甘茂愿，胡 聰，周 杰

（中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇無錫 214000）

引言

在電氣測(cè)量中，電流的測(cè)量是非常重要的一環(huán)，傳統(tǒng)帶鐵芯的電磁感應(yīng)式電流互感器是電流測(cè)量中最常用的設(shè)備之一，但是在此類互感器使用中，一些問題容易影響到試驗(yàn)中的測(cè)量可行性，如體積重量大、磁飽和等。在短路電流的測(cè)量中，短路電流峰值往往達(dá)到幾十千安甚至上百千安，這種情況下使用傳統(tǒng)的帶鐵芯電流傳感器是無法達(dá)到測(cè)量的要求。羅氏線圈由于其體積小、測(cè)量精準(zhǔn)、非鐵磁等優(yōu)點(diǎn)，在大電流測(cè)量領(lǐng)域受到廣泛使用。本文介紹一種基于羅氏線圈的短路電流測(cè)量方法，操作簡(jiǎn)單方便，在短路電流的測(cè)量中有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 測(cè)量系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 測(cè)量系統(tǒng)組成

為驗(yàn)證測(cè)量方案的可靠性，現(xiàn)有某船試驗(yàn)項(xiàng)目中的短路試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的短路峰值電流要求為55 kA，誤差量±10%。為此，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地條件搭建了一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，來測(cè)試短路電流能否達(dá)到試驗(yàn)要求。測(cè)量系統(tǒng)主要由開關(guān)柜、CWT300B羅氏線圈電流傳感器、DEWE2-PA7、變壓器、短路柜等部分組成。結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

1.2 工作原理

主回路主要由變電所、開關(guān)柜、變壓器、短路柜組成，變電所提供10 kV電源，設(shè)有短路、母差等保護(hù)功能；開關(guān)柜為變電所和短路柜間的過渡設(shè)備，同樣具有相應(yīng)的保護(hù)功能，為確保整個(gè)試樣的安全性；短路柜為系統(tǒng)短路點(diǎn)，由銅牌連接相間產(chǎn)生短路電流。

系統(tǒng)搭建完成后，測(cè)量的過程可分為以下幾步：三個(gè)單相羅氏線圈電流傳感器分別套在低壓開關(guān)柜進(jìn)線的三個(gè)銅牌中；在短路柜上用銅牌連接兩相，模擬相間短路；各開關(guān)合閘送電后，羅氏線圈測(cè)得的電流經(jīng)過積分器后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入DEWE2-PA7；信號(hào)輸入DEWE2-PA7并設(shè)置變比后，轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)波形；從而對(duì)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)分析對(duì)比。

2 羅氏線圈電流傳感器的測(cè)量原理及設(shè)備選型

2.1 羅氏線圈電流傳感器的測(cè)量原理

羅氏線圈電流傳感器用于測(cè)量電流。它提供一個(gè)與電流成正比的輸出電壓（例如，1 mV/A）。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隨時(shí)間變化的電流，因此可以在示波器或任何類型的數(shù)據(jù)記錄器上再現(xiàn)電流波形。電流傳感器包括一個(gè)羅氏線圈，通過同軸電纜連接到一個(gè)電子積分器，如圖2所示。線圈緊密地纏繞在一個(gè)一定形狀和尺寸的非鐵磁材料上，并被絕緣包圍。一次側(cè)導(dǎo)體穿過線圈中心，當(dāng)導(dǎo)體中流過變化的電流，則導(dǎo)體周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，由電磁感應(yīng)原理知羅氏線圈輸出端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

圖2 傳感器原理圖

線圈在恒截面面積Am2的非磁性線圈上均勻纏繞N圈/m。如果形成一個(gè)閉環(huán)，則在線圈中感應(yīng)的電壓由方程給出：

式中：H——線圈靈敏度，Vs/A；

I——通過回路時(shí)要測(cè)量的電流。

式中：Ti=RoC1、Rsh=H/Ti——傳感器靈敏度，mV/A。

2.2 羅氏線圈傳感器選型

羅氏線圈的選型主要考慮以下幾個(gè)要素：（1）能夠承受短路試驗(yàn)中產(chǎn)生的最大電流；（2）能滿足短路試驗(yàn)中對(duì)電流的精度要求；（3）能滿足試驗(yàn)中測(cè)量?jī)x器的輸入信號(hào)要求。

