CN106645861B - 基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统 - Google Patents
基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统 Download PDFInfo
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Abstract
基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统，包括钳形Rogowski线圈传感头、无线传输器、信号通过分析模块、上位机。所述钳形Rogowski线圈传感头包括两块PCB板、钳形Rogowski线圈、屏蔽罩，两块PCB板与钳形Rogowski线圈固定放置于屏蔽罩中。两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈平面垂直，当线圈闭合紧密时，两块PCB板平行，且两块PCB板的延长线经过线圈中心连成一条直线，第一块PCB板PCB1固定在与钳形Rogowski线圈左半圆中心线夹角135°处，第二块PCB板PCB2固定在与钳形Rogowski线圈右半圆中心线夹角45°处。钳形Rogowski线圈通过连接线连接信号通过分析模块。本发明实现了装置自身准确度的自诊断，从而保证了测量准确度，克服了常用钳形电流表法存在的易受开口气隙大小影响、准确度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统测量领域，具体涉及一种基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统。
背景技术
目前，不论是传统互感器还是电子式互感器的校验都停留在离线校验阶段，缺乏可以在带电状态下对互感器进行监测的有效手段，而且缺乏相应的校验规范，从而限制了互感器的提高和完善，也制约了其在数字化变电站中的推广应用。目前电子式互感器在现场校验时一般采用电磁式电流互感器作为标准电流互感器，现有的现场校验所使用的标准互感器体积大、重量重、动态范围小，不利于现场操作。目前互感器校验时，通常需要对线路停电，导致校验过程十分复杂，给供电公司和用户带来诸多不便，且不利于互感器最大限度的利用。因此对互感器的在线实时误差校验显得尤为重要。
Rogowski线圈作为一种电流传感器，由于具有体积小、重量轻、测量频带宽、动态范围大的特点，可采用钳形Rogowski线圈作为标准电流互感器，可以实现对电流互感器的带电安装和校验。但是钳形Rogowski线圈在安装过程中容易存在开口气隙，影响测量精度，因此钳形Rogowski线圈的开口气隙自校准是研究难点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统，由于采用气隙自校准方式，在变电站现场测量时实现了装置自身准确度的自诊断，从而保证了测量准确度，克服了常用钳形电流表法存在的易受开口气隙大小影响、准确度不高的问题。该系统具有体积小、重量轻、结构简单等优点，准确度可达0.05级，现场使用时可移动性强。同时，钳形Rogowski线圈开口气隙自校准过程的数据经过无线传输装置传输，与校验过程数据通道相互独立，可分开保存，以便于深入挖掘分析，保证了数据的独立性。
本发明采取的技术方案为：
一种钳形Rogowski线圈传感头，包括两块PCB板、钳形Rogowski线圈、屏蔽罩，两块PCB板与钳形Rogowski线圈固定放置于屏蔽罩中。两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈平面垂直，当线圈闭合紧密时，两块PCB板平行，且两块PCB板的延长线经过线圈中心连成一条直线，第一块PCB板PCB1固定在与钳形Rogowski线圈左半圆中心线夹角135°处，第二块PCB板PCB2固定在与钳形Rogowski线圈右半圆中心线夹角45°处。
