基于罗氏线圈的短路电流测量设计

2022-12-26甘茂愿

冶金动力 2022年6期

甘茂愿，胡聪，周杰

（中国船舶集团公司第七〇三研究所无锡分部，江苏无锡 214000）

引言

在电气测量中，电流的测量是非常重要的一环，传统带铁芯的电磁感应式电流互感器是电流测量中最常用的设备之一，但是在此类互感器使用中，一些问题容易影响到试验中的测量可行性，如体积重量大、磁饱和等。在短路电流的测量中，短路电流峰值往往达到几十千安甚至上百千安，这种情况下使用传统的带铁芯电流传感器是无法达到测量的要求。罗氏线圈由于其体积小、测量精准、非铁磁等优点，在大电流测量领域受到广泛使用。本文介绍一种基于罗氏线圈的短路电流测量方法，操作简单方便，在短路电流的测量中有较高的实用价值。

1 测量系统组成和工作原理

1.1 测量系统组成

为验证测量方案的可靠性，现有某船试验项目中的短路试验对系统的短路峰值电流要求为55 kA，误差量±10%。为此，结合试验场地条件搭建了一个测量系统，来测试短路电流能否达到试验要求。测量系统主要由开关柜、CWT300B罗氏线圈电流传感器、DEWE2-PA7、变压器、短路柜等部分组成。结构见图1所示。

图1 测量系统机构图

1.2 工作原理

主回路主要由变电所、开关柜、变压器、短路柜组成，变电所提供10 kV电源，设有短路、母差等保护功能；开关柜为变电所和短路柜间的过渡设备，同样具有相应的保护功能，为确保整个试样的安全性；短路柜为系统短路点，由铜牌连接相间产生短路电流。

系统搭建完成后，测量的过程可分为以下几步：三个单相罗氏线圈电流传感器分别套在低压开关柜进线的三个铜牌中；在短路柜上用铜牌连接两相，模拟相间短路；各开关合闸送电后，罗氏线圈测得的电流经过积分器后转换为电压信号输入DEWE2-PA7；信号输入DEWE2-PA7并设置变比后，转换为实时波形；从而对波形进行实时分析对比。

2 罗氏线圈电流传感器的测量原理及设备选型

2.1 罗氏线圈电流传感器的测量原理

罗氏线圈电流传感器用于测量电流。它提供一个与电流成正比的输出电压（例如，1 mV/A）。实时监测随时间变化的电流，因此可以在示波器或任何类型的数据记录器上再现电流波形。电流传感器包括一个罗氏线圈，通过同轴电缆连接到一个电子积分器，如图2所示。线圈紧密地缠绕在一个一定形状和尺寸的非铁磁材料上，并被绝缘包围。一次侧导体穿过线圈中心，当导体中流过变化的电流，则导体周围产生变化的磁场，由电磁感应原理知罗氏线圈输出端产生感应电动势。

图2 传感器原理图

线圈在恒截面面积Am2的非磁性线圈上均匀缠绕N圈/m。如果形成一个闭环，则在线圈中感应的电压由方程给出：

式中：H——线圈灵敏度，Vs/A；

I——通过回路时要测量的电流。

式中：Ti=RoC1、Rsh=H/Ti——传感器灵敏度，mV/A。

2.2 罗氏线圈传感器选型

罗氏线圈的选型主要考虑以下几个要素：（1）能够承受短路试验中产生的最大电流；（2）能满足短路试验中对电流的精度要求；（3）能满足试验中测量仪器的输入信号要求。

由此选择PEM公司的CWT300B电流探头，该探头由罗氏线圈和积分器构成，由BNC接口输出0.1 mV/A的电压信号，最大测量电流60 kA。

2.3 参试设备选型

高低压开关柜、试验变压器及电力分析仪是该测量系统的主要组成部分。其中高压柜负责分断变电所至变压器间线路，由于变电所出线为端为10 kV，高压柜开关选择10 kV/630 A最大分断电流3.15 kA。

试验变压器选择10 kA/400 V/1250 kVA短路阻抗Uk%为6%，短路阻抗在变压器短路试验中是一个非常重要的参数，是计算变压器短路电流的基本方法。

短路阻抗又叫阻抗电压，阻抗电压的测量方法是：将变压器副边短接并接上电流表，然后变压器原边接上可从零开始调高的电源。当变压器副边的电流等于它的额定电流时，记下此时原边的电压值Ud。Ud与变压器原边的额定电压Un比值的百分位数，就是阻抗电压Uk%。

变压器阻抗电压Uk%：

变压器副边额定电流In：

变压器短路电流Ik：

根据以上公式我们可以计算变压器出变压器的副边额定电流及短路电流，由此结合场地条件选择低压开关柜为400 V/4 000 A最大分断电流80 kA。

DEWE2-PA7是一种高精度的电力测量分析仪，是一个高度精确、隔离、16位电压数字化仪。每个通道都被单独隔离，并有自己的AD转换器。对于2 V以上的范围，温度补偿电阻分频器会衰减输入信号。在较低的范围内，信号通过电流限制电路直接路由到可编程增益放大器。这种架构允许测量从几个μV到100 V的电压，具有极好的信噪比和准确性。在增益放大器之后，件信号在到达ADC之前通过一个可编程的低通滤波器。最大采样率可达250 kS/s，罗氏线圈传感器（0.1 mV/A）接入后设置变比可实时显示并记录波形，结构见图3所示。

图3 DEWE2-PA7结构图

3 波形的采集与分析

短路试验开始后，由三组罗氏线圈采集信息接入DEWE2-PA7后，得到短路电流波形，波形见图4。

图4 短路试验波形

短路电流峰值一般出现在短路后约半个周波，由于工频电压为50 Hz，即在短路后约10 ms出现电流峰值，对波形进行分析后，验证在短路后约10 ms后达到峰值，Ipk为47 kA，尚未达到试验预计的55 kA。由于系统电压在短路前后基本不变，电流未达到预计数值考虑为线路阻抗影响短路电流大小，对系统设备状态进行检查后，第二次试验选择减少电缆长度及增加电缆根数来减小系统阻抗，第二次试验得出约为51 kA的短路电流峰值，满足±10%误差量。