魏文偉, 蔡樂才, 張超洋3,

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司內(nèi)江供電公司, 四川 內(nèi)江 641000;2.宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院, 四川 宜賓 644000; 3.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院, 四川 自貢 643000)

引 言

由于電網(wǎng)中一旦發(fā)生事故，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因而及時(shí)地監(jiān)測(cè)避雷器運(yùn)行狀態(tài)和評(píng)估避雷器健康情況是非常有必要的。電網(wǎng)的事故以輸電線路的故障占大部分，輸電線路的故障又以雷擊跳閘占的比重較大，尤其是在山區(qū)的輸電線路中，線路故障基本上是由于雷擊跳閘引起的。避雷器在露天環(huán)境中安置，老化或者受潮會(huì)導(dǎo)致避雷器的保護(hù)能力下降，嚴(yán)重時(shí)造成電網(wǎng)大范圍停電事故。電網(wǎng)系統(tǒng)易受雷擊產(chǎn)生故障，輸電線路故障檢測(cè)、定位是輸電線路運(yùn)維工作的重點(diǎn)[1-2]。雷擊電流波形和幅值對(duì)輸電線路進(jìn)行差異化防雷設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，研究有效測(cè)雷和防雷措施是確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行亟需解決的關(guān)鍵問題。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)诶纂娏鞅O(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究取得了眾多具有價(jià)值的成果。江天炎等人進(jìn)行了羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)仿真試驗(yàn)研究[3],提出了用磁鋼棒測(cè)量法和磁帶測(cè)量法檢測(cè)雷擊電流的幅值[4-5]，用行波法實(shí)現(xiàn)故障定位[6]，設(shè)計(jì)了雷電定位系統(tǒng)[7]、Rogowski 線圈 (羅氏線圈)[8]、PCB(Printed Circuit Board：印制電路板) Rogowski線圈檢測(cè)雷擊電流波形和幅值[9]，羅氏線圈防雷領(lǐng)域的研究[10]，羅氏線圈電子式電流互感器諧波測(cè)試方法和CPU系統(tǒng)隔離回路解決方案[11-12]等。雷電定位系統(tǒng)相對(duì)價(jià)格較高，行波法因?yàn)楦哳l分量被衰減導(dǎo)致精度降低。Rogowski線圈電流傳感器各方面性能優(yōu)越，但是普通的Rogowski線圈是將導(dǎo)線(漆包線)均勻地繞在環(huán)形非鐵磁骨架上制成，其繞制過程通常是由手工或繞線機(jī)來完成的[13]。在批量化生產(chǎn)中，很難做到線圈均勻繞制，不利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。采用羅氏線圈為輕便大口徑柔性傳感器[14-15]，既便于安裝又便于攜帶，同時(shí)能夠適應(yīng)各種電纜直徑。PCB Rogowski線圈成本低，便于批量生產(chǎn)，但是測(cè)量靈敏度低，而且安裝不方便。針對(duì)上述問題，本文提出了一種C型PCB Rogowski線圈暫態(tài)電流采集方法，具有成本低、便于批量生產(chǎn)、安裝方便、檢測(cè)靈敏度高的特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)雷擊電流檢測(cè)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化方面發(fā)展具有積極的意義。

1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，當(dāng)設(shè)備遭遇雷擊時(shí)，輸電線路或設(shè)備的避雷器上會(huì)瞬間流過雷擊電流，遠(yuǎn)程雷擊檢測(cè)儀啟動(dòng)，記錄雷擊時(shí)間，捕捉雷擊的定位。然后將雷擊的時(shí)間，地點(diǎn)等信息發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)器，配置軟件記錄上述信息后，通過監(jiān)控服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到任意的其他客戶端，如手機(jī)客戶端、PC客戶端等。

圖1 避雷器雷擊智能計(jì)數(shù)儀廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

遠(yuǎn)程雷擊檢測(cè)儀由兩個(gè)雷電流傳感器、一個(gè)測(cè)量主機(jī)組成，能同時(shí)監(jiān)測(cè)正反兩路雷電流信號(hào)。如圖2所示，系統(tǒng)前端采用獨(dú)立研發(fā)的C型多層PCB Rogowski雷電流互感器用來檢測(cè)100 kA以上的雷電流，用積分電路處理后，經(jīng)峰值檢波和測(cè)量觸發(fā)電路，低功耗CPU MSP430處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用GPS定位技術(shù)、RF短距離數(shù)據(jù)傳輸及GSM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。

