罗氏线圈防雷领域的研究与应用

2018-04-23 09:25吴骁

现代建筑电气 2018年2期

吴骁

(上海电科臻和智能科技有限公司, 上海 201400)

0 引言

随着防雷工程的增大和应用范围的不断扩大,设计人员越来越重视防雷系统的设计。防雷技术的应用已成为各用电设备可靠、安全运行的一个重要因素。但现有防雷技术的落后,使用的防雷系统及相关产品存在着较大的弊端,防护安全难以保证,雷电流冲击及瞬间过流的检测与影响始终没有太好的办法来观察并解决,最多只能对雷电流冲击的有无进行判断,还存在误判的现象,给雷电监测带来极大的难度。

Rogowski线圈电流互感器(简称罗氏线圈)独特的结构,不需要与直接测量的电气联接,而是通过电磁场进行耦合,因此具有良好的电气绝缘性能;由于没有铁心饱和问题,测量范围宽,同样的绕组,电流测量范围达到几百kA;频率范围宽为1 Hz～100 MHz。罗氏线圈作为电子式电流互感器的一种,具有测量范围宽、测量精度高、无磁饱和、频带宽、反应时间低、灵敏度高等特点,是十分优异的电力电流检测传感器件。

1 罗氏线圈原理

罗氏线圈是基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律而研制的用于测量电流变化量的传感器件,目前主要应用于电力系统大电流环境的监测。

1.1 罗氏线圈原理与计算

罗氏线圈示意如图1所示。

图1 罗氏线圈示意

罗氏线圈截面示意如图2所示。

图2 罗氏线圈截面示意

为便于计算,假定线圈截面为矩形,由安培环路定理知,磁场强度为电流I在一个曲面上的通量,等于电场沿着l的边缘闭合回路的路径积分:

式中:B——线圈内部的磁感应强度;

μ——骨架材料磁导率;

Hx——线圈内部的磁场强度;

dx——距离导线轴心的距离,取值范围[a,b]。

由图2,结合式(1)～式(3)计算,根据磁通量与磁感应强度关系式,穿过线圈绕组的磁通量为

(4)

式中:N——线圈匝数;

a、b——线圈横截面的内径、外径;

h——截面高度。

线圈末端感应电压为

(5)

因此,互感系数为

M=Nhμln(b/a)/2π

(6)

自感系数为

L=N2hμln(b/a)/2π

(7)

由式(5)可以看出,罗氏线圈确定时M为定值,输出电压与di/dt成正比,感应电动势是对被测电流求导后得到的,故罗氏线圈输出的是微分波,通过外接积分回路,便可以还原出要测量的电流大小。

1.2 罗氏线圈等效电路

罗氏线圈等效电路如图3所示,R为外加负荷采样电阻,L为罗氏线圈等效自感,C0为罗氏线圈等效杂散电容,RL为罗氏线圈等效电阻。

图3 罗氏线圈等效电路

线圈电感、电容计算公式分别如下:

(8)

(9)

式中:a——线圈线匝截面积;

ε0——真空磁导率;

εr——骨架芯相对磁导率;

l——导线长度;

为简化分析,忽略罗氏线圈的杂散电容C,则T2=0,T1=L/(R+RL),因此H(s)=U0(s)/I(s)=RMTs/L(Ts+1),其中Ts=L/(R+RL)。

考虑到L/RL远大于RC0,对传递函数进行近似化简发现,R、RL和C0越小,L越大,系统的下限截止频率越小,上限截止频率越大,此时罗氏线圈工作频带区域越宽。因此,如何减小线圈内阻RL和杂散电容C0,并增大线圈的互感能力,是罗氏线圈设计的关键。

2 罗氏线圈的雷电测试及应用

雷电波形根据GB 18802.1—2011《低压电涌保护器(SPD) 第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法》中的定义,用于模拟测试的雷电波形为1.2/50 μs冲击电压波形、8/20 μs冲击电流波形和用于Ⅰ类试验的10/350 μs冲击电流波。而常用的雷电流测试波为8/20 μs冲击电流波,故使用8/20 μs波形更具有实际意义。

标准8/20 μs波形如图4所示。