劉祥珺, 楊東升

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

艦船電力網(wǎng)絡(luò)漏電流傳感器設(shè)計(jì)

劉祥珺, 楊東升

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

艦船電力網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生絕緣故障時(shí)出現(xiàn)的故障電流往往包含豐富的高頻信號(hào)。在艦船電力網(wǎng)絡(luò)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究中，故障電流特別是暫態(tài)電流的有效提取和分析是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，它的精度是保證絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)對(duì)電流傳感器進(jìn)行相關(guān)理論分析，根據(jù)傳感器的等效電路模型，通過(guò)一定的仿真研究與實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證其對(duì)于故障漏電流拾取的可靠性，為艦船電網(wǎng)信號(hào)檢測(cè)提供有效的手段。

漏電流 高頻信號(hào) 電流傳感器 坡莫合金

1 電流傳感器的應(yīng)用

由于艦船電力網(wǎng)絡(luò)基本上屬于閉環(huán)輸電網(wǎng)絡(luò)，為了不破壞艦船電網(wǎng)原有接線結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障電流的有效拾取，只能將電流傳感器套在電網(wǎng)支路上進(jìn)行工作。自積分式Rogowski電流傳感器能夠滿足這一基本要求，該類型傳感器需要選擇合適的鐵芯穿過(guò)線圈，以達(dá)到我們所需的基本要求，如圖1所示。

圖1 Rogowski線圈的簡(jiǎn)單示意圖

使用時(shí)需要將傳感器直接套裝在受測(cè)支路的電纜上，這種信號(hào)抽取方式可以將測(cè)試系統(tǒng)與設(shè)備主回路有效隔開，使二次測(cè)量電路及計(jì)算機(jī)設(shè)備免受主回路中危險(xiǎn)過(guò)電壓造成的損壞，也避免了主回路可能開路的問題[1]。

適用于艦船電力網(wǎng)絡(luò)的漏電流傳感器主要遵循以下兩個(gè)原則。

(1) 盡可能將漏電流傳感器套在艦船電纜的絕緣對(duì)地(船殼)一側(cè)以提高其測(cè)量范圍內(nèi)線性度與穩(wěn)定性。

(2) 選用高導(dǎo)磁率的材料制作CT的鐵芯。CT的相對(duì)測(cè)量誤差為

(1)

其中：i0為鐵芯勵(lì)磁電流；i1為進(jìn)入傳感器一次側(cè)線圈的電流。在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，盡可能地選取高導(dǎo)磁率鐵磁材料作為傳感器的鐵芯來(lái)降低i0，進(jìn)而減小測(cè)量誤差。

2 等值電路分析

自積分式Rogowski線圈的等效電路如圖2所示。

圖2 自積分式Rogowski線圈等效電路圖

其中，M和L表示帶鐵芯Rogowski線圈的自感和互感，R表示積分電阻，RL表示線圈導(dǎo)線電阻。

由此得到，該線圈的電路方程為[2]

(2)

那么骨架內(nèi)磁通Φ為

(3)

其中：線圈的截面積為A。

當(dāng)Rogowski線圈的橫截面為矩形時(shí)，其鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 矩形鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖

由矩形鐵芯的結(jié)構(gòu)示意圖，可以得到磁通Φ為

(4)

這樣，互感系數(shù)M為

自感L為

而線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(5)

3 Rogowski線圈頻率特性分析

為了分析Rogowski線圈傳感器的相關(guān)頻率特性，需要得到線圈工作的傳遞函數(shù)，接負(fù)載的Rogowski線圈電路圖如圖4所示[1]：

圖4 接負(fù)載的Rogowski線圈電路圖

當(dāng)線圈內(nèi)雜散電容為C0時(shí)，在零初始條件下，簡(jiǎn)化的傳遞函數(shù)為

(6)

設(shè)線圈工作的截止頻率為ω0，由于ω=1/T，我們可以得到線圈幅頻特性的表達(dá)式[3]：

(7)

