基于Rogowski线圈的微机保护装置的研究

李随科 ，罗 园

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

1 引言

电器试验就是对电器工作在正常或故障状态下所应具备的性能的验证。电器试验电流的大小及通流时间随着电器产品的不同而不同，即使相同的电器产品，试验项目不同其电流大小及通流时间也有巨大的差异，这就对电器试验回路的保护提出了严酷的要求。比如在短路试验中，电流往往达到数百千安，采用传统的铁磁式电流互感器可能由于发生磁饱和导致保护失灵而造成事故发生；如果采用无磁饱和的Rogowski线圈解决了大电流问题，但电器通断试验电流又可能是数十安或者更小，又可能因Rogowski线圈在小电流情况下准确度不足产生保护失灵而导致试验失败。为了解决以上问题，本文设计了一种集传统铁磁式电流互感器和Rogowski线圈为一体的新的微机保护装置。

2 微机保护装置的组成单元

结合电器试验特性以及微机保护功能，将微机保护装置分为模拟量信号输入单元、非电量信号输入单元、中心处理系统、人机接口单元、开关量输出单元、通讯接口六部分。

2.1 模拟量信号输入单元

模拟量信号输入单元主要包括电压信号输入、电流信号输入，而本装置中电流信号输入又包括传统铁磁式电流互感器输入信号和Rogowski线圈输入信号两种。

2.1.1 传统铁磁式电流互感器输入信号的处理

传统铁磁式电流互感器将一次电流转换到5A的范围内，但是通常计算机处理信号要求电压信号，所以还需要将铁磁式电流互感器经过变换器转换后的电流信号处理到与计算机要求匹配的电平范围内。为了满足采样要求以及保护CPU的需要，在变换器后增加低通滤波器以形成传统的铁磁式电流互感器输入信号处理回路如图1所示。

图1 传统铁磁式电流互感器输入信号的处理回路示意图

2.1.2 Rogowski线圈输入信号的处理

Rogowski线圈就是将导线均匀缠绕在等截面、非磁性的骨架上而形成的电感线圈，电感线圈输出电压与一次电流的微分电流成正比，如式（1）所示。

实践证明，Rogowski线圈具有良好的精度和线性度，但无论用于测量还是保护，微分信号还需要配备相应的积分放大器才能够满足使用要求。由于Rogowski线圈与积分放大器配合后输出依然是小电压的模拟信号，所以同传统的铁磁式电流互感器输入信号的处理相比可以省略变换器和低通滤波器而增加了积分放大器。Rogowski线圈输入信号的处理如图2所示。

图2 Rogowski线圈输入信号的处理回路示意图

考虑到电器试验的电流范围大，为了保证中心处理系统检测电流的准确性，在电流处理回路根据传统的铁磁式电流互感器与Rogowski线圈的特性增加了不同的电流档位选择。

2.1.3 电压信号输入的处理

电压信号接收到的电压互感器二次电压在100V范围内，对其的处理基本上与传统铁磁式电流互感器输入信号的处理方法相同，只不过传统铁磁式电流互感器的变换器是将电流信号转换为电压信号，而电压信号输入的变换器是将100V的信号处理为与低通滤波器相匹配的电压信号。

2.2 非电量信号输入单元

非电量信号输入单元就是将电器试验保护的非电量信号（比如瓦斯继电器、温度继电器的输出信号）传送到中心处理系统。为了保护CPU，在非电量信号输入与中心处理系统之间增加了光电隔离环节。

2.3 人机接口单元

人机接口单元包括液晶显示、键盘、各种面板开关、状态指示灯等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整等。

2.4 中心处理系统

中心处理系统包括微处理器CPU、只读存储器（EPROM）、随机存取存储器（RAM）、定时器（TIMER）、电源及A/D转换器等。

2.5 开关量输出单元

开关量输出单元包括报警信号输出和跳闸输出，而跳闸输出又根据电器试验以及输入信号的不同分为瞬动跳闸或停机、短延时跳闸或停机、长延时跳闸或停机三种输出。考虑到现场执行器（比如跳闸机构）的功率较大，所以输出增加了光电隔离以及功率继电器。