由此選擇PEM公司的CWT300B電流探頭，該探頭由羅氏線圈和積分器構(gòu)成，由BNC接口輸出0.1 mV/A的電壓信號(hào)，最大測(cè)量電流60 kA。

2.3 參試設(shè)備選型

高低壓開關(guān)柜、試驗(yàn)變壓器及電力分析儀是該測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分。其中高壓柜負(fù)責(zé)分?jǐn)嘧冸娝磷儔浩鏖g線路，由于變電所出線為端為10 kV，高壓柜開關(guān)選擇10 kV/630 A最大分?jǐn)嚯娏?.15 kA。

試驗(yàn)變壓器選擇10 kA/400 V/1250 kVA短路阻抗Uk%為6%，短路阻抗在變壓器短路試驗(yàn)中是一個(gè)非常重要的參數(shù)，是計(jì)算變壓器短路電流的基本方法。

短路阻抗又叫阻抗電壓，阻抗電壓的測(cè)量方法是：將變壓器副邊短接并接上電流表，然后變壓器原邊接上可從零開始調(diào)高的電源。當(dāng)變壓器副邊的電流等于它的額定電流時(shí)，記下此時(shí)原邊的電壓值Ud。Ud與變壓器原邊的額定電壓Un比值的百分位數(shù)，就是阻抗電壓Uk%。

變壓器阻抗電壓Uk%：

變壓器副邊額定電流In：

變壓器短路電流Ik：

根據(jù)以上公式我們可以計(jì)算變壓器出變壓器的副邊額定電流及短路電流，由此結(jié)合場(chǎng)地條件選擇低壓開關(guān)柜為400 V/4 000 A最大分?jǐn)嚯娏?0 kA。

DEWE2-PA7是一種高精度的電力測(cè)量分析儀，是一個(gè)高度精確、隔離、16位電壓數(shù)字化儀。每個(gè)通道都被單獨(dú)隔離，并有自己的AD轉(zhuǎn)換器。對(duì)于2 V以上的范圍，溫度補(bǔ)償電阻分頻器會(huì)衰減輸入信號(hào)。在較低的范圍內(nèi)，信號(hào)通過電流限制電路直接路由到可編程增益放大器。這種架構(gòu)允許測(cè)量從幾個(gè)μV到100 V的電壓，具有極好的信噪比和準(zhǔn)確性。在增益放大器之后，件信號(hào)在到達(dá)ADC之前通過一個(gè)可編程的低通濾波器。最大采樣率可達(dá)250 kS/s，羅氏線圈傳感器（0.1 mV/A）接入后設(shè)置變比可實(shí)時(shí)顯示并記錄波形，結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 DEWE2-PA7結(jié)構(gòu)圖

3 波形的采集與分析

短路試驗(yàn)開始后，由三組羅氏線圈采集信息接入DEWE2-PA7后，得到短路電流波形，波形見圖4。

圖4 短路試驗(yàn)波形

短路電流峰值一般出現(xiàn)在短路后約半個(gè)周波，由于工頻電壓為50 Hz，即在短路后約10 ms出現(xiàn)電流峰值，對(duì)波形進(jìn)行分析后，驗(yàn)證在短路后約10 ms后達(dá)到峰值，Ipk為47 kA，尚未達(dá)到試驗(yàn)預(yù)計(jì)的55 kA。由于系統(tǒng)電壓在短路前后基本不變，電流未達(dá)到預(yù)計(jì)數(shù)值考慮為線路阻抗影響短路電流大小，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查后，第二次試驗(yàn)選擇減少電纜長(zhǎng)度及增加電纜根數(shù)來減小系統(tǒng)阻抗，第二次試驗(yàn)得出約為51 kA的短路電流峰值，滿足±10%誤差量。

4 結(jié)束語

以上對(duì)羅氏線圈原理以及對(duì)其在測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并設(shè)計(jì)了一種在短路電流測(cè)量中的測(cè)量方法，具有精度高、使用方便、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)試驗(yàn)中具有較為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。