當(dāng)頻率滿足ω﹥﹥?chǔ)?時(shí)，可以得到傳遞函數(shù)的近似關(guān)系式：H(s)≈R·M/L。其中，自感L在線圈結(jié)構(gòu)中起到了內(nèi)部積分的用途。進(jìn)一步計(jì)算，可以得到線圈工作頻率的范圍為

(8)

4 Rogowski線圈傳感器材料的選取

不同型號(hào)磁芯材料對(duì)應(yīng)不同磁導(dǎo)率μ，不同的μ值也就對(duì)應(yīng)著不同的自感L，進(jìn)而影響到傳感器的相關(guān)幅頻特性。磁芯材料鐵芯的磁飽和現(xiàn)象會(huì)直接影響線圈的輸出波形。因此，為保證傳感器能夠正常工作，必須保證所含鐵芯未達(dá)到飽和，以避免線圈發(fā)生磁飽和狀況。所以，在制作傳感器時(shí)，我們選用高導(dǎo)磁率鐵磁材料作鐵芯，這樣可以有效提高傳感器檢測(cè)的頻帶寬度。

本文選用的適用于艦船電力網(wǎng)絡(luò)的傳感器磁芯材料為坡莫合金。坡莫合金主要由鐵、鎳、鉬、鉻、銅等元素組成，具有很高的導(dǎo)磁率、低損耗、低矯頑力、較穩(wěn)定的溫度特性及較強(qiáng)的抗過(guò)載能力，是制作艦船CT理想的材料[4]，其物理性能如圖5所示。

圖5 坡莫合金物理性能示意圖

鐵、鎳合金的一般電阻率為50uΩ·cm左右，針對(duì)艦船電網(wǎng)故障電流獲取的基本要求，同時(shí)兼顧矯頑力和矩形比的影響，本文選用型號(hào)為1G79類合金作為傳感器鐵芯。在設(shè)計(jì)時(shí)，也要合理設(shè)計(jì)合金厚度，提高傳感器鐵芯占空系數(shù)，使其充分發(fā)揮磁性作用，并增大測(cè)量帶寬，以滿足測(cè)量要求。

5 帶鐵芯的Rogowski傳感器仿真與實(shí)測(cè)

5.1 傳感器頻率特性仿真分析

選用MATLAB仿真軟件進(jìn)行傳感器的頻率特性仿真分析，有利于直觀掌握傳感器的相關(guān)特性。根據(jù)傳感器傳遞函數(shù)，可以仿真得到傳感器幅頻特性曲線，如圖6所示。

圖6 Rogowski線圈傳感器幅頻特性曲線

通過(guò)MATLAB仿真圖可以看出，當(dāng)傳感器的副邊匝數(shù)為750；雜散電容C0=100×10-12F；尺寸為：外徑×內(nèi)徑×高度=68.5×57.5×0.02；相對(duì)磁導(dǎo)率為：30 000時(shí)，傳感器的帶寬大約為30MHz。

在傳感器磁芯材料和線圈尺寸確定后，由公式(20)可以看出，減小積分電阻阻值能夠降低傳感器下限截止頻率，也就增大了傳感器的幅頻帶寬。但從傳感器的等效電路可以看出，積分電阻的減小會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的降低，從而影響到傳感器的測(cè)量精度[5]。為解決這一問題，通常會(huì)將傳感器外接一個(gè)運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器采用斬波穩(wěn)零集成運(yùn)放ICL7650，接線圖如圖7所示。

圖7 ICL 7650接線圖

改進(jìn)后帶運(yùn)算放大器的電流傳感器電路圖如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后的電流傳感器

在原有傳感器加上斬波穩(wěn)零集成運(yùn)放ICL7650后，再進(jìn)行幅頻特性仿真分析，可以得到如圖9所示的波特圖。

圖9 加運(yùn)放的傳感器幅頻特性曲線

通過(guò)改進(jìn)后的電流傳感器幅頻特性曲線可以看出，其頻帶寬度明顯增大，大約為原來(lái)的100倍，完全滿足艦船電網(wǎng)選線保護(hù)裝置對(duì)暫態(tài)高頻信號(hào)采集的需要。

