舰船电力网络漏电流传感器设计

刘祥珺, 杨东升

(沪东中华造船(集团)有限公司 军事代表室， 上海 200129)

舰船电力网络漏电流传感器设计

刘祥珺, 杨东升

(沪东中华造船(集团)有限公司 军事代表室， 上海 200129)

舰船电力网络在发生绝缘故障时出现的故障电流往往包含丰富的高频信号。在舰船电力网络绝缘监测系统研究中，故障电流特别是暂态电流的有效提取和分析是重点也是难点，它的精度是保证绝缘监测系统运行准确性的关键。本文重点对电流传感器进行相关理论分析，根据传感器的等效电路模型，通过一定的仿真研究与实验分析，验证其对于故障漏电流拾取的可靠性，为舰船电网信号检测提供有效的手段。

漏电流 高频信号 电流传感器 坡莫合金

1 电流传感器的应用

由于舰船电力网络基本上属于闭环输电网络，为了不破坏舰船电网原有接线结构，同时实现故障电流的有效拾取，只能将电流传感器套在电网支路上进行工作。自积分式Rogowski电流传感器能够满足这一基本要求，该类型传感器需要选择合适的铁芯穿过线圈，以达到我们所需的基本要求，如图1所示。

图1 Rogowski线圈的简单示意图

使用时需要将传感器直接套装在受测支路的电缆上，这种信号抽取方式可以将测试系统与设备主回路有效隔开，使二次测量电路及计算机设备免受主回路中危险过电压造成的损坏，也避免了主回路可能开路的问题[1]。

适用于舰船电力网络的漏电流传感器主要遵循以下两个原则。

(1) 尽可能将漏电流传感器套在舰船电缆的绝缘对地(船壳)一侧以提高其测量范围内线性度与稳定性。

(2) 选用高导磁率的材料制作CT的铁芯。CT的相对测量误差为

(1)

其中：i0为铁芯励磁电流；i1为进入传感器一次侧线圈的电流。在设计传感器时，尽可能地选取高导磁率铁磁材料作为传感器的铁芯来降低i0，进而减小测量误差。

2 等值电路分析

自积分式Rogowski线圈的等效电路如图2所示。

图2 自积分式Rogowski线圈等效电路图

其中，M和L表示带铁芯Rogowski线圈的自感和互感，R表示积分电阻，RL表示线圈导线电阻。

由此得到，该线圈的电路方程为[2]

(2)

那么骨架内磁通Φ为

(3)

其中：线圈的截面积为A。

当Rogowski线圈的横截面为矩形时，其铁芯结构示意图如图3所示。

图3 矩形铁芯结构示意图

由矩形铁芯的结构示意图，可以得到磁通Φ为

(4)

这样，互感系数M为

自感L为

而线圈感应电动势为

(5)

3 Rogowski线圈频率特性分析

为了分析Rogowski线圈传感器的相关频率特性，需要得到线圈工作的传递函数，接负载的Rogowski线圈电路图如图4所示[1]：

图4 接负载的Rogowski线圈电路图

当线圈内杂散电容为C0时，在零初始条件下，简化的传递函数为

(6)

设线圈工作的截止频率为ω0，由于ω=1/T，我们可以得到线圈幅频特性的表达式[3]：

(7)

当频率满足ω﹥﹥ω0时，可以得到传递函数的近似关系式：H(s)≈R·M/L。其中，自感L在线圈结构中起到了内部积分的用途。进一步计算，可以得到线圈工作频率的范围为

(8)

4 Rogowski线圈传感器材料的选取

不同型号磁芯材料对应不同磁导率μ，不同的μ值也就对应着不同的自感L，进而影响到传感器的相关幅频特性。磁芯材料铁芯的磁饱和现象会直接影响线圈的输出波形。因此，为保证传感器能够正常工作，必须保证所含铁芯未达到饱和，以避免线圈发生磁饱和状况。所以，在制作传感器时，我们选用高导磁率铁磁材料作铁芯，这样可以有效提高传感器检测的频带宽度。

本文选用的适用于舰船电力网络的传感器磁芯材料为坡莫合金。坡莫合金主要由铁、镍、钼、铬、铜等元素组成，具有很高的导磁率、低损耗、低矫顽力、较稳定的温度特性及较强的抗过载能力，是制作舰船CT理想的材料[4]，其物理性能如图5所示。

图5 坡莫合金物理性能示意图

铁、镍合金的一般电阻率为50uΩ·cm左右，针对舰船电网故障电流获取的基本要求，同时兼顾矫顽力和矩形比的影响，本文选用型号为1G79类合金作为传感器铁芯。在设计时，也要合理设计合金厚度，提高传感器铁芯占空系数，使其充分发挥磁性作用，并增大测量带宽，以满足测量要求。

