PLC毕业论文.pdf

发布时间：2022-06-05 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.52M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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毕业设计（论文）题目宽频罗氏线圈的结构与性能优化电气工程院电气工程与自动化系电气 34 班学生姓名何光元学号 03041095 指导教师李江涛设计所在单位高电压教研室 2007 年 6 月 1

摘要电流互感器是电力测量及保护的基本设施之一，随着电力系统在在监测、保护、控制方面自动化和智能化的提高，传统的电流互感器已经不能满足现代测量的要求，于是新型的电流互感器便孕育而生，Rogowski线圈就是这样的一种新型互感器, 它结构简单、线性度好、造价低、使用简单、安全，能和电子测量装置联机使用，易于微机化、网络化, 对其进行研究有重要意义。本文研究的是外积分式Rogowski线圈, 通过改变线圈的参数, 例如：线圈的气隙长度、匝数、磁芯厚度、积分参数, 来研究它在测量冲击和工频大电流中输出信号的特征, 最后总结出各项参数对大电流测量的影响, 从而根据具体情况更好地来设计Rogowski线圈。理论分析和试验表明：改变磁芯尺寸，减小积分时间常数，增加线圈匝数,都可以提高输出信号强度，增强系统灵敏度；增大气隙、积分电阻、减少线圈匝数都有利于提高饱和电流，增大线性范围；增大积分时间常数，减小线圈匝数和信号电阻，可以拓宽频带宽度；采用回线能消除附加电压影响，加屏蔽盒能减弱外界电磁场的干扰。最后应用函数曲线进行比对，对磁芯尺寸进行优化，得到兼顾灵敏度、线性度、幅频特性的设计方案。关键词：电流互感器，Rogowski线圈，大电流，外积分 2

Abstract Current transducer is a basic equipment for current measurement and protection in power system, with the improvement of automation and intelligent about monitoring, protection, control in power system, Classical current transducer can not satisfy the requirement, so Rogowski coil has been invented to replace classical transducer, which has many advantages: simple structure, high performance, low cost， simpleness and safety in use, connecting with other electronic equipment and computer easily. External integration Rogowski coil is investigated in this paper, through changing the parameters of coil, including air-gap length, core thickness, turns, integral parameters. Through its features in measuring impulse current and industry frequency current, research the changes of current which impacted by every parameters in measuring strong current, then can design better Rogowski coil. Theoretical analysis and experiment results indicate: changing coil size, decreasing time constant, increasing coil turn can enhance the intension of single; increasing magnetic resistance, decreasing integral resistance, decreasing coil turns can improve saturated current; increasing integral parameters, decreasing coil turns and single resistance can increase band width; the use of loop-line and screen can eliminate the infection of subjoin voltage and external electromagnetic field. In order to optimize the structure of coil, we use function curve of core size to contrast, access a program which combines sensitivity, linearity, amplitude-frequency characteristics. Key word: current transducer, Rogowski coil, current, external integration 3

目录摘要 ...........................................................................................................................................1 ABSTRACT................................................................................................................................3 目录.......................................................................................................................................4 第一章绪论...........................................................................................................................5 1.1 研究背景和意义 ........................................... 5 1.2 研究现状及发展趋势 ....................................... 6 1.3 本文的主要工作 ........................................... 8 本章小结 ..................................................... 8 第二章 ROGOWSKI 线圈的理论分析 ..............................................................................9 2.1 测量基本原理 ............................................. 9 2.2 自制 ROGOWSKI 线圈的结构................................... 11 本章小结 .................................................... 13 第三章 ROGOWSKI 线圈结构参数对其性能的影响.................................................... 14 3.1 ROGOWSKI 线圈基本性能要求................................. 14 3.2 各项参数对性能的影响.................................... 14 3.2.1 气隙 ................................................ 14 3.2.2 积分常数 ............................................ 17 3.2.3 线圈匝数 ............................................ 20 3.2.4 回线 ................................................ 22 3.2.5 频率特性 ............................................ 25 3.2.6 磁芯尺寸............................................ 28 本章小结 .................................................... 31 结论 ........................................................................................................................................ 32 致谢 ........................................................................................................................................ 33 参考文献.................................................................................................................................... 34 4

