基于PCB羅氏線圈的暫態(tài)電流采集裝置

李昂， 毛先胤， 劉亞東， 謝瀟磊， 江秀臣

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240; 2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

輸電線路故障檢測和定位是輸電線路運(yùn)維工作的重點(diǎn)[1-2]。輸電線路運(yùn)行環(huán)境惡劣，經(jīng)常受到外部干擾而發(fā)生故障，準(zhǔn)確、快速獲取故障波形可為故障處理工作提供原始的數(shù)據(jù)支撐，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)價(jià)值。

行波法是當(dāng)前最為主要的定位方法[3-5]。但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，該方法還存在一些缺陷，主要表現(xiàn)在：①由于CT變比的關(guān)系，其對微弱行波信號的傳變能力較差，導(dǎo)致傳統(tǒng)的行波法對高阻故障的適應(yīng)性差，影響了其在實(shí)際工程應(yīng)用中的效果;②由于變電站CT帶寬的限制，其高頻分量被衰減，導(dǎo)致行波波頭變緩，在計(jì)算行波到達(dá)時(shí)刻時(shí)，容易出現(xiàn)偏差;③故障電流行波沿線路傳播的過程中出現(xiàn)非線性衰減，導(dǎo)致變電站采集到的故障波形發(fā)生畸變，影響了故障電流行波到達(dá)時(shí)刻判斷的精度。因此故障電流行波需要實(shí)現(xiàn)就近、高速采樣，以保證故障電流信號的無損提取。

針對上述問題，本文提出了一種基于PCB Rogowski線圈的故障暫態(tài)電流采集裝置，利用廉價(jià)的PCB線圈實(shí)現(xiàn)對故障暫態(tài)電流的測量，消除了互感器帶寬的限制，同時(shí)采用雙線圈同步采集的方式實(shí)現(xiàn)對輸電線路0～25 kA暫態(tài)故障電流的精確采集。不僅可以實(shí)現(xiàn)故障電流的采集，還可采集雷電流，為輸電線路故障診斷提供一種新的工具。

1 系統(tǒng)框架

故障暫態(tài)電流采集裝置的總體目標(biāo)是能夠準(zhǔn)確地采集故障電流波形，包括工頻故障電流和行波電流波形，并能精確地定位故障電流波形到達(dá)采集點(diǎn)的時(shí)間，將以上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，從而實(shí)現(xiàn)故障的診斷與定位。

采集裝置主要包括主控MCU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電流傳感器采集端、高速采樣模塊、外部總線和CT取電等，如圖1所示。CPLD產(chǎn)生高速采樣時(shí)鐘，控制AD轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集線路電流。窗口比較器分別監(jiān)控不同量程通道電流的大小。一旦超過設(shè)定閥值，主控CPU將故障前后一段時(shí)間的波形數(shù)據(jù)打上時(shí)間標(biāo)簽后存入Flash中，然后通過ZIGBEE或者GPRS上傳采集暫態(tài)電流波形[6-7]。

2 電流傳感模塊

電流傳感模塊分為羅氏線圈和積分器兩部分，二者需根據(jù)不同的應(yīng)用需求以實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)方案。

2.1 PCB羅氏線圈設(shè)計(jì)

羅氏線圈包括兩個(gè)部分:一部分是由質(zhì)地均勻的非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的骨架，截面形狀為矩形；另一部分是均勻緊密纏繞在骨架上的線匝[8-9]。骨架和線匝共同組成線圈。在進(jìn)行電流測量時(shí)，將通有電流的導(dǎo)線以平行于線圈軸向的方向穿過線圈的圓心，待測電流所產(chǎn)生的磁場隨著電流變化而變化，通過線圈的磁通隨之改變并引發(fā)羅氏線圈感應(yīng)產(chǎn)生可以表征所測電流特征的電壓信號[10]。圖2表示羅氏線圈的工作原理，其中h表示內(nèi)外半徑之差,d為線圈厚度。

圖1 暫態(tài)電流采集裝置模塊圖

圖2 羅氏線圈機(jī)構(gòu)圖

故障電流采集裝置需要安裝在輸電線路上，因此故障電流傳感器需要做成開啟式結(jié)構(gòu)，本文所設(shè)計(jì)的PCB羅氏線圈將兩個(gè)半環(huán)形的矩形截面的印制板組合成整個(gè)線圈。為了消除垂直方向磁場的干擾，本文提出了差分回線的布線方式，采用同股導(dǎo)線順繞并回繞的繞線方式，抵消垂直方向上磁場的影響。PCB線圈采用多排過孔式設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 多排過孔設(shè)計(jì)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)順繞與回繞，將半圓形的印制板分成內(nèi)環(huán)和外環(huán)側(cè)，并在兩側(cè)設(shè)計(jì)多排過孔。印制板內(nèi)環(huán)側(cè)設(shè)計(jì)了三排過孔，分別用X排、Y排、Z排表示，各有39個(gè)過孔。外環(huán)側(cè)設(shè)計(jì)兩排過孔，分別為A排和B排，各有58個(gè)過孔。過孔M和N分別是起點(diǎn)過孔和終點(diǎn)過孔，分布在半環(huán)同一端。圖3中穿過空心圓圈的線表示順繞的路徑，從起點(diǎn)過孔M開始，所經(jīng)過的路線為:M-X1-A1-Z1-A2-Y2-A3-X3-A4-Z4…直到排孔M58與Z39相連，順繞結(jié)束。圖3中穿過實(shí)心圓圈的線表示回繞路徑：Z39-B58-Y39-B57-Z38-B56-X38…直到終點(diǎn)過孔N，繞線結(jié)束。所設(shè)計(jì)的PCB羅氏線圈實(shí)物如圖4所示。

