基于空心线圈的电子式电流互感器设计--大学毕业设计论文.doc

2013届毕业生
毕业设计说明书

题 目: 基于空心线圈的电子式电流互感器设计

学院名称： 电气工程学院 班 级： xxx
学生姓名： xxx 学 号： xxx
指导教师： xxx 教师职称： xxx

2013年 05月15日

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目 次

引 言 1
1 电子式电流互感器概述 2
1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义 2
1.2 国内外研究现状 3
1.3 本课题研究的目的 4
2 系统方案设计 5
2.1 系统方案论证 5
2.2 课题方案设计 5
3 电子式电流互感器传感头介绍 7
3.1 Rogowski线圈的结构及其工作原理 7
3.2 计算Rogowski线圈的互感系数 8
3.3 Rogowski线圈两种工作状态 9
4 高压端电路和供电模块 12
4.1 积分电路 12
4.2 滤波电路 14
4.3 A/D转换电路 15
4.4 电源电路 18
4.5 光纤收发模块 20
5 低压端电路 21
总 结 22
致 谢 23
参考文献 24
附 录： 26

引 言
随着电力系统的电压等级不断提高，对测量仪器的要求也越来越高，提高测量仪器的测量精度有利于电力系统安全和经济地运行。目前广泛使用的电流互感器是传统的电磁式电流互感器，但由于其本身存在缺点，人们不得不研究开发一种新型的互感器来代替它，在这个背景下，一种新型的电流互感器——电子式电流互感器随之兴起，它满足了目前电力系统中对电网电流的测量的要求，克服了传统的电磁式电流互感器的缺点，有广阔的发展空间。
本文设计的电子式电流互感器采用了Rogowski线圈、89C51单片机、MAX197 A/D转换芯片为主要部分。通过Rogowski线圈对电网中的电流进行采样，实时的分析和处理采样电流，将母线电流的实际状况显示出来，然后把信息反馈到控制室，如果电流出现异常，控制室向继电保护发出保护命令，保证电力系统的正常运行。

