用于高壓設(shè)備能耗測(cè)試電流傳感器的設(shè)計(jì)

焦裕璽李煒王曉東肖志勇劉向東（.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院；.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心）

用于高壓設(shè)備能耗測(cè)試電流傳感器的設(shè)計(jì)

焦裕璽1李煒2王曉東2肖志勇2劉向東2
（1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院；2.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心）

油田生產(chǎn)系統(tǒng)中存在著大量高壓電氣設(shè)備，為了對(duì)這些設(shè)備開展能耗測(cè)試及評(píng)價(jià)，需要高精度的便攜式高壓用電節(jié)點(diǎn)測(cè)試設(shè)備。由于傳統(tǒng)的鐵磁式電流傳感器測(cè)量設(shè)備難以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及精度的要求，通過(guò)分析空心線圈的結(jié)構(gòu)與原理，設(shè)計(jì)了基于組合式空心線圈的高壓測(cè)試電流傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試比對(duì)，能夠滿足測(cè)量精度要求。

設(shè)備能耗測(cè)試 組合式空心線圈 電流傳感器 高壓測(cè)試

對(duì)于油田主要的生產(chǎn)系統(tǒng)，例如機(jī)采系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)中的低壓電氣設(shè)備，已經(jīng)能夠通過(guò)測(cè)試來(lái)掌握詳細(xì)的設(shè)備能耗情況及節(jié)能降耗潛力。但是對(duì)于油田電網(wǎng)中存在的大量6/10 kV配電線路、單井小容量變壓器以及注水、集輸系統(tǒng)中使用的高壓電動(dòng)機(jī)，由于缺少相應(yīng)的高壓測(cè)試儀器，只能通過(guò)理論計(jì)算或者對(duì)互感器二次側(cè)進(jìn)行測(cè)量得到近似的結(jié)果，一直難以對(duì)這些線路的損耗、變壓器能效及高壓電動(dòng)機(jī)效率進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。為了解決這一問(wèn)題，有必要開發(fā)一種高可靠度、高精度的便攜式高壓用電節(jié)點(diǎn)測(cè)試設(shè)備。

1 空芯線圈的傳感原理

空芯線圈結(jié)構(gòu)如圖1所示，圓柱形載流導(dǎo)線穿過(guò)空芯線圈的中心，空芯線圈上的漆包線繞組均勻分布，且每匝線圈所在的平面穿過(guò)線圈的中心軸[1]。

圖1 空心線圈結(jié)構(gòu)

空芯線圈中的相對(duì)磁導(dǎo)率處均為1，任意一距離中心軸為x點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

載流導(dǎo)線上的被測(cè)電流為I(t)，真空中的磁導(dǎo)率為μ0。單匝線圈上磁通量總和可表示為：

空心線圈骨架截面為矩形，a和b為骨架的內(nèi)、外半徑，N為空芯線圈的匝數(shù)，空芯線圈的厚度為W，則空芯線圈的感應(yīng)電壓e可表示為：

M為空芯線圈的互感系數(shù)。從上述的推導(dǎo)可以看出，理想空芯線圈對(duì)電流的測(cè)量依賴于一個(gè)穩(wěn)定可靠的互感系數(shù)，將測(cè)得的感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行積分處理并結(jié)合該空芯線圈的互感系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即可得到被測(cè)電流的大小。

2 組合式空芯線圈的設(shè)計(jì)

基于印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）的空芯線圈可以實(shí)現(xiàn)多匝繞線均勻?qū)ΨQ分布，布線密度高，可通過(guò)增加繞線匝數(shù)增大互感系數(shù)，此外印刷電路板的敷銅層與基材緊密結(jié)合，具有極高的溫度穩(wěn)定性，在溫度劇烈變化時(shí)，多匝線圈的形狀將始終保持不變[2]。組合型空芯線圈互感系數(shù)高、體積小、價(jià)格低廉、質(zhì)量輕，易于實(shí)現(xiàn)開口設(shè)計(jì)，因此在該設(shè)計(jì)中使用組合型空心線圈作為高壓測(cè)試裝置的電流傳感器。

