基于罗氏线圈电流传感器的研制

2002年6月　　　　　　　　　　　　高　压　电　器　　　　　　　　第38卷　第3期

文章编号:1001-1609(2002) 03-0019-04

・19・

基于Rog owski 线圈电流传感器的研制

翟小社1, 　王　颖2, 　林　莘1

(1. 沈阳工业大学电气工程学院, 辽宁沈阳110023; 　2. 河北省计量科学研究院, 河北石家庄050031)

THE DEVE LOPMENT OF CURRENT TRANSDUCER D ON COI L

ZH AI X iao 2she 1, 　W ANG 2, N X (1. Shenyang University of , China ;

2. Hebei Province , Shijiazhuang 050031, China )

摘要:　论述了R og 、工作原理、, 并对实验结果进行了分析, 论述了罗氏线圈传感器的功能与对应的软硬件措施。对抗干扰问题进行了讨论。关键词:　R og owski 线圈; 　灵敏度; 　单片机; 　抗干扰中图分类号:　T M835. 2　　　　　文献标识码:　A

Abstract :　In this paper , the construction of current transducer based on the R og owski coil is introduced ,the principle of R og owski coil used in current measurement is analysed ,the equivalent circuit is discussed and the experimental results are presented. The mea 2sures for immunity of interference are als o covered. K ey w ords :　R og owski coil ; sensitivity ; micro 2process or ;

immunity of interference

　　与带铁心的传统互感器相比, 罗氏线圈传感器

具有以下优点:①测量范围宽, 精度高; ②稳定可靠, 同时具有测量和继电保护功能

; ③响应频带宽; ④体积小、重量轻、安全且符合环保要求; ⑤易于实现微机化、网络化。　　基于罗氏线圈的电流传感器具有以下基本功能:①电流实时测量和显示; ②提供继电保护信号; ③具有微机通讯接口。笔者参考国内外有关文献, 在试验测试和分析的基础上, 对罗氏线圈电流传感器的结构、原理、工作过程以及抗干扰和提高可靠性的措施等方面进行了研究。

1　概述

长期以来, 具有铁心的电磁感应式电流互感器(CT ) 在继电保护和电流测量中的作用一直占主导

2　系统结构组成

　　罗氏线圈电流传感器测试系统如图1所示, 由

以下几部分组成:①罗氏线圈部分; ②模拟信号处理电路; ③单片机采控部分; ④输出转换电路; ⑤显示/通讯接口。

地位。但是, 随着超高压输电网络的建设, 传统的互感器不仅体积和重量加大、价格上升、防爆绝缘困难、安全性能下降, 更主要的是它带有铁心, 频带很窄, 磁饱和时二次信号波形严重畸变, 作为继电保护用时, 反应速度滞后且容易导致继电器误动作[1]。随着电子技术的发展和微机的普及, 在继电保护和测量中, 控制部分的能量流和信息流分离, 因而监测设备不再需要高功率输出的CT 。另外, 随着变电站综合自动化和配电自动化的应用, 要求开发出具有测量、保护以及通讯能力的电流传

感器。R og owski 线圈(以下简称罗氏线圈) 由于其结构和测量原理方面的特点, 受到了广泛的关注。

收稿日期:2002-01-17; 　修回日期:2002-03-14

　　电力系统一次电流通过罗氏线圈的耦合以后,

从罗氏线圈两端的采样电阻上取到电压信号, 经过模拟信号处理电路加工后送至单片机输入端, 经过A/D 转换后, 由软件计算分析, 最后经过输出转换电路驱动保护动作元件, 同时通过显示电路显示各

・20・June 2002　　　　　　　High Voltage Apparatus 　　　　　　　　　　　　

Vol. 38　No. 3

种电网参数。

罗氏线圈电流传感器预留了通讯接口, 可与上位机通讯, 接受指令并且发送电网参数。

3　罗氏线圈的研制

3. 1　罗氏线圈测量电流的原理

罗氏线圈测量电流的理论依据是电磁感应定律和安培环路定律[2]。当被测电流沿轴线通过线圈时, 在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场H 。由安培环路定律得:

∮H ・d l =I (t )