基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统，包括钳形Rogowski线圈传感头、无线传输器、信号通过分析模块、上位机。所述钳形Rogowski线圈传感头包括两块PCB板、钳形Rogowski线圈、屏蔽罩，两块PCB板与钳形Rogowski线圈固定放置于屏蔽罩中。两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈平面垂直，当线圈闭合紧密时，两块PCB板平行，且两块PCB板的延长线经过线圈中心连成一条直线，第一块PCB板PCB1固定在与钳形Rogowski线圈左半圆中心线夹角135°处，第二块PCB板PCB2固定在与钳形Rogowski线圈右半圆中心线夹角45°处。钳形Rogowski线圈通过连接线连接信号通过分析模块，信号通过分析模块连接被测电流互感器，信号通过分析模块连接上位机。无线传输器放置于屏蔽罩外侧表面，无线传输器通过连接线与两块PCB板相连接。
所述PCB板尺寸为7cm×7cm，为双面板，每个面上有5圈自内向外的导线，PCB板厚度1.6mm。
所述钳形Rogowski线圈厚度为6mm，内径为64mm，外径为84mm，匝数为600。
一种电流互感器在线校验方法，在钳形Rogowski线圈传感头安装完成后，进行开口气隙自校准，自校准方式为：第一块PCB板PCB1和第二块PCB板PCB2通过串联输出电压信号，经由高压侧信号采集单元采集并传输到低压侧信号处理单元，在信号处理单元中将信号放大，并完成电压量与开口气隙大小的函数转换，操作人员根据开口气隙大小，对传感头进行夹紧操作。
一种电流互感器在线校验方法，钳形Rogowski线圈和两块PCB板同时开合，两块PCB板之间的夹角与钳形Rogowski线圈左右半圆之间的夹角相同。
一种电流互感器在线校验方法，钳形Rogowski线圈传感头线圈闭合紧密时，第一块PCB板PCB1、第二块PCB板PCB2相连成一条直线，串联输出电压近似为0，当线圈闭合不太紧密存在开口气隙时，第一块PCB板PCB1、第二块PCB板PCB2具有一定的夹角，串联输出电压增大，电压与开口气隙大小近似成指数关系。
一种电流互感器在线校验方法，第一块PCB板PCB1、第二块PCB板PCB2串联输出电压量，通过无线传输器传输到远端接收装置，进行开口气隙大小转换，并由操作员进行钳形Rogowski线圈开口气隙的调整。
本发明一种基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统，技术效果如下：
1）、根据两块PCB板串联电压输出与线圈开口气隙之间的非线性关系，在安装好传感头以后，首先根据PCB串联电压输出判断开口气隙大小，若开口气隙大于某一个阈值，则对线圈开口进行夹紧，直到开口气隙小于该阈值，钳形Rogowski线圈闭合紧密。基于上述方式的开口气隙自校准，使得钳形Rogowski线圈的测量过程不受开口气隙的影响，测量准确度提高。
2）、钳形Rogowski线圈开口气隙自校准过程的数据，经过无线传输装置传输，与校验过程数据通道相互独立，可分开保存，以便于深入挖掘分析，保证了数据的独立性。
3）、钳形Rogowski线圈传感头体积小、重量轻，总重量不超过2kg，操作方便简单，测量范围0~100A，准确度达到0.05级，非常适合变电站现场使用。
4）、钳形Rogowski线圈和两块PCB板放置于屏蔽罩内，在变电站现场使用时抗干扰能力强。
附图说明
图1为本发明系统连接示意图。
图2（a）为本发明的钳形Rogowski线圈输出幅值与开口气隙之间的关系图。
图2（b）为本发明的钳形Rogowski线圈输出相位与开口气隙之间的关系图。
图3（a）为本发明的线圈闭合紧密时，两块PCB板位置图。
图3（b）为本发明的线圈存在开口气隙时，两块PCB板位置示意图。
图4为本发明的两块PCB板串联连线示意图。
图5为本发明的钳形Rogowski线圈输出电压与开口气隙大小近似成指数关系图。
其中，标记5表示两块PCB 板串联连线。
具体实施方式
原理分析：
钳形Rogowski线圈作为电流互感器，其测量精度受到开口气隙的影响，线圈输出幅值变化量随开口气隙增大而增大，在1mm开口气隙范围内，幅值变化量达到0.2%。为了对线圈进行开口气隙校准，本发明在钳形Rogowski线圈特定位置放置两块PCB板，均与线圈平面垂直，且当线圈闭合紧密时，两块PCB板成平行，且两块板的延长线经过线圈中心连成一条直线。通过检测PCB板的输出量，将两PCB板串联输出电压量通过无线传输器6传输到基于C8051F单片机的远端接收测控装置，进行开口气隙大小转换，指示操作员对钳形线圈开口气隙进行调整，从而实现钳形Rogowski线圈的气隙自校准。