第一章绪论随着电力系统电压等级的提高和测量设备的自动化和智能化，迫切需要新型的电流互感器来取代传统的电磁式电流互感器。这里主要从分析传统的电磁式电流互感器的弊端以及Rogowski 线圈的优点着手，来提出关于 Rogowski线圈的设计构想。 1.1 研究背景和意义长期以来，具有铁心的电磁式电流互感器（CT）在继电保护和电流测量中一直占主导地位。随着电力行业电压、电流等级的增大及测量向自动化、智能化方向的转变，传统的电流互感器已经不能满足电力测量的需要了[1]。随着电子技术的发展和微机的普及，在电力保护和电力测量中，测量控制部分的能量流与信息流分离，因而监测设备不需要高功率输出的电流互感器。另外，随着变电综合自动化和配电自动化的应用，要求开发出具有测量、保护、通讯能力为一体的电流互感器。于是迫切需要研制新型电流互感器来替代目前使用的传统电流互感器。Rogowski 线圈便是这样的一种新型电流互感器，由于本身结构特点和在电力测量中表现的优点，而受到广泛的关注。传统电磁式互感器具有在线性范围内测量准确度高、制造工艺成熟、试验校验规范、国家标准可以依据等优势[1]，在很长的时间内适应了电力系统测量要求。但是存在如下问题：体积大、成本高，结构复杂，采用变压器油绝缘的互感器还存在爆炸危险；因采用铁磁材料和复杂的线圈绕组，频带窄；测量电流很大时，铁芯会产生磁饱和，测量波形严重畸变，动态范围小；过去为了便于继电保护自动装置和测量仪表等二次设备在设计制造时的标准化与系列化，规定电流互感器二次侧额定电流为 5A，弱电控制系统定为 1A。然而随着微机保护技术和现代测量装置的发展，继电保护装置和二次测量及其自动装置不需要大功率驱动，传统互感器的输出信号不能直接和微机相连，难以适应电力系统自动化、数字化发展的趋势；传统电流互感器二次侧直接与负载和电流表连接，相当于运行在变压器的短路状态，一旦开路，二次侧开路会引起很高电压，所以使用中不允许开路。电磁式互感器都有一定的额 5

定容量，从电力网中消耗功率，成为系统的负载，存在负荷分担问题；传统电流互感器中有很多复杂的电容电感元件，在一定情况下会出现铁磁谐振，导致线路中产生过电流，烧毁设备，因此安全性差[1][2]。与传统电磁式电流互感器相比较，Rogowski 线圈有如下优点：线圈体积小、结构简单、造价低、频带宽；线圈的中心骨架一般采取非导磁材料（少数因测量时为了增大输出信号而采用导磁材料），不会产生饱和，因而动态范围大、线性度好；末端可以和示波器，数据采集装置，微机相连，易于实现微机化，网络化；线圈本身感应电压和流过线圈的电流都很小，消耗的功率微乎其微，不会出现过电压、过电流等情况，与一次电路完全断开，使用安全；而且也不存在末端不让开路的问题。正是因为 Rogowski 线圈有如此多传统电磁式电流互感器不具备的优点，所以研究 Rogowski 线圈对于现代化的电流测量具有重要意义。 1.2 研究现状及发展趋势 1912 年，Rogowski 与其同伴 W. Steinhaus 发表了题为：The Measurement of Magnet Motive Force 的论文，作者根据麦克斯第一方程证明了围绕导体的线圈端电压可用来测量磁场强度，并且此电压与线圈形状无关，特别地，称这种线圈为罗氏线圈。后来人们根据全电流定律证明了罗氏线圈可以用来测量脉冲大电流，不过刚开始获得的准确度并不高（2~3%），而且性能也不够稳定。直到 1966 年西德的 Heumamn 改变了罗氏线圈的结构并将罗氏线圈的测量准确度提高了一个数量级（0.1%），才使得罗氏线圈又被逐渐重视起来。到 80 年代初，英国 Rocoil 公司已经实现了罗氏线圈系列化和产业化。到了 80 年代中后期，以罗氏线圈为传感头的电子式电流互感器装置的研制成功，进一步加速了它的应用步伐[1]。随着激光和集成电路的出现以及低损耗光纤的试制成功，美国、英国、日本等发达国家都把精力集中到高压电流互感器的研究与开发上，并且目前，对传感设备的小型化、模块化、多功能化、数字化和智能化的需求日渐增加，这都使得电子式电流互感器的发展与实用化成为现实。如今 ABB 公司、西门子的 500 千伏光电电流互感器，已经在我国 6

