电流互感器传感头磁场研究

白动化仪表Vol. 39 No. 1

Jan. 2018

PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION

电流互感器传感头磁场研究

李

宽

，张长胜，姚

鑫

，李川

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500)

摘要：基于Rogowski线圈的电子式电流互感器是电力系统的关键检测设备。电号的准确测量是电网电力系统可靠运行的重 要保障。电流互感器性能好坏直接影响电流准确测量和可靠保护控制。传统的电流互感器存在磁饱和、绝缘性差、精度低、动态范围 小、体积大等缺点。电子式电流互感器具有良好的绝缘性、较宽的频率响应范围及较好的抗干扰能力。电流互感器的关键技术是传 感头-Rogowski线圈的设计。对外磁场对电子式电流互感器传感头的误差影响进行研究，提出了改进措施。在Rogowski线圈中，将 一次电流产生的磁通分解成相对于骨架的平行分量和垂直分量，并考虑了外界干扰磁场对两个分量的影响，进而研究干扰磁场对检 测性能的影响。运用ANSYS有限元分析软件对磁场分布进行仿真。改进绕线方法和加装屏蔽壳可降低外磁场对其的影响，提高其工 作精度。

关键词：电力系统；电流互感器；电号；罗氏线圈；外磁场；保护控制中图分类号：TH-39;TP202

文献标志码：A

DOI：10.16086/j. cnki. issnlOOO -0380.201801019

Study on the Magnetic Field of the Sensor Head of Current Transformer

LI Kuan,ZHANG Changsheng,YAO Xin,LI Chuan

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)Abstract ： The electronic current transformer based on Rogowski coil is the key detection equipment in electric power system. The accurate measurement of the power grid signal is an important guarantee for the reliable operation of the power grid system. The performance of the electric current transformer directly affects the accurate measurement and reliable protection control. The traditional current transformer features many disadvantages, e. g. , magnetic saturation, poor insulation, low precision, small dynamic range and large volume,etc. While electronic current transformer outputs digital signal,it possesses excellent insulation, wide frequency response range and good anti - interference capability. The key technology of current transformer is the design of the sensor head - Rogowski coil. The error caused by the influence of the external magnetic field on the Rogowski coil is studied and the improving measures are put forward to reduce the error. The magnetic flux generated by the primary current is decomposed into the parallel component and the vertical component relatives to the bobbin of Rogowski coil, and the effect of the external disturbance magnetic field on the two components is considered. Thus the influence of the interference magnetic field on the detection performance is studied and the ANSYS finite element analysis software is used to simulate the magnetic field distribution. It is concluded that improving the winding method and installing the shielding shell can reduce the influence of external magnetic field and improve the working precision.

Keywords： Electric power system； Current transformer； Power grid signal； Rogowski coil； External magnetic field； Protection control

〇引言

电力行业在国家经济发展中占有很大比重，电流测 量在电力行业中扮演着非常重要的角色[1]。近年来，随 着电力行业的飞速发展，超高压和特高压的应用越来越

广泛。我国在20世纪八十年代也进入超高压时代，最 近几年输变电压甚至达到了 1

MV[2_4]。随着输变电压

的增大，传统互感器的弊端越来越明显。由于传统互感 器体积大、抗电磁干扰能力差、绝缘性不佳，难以满足电 力行业的要求，因此，需要采用新型互感器[]。

收稿日期=2017-06-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目（KKGD201503106)

作者简介:李宽（1992—），男，在读硕士研究生，主要研究方向为智能仪表，E - mail: 841166978@ qq. com;

张长胜(通信作者），男，博士，副教授，主要研究方向为智能检测、图像处理，E - mail: 122832170@ qq. com

第1期电流互感器传感头磁场研究李宽，等• 85 •

在这样的大环境下，电子式电流互感器逐渐取代 传统的电磁式互感器，并广泛应用于电力系统中。特

别是使用Rogowski线圈作为传感头的电子式电流互 感器[7]。Rogowski线圈具有输出功率低、频率响应范 围宽、线性度好、不存在磁饱和等优点[8^°]，在未来电 力系统发展中占有重要地位。外界磁场的干扰会造成 测量误差。本文对外界磁场对罗氏线圈造成的误差进 行研究，并提出减小误差的方法，这对罗氏线圈的设计 有一定的参考价值[11_12]。

1 Rogowski线圈的测量原理

21世纪以来，采用Rogowski线圈的电子式电流互

感器得到了广泛应用。Rogowski线圈实际上是一种空 芯线圈。在对大电流进行测量时，要求设备结构具有 诸多特点，如:不能直接接入被测电流电路中，能够安 全隔离高压回路并且对其进行测量;作为一种相对理 想的传感元件，其可应用于混合型光电电流互感器 中[13]。Rogowski线圈由非磁性材料的框架和测量导线 两部分组成。其框架的截面必须是均勻的，然后将被测

导线缠绕在框架上即构成Rogowski线圈。被测电流从 线圈中心穿插经过。由电磁感应原理可知:这个磁场将 在线圈中感应产生感应电势，随时间变化的电流 ^(0都会产生随时间变化的磁场环链，电压e(0与电流 随时间的导数量值成正比。如果电子式电流互感器的 互感系数M已知，则产生的感应电势e(〇为：