1 电子式电流互感器概述
1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义
随着电力系统进入以大机组、大电厂、大电网、超高压、自动化为主的新时期，智能化电网技术兴起并得到了发展。这种新技术对电力系统中的传感器提出了“传输网络化、测量线性化、信号数字化”的新要求，同时，数字化功率计量、计算机继电保护装置的广泛应用，对电压、电流互感器技术及其产品向小型化和低功耗方向发展成为可能。
目前，国内外的输变电设备电压都达到了1000KV，系统的短路电流也跟着提高，测量高电压、大电流对电力系统的安全运行及经济运行有重大的意义，准确的测量电网中的电压、电流对电能测量、系统检测诊断、继电保护及电力系统分析极为重要。
目前，电网中常用的电流互感器是传统的电磁式电流互感器，虽然它有长期的运行经验，且技术成熟，但因它由铁芯和线圈构成，使用中存在很多问题，主要有以下几点：
(1) 绝缘难度较大，为了提高绝缘强度适应500KV以上的电网，而提高了互感器的体积、质量；
(2)动态范围小，由于互感器内部使用了铁芯，当被测电流较大时，容易出现磁饱和现象，从而导致互感器的测量不精准，使二次保护不能保证在故障情况下动作。
(3)互感器输出信号为模拟信号，输送的二次侧需要电缆作为媒介，还需要设备将其转换成数字信号输出；
(4)二次侧不能开路，由电磁感应原理可知，开路后二次侧两端会产生高压，对人和其它设备产生危险；
(5)易产生铁磁谐振。
上述原因使得传统的电磁式电流互感器面临着巨大挑战。而电子式电流互感器克服了电磁式电流互感器的缺点，其有以下优点：
(1)传感头使用的是线圈，没有了铁芯所造成的缺点，绝缘性能好，体积小、重量轻、造价低。
(2)良好的线性度，不存在磁饱和现象，其动态响应范围大。
(3)通过光电转换，转换成光信号，由光纤传输至二次侧设备接口，输出信号可以是数字信号也可以为模拟信号。
(4)不存在铁磁谐振现象，不干扰影响环境和设备。
(5)无充油，二次侧没有开路的危险，利于维护和维修。
综上所述，电子式互感器没有传统电磁式电流互感器的缺点，适合当前电网的需要，有广阔的发展和应用空间。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
为了适应现在电网的高速发展，传统的电磁式电流互感器已不能满足电网的需求，从20世纪80年代，人们开始对新型的电流互感器进行研究、创新。美国主要研究的是块状结构的磁光式电流互感器，并进行过挂网运行试验。在电流互感器发展的几十年里，日本及西欧的几个国家也在这种电流互感器上进行了大量的研究，但是由于磁光式电流互感器本身存在的缺点（制造难度大、受外界影响大），以至于它不易于大规模的工业生产，所以没有推广。
磁光式电流互感器没有得到推广，加拿大的NxtPhase公司向另一种电流互感器进行了研发，他们利用激光陀螺中的研究成果，成功的研制了全光纤式电流互感器，且此种电流互感器的准确等级达到了0.2级，并生产出了系列的产品。该产品已在多个国家挂网运行。全光纤式电流互感器有巨大的研究价值和市场空间，大部分国家都加大了对它的研究力度。20世纪90年代，美国ABB公司成功研制出了有源式的电子式电流互感器，为电流互感器的发展做出了巨大贡献。
1.2.2 国内研究现状
我国对电子式电流互感器的研究起步较晚，目前国内从事电流互感器的研究的有清华大学、华中科技大学、西安交通大学、沈阳互感器厂、大连第一互感器厂、北京四方华能电网控制有限公司等，但大多数都处于试制阶段。华中科技大学研制的电子式电流互感器是利用法拉第效应，清华大学研究的有两种，一种是利用Rogowski线圈，一种是利用法拉第效应。清华大学和中国科学院共同研制的110KV的光学电流互感器于1991年进行了挂网运行。华中科技大学在2004年设计了电子式低功耗电流互感器。至今，我国在研究电子式电流互感器方面已经取得阶段性的成果，虽然和国外一些发达国家相比仍有差距，但我相信我们会很快追上发达国家的研制水平的。
1.3 本课题研究的目的
本课题研究的目的就是设计出一个电子式电流互感器，在当今高电压、大电流的电力系统中能够准确的测量电网中母线电流，克服传统的电磁式电流互感器的缺点。

2 系统方案设计
2.1 系统方案论证
电子式电流互感器由一次采样传感头、数据传输部分及数字信号处理部分组成，电子式电流互感器按一次侧是否有供电电源分，可分为有源式和无源式两种，高压侧有电源的为有源式电流互感器，没有电源的为无源式电流互感器。无源式电流互感器的传感头不需要供电装置，但其易受外界影响。有源式电流互感器传感头虽然需要供电装置，但其原理简单，已被广泛应用。有源式电流互感器可分为压频转换式、A/D转换式两种。
压频转换式电流互感器经传感头采样的信号传至低压端电路需要经过两个步骤，采样得到的电压信号需要转换成脉冲频率变化信号，电脉冲信号再经过光电转换转换成光信号，光信号通过光纤传输至低压侧经过一系列的处理后在控制室显示出来。
A/D转换式电流互感器和压频式电流互感器的大致结构基本相同，不同的是将传感头采样的信号经过A/D转换器转换成数字信号，然后经过电光转换变成光信号，信号通过光纤传输至低压侧，经过一系列的处理可以以数字信号方式输出也可以以模拟信号输出。
2.2 课题方案设计
上文论述了电子式电流互感器的组成部分及两种不同的有源电子式电流互感器的工作步骤，经过比较个人感觉A/D转换式电流互感器比较简单，故本课题设计的电子式电流互感器定为A/D转换式电流互感器，本设计的系统结构框图如图2.1所示。

