基于羅氏線圈的短路電流測量設(shè)計

甘茂愿，胡 聰，周 杰

（中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇無錫 214000）

引言

在電氣測量中，電流的測量是非常重要的一環(huán)，傳統(tǒng)帶鐵芯的電磁感應(yīng)式電流互感器是電流測量中最常用的設(shè)備之一，但是在此類互感器使用中，一些問題容易影響到試驗中的測量可行性，如體積重量大、磁飽和等。在短路電流的測量中，短路電流峰值往往達到幾十千安甚至上百千安，這種情況下使用傳統(tǒng)的帶鐵芯電流傳感器是無法達到測量的要求。羅氏線圈由于其體積小、測量精準、非鐵磁等優(yōu)點，在大電流測量領(lǐng)域受到廣泛使用。本文介紹一種基于羅氏線圈的短路電流測量方法，操作簡單方便，在短路電流的測量中有較高的實用價值。

1 測量系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 測量系統(tǒng)組成

為驗證測量方案的可靠性，現(xiàn)有某船試驗項目中的短路試驗對系統(tǒng)的短路峰值電流要求為55 kA，誤差量±10%。為此，結(jié)合試驗場地條件搭建了一個測量系統(tǒng)，來測試短路電流能否達到試驗要求。測量系統(tǒng)主要由開關(guān)柜、CWT300B羅氏線圈電流傳感器、DEWE2-PA7、變壓器、短路柜等部分組成。結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)機構(gòu)圖

1.2 工作原理

主回路主要由變電所、開關(guān)柜、變壓器、短路柜組成，變電所提供10 kV電源，設(shè)有短路、母差等保護功能；開關(guān)柜為變電所和短路柜間的過渡設(shè)備，同樣具有相應(yīng)的保護功能，為確保整個試樣的安全性；短路柜為系統(tǒng)短路點，由銅牌連接相間產(chǎn)生短路電流。

系統(tǒng)搭建完成后，測量的過程可分為以下幾步：三個單相羅氏線圈電流傳感器分別套在低壓開關(guān)柜進線的三個銅牌中；在短路柜上用銅牌連接兩相，模擬相間短路；各開關(guān)合閘送電后，羅氏線圈測得的電流經(jīng)過積分器后轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入DEWE2-PA7；信號輸入DEWE2-PA7并設(shè)置變比后，轉(zhuǎn)換為實時波形；從而對波形進行實時分析對比。

2 羅氏線圈電流傳感器的測量原理及設(shè)備選型

2.1 羅氏線圈電流傳感器的測量原理

羅氏線圈電流傳感器用于測量電流。它提供一個與電流成正比的輸出電壓（例如，1 mV/A）。實時監(jiān)測隨時間變化的電流，因此可以在示波器或任何類型的數(shù)據(jù)記錄器上再現(xiàn)電流波形。電流傳感器包括一個羅氏線圈，通過同軸電纜連接到一個電子積分器，如圖2所示。線圈緊密地纏繞在一個一定形狀和尺寸的非鐵磁材料上，并被絕緣包圍。一次側(cè)導(dǎo)體穿過線圈中心，當導(dǎo)體中流過變化的電流，則導(dǎo)體周圍產(chǎn)生變化的磁場，由電磁感應(yīng)原理知羅氏線圈輸出端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

圖2 傳感器原理圖

線圈在恒截面面積Am2的非磁性線圈上均勻纏繞N圈/m。如果形成一個閉環(huán)，則在線圈中感應(yīng)的電壓由方程給出：

式中：H——線圈靈敏度，Vs/A；

I——通過回路時要測量的電流。

式中：Ti=RoC1、Rsh=H/Ti——傳感器靈敏度，mV/A。

2.2 羅氏線圈傳感器選型

羅氏線圈的選型主要考慮以下幾個要素：（1）能夠承受短路試驗中產(chǎn)生的最大電流；（2）能滿足短路試驗中對電流的精度要求；（3）能滿足試驗中測量儀器的輸入信號要求。

由此選擇PEM公司的CWT300B電流探頭，該探頭由羅氏線圈和積分器構(gòu)成，由BNC接口輸出0.1 mV/A的電壓信號，最大測量電流60 kA。

2.3 參試設(shè)備選型

高低壓開關(guān)柜、試驗變壓器及電力分析儀是該測量系統(tǒng)的主要組成部分。其中高壓柜負責分斷變電所至變壓器間線路，由于變電所出線為端為10 kV，高壓柜開關(guān)選擇10 kV/630 A最大分斷電流3.15 kA。

試驗變壓器選擇10 kA/400 V/1250 kVA短路阻抗Uk%為6%，短路阻抗在變壓器短路試驗中是一個非常重要的參數(shù)，是計算變壓器短路電流的基本方法。

短路阻抗又叫阻抗電壓，阻抗電壓的測量方法是：將變壓器副邊短接并接上電流表，然后變壓器原邊接上可從零開始調(diào)高的電源。當變壓器副邊的電流等于它的額定電流時，記下此時原邊的電壓值Ud。Ud與變壓器原邊的額定電壓Un比值的百分位數(shù)，就是阻抗電壓Uk%。

變壓器阻抗電壓Uk%：

變壓器副邊額定電流In：

變壓器短路電流Ik：

根據(jù)以上公式我們可以計算變壓器出變壓器的副邊額定電流及短路電流，由此結(jié)合場地條件選擇低壓開關(guān)柜為400 V/4 000 A最大分斷電流80 kA。

DEWE2-PA7是一種高精度的電力測量分析儀，是一個高度精確、隔離、16位電壓數(shù)字化儀。每個通道都被單獨隔離，并有自己的AD轉(zhuǎn)換器。對于2 V以上的范圍，溫度補償電阻分頻器會衰減輸入信號。在較低的范圍內(nèi)，信號通過電流限制電路直接路由到可編程增益放大器。這種架構(gòu)允許測量從幾個μV到100 V的電壓，具有極好的信噪比和準確性。在增益放大器之后，件信號在到達ADC之前通過一個可編程的低通濾波器。最大采樣率可達250 kS/s，羅氏線圈傳感器（0.1 mV/A）接入后設(shè)置變比可實時顯示并記錄波形，結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 DEWE2-PA7結(jié)構(gòu)圖

3 波形的采集與分析

短路試驗開始后，由三組羅氏線圈采集信息接入DEWE2-PA7后，得到短路電流波形，波形見圖4。

圖4 短路試驗波形

短路電流峰值一般出現(xiàn)在短路后約半個周波，由于工頻電壓為50 Hz，即在短路后約10 ms出現(xiàn)電流峰值，對波形進行分析后，驗證在短路后約10 ms后達到峰值，Ipk為47 kA，尚未達到試驗預(yù)計的55 kA。由于系統(tǒng)電壓在短路前后基本不變，電流未達到預(yù)計數(shù)值考慮為線路阻抗影響短路電流大小，對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進行檢查后，第二次試驗選擇減少電纜長度及增加電纜根數(shù)來減小系統(tǒng)阻抗，第二次試驗得出約為51 kA的短路電流峰值，滿足±10%誤差量。

4 結(jié)束語

以上對羅氏線圈原理以及對其在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了介紹，并設(shè)計了一種在短路電流測量中的測量方法，具有精度高、使用方便、安全性強等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)試驗中具有較為廣泛的應(yīng)用價值。