5.2 傳感器線性度實(shí)驗(yàn)分析

傳感器的輸出特性是指?jìng)鞲衅鬏斎氲囊淮蝹?cè)電流和輸出的二次側(cè)電流的關(guān)系。在傳感器的設(shè)計(jì)中沒有可以套用的現(xiàn)成模式、沒有可信的數(shù)學(xué)公式，而一些經(jīng)驗(yàn)公式也只對(duì)精度要求不高的傳感器存在著一定的指導(dǎo)意義，對(duì)于此類精度要求較高的微弱電流傳感器已不再適用，因此設(shè)計(jì)高精度的弱電流傳感器，只能一方面借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，另一方面通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)。傳感器線性度的好壞標(biāo)志著傳感器測(cè)量誤差的好壞，而好的線性度在整個(gè)量程范圍內(nèi)，誤差會(huì)小。這里為檢測(cè)傳感器線性度的好壞，我們搭建的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 傳感器測(cè)試平臺(tái)

圖11是實(shí)驗(yàn)中小部分具有代表性的電流傳感器輸出波形圖，圖中電流傳感器的變比n=I1/(U2/R)，I1為電流傳感器一次側(cè)電流，(U2/R)為電流傳感器二次側(cè)電流，R為線路外接電阻(本文R=100Ω)，外形選擇與仿真時(shí)相同的尺寸，即外徑×內(nèi)徑×高度=68.5×57.5×0.02，傳感器的匝數(shù)均為700。

圖11 漏電流傳感器輸入輸出波形

通過(guò)傳感器的輸入輸出波形，可以看出帶鐵芯的Rogowski線圈傳感器具有較好的線性度，能夠較好地傳變艦船電網(wǎng)高頻信號(hào)的基本特征，是比較理想的故障漏電流傳感器。

6 結(jié)論

通過(guò)選擇合理的鐵芯材料與線路設(shè)計(jì)可以有效提高電流傳感器的傳變特性，特別是對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)具有較好的效果。通過(guò)一定的仿真與實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證該電流傳感器能夠滿足艦船電網(wǎng)對(duì)高頻信號(hào)的檢測(cè)且在量程范圍內(nèi)線性度較好，是一種比較理想的電流傳感器，為艦船電網(wǎng)高頻信號(hào)檢測(cè)提供了一種可靠的手段。

[1] 張紅嶺，鄭繩楦．Rogowski線圈的研究與設(shè)計(jì)[D]．秦皇島：燕山大學(xué)，2006．

[2] 羅蘇南，田朝勃，趙希才．空心線圈電流互感器性能分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(3)：108-113．

[3] Ljubomir K．PCB Rogowski Coils Benefit Relay Protection [J].IEEE Computer Applications in Power，2002，15(3)：50-53．

[4] 袁季修，盛和樂，吳聚業(yè)．保護(hù)用電流互感器應(yīng)用指南[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2004．

[5] 陳攀，孫才新，米彥等. 一種用于絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測(cè)的寬頻帶微電流傳感器的特性研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(24)：144-148.

Leakage Current Sensor Design of Shipboard Power System Network

LIU Xiang-jun， YANG Dong-sheng

(Military Representative in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co.,Ltd., Shanghai 200129, China)

Prolific high-frequency signals are included in fault circuit frequently while insulation faults are appeared in shipboard power system network. In the research of ship insulation monitoring system, it is the focal and also difficult point to extract and analyze the fault current, particular transient fault current, whose accuracy is the key to ensure the accuracy of ship insulation monitoring system. In this paper, the relevant theory of current sensor is analyzed intensively. According to the equivalent circuit model, the reliability of obtaining leakage current is verified through some simulation and experimental analysis, which provides an effective means for signal detection of shipboard power system network.

Leakage current High-frequency signal Current sensor Permalloy

劉祥珺(1974-)，男，工程師。

U665

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