2.1系统结构框图
整个系统由Rogowski线圈、积分电路、A/D转换器、E/O转换模块、电源等几部分组成。系统由89C51单片机控制，采样线圈（Rogowski线圈）在高压母线上经过电磁感应得到一个电压信号，该电压信号为微分信号，需要经过积分电路使其相位还原，还原后的信号经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，再经过光电转换和传输模块送至低压端，经过数字信号处理后以数字信号输出。
3 电子式电流互感器传感头介绍
电子式电流互感器的传感头采用Rogowski线圈，Rogowski线圈根据截面来分可以分为两种，一种是矩形，一种是圆形；根据骨架来分又可以分为环形骨架和方形骨架两种。本设计采用的是横截面为矩形，骨架为环形的Rogowski线圈。其优点是结构简单，容易工业化生产且易均匀缠绕。
3.1 Rogowski线圈的结构及其工作原理
目前，大多数电子式电流互感器的传感头选用的是Rogowski线圈，Rogowski线圈造价便宜，且性能优异。它的测量精度可达到0.5%——1%，测量范围也较广，可以达到几千安培。环形骨架的Rogowski线圈的结构原理图如图3.1。

图3.1 环形骨架的Rogowski线圈的结构原理图
Rogowski线圈均匀缠绕在一个由塑料棒（例如聚酰胺等非磁性材料)构成的截面均匀的环形骨架上，被测电流穿过上图所示的环形，由电磁感应原理可知线圈两端会产生一个感应电动势。测量线圈的磁链与被测电流存在线性关系，设环形半径为，骨架半径为，则横截面积。当时，骨架单位长度上的小线圈的磁链：

式中：——磁感应强度在测量线圈轴线方向的切线分量；
——Rogowski线圈的总匝数。
小线圈的总磁链为：
根据全电流定律有：，则有。

——真空磁导率，
3.2 计算Rogowski线圈的互感系数
当一个线圈中的电流发生变化时，将在它周围空间产生变化的磁场，从而可在附近的另一个线圈中产生感应电动势，这种因两个载流线圈中的电流变化而相互在对方线圈中激起感应电动势的现象称为互感现象，相应的电动势叫做互感电动势。为了使Rogowski线圈测得的母线电流更加准确，我们需要研究Rogowski线圈的互感系数，下面就以横截面积为矩形的线圈进行分析。
图3.2为横截面积为矩形的Rogowski线圈测量电流的示意图，骨架的材料为非磁性材料，且线圈均匀的缠绕。

图3.2 横截面为矩形的线圈测量电流示意图
设骨架的半径为R，通过母线的电流为，根据全电流定律有：；
则：
故： (1)
横截面面积为： (2)
由电磁感应定律有： (3)
(4)
将(1)式和(2)式带入(4)式积分的：
总磁链： (5)
将上式带入(5)式得感应电动势为：
由于：
所以互感系数M为：
式中：
l ——真空磁导率，；
l ——被测导体中流过的电流，单位；
l ——线圈匝数；
l ——骨架高度，单位；
l ——骨架外径，单位；
l ——骨架内径，单位。
3.3 Rogowski线圈两种工作状态
由于本身的电阻、电感和电容的原因，Rogowski线圈有两种工作状态，一种是自积分状态，一种是微分状态。在线圈两端接一个电阻，使得Rogowski线圈与电阻组成一个回路，然后将回路的等效电路画出来，通过等效电路来分析它们的伏安特性，进一步了解线圈的特性，下面来分析Rogowski线圈在两种工作状态下的伏安特性。

3.3.1 自积分状态

图3.3 Rogowski线圈自积分等效电路
图3.3是Rogowski线圈自积分的等效电路，其中：L为线圈自身电感，为线圈内阻，为线圈自身的电容。由上图可得：
（1）
当时，，所以，故上式可以化为：

当时，，又 可得：
；
故线圈两端的电压：

在不等式上述条件成立的情况下，由上式可知输出电压与被测电流成正比关系。故在一定的条件下，线圈测量等效电路本身就是一个积分电路，能够将被测电流进行还原。故工作在这种状态下的线圈，可以用来测量变化率较高的脉冲电流。