由B =μH , E =得:

d t

E (t ) =d (N ∫B ・d S ) /d t =d I ((1)

感L 引起的阻抗以及线圈内阻r 相对于R a 很小, 可

以认为, 线圈电压完全降落在R a 上, 因此, 测量可以简化为:

(5) U =M

d t

当测量工频正弦波电流时, 可以简单地计算出:

πMI (6) U =100

πM 为一次电流和信号电压其中, S =U/I =100

的比例系数, 。灵

, 。

()

见图2。互感系数M (3) Nh ln (b/a ) /M =μ

2

π(4) L =μN h ln (b/a ) /2以上各式中:H 为线圈内部的磁场强度; B 为线圈

内部的磁感应强度; N 为线圈匝数;

E 为线圈两端的感应电压。

3. 3　试验测试与结果分析

针对10kV 系统电压设计制作了罗氏线圈, 罗氏线圈的截面为矩形, 自制罗氏线圈尺寸为:大半径b =66. 13mm , 小半径a =45. 29mm , 矩形截面的高度为h =21mm , 匝数N =1592匝, 用0. 31mm 的铜线绕制, 线圈内阻r =31Ω。由(3) , (4) 式计算出线圈自感L =4. 029mH , 互感M =2. 531μH , 　S =0. 7951×10-3。用试验方式测定罗氏线圈的灵敏

度,

并与理论计算值作比较, 实验装置如图4所示。

式(2) 即为一次被测电流和线圈两端电压的对应关系, 由(3) 式可知, 互感系数M 与线圈匝数以及线圈的具体尺寸有关。增加匝数以及线圈尺寸, 可以有效地增大M 。但是匝数过大会引起线圈内阻的增加, 因此匝数选取应该适当。

如图2所示, 将细的漆包线均匀密绕在环型绝缘骨架上, 绕制时采用回线是为了消除外界磁场的干扰, 均匀密绕是为了减少匝间电容对测量的影响。3. 2　罗氏线圈测量电流的简化模型

通过调压器调节大电流发生器的输出电流, 用标准互感器和高精度电流表监测罗氏线圈的一次电流, 使用毫伏表测量罗氏线圈的信号电压。经过试验得到表1所示的测试结果。可以看出, 灵敏度与理论计算的误差在2%左右, 灵敏度的稳定性较好。

图3为罗氏线圈测量电流的电路模型

[3]

, 因为

匝间电容C 很小, 在测量工频信号时可以忽略。当

Ω, 由于线圈自增大线圈端口的采样电阻R a =100m

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表1　灵敏度试验结果

序号

123456678

910

・21・

方便地给出电路中发生短路的情况。见4. 2节。

误差/%

1. 221. 842. 442. 081. 601. 111. 230. 861. 351. 23. 74

一次侧电流/A

[***********][**************]

U 测量值

灵敏度S

/(×10-3)

/mV 80. 5121. 5163. 0203. 0242. 5281. 5322. 0361. 0403. 0442. 5480. 7

4　模拟信号的处理

由罗氏线圈检测单元采集的电流信号, 不能直

接送单片机, 必须先进行前置处理, 以下介绍所采用的几个主要的电子电路。4. 1　绝对值电路

, 如图6所示。其, 而与输入信0. 8050. 8100. 8150. 8120. 8080. 8040. 8050. 8020. 8060. 8050. 801

图5所示, 0. 8×10-3, 作为, 后文软件介绍中将进一步说明。

由图6可推知, 当R 1=R 2=R 3=R 5=2R 4时,

U o =

U i , 该电路的输入阻抗为R 2//R 3(R 2与R 3

并联, 下同) =R 2/2, 为使其对前级电路的影响尽可

Ω, 则R 4为10k Ω; 平衡电阻能减小, 取其值为10k

Ω, R 7=R 3//R 4//R 5, 采用两片R 6=R 1//R 2=10k

LM318运算放大器, 其特点是:失调电压小、温漂低、

噪声小、高增益、宽频带、转换速度高、建立时间快。另外, 在电路中还对每个运放加了调零电位器。

4. 2　短路故障电流快速检测电路(简称快速检测)

