CN103777055B - 多个罗氏线圈并联外积分传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了罗氏线圈并联外积分传感器,包括多个罗氏线圈(1)和积分电路(2),所有的罗氏线圈(1)都并联到一个采样电阻RJ上,积分电路(2)也并联到采样电阻RJ上,所述的罗氏线圈(1)的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻。本发明的有益效果是:本发明能够采集多个通道电流,再利用匹配的积分电路将多通道电流还原为分流前大电流波形,整个传感器不使用有源器件,采用无源模拟叠加方法,功耗得到很大的降低;本发明由于采集通道减少三个,其布置简单、实施成本低,大电流不易产生电晕,其安全性好,精度高。
Description
技术领域
本发明涉及到电流传感器,特别是涉及到罗氏线圈并联外积分传感器。
背景技术
对电力系统大电流的监测主要采用分流器和Rogowski线圈(罗氏线圈)。其中罗氏线圈是利用电流互感原理进行电流间接测量的装置,具有低功率输出、结构简单、线性良好等优良特性,在许多大电流测量场合下,它都是传感器件的首选对象。
由于罗氏线圈传感器特点突出,应用广泛,很多学者从不同角度对其作了研究,包括罗氏线圈频谱特性分析及其影响因素;对于不同功能罗氏线圈仿真计算与试验研究;分布电容,杂散电感等元器件非理想特性对罗氏线圈整体性能的影响;不同积分方式应用场合与特点;PCB板罗氏线圈特点与工艺;罗氏线圈结构设计原则及元器件的选择;罗氏线圈在局部放电测量领域的应用;绕制材料对罗氏线圈性能的影响等许多方面,并通过学术论文进行了阐述。文中一般只针对单个罗氏线圈进行分析和研究。对多个罗氏线圈并联使用,以及并联后特性等,文献均并未提及。
在实际电流监测应用中,罗氏线圈传感器一般安装在能够直接测量大电流的位置。例如杆塔雷电流传感器安装在绝缘子接地端,避雷线与杆塔连接点;变电站电流传感器安装在绝缘支柱接地端等处;这些传感器均是单个使用,具有独立采集通道。而在一些大范围,多通道,存在分流情况的场合,往往需要设置多个这样的线圈进行测量,采集。例如测量雷击杆塔入地电流时,电流通过杆塔基座入地,需要多个罗氏线圈传感器。
多通道大电流采集的方法有通道独立采集法和有源信号叠加法。通道独立采集法的采集通道数和传感器数量一致,通道数量多,存储容量大,成本高;有源信号叠加法通过跟随器、加法器等有源器件实现信号的模拟叠加,但有源器件数量的增加易导致检测装置功耗及故障率的增加,有源器件的特性也会对信号叠加产生很大的影响。为此,很多测量系统在使用罗氏线圈传感器时,尽量避免多个罗氏线圈共同测量总电流的情况,以规避有源叠加的问题,这就限制了罗氏线圈的安装位置,提高了安装难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足,提供罗氏线圈并联外积分传感器,解决现有多通道电流采集方法中,成本高、功耗大、易出故障的缺陷。
本发明的目的通过下述技术方案实现:罗氏线圈并联外积分传感器,包括多个罗氏线圈和积分电路,所有的罗氏线圈都并联到一个采样电阻RJ上,积分电路也并联到采样电阻RJ上,所述的罗氏线圈的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻。本装置主要用于采集接地电流,罗氏线圈并联后连接到匹配的积分电路上,之后即直接连接到检测系统中,能够采集多通道电流,再利用匹配的积分电路将多通道电流还原为分流前大电流波形,整个传感器不使用有源器件,采用无源模拟叠加方法,功耗很小,由于采集通道减少,其布置简单、实施成本低,大电流不易产生电晕,其安全性好,精度高。隔离电阻用于隔离不同罗氏线圈不同电压,进行多个线圈输出电压的隔离,通过不同电压作用在采样电阻RJ上实现电压的叠加,这里与单线圈的积分电路不同,单线圈直接连接到积分电路上,而本发明中的隔离电阻和采样电阻即实现了多线圈的叠加。
进一步,上述的积分电路采用RC外积分电路,包括电阻R和电容C,这样多个传感器的积分都在外积分处,仅有一点接地,而采用传统的LR内积分电路会因为多点接地方式产生的地电位抬升或环流。
进一步,上述的隔离电阻的阻值等于对应罗氏线圈的波阻抗减去采样电阻RJ的阻值,即隔离电阻的阻值加上采样电阻RJ的阻值应该与罗氏线圈的波阻抗一致,保证罗氏线圈中电流合流的准确性。
本发明的有益效果是:
(1)本发明能够采集多个通道电流,再利用匹配的积分电路将多通道电流还原为分流前大电流波形,整个传感器不使用有源器件,采用无源模拟叠加方法,功耗得到很大的降低;
(2)本发明由于采集通道减少三个,其布置简单、实施成本低,大电流不易产生电晕,其安全性好,精度高;
(3)采用RC外积分电路,这样多个传感器的积分都在外积分处,仅有一点接地,避免多点接地方式产生的地电位抬升或环流。