圖2為組合型空芯線圈的結(jié)構(gòu)，由一塊主電路板和若干個(gè)小貼片組合而成。小貼片用來(lái)感應(yīng)被測(cè)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的變化，主印制電路板則給多個(gè)小貼片提供可靠的機(jī)械固定和精確的定位，同時(shí)將所有小貼片的感應(yīng)電勢(shì)串聯(lián)起來(lái)輸出總感應(yīng)電勢(shì)。

圖2 組合型空芯線圈結(jié)構(gòu)

3 積分電路的設(shè)計(jì)

由于空心線圈二次輸出電壓信號(hào)為一次側(cè)電流信號(hào)的微分，要還原出與一次側(cè)電流信號(hào)成比例的信號(hào)，必須添加相應(yīng)的積分環(huán)節(jié)。因此，積分電路是空心線圈互感器實(shí)際應(yīng)用中最為關(guān)鍵而且必不可少的組成部分。

對(duì)于應(yīng)用于工頻電流測(cè)試的電子式電流互感器的空心線圈而言，積分電路需要抑制低頻干擾，并保證無(wú)相位差。它由差分放大電路、改進(jìn)積分電路、相位補(bǔ)償電路構(gòu)成。組合式空心線圈的輸出信號(hào)輸入到差分放大電路，差分放大電路輸出到改進(jìn)積分電路，改進(jìn)積分電路輸出到相位補(bǔ)償電路，相位補(bǔ)償電路輸出電壓信號(hào)[3]。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 空心線圈積分電路

空心線圈的積分電路較多采用基于反饋電阻的傳統(tǒng)積分器，低頻信號(hào)干擾極有可能影響積分電路的正常工作[4]。為了消除低頻干擾對(duì)積分電路的影響，本設(shè)計(jì)采用了一種改進(jìn)積分電路，具體電路形式如圖4所示。

在工頻附近，系統(tǒng)仍存在一定的相位差，在高頻時(shí)候相位差幾乎為零。為了滿足測(cè)量的精度要求，需要對(duì)積分出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償。

圖4 改進(jìn)后積分器原理圖

4 傳感器校驗(yàn)與比對(duì)

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要是對(duì)系統(tǒng)前后端的電流輸入通道進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)于電流的標(biāo)定采用鉗型Tektronix A622示波儀。圖5為電流標(biāo)定儀器測(cè)試有效值與本系統(tǒng)測(cè)試有效值的變化趨勢(shì)比較圖?？梢钥闯?，本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)定儀器的變化趨勢(shì)基本一致，能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

圖5 電流傳感器標(biāo)定比對(duì)

5 結(jié)論

分析了空心線圈的基本結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理，選擇了組合式空心線圈作為油田高壓測(cè)試裝置的電流傳感器，并對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)及積分電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定與測(cè)試對(duì)比，其精度可以滿足要求。

[1]羅蘇南,田朝勃,趙希才.空心線圈電流互感器性能分析[J].電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,3(24):108-113.

[2]陳慶,李紅斌,張明明,等.采用主副印制電路板構(gòu)造的Rogowski線圈性能分析及設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2004,28(16):79-82.

[3]陳金玲,李紅斌,馮凱.Rogowski線圈電流互感器的全數(shù)字化設(shè)計(jì)[J].高壓電器,2006,12(42):450-452.

[4]謝彬,尹項(xiàng)根,張哲.基于Rogowski線圈的電子式電流互感器的積分器技術(shù)[J].繼電器,2007,35(3):45-51．

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.015

2015-01-28）

焦裕璽，山東科技大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程，E-mail：544149814@qq.com，地址：山東省東營(yíng)市西城區(qū)濟(jì)南路2號(hào)勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，257000。