从罗氏线圈微分端引出的感应电压直接接到比较器上, 采用输入阻抗很大的运放LM339。根据电网发生短路故障时电流的上升速率整定比较器动作的门限值。比较器的输出跳变信号送单片机HIS. 0。4. 3　输出信号转换电路

信号输出环节是由HIS. 1口发出一个高电平信号U in , 经光电耦合为U out 送入动作元件, 通过光电耦合, 切断了输入和输出端电气上的直接联系, 有效地避免了干扰的窜入;

同时该电路由U 1和U 2根据动作元件的触发电压进行调节, 完成电平转换, 电路如图7所示。

另外, 模拟信号的处理还包括信号的隔离, 线性放大, 以及滤波和积分环节, 通过积分环节, 可以得到与一次电流同相的信号电压。

3. 4　短路电流的分析

所谓短路是指三相电力系统中不同相之间的非正常连接。

要快速成功地分断短路电流, 需要①在短路初期能迅速判定短路故障发生的信号; ②确定短路电流的第1次、第2次过零时刻。在用电流的幅值大小来判断电路中的短路故障时, 需要电流大到一定程度时才可以判断(2～3倍正常电流额定值) 。而引入电流的上升率, 即d I/d t 来判断短路电流的发生时, 需要①电流传感器具有很好的幅频特性, 频带宽, 能够反映短路电流的快速变化; ②电网中短路情况发生时, d I/d t

的变化范围。

经实验测定及模型分析, d I/d t =700为判定短路电流发生的判据, 利用罗氏线圈频带宽的特点, 可

给出各种分合闸动作指令, 具体的功能由相应的中

断子程序完成。图9为单片机采控部分的系统框图, 其中宽箭头表示数据流, 细箭头表示模拟信号以及电平信号。

　　检测信号通过硬件电路的处理, 可以提高测量精度, 满足系统各环节的连接需要,

并且缓解对单片机运算速度的压力, 达到对系统实时性的要求。模拟电路工作的流程框图如图8所示。

6　抗干扰以及提高精度措施

电磁干扰因素是影响罗氏线圈在实际中应用的主要障碍, 当空间杂波穿越线圈包围的空间时, 其垂直分量引起的感应电压与信号电压叠加, 对后续的测量产生干扰, 甚至引起硬件误动作。因此, 所采用的抗干扰措施除了硬件上附加滤波环节外, 还必须对罗氏线圈以及传感器电子部分进行电磁屏蔽。在罗氏线圈部分采用了屏蔽罩[6,7], 在内壁开一条能

通过磁通的窄缝, 允许母线产生的环形磁场通过窄缝进入屏蔽罩内部, 而高频的干扰波由于在屏蔽罩的环流中阻抗过大被衰减掉。

单片机采控部分以及模拟信号处理部分都被置于铝制箱体内, 从线圈引出的信号传输线屏蔽层需要接地。

A/D 转换的模拟参考电压为U ref , 输入电压在0～U ref 范围内。10位A/D 转换的结果为[8]:

1023×(U in -U ANG ND ) /(U ref -U ANG ND )

U ANG ND 为模拟地电压, 为了提高A/D 转换精度, U ref

5　采控单元介绍

采控单元的核心为MCS196K C 型单片机, 片外扩展存储器, 外部程序存储器EPROM 主要用于存放指令代码和固定数据, 而静态数据存储器RAM 用来存放各种即时采样数据值, 以便程序进一步处理。该芯片自带8个A/D 通道,A/D 转换精度为10位, 转换完成后存入相应的存储区,

根据所测罗氏线圈的灵敏度S , 连同设定的模拟通道增益倍数以及单片机A/D 转换参考电压一起, 可以将采样得到的10位二进制数字量转换成所对应的电流有效值。由软件程序计算出电流的有效值, 然后调用显示子程序送数码管显示[4]。

高速输入口HIS. 0检测硬件通道跳变信号, 检测电流过零点以及计算电流周期。利用罗氏线圈响应速度快, 无磁饱和现象等优点, 可以快速地测量计算出电流变化的速率[5], 利用高速输入口检测硬件跳变信号, 为早期的短路故障提供判据。另外, 由单片机软件根据过电流的大小, 计算出过流保护的反时限时间值, 为开关提供分闸信号。