3.3.2 微分状态
当线圈的自身电容忽略不计时，即时，Rogowski线圈的等效电路可以等效为一个纯电阻电路，等效电路如图2.5。

图3.4 Rogowski线圈微分等效电路
由上图可得：
；
当线圈电感足够小时，即 时，上式可化为：
；
由上式可得：
；
所以： ；
由上式可以看出Rogowski线圈的采样信号为一个微分信号，输出的电压信号和被测电流之间的相位相差，为了使信号还原就必须要加一个积分环节。测量变化率较小的母线电流时，线圈一般工作在微分状态，且在线圈末端加一个有源积分器，使得信号还原，以达到测量目的。
4 高压端电路和供电模块
4.1 积分电路
由上文可知，在实际应用中测量母线电流时，Rogowski线圈工作在微分状态，这样线圈末端输出的电压是一个正比于一次电流对时间的导数，为了使信号还原成的形式，需要在线圈输出端加上一个积分器。
几种常见的积分器：

图4.1 无源积分器
由电路方程可以得到其传递函数：
(1)
当即时，上式可化为：
(2)
即 (3)
输出电压和输入电压幅值比：
(4)
由(3)式可以看出，在具有同样的电阻和电容时，无源积分器只对信号周期比电路的时间常数小得多的信号进行积分，得到近似的积分关系。要使相对误差在容许误差范围内，电路时间常数至少是信号周期的100倍。由(4)式可以看出经过积分后的电压幅值很小。所以无源积分器不能满足设计的需求，这里需要用有积分、放大两种功能的有源积分器。

图4.2 理想有源积分器
理想有源积分器虽然既有积分环节又有放大环节，但由于电容和放大器都不是理想器件，会出现“积分漂移”现象，即当输入电压为0时，输出的电压不为0。为了消除这种现象需要在理想有源积分器上加一个负反馈环节。带负反馈环节的有源积分器如图4.3：

图4.3 带负反馈积分器
这种积分器减小了“积分漂移”现象，结构简单，为了不使反馈电阻影响过大，一般选用的数量级为兆欧级。输出与输入应满足关系式：

将式带入上式可得：
本文所选的电阻电容的参数由上式计算所得，具体数值如图4.3中所标示。
4.2 滤波电路
经过积分器的积分作用，传感头采样的信号被还原成了原来的信号，由于周围的环境和本身材料的影响，信号中会产生一些杂波从而导致波形失真，为了提高测量精度，消除噪声的影响，我们需要加入一个低通滤波器以达到目的，滤波器选用二阶巴特沃斯低通滤波器，由于我国电网的电压频率规定为50HZ，故该滤波器应该只能通过50HZ的电压信号，下面计算滤波器各元件的参数。选取电容的容量为，由式得：

选取，在模电课本上查表有，计算得：

运算放大器选用LF353器件，LF353放大器运行速率高，可以内部调整输入的补偿电压，且价格便宜，性价比较高。电路图如图4.4所示。

图4.4 二阶巴特沃斯低通滤波器
此滤波器可以使50HZ的波形通过，将其他杂波消除掉。输入上述参数，利用protues仿真软件进行仿真，使用信号发生器输入一个频率为50HZ的正弦电压信号和一个频率为2KHZ的正弦电压信号，经过滤波电路滤波后的波形如图4.5所示。

图4.5 示渡器显示的输入和输出波形
上图是由proteus仿真软件仿真得到的二阶巴特沃斯低通滤波器滤波后得到的图形，上图中红色代表输入波形，黄色代表经过二阶巴特沃斯低通滤波器后输出的波形。由上图可知二阶巴特沃斯低通滤波器可以很好的消除杂波，能提高测量的精度。
4.3 A/D转换电路
由上文可知母线电流由Rogowski线圈采样出的电压信号经积分器还原、滤波电路将杂散波过滤后，得到的是一个正弦电压信号，本设计需要把模拟信号转变为数字信号。A/D转换电路用到的芯片有MAX197A/D转换芯片，可编程放大器LH0084，采样保持器AD585，单片机AT89C51。
LH0084是一个高速、高精度的可编程放大器，它的非线性度为，增益精度可达到，多种可编程增益选择。LH0084外围电路如图4.6所示。

