散電容C0,并增大線圈的互感能力,是羅氏線圈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 羅氏線圈的雷電測(cè)試及應(yīng)用

雷電波形根據(jù)GB 18802.1—2011《低壓電涌保護(hù)器(SPD) 第1部分:低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》中的定義,用于模擬測(cè)試的雷電波形為1.2/50 μs沖擊電壓波形、8/20 μs沖擊電流波形和用于Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)的10/350 μs沖擊電流波。而常用的雷電流測(cè)試波為8/20 μs沖擊電流波,故使用8/20 μs波形更具有實(shí)際意義。

標(biāo)準(zhǔn)8/20 μs波形如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)8/20 μs波形

2.1 雷電沖擊測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)試材料為臻和公司自制非開(kāi)合式羅氏線圈,該產(chǎn)品具有體積小巧、外形美觀、IP等級(jí)高、防水防塵等特點(diǎn),可直接戶(hù)外使用,且使用標(biāo)準(zhǔn)端子或同軸電纜接口,方便維護(hù)和使用。

試驗(yàn)平臺(tái)為8/20 μs波形沖擊測(cè)試臺(tái),測(cè)試沖擊部件為含壓敏電阻的防雷器,羅氏線圈從防雷器下端的接地引線穿出,輸出線尾端接入1 Ω電阻,觀測(cè)平臺(tái)為示波器。

羅氏線圈的雷電流測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 羅氏線圈的雷電流測(cè)試數(shù)據(jù)

羅氏線圈感應(yīng)電流與輸出峰峰值波形曲線如圖5所示。

圖5 羅氏線圈感應(yīng)電流與輸出峰峰值波形曲線

羅氏線圈輸出波形如圖6所示。

圖6 羅氏線圈輸出波形

由表1和圖5可見(jiàn),除因測(cè)試觀察中使用的示波器本身度數(shù)與視距誤差會(huì)有一定的影響外,羅氏線圈采集的數(shù)據(jù)線性度極高,反應(yīng)速率可到1 MHz以上,測(cè)試的8/20 μs波形峰值超過(guò)100 kA,滿(mǎn)足日常雷電監(jiān)測(cè)使用,且其精確度能達(dá)到0.1 kA以上,對(duì)雷電精確測(cè)試具有實(shí)踐意義。

對(duì)比圖6、圖4可以發(fā)現(xiàn),羅氏線圈輸出的雷電沖擊波形為雷電波形的微分波,符合羅氏線圈輸入、輸出特性理論與特性公式。

2.2 波形還原應(yīng)用

通過(guò)上述應(yīng)用及實(shí)測(cè)可以發(fā)現(xiàn),直接采用羅氏線圈進(jìn)行輸出波形的采集具有一定的難度,具體表現(xiàn)在以下方面:

(1) 波形輸出為微分波,用數(shù)學(xué)模型分析為一、四象限波形,對(duì)于一般的A/D采樣數(shù)據(jù)芯片,能量損失較大。

(2) 波形幅值波動(dòng)較大,為幾伏至上百伏電壓輸出,一般A/D采樣數(shù)據(jù)早已飽和。

雷電流波形還原處理原理如圖7所示。

圖7 雷電流波形還原處理原理

經(jīng)過(guò)一系列的電子電路處理,波形還原轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)波形輸出,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的測(cè)試波形如圖8所示。

由圖8可以看出,波形經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換還原后基本與沖擊電流波形一致,達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)換效果。

圖8 經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的測(cè)試波形

羅氏線圈轉(zhuǎn)換電路對(duì)雷電流輸出測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 羅氏線圈轉(zhuǎn)換電路對(duì)雷電流輸出測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試后的還原波形曲線如圖9所示。

圖9 測(cè)試后的還原波形曲線

由圖9可以看出,測(cè)試數(shù)據(jù)波形線性度及電氣數(shù)據(jù)基本可以被A/D類(lèi)采集器件所接受,可用于雷電流的數(shù)據(jù)化處理與分析。

3 結(jié) 語(yǔ)

羅氏線圈作為大電流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量用傳感器,具有功率輸出低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性?xún)?yōu)等特性,在許多大電流測(cè)試場(chǎng)合下都是傳感器件的首選,在雷電流監(jiān)測(cè)領(lǐng)域使用羅氏線圈將大大提高雷電監(jiān)測(cè)的安全性、準(zhǔn)確性。

[1]低壓電涌保護(hù)器(SPD)第1部分:低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法:GB18802.1—2011[S].

[2]李維波.基于Rogowski線圈的大電流測(cè)量[D].武漢:華中科技大學(xué),2005.

[3]胡娟,吳桂清,周有慶.不同電壓等級(jí)下的Rogowski線圈電子式電流互感器的研究[J].變壓器,2002,39(10):11-13.

[4]陳啟明,喻瑩.羅氏線圈雷電流傳感器研究[J].湖北電力,2009(3):16-18.

[5]張銘德.基于Rogowski線圈動(dòng)態(tài)模型的研究[D].北京:華北電力大學(xué),2006.

[6]王德玉,王寶誠(chéng),鄔偉揚(yáng).羅氏線圈的頻率特性分析與傳感器的設(shè)計(jì)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(9):21-27.