/、

e^=~M dt

(t)

(1)

根据全电流定律：

= /，则丑=^：。

B=^H = ^~r

(2)

再根据电磁感应定律：

/.X

d0

e(t) =~1^(3)

则通过Rogowski线圈的磁链为:

= f* =厂^^idr =

叫— 0—Ih'丄 n

Ra

(4)/ .

d0 f^〇Nh RJi

6(t) =~ dt =~ 2. lnR{dt

(5)

绕组互感为：

M Nh, Ra

M=^2^lnY

(6)

式中J为导线中的瞬时电流，A;\"为骨架高度，为磁感应强度;^为真空磁导率，

x 1(T

7 H/m; /?为

线圈骨架每一处半径；yv为绕组匝数;圪为骨架外径，为骨架内径，m。

2外界磁场对Rogowski线圈的误差

在实际应用中，Rogowski线圈避免不了外界干扰

因素，例如外界的干扰磁场对其影响，致使测量应用时 产生误差。因此，对磁场的研究分析可以有效地规避 误差。在立体环境中，干扰磁场将其分为横竖两个方 向来进行研究:与骨架垂直的磁场分量、与骨架平行的 磁场分量。

如果不考虑线圈漏感等误差因素时，Rogowski线 圈的自感系数等同于单位电流所产生的磁链，得出：

=BA =

^2/^0A

(7)

式中动为单位线圈的磁通量。

线圈等效电感表达式为：

一fi〇N2A

Lj!(8)

式中M为Rogowski线圈骨架截面积4为线圈等效周 长;/V为Rogowski线圈数。

将

Rogowski线圈接入测量系统电路后，其磁感线

主要通过两个方向进行闭合。第一个为切向于线圈骨

架的主磁通少i ;第二个是分布于Rogowski线圈外部的 漏磁少2。R〇g〇wski线圈磁通示意图如图1所示。

图1 Rogowski线圈磁通示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the magnetic flux of Rogowski coil

3平行分量的影响

骨架截面必须与线圈紧密缠绕时，才能使测量误差

不受磁场分量因素影响，否则将会对测量系统造成巨大

误差.'平行于骨架的磁场分布图如图2所示。

图2平行于骨架的磁场分布图

Fig. 2 The magnetic field distribution parallel to the bobbin

• 86 •自 动化仪表第39卷

当漆包线缠绕密集时，Rogowski线圈受到被测电 流影响所产生的感应电势为：

dcp~dt—jjui0snHfdl - - —d

jui0snjHdl = 0 (9)

1L

L

当线圈绕线不够紧密时，线圈感应电势为：

e’

- ^x 备I (L2 +

r - 2Lrcosa) \"° 5cosV(

a + arctan

L rs- inrcao_sa'

(

10)

式中为匝数密度。

当s为均勻、〃为不均勻时：

n = \\n ° < \" < ^

(11)

!■0 a < a < 2tt

在相同的环境温度为25 T条件下，设计参数为: 骨架尺寸6. 9 cm,截面直径3. 56 cm,导线尺寸 0.35 mm，紧密且均勻缠绕一层线圈共计510匝。通 过数学模型计算，得出标准结构互感为4.1 ^H，实际 测得自感为1.0 mH，线圈等效内阻为10.7 II。

运用ANSYS仿真分析软件对Rogowski线圈的平 行分量进行仿真分析，可知骨架中部磁场分量较为密 集。其主要原因为磁感线在穿过线圈时，磁感应强度 因被测电流从线圈中间穿过，导致电流中部周围的磁 感应强度比其他区域高。

4垂直分量的影响

被测电流在穿过线圈时，一部分磁场分量垂直于 整个线圈，且平行于每一匝线圈，故其不能穿过匝线 圈，因此就不能引起感应电势。由法拉第电磁感应定 律可知，它穿过了大的骨架闭合回路，因此会在线圈上 引起感应电势，进而影响输出电压：

d(j)f

dt

iHfdA

^7T 八X —dt 1 J-rL - Xf丨 f 1

Jy r* 2 - x^ 2vdJ-xv-v

(12)

这时，线圈所造成的感应电势受到与骨架方向垂 直的磁场影响较大。因此，加入一个与原缠绕方向相 反的线圈，使二者同时缠绕在一个骨架上。当有磁通 穿过骨架时，正反方向的线圈所造成的感应电势就可 以消除。在缠绕制作的过程中，当线圈满足^ =

时，才可以削弱外界干扰。

为了降低由磁场导致的误差，可以用如下方法进 行改进:在线圈制作时，要保证绕线

均勻和骨架截面均勻;在绕制线圈时，在骨架内绕一圈 与线圈方向相反的导线;加装电磁屏蔽外壳。

5结束语

在电力系统中，保护型Rogowski线圈的骨架绕线 非常密集，所以外部线圈形成一层磁通。由试验结果 可知，内圆的磁感应强度受骨架绕线密度和切向漏磁 的影响，外圆磁通密度的骨架漏磁略有减小。根据分 析得出，线圈的外部漏磁变化范围为5%〜10%。

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