图4.6 LH0084外围电路
信号经过采样保持器向可编程放大器LH0084输入信号，电源经过电容的滤波作用连接到芯片上，为芯片提供电源。控制端D0、D1连接到单片机上控制芯片的输入状态，输入级有1、2、5、10四个增益值。输出级增益采用固定接线方式，有1、4、10三个增益值。本设计将X4的信号反馈到输出端，这时可编程放大器的输出级的增益值为4，实现的增益值可为为4、8、20、40。可以满足本课题设计的需要。
应用在电子式电流互感器中的A/D转换芯片应具有：功耗小、采样频率高、串行A/D芯片、分辨率可以满足系统的分辨率。这里采用MAX197芯片，MAX197是一个高速转换的A/D芯片，分辨率可达到12位，有多个测量量程，8路输入通道。可独立完成A/D转换，芯片的采样模式由控制字ACQMOD控制，当它为0时，为内部采样模式，为1时，是外部采样模式。控制字PD0、PD1控制时钟和低功耗模式。当PD1为0时，芯片工作在正常状态，为1时，芯片工作在省电模式。MAX197可以和单片机共用一个电源，电源电压为，转换时间，采样率。可以达到本设计的要求。MAX197芯片的引脚图和A/D转换硬件电路分别如图4.7和图4.8所示。

图4.7 MAX197的引脚图

图4.8 A/D转换部分的硬件接线图
可编程放大器LH0084增益的电压信号通过数据总线输入到MAX197芯片的模拟输入端，D0~D7连接到单片机AT89C51的P0.0~P0.7上。控制位D5控制数据信号的采样和转换，当D5为1时，开始采样间隔；置0时，开始A/D转换。当A/D转换结束后，引脚INT置0，通知外部处理器读取转换结果。由HBEN控制数据的输出，当HBEN为1时，控制高四位数据输出，为0时，控制低八位数据输出。程序流程图如图4.9所示：

图4.9 程序流程图
4.4 电源电路
在高压端，单片机、A/D转换芯片等为有源器件，需要给它们提供+5V的电源，目前高压端供电方式总的来说有三种：激光取能供电、太阳能供电、直接从高压母线上取能供电。
激光取能供电方式是从低压端获取光能，由光纤传输至高压端，通过光电转换变成电信号，由整流滤波和变压等步骤获取有源器件所需要的电压。这种供电方式没有高低压端的电磁干扰，并且供电可靠。
太阳能供电方式是采用硅太阳能电池对高压端有源器件进行供电，这种电池不会储存电能，是在有光照的情况下直接取能供电，在阴天或者雨天的时候没有强光照射，其能量不足以支持有源电路的正常运行。
直接从高压母线上取能供电是通过CT或者PT从高压母线上获取电能，经过整流滤波稳压等电路供给高压端有源电路。此种方法简单，且成本较低，运行可靠。
综合考虑，本文选用第三种方法供电，直接从高压母线上取能供电。常用的从高压母线上取能供电电源有CT取能供电，PT取能供电，CT取能和PT取能结合供电，CT取能和蓄电池结合供电。本设计选用的是CT取能和蓄电池结合供电，CT取能供电为主，蓄电池供电为辅，提供的电压为+5V。当母线电流较小时，CT取能供电不能满足后续电路中所需要的电压，这时就需要蓄电池代替CT取能供电。当CT取能正常运行时，它又可以对蓄电池进行充电补充，这样的供电方式既解决了母线电流较小时CT不能正常供电的缺点，又解决了蓄电池可能没电的缺点。CT取能电源由变压器、整流桥、滤波器等组成，蓄电池选用的是12V的铅蓄电池。由CT和蓄电池得到的12V直流电压经过7805稳压电路得到+5V的直流电压，可以直接供给高压侧的有源电路使用。高压端供电原理图如图4.10所示。

