羅氏線圈防雷領域的研究與應用

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用范圍的不斷擴大,設計人員越來越重視防雷系統的設計。防雷技術的應用已成為各用電設備可靠、安全運行的一個重要因素。但現有防雷技術的落后,使用的防雷系統及相關產品存在著較大的弊端,防護安全難以保證,雷電流沖擊及瞬間過流的檢測與影響始終沒有太好的辦法來觀察并解決,最多只能對雷電流沖擊的有無進行判斷,還存在誤判的現象,給雷電監(jiān)測帶來極大的難度。

Rogowski線圈電流互感器(簡稱羅氏線圈)獨特的結構,不需要與直接測量的電氣聯接,而是通過電磁場進行耦合,因此具有良好的電氣絕緣性能;由于沒有鐵心飽和問題,測量范圍寬,同樣的繞組,電流測量范圍達到幾百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,具有測量范圍寬、測量精度高、無磁飽和、頻帶寬、反應時間低、靈敏度高等特點,是十分優(yōu)異的電力電流檢測傳感器件。

1 羅氏線圈原理

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

1.1 羅氏線圈原理與計算

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

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

式中:B——線圈內部的磁感應強度;

μ——骨架材料磁導率;

Hx——線圈內部的磁場強度;

dx——距離導線軸心的距離,取值范圍[a,b]。

由圖2,結合式(1)～式(3)計算,根據磁通量與磁感應強度關系式,穿過線圈繞組的磁通量為

(4)

式中:N——線圈匝數;

a、b——線圈橫截面的內徑、外徑;

h——截面高度。

線圈末端感應電壓為

(5)

因此,互感系數為

M=Nhμln(b/a)/2π

(6)

自感系數為

L=N2hμln(b/a)/2π

(7)

由式(5)可以看出,羅氏線圈確定時M為定值,輸出電壓與di/dt成正比,感應電動勢是對被測電流求導后得到的,故羅氏線圈輸出的是微分波,通過外接積分回路,便可以還原出要測量的電流大小。

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、電容計算公式分別如下:

(8)

(9)

式中:a——線圈線匝截面積;

ε0——真空磁導率;

εr——骨架芯相對磁導率;

l——導線長度;

為簡化分析,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遠大于RC0,對傳遞函數進行近似化簡發(fā)現,R、RL和C0越小,L越大,系統的下限截止頻率越小,上限截止頻率越大,此時羅氏線圈工作頻帶區(qū)域越寬。因此,如何減小線圈內阻RL和雜散電容C0,并增大線圈的互感能力,是羅氏線圈設計的關鍵。

2 羅氏線圈的雷電測試及應用

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

標準8/20 μs波形如圖4所示。

圖4 標準8/20 μs波形

2.1 雷電沖擊測試

試驗測試材料為臻和公司自制非開合式羅氏線圈,該產品具有體積小巧、外形美觀、IP等級高、防水防塵等特點,可直接戶外使用,且使用標準端子或同軸電纜接口,方便維護和使用。

試驗平臺為8/20 μs波形沖擊測試臺,測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,觀測平臺為示波器。

羅氏線圈的雷電流測試數據如表1所示。

表1 羅氏線圈的雷電流測試數據

羅氏線圈感應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,除因測試觀察中使用的示波器本身度數與視距誤差會有一定的影響外,羅氏線圈采集的數據線性度極高,反應速率可到1 MHz以上,測試的8/20 μs波形峰值超過100 kA,滿足日常雷電監(jiān)測使用,且其精確度能達到0.1 kA以上,對雷電精確測試具有實踐意義。

對比圖6、圖4可以發(fā)現,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 波形還原應用

通過上述應用及實測可以發(fā)現,直接采用羅氏線圈進行輸出波形的采集具有一定的難度,具體表現在以下方面:

(1) 波形輸出為微分波,用數學模型分析為一、四象限波形,對于一般的A/D采樣數據芯片,能量損失較大。

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

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

經過一系列的電子電路處理,波形還原轉換為標準波形輸出,經過轉換的測試波形如圖8所示。

由圖8可以看出,波形經過轉換還原后基本與沖擊電流波形一致,達到預期轉換效果。

圖8 經過轉換的測試波形

羅氏線圈轉換電路對雷電流輸出測試數據如表2所示。

表2 羅氏線圈轉換電路對雷電流輸出測試數據

測試后的還原波形曲線如圖9所示。

圖9 測試后的還原波形曲線

由圖9可以看出,測試數據波形線性度及電氣數據基本可以被A/D類采集器件所接受,可用于雷電流的數據化處理與分析。

3 結 語

羅氏線圈作為大電流現場測量用傳感器,具有功率輸出低、結構簡單、線性優(yōu)等特性,在許多大電流測試場合下都是傳感器件的首選,在雷電流監(jiān)測領域使用羅氏線圈將大大提高雷電監(jiān)測的安全性、準確性。

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