钳形Rogowski线圈在安装之前可实现对开口气隙的自校准，大大提高了标准电流互感器的校验准确度。进行自校准后的传感头输出信号经采集单元采集，由信号传输单元传输至低压侧信号处理单元，进行信号的合并和处理，从而进行在线校验。
首选，本发明提供一种钳形Rogowski线圈传感头，包括两块PCB板2、钳形Rogowski线圈1、屏蔽罩3，两块PCB板2与钳形Rogowski线圈1固定放置于屏蔽罩3中。两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈1平面垂直，当线圈闭合紧密时，两块PCB板平行，且两块PCB板的延长线经过线圈中心连成一条直线，第一块PCB板PCB1固定在与钳形Rogowski线圈1左半圆中心线夹角135°处，第二块PCB板PCB2固定在与钳形Rogowski线圈1右半圆中心线夹角45°处。
其次，本发明提供一种基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统，如图1所示，包括钳形Rogowski线圈传感头、无线传输器6、信号通过分析模块8、上位机10。
所述钳形Rogowski线圈传感头包括两块PCB板2、钳形Rogowski线圈1、屏蔽罩3，两块PCB板2与钳形Rogowski线圈1固定放置于屏蔽罩3中。两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈1平面垂直，当线圈闭合紧密时，两块PCB板平行，且两块PCB板的延长线经过线圈中心连成一条直线，第一块PCB板PCB1固定在与钳形Rogowski线圈1左半圆中心线夹角135°处，第二块PCB板PCB2固定在与钳形Rogowski线圈1右半圆中心线夹角45°处。钳形Rogowski线圈1和被测电流互感器7通过连接线5连接到信号通过分析模块8，信号通过分析模块8连接上位机10。
无线传输器6放置于屏蔽罩3外侧表面，无线传输器6通过连接线与两块PCB板2相连接。
信号通过分析模块8采用EPF10K系列的FPGA实现信号的分析和处理。
所述PCB板尺寸为7cm×7cm，为双面板，每个面上有5圈自内向外的导线，PCB板厚度1.6mm。对PCB板参数参照文献《插板式PCBRogowski线圈的计算与仿真_王黎明》中的仿真参数进行设置。由于PCB板布线和尺寸大小直接影响到PCB板自感和互感，互感系数增加会导致自感系数增加，自感系数增加会影响频带和角差。为了获得高精度的PCB板串联结构，同时兼顾自感和互感系数的协调，本发明对参数进行了以上设置。以上所述PCB板参数确保PCB板串联结构的高精度，同时兼顾自感和互感系数的协调。
所述钳形Rogowski线圈1厚度为6mm，内径为64mm，外径为84mm，匝数为600。
本发明中的钳形Rogowski线圈内外径设置能够在满足绝缘距离的基础上，尽量减少自感系数，从而减少测量过程中对频带和角差造成的影响；线匝的数量增加，线圈互感系数增大，但是随着数量逐渐增大，线圈互感系数增加速度越来越慢，因此需要选择合适的匝数来保证线圈测量过程中的精度，本发明所设置的线圈匝数能够满足以上的要求。
所述钳形Rogowski线圈1内外径设置能够在满足绝缘距离的基础上，尽量减少自感系数，从而减少测量过程中对角差造成的影响；线匝的数量增加，线圈互感系数增大，但是随着数量逐渐增大，线圈互感系数增加速度越来越慢，因此需要选择合适的匝数来保证线圈测量过程中的精度，本发明所设置的线圈匝数能够满足以上的要求。
一种电流互感器在线校验方法，在钳形Rogowski线圈传感头安装完成后，进行开口气隙自校准，自校准方式为：第一块PCB板PCB1和第二块PCB板PCB2通过串联输出电压信号，经由无限传输器6采集并传输到基于C8051F单片机的远端接收测控装置，在信号处理单元中将信号放大，并完成电压量与开口气隙大小的函数转换，操作人员根据开口气隙大小，对钳形Rogowski线圈传感头进行夹紧操作。
一种电流互感器在线校验方法，钳形Rogowski线圈传感头线圈闭合紧密时，第一块PCB板PCB1、第二块PCB板PCB2相连成一条直线，串联输出电压近似为0，当线圈闭合不太紧密存在开口气隙时，第一块PCB板PCB1、第二块PCB板PCB2具有一定的夹角，串联输出电压增大，电压与开口气隙大小近似成指数关系。
一种电流互感器在线校验方法，第一块PCB板PCB1、第二块PCB板PCB2串联输出电压量，通过无线传输器6传输到基于C8051F单片机的远端接收测控装置，进行开口气隙大小转换，并由操作员进行钳形Rogowski线圈开口气隙的调整。