附图说明
图1为本发明应用时的结构示意图;
图2为本发明的结构示意图;
图3为罗氏线圈和节分电路的电路结构示意图;
图4为支柱中电流波形图;
图5为罗氏线圈中的电流波形图;
图中,1-罗氏线圈,2-积分电路,3-杆塔,4-支柱,5-检测系统。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明:
【实施例】
如图1、图2、图3所示,罗氏线圈并联外积分传感器,包括n个罗氏线圈1和积分电路2,所有的罗氏线圈1都并联到一个采样电阻RJ上,积分电路2也并联到采样电阻RJ上,本实施例用于杆塔3接地电流的测量,杆塔3有多根支柱,所以需要多个罗氏线圈1,n个罗氏线圈1分别安装在杆塔3的支柱4上,对应的罗氏线圈1所在平面垂直于对应的支柱4,且对应的支柱4穿过对应罗氏线圈1的中心,四个罗氏线圈1的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻,即图3中的RL1~RLn。本装置主要用于采集接地电流,罗氏线圈1并联后连接到匹配的积分电路2上,之后即直接连接到检测系统5中,能够采集多通道电流,再利用匹配的积分电路2将多通道电流还原为分流前大电流波形,整个传感器不使用有源器件,采用无源模拟叠加方法,功耗很小,由于采集通道减少,其布置简单、实施成本低,大电流不易产生电晕,其安全性好,精度高。隔离电阻用于隔离不同罗氏线圈1的不同电压,进行多个线圈输出电压的隔离,通过不同电压作用在采样电阻RJ上实现电压的叠加,这里与单线圈的积分电路不同,单线圈直接连接到积分电路上,而本发明中的隔离电阻和采样电阻即实现了多线圈的叠加。
进一步,上述的积分电路2采用RC外积分电路,包括电阻R和电容C,这样多个传感器的积分都在外积分处,仅有一点接地,而采用传统的LR内积分电路会因为多点接地方式产生的地电位抬升或环流。
进一步,上述的隔离电阻的阻值等于对应罗氏线圈1的波阻抗减去采样电阻RJ的阻值,即隔离电阻的阻值加上采样电阻RJ的阻值应该与罗氏线圈1的波阻抗一致,保证罗氏线圈1中电流合流的准确性。
如图3,M为线圈与置于线圈中间的载流导体之间的互感,L、C分别为线圈的自感、杂散电容,整体传感器性能计算公式,其上下限频率,输出信号与被测电流的关系分别为:
(1)
(2)
(3)
上面三个式子中,fl为下限频率,fh为上限频率,um为输出信号,i1、i2、…、in分别为n个支柱中的电流,即我们需要测试的电流。
显然,n个罗氏线圈并联与单个罗氏线圈无限流电阻比较,若测量同一电流,输出信号um幅值下降,下限频率fl不变,上限频率fh上升,可测频率范围变宽,输出信号与测量电流成线性比例关系,输入分量不同不影响输出结果。
因此,并联使用n个罗氏线圈测量电流时,输出线性度不变,可测最大幅值提高,灵敏度下降,响应带宽增加。为了满足原测量要求,可以对线圈参数或电路设计进行相应修改,例如在采集单元增加放大电路,减小积分电阻、积分电容等。从另一个方面来说,在不改变整体参数的情况下,并联罗氏线圈可测量电流幅值更大,频率更宽,总体性能较单个罗氏线圈更好。
下面进行一个实验,即仿真雷击杆塔入地电流测量:
罗氏线圈安装在杆塔支撑合适位置,如摘要附图,仿真雷电波采用波头1.2s,波尾50s三角斜波,单个罗氏线圈输入幅值20kA,罗氏线圈安雷电流测量绕制,M=2.26H;外积分电路取RL1=RL2=RL3=RLn=RJ=50Ω,R=500Ω,C=1μF。
据公式(1)(2)(3)得:fl=Hz,fh=5.9106Hz,um=1.128V.
仿真结果如图5,幅值与仿真软件内部程序有关,与计算值不同,不影响测量要求。比较图4输入波形,图5输出波形,传感器输入输出波形一致,结果能够还原原始电流波形,满足测量要求。
从上分析可知本发明相对来说适用于雷击大电流的测量,整体性能较单个罗氏线圈要好。同时通过线圈参数调节,改变外积分电路,可以满足其他类型多通道冲击电流的测量。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.罗氏线圈并联外积分传感器,其特征在于:包括多个罗氏线圈(1)和积分电路(2),所有的罗氏线圈(1)都并联到一个采样电阻RJ上,积分电路(2)也并联到采样电阻RJ上,所述的罗氏线圈(1)的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻。
2.根据权利要求1所述的罗氏线圈并联外积分传感器,其特征在于,所述的积分电路为RC外积分电路,包括电阻R和电容C。
3.根据权利要求1所述的罗氏线圈并联外积分传感器,其特征在于,所述的隔离电阻的阻值等于对应罗氏线圈(1)的波阻抗减去采样电阻RJ的阻值。
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