2.6 通讯接口

微机保护与试验监控系统采用串行总线。点对点通信的RS232通信方式虽然工程实现简单，但是其无法实现组网功能，而且抗干扰能力差。如果考虑方便组网，可采用能够实现多个节点（设备）间互连的RS422/485通信接口。本装置为适应系统与上位机的通信需求和系统维护需要，选用的通讯模块设置了多个通信接口，包括RS232接口和RS485接口。

3 微机保护装置的整体设计

图3 微机保护装置系统框图

微机保护装置系统柜图如图3所示。本文的中心处理系统以STC12C5A60S2主控芯片为核心，外加数据采样保持及AD转换模块、输入模块、输出模块、通讯模块、同步电路和复位电路等辅助部分，由其单片机最小系统与各功能模块相连组成，主芯片与各模块之间有隔离保护器件，避免了信号干扰，主电源端口和通信端口处设计有防雷保护电路，可在恶劣环境下正常使用。

软件系统是微机保护装置的核心，犹如人体之神经系统，直接关系到保护功能的实现与否。装置软件由主程序和定时中断处理程序两部分构成（见图4），程序主要包括上电过程的自检、初始化和运行。保护部分软件的保护判据计算和保护逻辑运算是其核心（见图5）。

图4 主程序结构图

图5 中断处理程序结构图

4 罗氏线圈保护的优点

4.1 改善保护动作的性能

传统电流互感器磁饱和一直是影响保护正确动作的重要因素。在各种差动保护中，故障时两侧互感器由于饱和而产生的输出不平衡电流是导致差动保护误动的一个主要原因，而基于Rogowski线圈的差动保护可简化保护动作的判据，提高保护快速性和可靠性，并可降低比率制动差动保护的动作定值和比率制动系数，提高保护的灵敏性。另外，当故障发生在保护出口时，传统电流互感器可能会在一次侧大电流下饱和，使二次电流不能正确传变一次电流，导致保护误动；而Rogowski线圈不含铁芯，在一次大电流下不会饱和，在大的动态范围内能保持良好的线性度，可以正确反应一次电流，使保护快速动作。

4.2 促进保护新原理的研究和应用

高可靠的保护原理依赖高精度的测量，特别是故障状态下的动态测量。传统电流互感器的动态测量能力差，为了应对测量的不准确，通常在保护逻辑和判据方面采取了诸多方法，但效果都不理想。Rogowski线圈有准确的动态测量能力，不仅能准确测量故障基波，还能准确测量非周期分量的高次谐波，可以产生实用化价值的新原理。例如采用非周期分量和各次谐波分量的保护方法。

4.3 简化保护装置

Rogowski线圈的使用，将一次系统的电气量信息通过合并单元变为低电平的数字信号，经光缆直接传递给保护装置，实现了一次系统和二次系统之间有效的电气隔离。常规交流电缆引起的传导性电磁干扰将不复存在，减少了误差源。保护装置的测量系统因此可以省去采样保持和模数转化部分，只需要一个高速的以太网通讯口接收合并单元的数字信号即可，简化了系统结构，增加了硬件系统的可靠性。

4.4 为保护提供新的功能

由于Rogowski线圈的动态范围大，正常和故障时均可较准确地反应一次大电流的值，因此许多测量功能也可在保护中实现。另外由于Rogowski线圈的频率特性好，可以纪录发生故障瞬间和断路器预分合时刻的波形，从而具有录波和监视开关状态的功能。

5 结束语

本文设计了一种集传统互感器电流保护与光电电流传感器罗氏线圈保护、电压保护、非电量保护、测量于一体的微机保护装置。本微机保护装置既克服了采用传统铁磁互感器微机保护装置在大电流电器实验中因为磁饱和导致保护失灵的问题，又克服了采用光电电流传感器罗氏线圈的微机保护装置小电流电器试验中因为准确性差而导致保护不准确的问题，通过保护矩阵还可根据实际情况灵活设置各级保护动作的时间，相对于传统保护方式，保护范围更大、更准确、更可靠，从而能够极大限度地保护试验室人员和设备的安全。