圖4 PCB羅氏線圈實(shí)物圖

2.2 積分器選型

根據(jù)羅氏線圈的基本原理，其兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢為：

(1)

圖5 T型積分電路示意圖

式中:h為線圈內(nèi)部的磁場強(qiáng)度;μ0為真空磁導(dǎo)率;N為線圈匝數(shù);e(t)為線圈兩端的感應(yīng)電壓;R為線圈內(nèi)半徑;R+d為線圈外半徑。由式(1)可知，羅氏線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢正比于電流的微分，比例系數(shù)M為等效電流與線圈互感，根據(jù)不同的積分電路可得到不同的輸出和帶寬，本文中設(shè)計(jì)使用的T型積分電路如圖5所示。根據(jù)圖5可得到積分電路的傳遞函數(shù)如下式所示:

(2)

式中：

(3)

式中：Rs表示負(fù)載取樣電阻;M為等效互感;Rc是等效電阻;Lc為線圈等效自感;Cc表示羅氏線圈等效匝間分布電容。為了獲得理想的頻響特性，需對以上參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜≈怠ＴO(shè)計(jì)的電流傳感器的工作頻帶為30 Hz～1 MHz，響應(yīng)的羅氏線圈的參數(shù)如表1所示，對應(yīng)的頻響曲線如圖6所示。

圖6 頻率響應(yīng)曲線

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值RC46.3 ΩM47.346 nHR02 MΩLC1.8283 μHRs20 MΩC022 μFCC20.12 pFRf1 kΩC1 μF

3 觸發(fā)電路

由于系統(tǒng)運(yùn)用的是預(yù)采樣方式，在故障行波來之前AD一直處理循環(huán)采樣狀態(tài)，何時(shí)將采到的有效故障數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。并且輸電線路不同類型的故障，其故障電流各不相同，如樹枝引起的故障電流行波可低至5 A，而雷擊引起的故障行波電流可到達(dá)10 kA，整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍大于60 dB。需要分兩個(gè)通道進(jìn)行測量和觸發(fā)。如圖7所示,每個(gè)窗口比較器由兩個(gè)運(yùn)放組成，當(dāng)檢測信號范圍超出設(shè)定窗口時(shí)，輸出報(bào)警信號，CPU根據(jù)故障報(bào)警時(shí)間，上傳故障前100 μs到故障后1 000 μs的數(shù)據(jù)至后臺(tái)服務(wù)器。

圖7 行波觸發(fā)電路

4 高速采集電路

為降低ARM處理器的負(fù)荷，本文采用CPLD產(chǎn)生采樣時(shí)序，控制AD轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。如圖8所示，CPLD輸出AD采樣時(shí)鐘，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并輸出控制時(shí)序?qū)D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM中。若SRAM寫滿后還沒接收到觸發(fā)信號，則重新從地址0x00開始寫入并覆蓋之前的數(shù)據(jù)。ARM處理器在接收到觸發(fā)信號后讀取SRAM數(shù)據(jù)，發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器。

圖8 高速采樣框圖

5 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證本采集系統(tǒng)的采集精度，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了測試平臺(tái)，如圖9所示，沖擊電流發(fā)生器作為行波源，產(chǎn)生8/20 μs不同幅值和極性的標(biāo)準(zhǔn)電流波形，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器和示波器構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)采集電路，采集裝置通過采集的波形與標(biāo)準(zhǔn)電路的波形進(jìn)行比較以得到采集系統(tǒng)的精度。使沖擊電流發(fā)生器依次輸出電流為90 A、800 A、10 kA、25 kA，在各電流等級下進(jìn)行正負(fù)2次沖擊放電試驗(yàn)，利用被測樣品和數(shù)字存儲(chǔ)示波器分別讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并分析比較。

圖9 行波電流監(jiān)測接線示意圖

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按下式分別計(jì)算監(jiān)測誤差，其結(jié)果需滿足要求如下：

(4)

式中：δ為幅值誤差；Im0為數(shù)字存儲(chǔ)示波器幅值讀數(shù)；Im1為被測樣品幅值讀數(shù)。

測試結(jié)果如表2所示。

圖10為行波-25 kA第一次測試標(biāo)準(zhǔn)波形與實(shí)際采集到的波形。

由圖10可知，本文設(shè)計(jì)的故障電流采集裝置可以準(zhǔn)確地采集8～20 μs的故障暫態(tài)電流波形，并且幅值誤差最大為6.12%，小于10%，滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

表2 電流采樣結(jié)果

圖10 標(biāo)準(zhǔn)波形與實(shí)際采集到的波形

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的故障暫態(tài)電流采集裝置可以實(shí)現(xiàn)輸電線路故障電流的就近、低成本和高精度采集。采用了PCB式羅氏線圈大大降低了采集裝置的成本，同時(shí)采用ARM+CPLD的架構(gòu)，提高了高速采集系統(tǒng)的工作效率，通過雙通道采集模式實(shí)現(xiàn)對大動(dòng)態(tài)范圍故障電流的采集。