图4.10 电源电路
4.5 光纤收发模块
母线电流经过采样线圈和高压端的一些电子电路，将母线的电流信号还原并进行了数模转换，转换后的数字信号需要发送至低压端进行数字信号处理，然后可以以数字输出或者模拟输出。高压端向低压端传送的媒介为光纤，本文选用的是光纤收发器。
本文设计的电子式电流互感器选用的光纤收发器是由Agilent公司生产的HFBR-1524和HFBR-2524芯片，该芯片成本低且性能良好，可垂直或水平安装，易和单、双面和封闭连接器连接，兼容TTL电路，绝缘性能良好。发送器HFBR-1524使用的是LED发光二极管，其可见波长为。接收器HFBR2524由一个直流耦合单片集成电路和一个集电极开路肖特基输出的晶体管。接收器中有3个屏蔽板，可以屏蔽外部的噪声干扰。光纤收发器的硬件接线图如图4.11所示。

图4.11 光纤收发器的硬件接线图

5 低压端电路
信号由光纤发射器发送至低压端，用光纤接收器接收信号，接收到的信号经内部转换变成电信号。信号经过数字信号处理可以数字输出，一般都需要模拟母线电流信号波形输出，在数字信号处理器后外加一个D/A转换芯片，将数字信号转换成模拟信号再输出。低压端电路如图5.1所示。

图5.1 低压端电路
光纤发射器HFBR-1524发出的信号由在控制室的接收器HFBR-2524接收，接收到的信号经过串并转换后，输送到数字处理单元进行处理，处理后可以直接以数字信号输出，也可以再经过D/A转换以模拟信号的方式输出。

总 结

传统的电磁式电流互感器由于其本身存在的缺点，已不能满足当今及以后电网的需要，为了提高测量电网母线电流的精度，人们开发研制了一种新型的电流互感器——电子式电流互感器，它克服了电磁的电流互感器的缺点。本文介绍了基于空心线圈的电子式电流互感器的原理及结构，总结如下：
本文研究的是A/D转换式电流互感器，设计了系统结构。分析了Rogowski线圈的结构、测量原理及其工作状态，阐述了测量变化率较小的母线电流需要线圈工作在微分状态。本文根据结构图的顺序，分别介绍了电子式电流互感器的传感头、A/D转换、高压侧电源。
本文设计的电子式电流互感器结构简单，成本低。由于自己的知识有限，在很多地方有不足之处，低压端电路这一块只是做了一个简单的说明。由于自己的经验限制，系统在硬件和软件设计方面还有一些不足之处，需要进一步的改进和完善。

致 谢

随着毕业设计的完成，我的大学生涯也即将画上句号了。在这两个多月的毕业时间里，我的收获很多，对所学的知识进行了巩固。当然，在设计当中也遇到了一些困难，在这里我要感谢那些对我帮助过的人。
首先，我要感谢大学四年对我们授课的老师，是你们教会了我专业知识，让我从一个“门外汉”变成了内行人，是你们教会了我如何学习，是你们教会了我如何做人，如何做事，在这里由衷的感谢你们，并祝你们能培养出更多的优秀的人才。
其次，我要感谢我的指导老师，xxx教授。从最初的定题、收集资料到开题报告和论文的定稿，您都耐心的给了我指导。您教学态度严谨，为人和善。您放弃了休息时间，在我设计遇到困难的时候对我细心的讲解和给出指导性的建议。在这里我想对您说“谢谢您，老师”。
最后，谢谢这四年陪我一起渡过大学时光的同学们。这四年虽然不长，但它却是我人生中重要的四年，我们的青春一起在这里渡过，我们相互帮助，在这里有欢笑也有悲伤。谢谢你们，正是有你们的存在，让我有了一个美好的回忆。

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附 录：