钳形Rogowski线圈1输出幅值和相位与开口气隙之间的关系如图2（a）、图2（b）所示。可以看出，随着开口气隙的增大，钳形Rogowski线圈1幅值变化朝负方向增大，相位变化尽管有增大的趋势，但是变化非常小，相位变化小于0.001分，可以认为是不变的。因此开口气隙的存在对钳形Rogowski线圈1测量误差影响较大。为了对钳形Rogowski线圈1的开口气隙进行调整，本发明采用两块PCB板监测开口气隙，PCB板的特定位置如图3（a）、图3（b）所示。图4展示了两块PCB板2串联接线情况。可以看出，当钳形Rogowski线圈1闭合紧密时，两块PCB板延长线成一条直线，由图3可知，两PCB板串联输出电压近似为0，当线圈闭合不太紧密，存在开口气隙时，两块PCB板具有一定的夹角，串联输出电压增大。电压与开口气隙大小近似成指数关系，如图5所示。因此可以利用PCB板串联输出对气隙大小进行判定，从而实现开口气隙的调整。
如图3（a）和图3（b）分别展示了两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈1在线圈闭合紧密和存在开口气隙时的相对位置关系。两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈平面垂直，第一块PCB板PCB1固定在与钳形线圈左半圆中心线夹角1350处，第二块PCB板PCB2固定在与钳形线圈右半圆中心线夹角450处。
信号通过分析模块8用于接收被测电流互感器7和钳形Rogowski线圈1两路输出信号，进行分析处理。信号分析模块8指的是采用EPF10K系列的FPGA实现信号的分析和处理的装置。
钳形Rogowski线圈1、两块PCB板、屏蔽罩3以及无线传输器6构成一个钳形Rogowski线圈传感头整体。
本发明基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统，操作简单方便，在0~100A测量范围内准确度可达0.05级，非常适合变电站现场使用。
Claims (1)
1.基于钳形Rogowski线圈的电流互感器在线校验系统，包括钳形Rogowski线圈传感头、无线传输器（6）、信号通过分析模块（8）、上位机（10），其特征在于：所述钳形Rogowski线圈传感头包括两块PCB板（2）、钳形Rogowski线圈（1）、屏蔽罩（3），两块PCB板（2）与钳形Rogowski线圈（1）固定放置于屏蔽罩（3）中；两块PCB板平面与钳形Rogowski线圈（1）平面垂直，当线圈闭合紧密时，两块PCB板平行，且两块PCB板的延长线经过线圈中心连成一条直线，第一块PCB板（PCB1）固定在与钳形Rogowski线圈（1）左半圆中心线夹角135°处，第二块PCB板（PCB2）固定在与钳形Rogowski线圈（1）右半圆中心线夹角45°处；钳形Rogowski线圈（1）通过连接线（5）连接信号通过分析模块（8），信号通过分析模块（8）连接被测电流互感器（7），信号通过分析模块（8）连接上位机（10）；无线传输器（6）放置于屏蔽罩（3）外侧表面，无线传输器（6）通过连接线与两块PCB板（2）相连接；
在钳形Rogowski线圈传感头安装完成后，进行开口气隙自校准，自校准方式为：第一块PCB板（PCB1）和第二块PCB板（PCB2）通过串联输出电压信号，经由无线传输器（6）采集并传输到基于C8051F单片机的远端接收测控装置，在信号处理单元中将信号放大，并完成电压量与开口气隙大小的函数转换，操作人员根据开口气隙大小，对钳形Rogowski线圈传感头进行夹紧操作；
钳形Rogowski线圈传感头线圈闭合紧密时，第一块PCB板（PCB1）、第二块PCB板（PCB2）相连成一条直线，串联输出电压近似为0，当线圈闭合不太紧密存在开口气隙时，第一块PCB板（PCB1）、第二块PCB板（PCB2）具有一定的夹角，串联输出电压增大，电压与开口气隙大小近似成指数关系；
第一块PCB板（PCB1）、第二块PCB板（PCB2）串联输出电压量，通过无线传输器（6）传输到基于C8051F单片机的远端接收测控装置，进行开口气隙大小转换，并由操作员进行钳形Rogowski线圈开口气隙的调整。
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