PCB空心线圈电子式电流互感器的理论建模及设计实现

摘要

电子式电流互感器以其优异的绝缘性能、无磁饱和的优良特性，适应了电力系统大容量、高电压等级以及自动化发展的需要。但是，复杂的工作环境因素（如温度、振动、电磁干扰等）以及高压区电源的供能问题影响了有源电子式电流互感器的测量准确度、长期稳定性和可靠性，阻碍着大规模商业应用的进程。本论文针对有源电子式电流互感器目前存在的上述主要问题，从理论与实践角度进行了一些探索，提出了高性能PCB（Printed-Circuit Board）空心线圈电流传感器的基础理论和设计方法，研究了有源电子式电流互感器高压区的电源供能理论，在此基础上，研制了PCB空心线圈电子式电流互感器样机，其中，TECT-10型样机通过了型式试验，并已挂网试运行。 针对空心线圈电子式电流互感器的测量准确度难以达到0.2S级电力系统计量要求问题，论文从直接影响电流互感器性能的空心线圈一次电流传感器的基础理论研究入手，探索高性能空心线圈电流传感器的设计方法。通过对实用空心线圈的结构特征、制造技术与测量性能之间制约关系的分析，揭示出实用空心线圈细小的骨架截面是影响线圈几何制造精度进而影响测量性能的首要结构因素。为此，基于大截面实用空心线圈的结构和测量原理模型，通过理论建模、仿真和试验方法研究了实用空心线圈大截面结构对测量原理与性能的内在影响关系。研究结论纠正了关于“线圈宽度是产生位置误差的原因之一”的错误认识，解除了空心线圈对骨架截面的限制，对大截面PCB空心线圈的设计与制造具有理论指导意义。论文建立了矩形大截面实用线圈位置误差的精确数学模型和载流导体有效长度对测量准确度影响的数学模型。基于PCB空心线圈和T型积分器构建了PCB空心线圈电流传感器，推导出PCB空心线圈电流传感器的传递函数模型和工频暂态特性数学模型，动模试验表明PCB空心线圈电流传感器具备准确反映电力系统故障电流暂态过程的能力。 PCB空心线圈具有不同于普通空心线圈的结构特征，突出表现为矩形大截面结构、线匝规律离散分布和线圈导线与骨架为约束耦合关系，由此产生了不同于普通空心线圈的误差特性。基于PCB空心线圈的上述结构特征和制造精度，建立了PCB空心线圈的位置误差、结构误差和温度误差系数的数学模型，仿真分析了影响位置误差的结构因素，试验考核了两种不同内径线圈的结构误差；建立了PCB空心线圈电流传感器的温度误差系数和理论稳态误差的数学模型，提出了PCB空心线圈电流传感器的温度误差控制方法—温度系数匹配法，并通过试验证明了采用该方法可以在-40～70℃温度范围将其温度误差控制±0.1％以内。 摒弃以往单纯优化负载电阻阻值的方法，采用基于优化配置零极点的PCB空心线圈动态性能优化方法，可有效兼顾PCB空心线圈的稳态温度误差和高频动态性能。建立了T型积分器的低频动态特性优化模型，通过仿真与试验分析了T型积分器的上限截止频率与最大峰值瞬时误差之间的制约关系。基于PCB空心线圈的基础理论分析，提出了PCB空心线圈结构优化设计的基本原则与方法，尤其是提出了PCB空心线圈环径比κ优化的数学模型。提出了PCB空心线圈电流传感器的优化设计流程。 针对目前实际产品因高压区电源难以连续获取大功率能量而产生长期工作可靠性问题，提出了速饱和电流互感器、磁阀式饱和电流互感器在线取能与激光供能相配合的混合供能方案，以解决大功率供能、电流死区和唤醒时间问题。重点研究了电流互感器在线取能理论。基于速饱和电流互感器的工作特性分析，提出了速饱和电流互感器的设计方法；采用通过铁心磁导率变化自适应于一次电流变化来实现控制铁心磁通变化的方法，研制出一种用于在线取能的新型电流互感器—磁阀式饱和电流互感器，大大拓展了电流互感器0.5W功率在线取能时电流死区的上限；试验数据分析表明，采用速饱和电流互感器和磁阀式饱和电流互感器相配合的方法，当在线取能功率为0.5W时，电流死区下限可达1.5A，上限可达7000A（理论上20000A）。研制了使用电流互感器在线取能的悬浮式开关电源。 基于PCB空心线圈电流传感器的基础理论与设计方法的研究成果，研制了10KV和110KV以上电压等级的PCB空心线圈电子式电流互感器样机。其中，10KV电压等级TECT-10型样机已通过型式试验和科技成果鉴定，计量准确度达到0.2S，保护准确度达到5P，并实现了小规模产品化和挂网试运行。研究了电子式电流互感器工作环境中主要电磁干扰源及其特性，采取了有效的干扰抑制措施，保证了TECT-10型样机的电磁兼容性。 基于电子式电流互感器标准GB/T 20840.8-2007，研究了电子式电流互感器测量准确度的校验原理，采用虚拟仪器技术构建了电子式电流互感器校验系统，可应用于电子式电流互感器测量准确度的测试与校验。