输出信号经过光电耦合、电平转换送到操作机构; 由模拟通道处理后的信号经过A/D 转换和软件处理后送到数码管显示, 键盘负责切换显示项以及

由一次母线经铁心线圈直接耦合, 并且经滤波稳压后提供给单片机。

对于传感器的电流测量范围, 预置了测量档, 由单片机控制模拟开关, 切换不同的放大倍数, 然后送入单片机模拟信号输入端。

7　结语

对组成罗氏线圈电流传感器的各个环节进行了详细的介绍, 对于各部分的结构和工(下转第26页)

r 为线圈半径; e (t ) , e no (t ) 分别为邻相不通电流、通

过电流时被测相的输出电压

。

扰度试验、工频磁场抗扰度试验、脉冲磁场抗扰度试

验、阻尼振荡磁场抗扰度试验、振荡波抗扰度试验、电压暂降、短时中断和电压渐变抗扰度试验9项内容, 全部通过。

7　结论

空心线圈电流传感器具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、动态范围宽、体积小、重量轻、造价低廉等一系列优点, , 、PASS 开关中的电流测量, 它的研究和

表5　外磁场影响试验

d r

e (t ) /V

e n o (t ) /V

。

δ/%

0. 328550. 32884

0. 32876328:

[1]　揭秉信. 大电流测量[M].北京:机械工业出版社,1987. [2]　陈本孝. 对交流大电流测量装置中惯性环节的误差分析[J].

2r

6. 4　E MC (依据G B/T17626. -和IEC60044-8等标

准要求, 对ROCT -Ⅰ电流传感器进行了电磁兼容试验, 包括静电放电抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度试验、快速瞬变脉冲抗扰度试验、浪涌(冲击) 抗(上接第18页)

华中工学院学报, 1980,8(4) :129-136.

作者简介:郭晓华(1977-) , 女, 博士生, 现从事电子式电流传感器研究, 电话:027-87546407。

参考文献:

[1]　提兆旭, 陈赤配. 电力系统计算机调度自动化[M].上海:上海

6　结论

通信是SC ADA 系统中的重要环节, 也是影响SC ADA 系统实时性最显著的环节。下位机和通信机之间, 通信方式的选择要考虑的因素较多, 因此, 可从软件设计的几个方面来提高实时性; 在通信机和工作站之间, TCP 和UDP 的合理选择、直接通信和数据库中转方式的有效结合以及通信规约的合理设计, 都将在很大程度上提高系统实时性。

交通大学出版社, 1995.

[2]　盛寿麟. 电力系统远动原理[M].北京:水利电力出版社,1992. [3]　M odicon Inc. M odicon M odbus Protocol Reference G uide[S].1996. [4]　Anthony Jones , Jim Ohlund. Netw ork Programming for M icros oft

W indows[M].M icros oft Press , 1999.

[5]　叶世勋. CDT 循环远动规约[S].电力部, 1999.

　　作者简介:熊　泳(1973-) , 男, 硕士, 研究方向为基于计算机网络的智能控制。

[4]　王福瑞. 单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天

(上接第22页)

作原理进行了说明, 以实验验证了简化的罗氏线圈

测量电流的模型; 结合抗干扰措施和提高精度措施对电子线路、单片机采控环节进行了设计。

大学出版社,1999.

[5]　樊宽军. 微秒级电脉冲的测量[J].核技术,1999,22(8) :469-473.

[6]　李海燕. 毫秒级罗哥夫斯基线圈的研制[D ].西安交通大学论

参考文献:

[1]　王锡凡. 电力工程基础[M].西安:西安交通大学出版社,1998. [2]　Ramboz ,John D. M achinable R og owski C oil Design , and Calibration

[J].IEEE T rans on Instrumentation and M easurement , 1996,45(2) :511-515.

[3]　邹积岩. 罗哥夫斯基线圈测量电流的仿真计算及实验研究[J].

文,1986.

[7]　马乃祥, 周佩白. 电磁干扰的预防[J].华东电力,1999,27(11) :

47-50.

[8]　孙涵芳. Intel 16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版

社,1995.

电工技术学报,2001,16(1) :81-84.

　　作者简介:翟小社(1972-) , 男, 硕士研究生。