基于PCB羅氏線圈的C型多層雷擊電流檢測器設計

魏文偉, 蔡樂才, 張超洋3,

(1.國網四川省電力公司內江供電公司, 四川 內江 641000;2.宜賓學院物理與電子工程學院, 四川 宜賓 644000; 3.四川輕化工大學自動化與信息工程學院, 四川 自貢 643000)

引 言

由于電網中一旦發生事故，將造成巨大的經濟損失和人員傷亡，因而及時地監測避雷器運行狀態和評估避雷器健康情況是非常有必要的。電網的事故以輸電線路的故障占大部分，輸電線路的故障又以雷擊跳閘占的比重較大，尤其是在山區的輸電線路中，線路故障基本上是由于雷擊跳閘引起的。避雷器在露天環境中安置，老化或者受潮會導致避雷器的保護能力下降，嚴重時造成電網大范圍停電事故。電網系統易受雷擊產生故障，輸電線路故障檢測、定位是輸電線路運維工作的重點[1-2]。雷擊電流波形和幅值對輸電線路進行差異化防雷設計具有指導意義，研究有效測雷和防雷措施是確保電力系統正常運行亟需解決的關鍵問題。

近年來，國內外學者們在雷電流監測領域的研究取得了眾多具有價值的成果。江天炎等人進行了羅氏線圈檢測勵磁變壓器中脈沖干擾信號仿真試驗研究[3],提出了用磁鋼棒測量法和磁帶測量法檢測雷擊電流的幅值[4-5]，用行波法實現故障定位[6]，設計了雷電定位系統[7]、Rogowski 線圈 (羅氏線圈)[8]、PCB(Printed Circuit Board：印制電路板) Rogowski線圈檢測雷擊電流波形和幅值[9]，羅氏線圈防雷領域的研究[10]，羅氏線圈電子式電流互感器諧波測試方法和CPU系統隔離回路解決方案[11-12]等。雷電定位系統相對價格較高，行波法因為高頻分量被衰減導致精度降低。Rogowski線圈電流傳感器各方面性能優越，但是普通的Rogowski線圈是將導線(漆包線)均勻地繞在環形非鐵磁骨架上制成，其繞制過程通常是由手工或繞線機來完成的[13]。在批量化生產中，很難做到線圈均勻繞制，不利于產業化發展。采用羅氏線圈為輕便大口徑柔性傳感器[14-15]，既便于安裝又便于攜帶，同時能夠適應各種電纜直徑。PCB Rogowski線圈成本低，便于批量生產，但是測量靈敏度低，而且安裝不方便。針對上述問題，本文提出了一種C型PCB Rogowski線圈暫態電流采集方法，具有成本低、便于批量生產、安裝方便、檢測靈敏度高的特點，對我國實現電力系統雷擊電流檢測的智能化、網絡化、數字化方面發展具有積極的意義。

1 系統原理

如圖1所示，當設備遭遇雷擊時，輸電線路或設備的避雷器上會瞬間流過雷擊電流，遠程雷擊檢測儀啟動，記錄雷擊時間，捕捉雷擊的定位。然后將雷擊的時間，地點等信息發送到監控服務器，配置軟件記錄上述信息后，通過監控服務器轉發到任意的其他客戶端，如手機客戶端、PC客戶端等。

圖1 避雷器雷擊智能計數儀廣域監測系統框圖

遠程雷擊檢測儀由兩個雷電流傳感器、一個測量主機組成，能同時監測正反兩路雷電流信號。如圖2所示，系統前端采用獨立研發的C型多層PCB Rogowski雷電流互感器用來檢測100 kA以上的雷電流，用積分電路處理后，經峰值檢波和測量觸發電路，低功耗CPU MSP430處理器進行數據采集，應用GPS定位技術、RF短距離數據傳輸及GSM技術，實現對雷電流的遠程實時檢測功能。

圖2 遠程雷電流測試儀系統框圖

選擇 AD 公司的一款低功耗、低噪音模數轉換芯片 AD7655 實現模數轉換；處理器用美國德州儀器公司(TI)的低功耗芯片 MSP430F149；存儲器用M25P32-VMW6TG 串行 Flash存儲芯片。

為了便于測量數據的獲取，設計了兩種通訊方式，一種是在現場用便攜式筆記本通過RF模塊射頻通訊方式接收數據(通信距離1500 m以內)，另一種是通過短信GSM方式發送至監控終端。

2 C型PCB Rogowski線圈及電流檢測

2.1 羅氏線圈測電流原理

傳統的Rogowski線圈將導線均勻地繞在非磁性材料的框架上，有大電流i(t)的導線垂直穿過線圈的中心，導線輸出端能感應出反映電流i(t)大小的電壓信號u(t)的測量裝置。定義：H為線圈內部的磁場強度；h為截面高度；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m；u(t)為線圈兩端的感應電壓；N為線圈匝數；a、b為線圈橫截面的內徑和外徑；非磁性環形骨架中心距中軸被測電流距離為r；每匝線圈橫截面積為S。當被測電流i(t)沿軸線通過線圈時,在環形繞組所包圍的體積內產生相應變化的磁場H。依據安培環路定律得:

i(t)=∮Hdl

(1)