圖2 遠(yuǎn)程雷電流測(cè)試儀系統(tǒng)框圖

選擇 AD 公司的一款低功耗、低噪音模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7655 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換；處理器用美國(guó)德州儀器公司(TI)的低功耗芯片 MSP430F149；存儲(chǔ)器用M25P32-VMW6TG 串行 Flash存儲(chǔ)芯片。

為了便于測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取，設(shè)計(jì)了兩種通訊方式，一種是在現(xiàn)場(chǎng)用便攜式筆記本通過RF模塊射頻通訊方式接收數(shù)據(jù)(通信距離1500 m以內(nèi))，另一種是通過短信GSM方式發(fā)送至監(jiān)控終端。

2 C型PCB Rogowski線圈及電流檢測(cè)

2.1 羅氏線圈測(cè)電流原理

傳統(tǒng)的Rogowski線圈將導(dǎo)線均勻地繞在非磁性材料的框架上，有大電流i(t)的導(dǎo)線垂直穿過線圈的中心，導(dǎo)線輸出端能感應(yīng)出反映電流i(t)大小的電壓信號(hào)u(t)的測(cè)量裝置。定義：H為線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度；h為截面高度；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；u(t)為線圈兩端的感應(yīng)電壓；N為線圈匝數(shù)；a、b為線圈橫截面的內(nèi)徑和外徑；非磁性環(huán)形骨架中心距中軸被測(cè)電流距離為r；每匝線圈橫截面積為S。當(dāng)被測(cè)電流i(t)沿軸線通過線圈時(shí),在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)H。依據(jù)安培環(huán)路定律得:

i(t)=∮Hdl

(1)

H=i(t)/2πr

(2)

B=μ0H=μ0i(t)/2πr

(3)

按照電磁感應(yīng)定律，穿過感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

(4)

(5)

所以羅氏線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

(6)

其中：N為線圈匝數(shù)，互感系數(shù)M為：

M=u0Nhln(b/a)/2π

(7)

由式(6)可知，羅氏線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u(t)與被測(cè)電流的微分信號(hào)成正比，比例系數(shù)即為互感系數(shù)M，式(7)表明M的大小與線圈的結(jié)構(gòu)和線圈匝數(shù)決定。因此，羅氏線圈輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)積分器后就可以得到被測(cè)電流波形，所以用羅氏線圈能夠測(cè)量電流。

2.2 PCB Rogowski線圈

傳統(tǒng)的Rogowski線圈在批量化生產(chǎn)中很難做到線圈均勻繞制。隨著PCB制作工藝的提高，線路尺寸上可重復(fù)生產(chǎn)的精度高，所以采用PCB結(jié)構(gòu)的Rogowski線圈得以應(yīng)用。其與傳統(tǒng)電磁式互感器相比，PCB Rogowski線圈具有的體積小、成本低、傳輸頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，由于雙面PCB結(jié)構(gòu)型繞線匝數(shù)有限，導(dǎo)致測(cè)量靈敏度較低，為了增加測(cè)量靈敏度，設(shè)計(jì)中采用多層串聯(lián)方式提高繞線匝數(shù)。兩層串聯(lián)型正反PCB結(jié)構(gòu)的Rogowski線圈原理如圖3所示。設(shè)計(jì)中采用多個(gè) PCB 板羅氏線圈正反相連安裝構(gòu)成電流檢測(cè)傳感器，增加了羅氏線圈的匝數(shù)，由式(2)可知，這樣能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，能有效提高信號(hào)采集的精度，同時(shí)，每個(gè)PCB羅氏線圈采用正反相間連接方式，消除平行于印制板平面的磁場(chǎng)干擾。另外，PCB 板上的布線盡量均勻密繞，減少匝間和板間電容，減少批量生產(chǎn)的參數(shù)差異。

圖3 串聯(lián)PCB型Rogowski線圈設(shè)計(jì)原理圖

在實(shí)際安裝過程中，要斷開原有線路，才能把閉環(huán)的線圈套在電力線上，這給安裝帶來了嚴(yán)重不便。因此，在設(shè)計(jì)中對(duì)電流檢測(cè)部分進(jìn)行了改進(jìn)，研制了一種C型PCB Rogowski線圈的新型電流傳感器，如圖4所示，將線圈結(jié)構(gòu)改為開口的C型結(jié)構(gòu)，在開口位置增加了一個(gè)安裝定位的鎖片K。安裝的時(shí)候，先打開鎖片K，通過缺口將線圈直接套在電力線上，然后閉合固定鎖片K，完成安裝。