天广线、三长线、大房线上安装运行了。LEM 公司的开口式空心线圈电流测试仪也已形成系列产品。国内例如清华大学、西安交通大学、电力科学研究院、华中科技大学、福州大学、武汉高压研究所、沈阳变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、上海互感器厂和南瑞继保电气有限公司以及西安高压开关厂等科研院所企事业单位也在进行此类产品的研究与开发[1]。用于测量超高压大电流电网中的强电流的电子式电流互感器，主要有两种，一：基于磁光效应和安培环路定律的无源电流互感器，其测量原理为：根据法拉第磁光效应和安培环路定律可知，线偏振光旋转的角度与载流导体中流过的电流成正比，利用检偏器将角度的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电流。从原理上讲，它不仅可以测量高压强直流，还可以测量高压交流、暂态和脉冲大电流；其二，有源电流互感器的测量原理为：通常采用骨架为非磁性材料的罗氏线圈作为感应被测电流的传感头，将感应电势经过采样电阻获得之后，再经过积分变换以及 A/D 转换，由 LED 转换为数字光信号输出，控制室的 PIN 及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理，便可输出供微机保护和计量用的电信号。与传统的电磁式电流互感器相比，电子式电流互感器集激光技术、光纤传感技术和先进的光电信号处理等先进技术于一身，它的输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口，不需要外加保护措施，适应了电力保护和计量的数字化、自动化及光通信的发展需要，因此，它是目前和将来高压稳态大电流传感方法中倍受关注的焦点，有望取代传统电流互感器。现在也有采用闭环原理的交流比较仪，利用多单元组合成霍耳交流比较仪的强电流测量设备，成功解决了精炼炉其容量为 13 兆伏安，电压变比为 35 千伏/ 160 伏，其二次输出电流达 55 千安的大电流测量问题暂态和脉冲大电流测量技术。 ABB 公司研制的有源电子式互感器，电流的测量采用 Rogowski 线圈，用于插接式智能组合电器(PASS)和 SF6 气体绝缘开关(GIS)中的有源电子式电流电压组合互感器，用于新型智能化开关柜中的电子式互感器。除了测量各种大电流的罗氏线圈外，测量局部放电的罗氏线圈也出现不少新成果。瑞士 Th. Heizmann 等人利用带宽 12MHz-40MHz 的带磁芯 Rogowski 线圈在现场最低可检测到 15pC 的放电。德国汉诺威大学的的 Uwe Schichler 7

将带宽 20kHz-10MHz，灵敏度 9.7V/A 的改进型 Rogowski 线圈用于 XLPE 电缆接头的局放检测，检测≥1pC 的局放。华北电力大学研制的钳型传感器带宽为 3-60MHz，可检测 XLPE 电缆中<5pC 的放电量。武汉高压研究所将带宽 10kHz-28MHz 的高频Rogowski 线圈对电缆接头处的局放进行现场在线检测，灵敏度为 1pC。目前关于相关的研究进展集中在研制适用于各种特殊情况下电流测量的 Rogowski 线圈，比如，测量各种超大电流、局部放电的 Rogowski 线圈，电压电流一体化测量的互感器，以及和其它声、光信号相互转化的电子式电流互感器，这些新型互感器的研究都偏向于测量种类和机理，而关于线圈本身结构参数的优化设计这方面，尤其是带磁芯结构的 Rogowski 线圈在测量大电流中磁芯饱和问题的研究，相关内容较少[7]。因此，本文工作就是研究带磁芯的 Rogowski 线圈结构参数对测量性能的影响，工作的重点就是关于磁芯饱和的问题。 1.3 本文的主要工作本文的主要工作是研究 Rogowski 线圈各项参数对他的输出信号的影响，然后再提出参数优化。具体内容如下：一．查阅相关资料，熟悉 Rogowski 线圈的工作机理，了解目前研究的成果，明确研究的意义。二．建立一个 Rogowski 线圈测量系统模型，从理论上分析各项参数对它性能的影响。三．针对各项参数进行实验，把实验数据和理论分析的进行比较。四．根据比较的结果，进行优化方案总结。本章小结根据传统的电流互感器在现代测量中存在的缺陷，来阐述研究新型电流互感器的意义，总结了新型电子式电流互感器的研究成果和研究中的不足，从而确定本文的研究方向。 8

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