一种带特殊磁芯的Rogowski线圈研究

摘要

电流互感器是电力系统中的重要设备，它的应用遍及相关电力部门的生产与研究测试的许多领域，在继电保护和电流测量中具有不可替代的地位，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。但随着电力系统传输容量的逐渐增大，电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器的绝缘以及饱和的问题也日益突出。因此，提高电流互感器的相关技术指标，对保证电力系统及其相关设备的稳定安全运行具有重要的实际意义和实用价值。 电力系统中暂态电流传感器按检测原理可分为以电流输出的铁心互感器和以电压输出的空心互感器（Rogowski线圈）。纵观国内外的研究现状表明，传统的铁芯互感器和空心线圈互感器（Rogowski线圈）各自有很多优点，但基于测量原理和方法的局限性，缺点与不足的存在是难以避免的。传统的铁芯互感器具有信噪比高，稳定性高，抗干扰能力强等优点，因而被广泛用于电力系统的测量与保护中。然而传统的电磁式铁心互感器在电网向大容量、超高压发展过程中面临着严峻的考验：频带窄，存在磁饱和问题，在大容量电力系统中变得非常突出，会引起互感器二次电流数值和波形的严重失真，继而引起系统保护的误动和拒动作。虽然通过在铁心中开气隙的办法可以解决铁心因非周期电流引起的磁饱和问题，但因其有气隙，铁芯设计要大，则体积很大，造价很高。同时因其铁心铁磁材料性能所限，测量频带窄，且其输出不能和计算机联网，不能实现智能化控制，从而相当程度上限制了其在电力系统中的发展。空心互感器具有不存在磁饱和问题、测量频带宽、动态测量范围大、结构简单、体积小、重量轻、造价低等优点，同时结合现代集成电子技术作为电子式电流互感器受到广泛的青睐。随着电力系统向超高压、特高压的方向发展，其在电力系统中将得到越来越多的应用和推广。但同时也具有不可忽视的缺点，如输出信号小，信噪比不高等等。 于是本文提出了一种带特殊磁芯的新型Rogowski线圈，特殊磁芯使其同时具有铁芯互感器的优点和空心线圈互感器的优点，在保持信噪比高、频带宽、动态范围广的优点的同时，而且不存在磁饱和现象，从根本上解决了因测量不准而导致继电装置拒动或误动的难题。 根据法拉第电磁效应，空心线圈二次线圈的输出是一次电流的微分关系，所以需要在二次侧加上合适的积分电路，以还原一次电流。新型互感器的骨架加有适量磁铁粉，磁导率有适度提高，信噪比有所增大，在同等条件下，二次线圈的输出比空心线圈有明显增加，频带得到拓宽。 经过理论推导与实验证明，这种新型互感器经过信号处理后，具有很宽的测量频带和量程，在10Hz至100KHz的频率范围和几安至几千安的大小范围内，电流测量的误差能保证在国际标准规定范围内。