圖4 C型PCB Rogowski線圈

3 干擾分析及處理

受安裝工藝和外界磁場(chǎng)影響，實(shí)際工作狀態(tài)與理想狀態(tài)之間存在干擾的影響，下面對(duì)幾種干擾情況進(jìn)行分析。

3.1 磁場(chǎng)干擾

任意方向的干擾磁場(chǎng)均可分解為垂直于(z軸)及平行于(x軸、y軸)羅氏線圈的磁場(chǎng)，這里分別稱為垂直場(chǎng)和平行場(chǎng)。當(dāng)羅氏線圈受到垂直磁場(chǎng)BZ的作用時(shí)，會(huì)在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

(8)

式中：φz為垂直干擾磁場(chǎng)BZ在線圈中產(chǎn)生的磁通量。實(shí)際輸出電壓：

uo(t)≈u(t)+ez

(9)

為了減少ez的影響，設(shè)計(jì)了特殊的PCB羅氏線圈，即增加一層PCB，沿著PCB線圈骨架中部，繞制一圈與線匝方向相反的回線，垂直干擾磁場(chǎng)BZ會(huì)在回線上產(chǎn)生與ez相反的電動(dòng)勢(shì)，從而抵消影響。同時(shí)，回線與載流導(dǎo)體產(chǎn)生的有用磁場(chǎng)方向平行，不會(huì)影響被測(cè)電流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

為了減少平行磁場(chǎng)干擾，設(shè)計(jì)中盡可能增加線圈匝數(shù)，減小線圈尺寸，降低線圈對(duì)稱位置的平行干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小差異，盡可能均勻繞制線圈，及PCB的走線對(duì)稱，大小相同的平行干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾電動(dòng)勢(shì)相互抵消。另外，用一個(gè)只留中心位置開孔的金屬殼把羅氏線圈屏蔽在里面，減小外磁場(chǎng)的干擾。

3.2 載流導(dǎo)體位置影響

如圖5所示，載流導(dǎo)體從PCB羅氏線圈的中心位置A移動(dòng)了KR距離到位置B。R為PCB羅氏線圈外徑，K為偏心系數(shù)，且K≤1。

圖5 載流導(dǎo)體偏斜示意圖

被測(cè)電流在C處線匝產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通分別為：

(10)

B(dθ,t)=u0·H(dθ,t)

(11)

ψ(dθ,t)=S·B(dθ,t)

(12)

(13)

其中dθ表示角度變化量，由式(10)～式(13)可得被測(cè)電流在線圈中產(chǎn)生的總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

(14)

由此求得互感系數(shù)的相對(duì)誤差：

(15)

由式(15)可得，當(dāng)K≤0.43時(shí)，▽?duì)?0.01%，即實(shí)際應(yīng)用中，載流導(dǎo)體的位置偏心系數(shù)K小于0.43就可忽略載流導(dǎo)體偏心導(dǎo)致的互感系數(shù)的誤差。設(shè)計(jì)中，根據(jù)安裝導(dǎo)向的大小情況設(shè)計(jì)PCB羅氏線圈的中心孔徑比載流導(dǎo)體稍大，則可保證安裝的偏心系數(shù)K小于0.43，誤差影響可以忽略。

4 系統(tǒng)測(cè)試

IEC國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC1024《避雷針防雷電氣》、IEC1312《雷電電磁脈沖防護(hù)》均執(zhí)行10/350 uS和8/20 uS雷電波形。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11032-2000《交流規(guī)范》、GB3482-3483-83《電子設(shè)備雷擊實(shí)驗(yàn)、導(dǎo)則》均執(zhí)行8/20 uS雷電波形。為驗(yàn)證本采集系統(tǒng)的采集精度，用沖擊電流發(fā)生器作為行波源，產(chǎn)生 8/20 uS不同幅值、不同極性的標(biāo)準(zhǔn)電流波形，用示波器檢測(cè)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)電流檢測(cè)值，與本檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較，得到的結(jié)果見表1。從表1中可以看出，系統(tǒng)檢測(cè)的最大誤差為4.0%，小于10%，滿足應(yīng)用規(guī)范的要求。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用PCB羅氏線圈作為電流檢測(cè)傳感器，設(shè)計(jì)了雷擊電流檢測(cè)系統(tǒng)。從理論上分析了電磁干擾和安裝工藝對(duì)檢測(cè)精度的影響。設(shè)計(jì)中根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)了設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，為了增加安裝的方便性，將PCB羅氏線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為帶鎖片的C型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低成本、便于安裝的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。