5 带铁芯的Rogowski传感器仿真与实测

5.1 传感器频率特性仿真分析

选用MATLAB仿真软件进行传感器的频率特性仿真分析，有利于直观掌握传感器的相关特性。根据传感器传递函数，可以仿真得到传感器幅频特性曲线，如图6所示。

图6 Rogowski线圈传感器幅频特性曲线

通过MATLAB仿真图可以看出，当传感器的副边匝数为750；杂散电容C0=100×10-12F；尺寸为：外径×内径×高度=68.5×57.5×0.02；相对磁导率为：30 000时，传感器的带宽大约为30MHz。

在传感器磁芯材料和线圈尺寸确定后，由公式(20)可以看出，减小积分电阻阻值能够降低传感器下限截止频率，也就增大了传感器的幅频带宽。但从传感器的等效电路可以看出，积分电阻的减小会导致输出电压的降低，从而影响到传感器的测量精度[5]。为解决这一问题，通常会将传感器外接一个运算放大器，该运算放大器采用斩波稳零集成运放ICL7650，接线图如图7所示。

图7 ICL 7650接线图

改进后带运算放大器的电流传感器电路图如图8所示。

图8 改进后的电流传感器

在原有传感器加上斩波稳零集成运放ICL7650后，再进行幅频特性仿真分析，可以得到如图9所示的波特图。

图9 加运放的传感器幅频特性曲线

通过改进后的电流传感器幅频特性曲线可以看出，其频带宽度明显增大，大约为原来的100倍，完全满足舰船电网选线保护装置对暂态高频信号采集的需要。

5.2 传感器线性度实验分析

传感器的输出特性是指传感器输入的一次侧电流和输出的二次侧电流的关系。在传感器的设计中没有可以套用的现成模式、没有可信的数学公式，而一些经验公式也只对精度要求不高的传感器存在着一定的指导意义，对于此类精度要求较高的微弱电流传感器已不再适用，因此设计高精度的弱电流传感器，只能一方面借鉴前人的经验，另一方面通过大量的实验。传感器线性度的好坏标志着传感器测量误差的好坏，而好的线性度在整个量程范围内，误差会小。这里为检测传感器线性度的好坏，我们搭建的简单实验平台如图10所示。

图10 传感器测试平台

图11是实验中小部分具有代表性的电流传感器输出波形图，图中电流传感器的变比n=I1/(U2/R)，I1为电流传感器一次侧电流，(U2/R)为电流传感器二次侧电流，R为线路外接电阻(本文R=100Ω)，外形选择与仿真时相同的尺寸，即外径×内径×高度=68.5×57.5×0.02，传感器的匝数均为700。

图11 漏电流传感器输入输出波形

通过传感器的输入输出波形，可以看出带铁芯的Rogowski线圈传感器具有较好的线性度，能够较好地传变舰船电网高频信号的基本特征，是比较理想的故障漏电流传感器。

6 结论

通过选择合理的铁芯材料与线路设计可以有效提高电流传感器的传变特性，特别是对微弱信号的检测具有较好的效果。通过一定的仿真与实验，可以验证该电流传感器能够满足舰船电网对高频信号的检测且在量程范围内线性度较好，是一种比较理想的电流传感器，为舰船电网高频信号检测提供了一种可靠的手段。

[1] 张红岭，郑绳楦．Rogowski线圈的研究与设计[D]．秦皇岛：燕山大学，2006．

[2] 罗苏南，田朝勃，赵希才．空心线圈电流互感器性能分析[J]．中国电机工程学报，2004，24(3)：108-113．

[3] Ljubomir K．PCB Rogowski Coils Benefit Relay Protection [J].IEEE Computer Applications in Power，2002，15(3)：50-53．

[4] 袁季修，盛和乐，吴聚业．保护用电流互感器应用指南[M]．北京：中国电力出版社，2004．

[5] 陈攀，孙才新，米彦等. 一种用于绝缘子泄漏电流在线监测的宽频带微电流传感器的特性研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(24)：144-148.

Leakage Current Sensor Design of Shipboard Power System Network

LIU Xiang-jun， YANG Dong-sheng

(Military Representative in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co.,Ltd., Shanghai 200129, China)

Prolific high-frequency signals are included in fault circuit frequently while insulation faults are appeared in shipboard power system network. In the research of ship insulation monitoring system, it is the focal and also difficult point to extract and analyze the fault current, particular transient fault current, whose accuracy is the key to ensure the accuracy of ship insulation monitoring system. In this paper, the relevant theory of current sensor is analyzed intensively. According to the equivalent circuit model, the reliability of obtaining leakage current is verified through some simulation and experimental analysis, which provides an effective means for signal detection of shipboard power system network.

Leakage current High-frequency signal Current sensor Permalloy

刘祥珺(1974-)，男，工程师。

U665

A