H=i(t)/2πr

(2)

B=μ0H=μ0i(t)/2πr

(3)

按照電磁感應定律，穿過感應線圈的感應電動勢為：

(4)

(5)

所以羅氏線圈輸出的感應電動勢：

(6)

其中：N為線圈匝數，互感系數M為：

M=u0Nhln(b/a)/2π

(7)

由式(6)可知，羅氏線圈輸出的感應電動勢u(t)與被測電流的微分信號成正比，比例系數即為互感系數M，式(7)表明M的大小與線圈的結構和線圈匝數決定。因此，羅氏線圈輸出信號經過一個積分器后就可以得到被測電流波形，所以用羅氏線圈能夠測量電流。

2.2 PCB Rogowski線圈

傳統的Rogowski線圈在批量化生產中很難做到線圈均勻繞制。隨著PCB制作工藝的提高，線路尺寸上可重復生產的精度高，所以采用PCB結構的Rogowski線圈得以應用。其與傳統電磁式互感器相比，PCB Rogowski線圈具有的體積小、成本低、傳輸頻帶寬等優點。實際應用中，由于雙面PCB結構型繞線匝數有限，導致測量靈敏度較低，為了增加測量靈敏度，設計中采用多層串聯方式提高繞線匝數。兩層串聯型正反PCB結構的Rogowski線圈原理如圖3所示。設計中采用多個 PCB 板羅氏線圈正反相連安裝構成電流檢測傳感器，增加了羅氏線圈的匝數，由式(2)可知，這樣能產生足夠的感應電動勢，能有效提高信號采集的精度，同時，每個PCB羅氏線圈采用正反相間連接方式，消除平行于印制板平面的磁場干擾。另外，PCB 板上的布線盡量均勻密繞，減少匝間和板間電容，減少批量生產的參數差異。

圖3 串聯PCB型Rogowski線圈設計原理圖

在實際安裝過程中，要斷開原有線路，才能把閉環的線圈套在電力線上，這給安裝帶來了嚴重不便。因此，在設計中對電流檢測部分進行了改進，研制了一種C型PCB Rogowski線圈的新型電流傳感器，如圖4所示，將線圈結構改為開口的C型結構，在開口位置增加了一個安裝定位的鎖片K。安裝的時候，先打開鎖片K，通過缺口將線圈直接套在電力線上，然后閉合固定鎖片K，完成安裝。

圖4 C型PCB Rogowski線圈

3 干擾分析及處理

受安裝工藝和外界磁場影響，實際工作狀態與理想狀態之間存在干擾的影響，下面對幾種干擾情況進行分析。

3.1 磁場干擾

任意方向的干擾磁場均可分解為垂直于(z軸)及平行于(x軸、y軸)羅氏線圈的磁場，這里分別稱為垂直場和平行場。當羅氏線圈受到垂直磁場BZ的作用時，會在線圈上產生感應電動勢：

(8)

式中：φz為垂直干擾磁場BZ在線圈中產生的磁通量。實際輸出電壓：

uo(t)≈u(t)+ez

(9)

為了減少ez的影響，設計了特殊的PCB羅氏線圈，即增加一層PCB，沿著PCB線圈骨架中部，繞制一圈與線匝方向相反的回線，垂直干擾磁場BZ會在回線上產生與ez相反的電動勢，從而抵消影響。同時，回線與載流導體產生的有用磁場方向平行，不會影響被測電流感應電動勢。

為了減少平行磁場干擾，設計中盡可能增加線圈匝數，減小線圈尺寸，降低線圈對稱位置的平行干擾磁場強度的大小差異，盡可能均勻繞制線圈，及PCB的走線對稱，大小相同的平行干擾磁場產生的干擾電動勢相互抵消。另外，用一個只留中心位置開孔的金屬殼把羅氏線圈屏蔽在里面，減小外磁場的干擾。

3.2 載流導體位置影響

如圖5所示，載流導體從PCB羅氏線圈的中心位置A移動了KR距離到位置B。R為PCB羅氏線圈外徑，K為偏心系數，且K≤1。

圖5 載流導體偏斜示意圖

被測電流在C處線匝產生的磁場強度、磁感應強度和磁通分別為：

(10)

B(dθ,t)=u0·H(dθ,t)

(11)

ψ(dθ,t)=S·B(dθ,t)

(12)

(13)

其中dθ表示角度變化量，由式(10)～式(13)可得被測電流在線圈中產生的總的感應電動勢為：

(14)

由此求得互感系數的相對誤差：

(15)

由式(15)可得，當K≤0.43時，▽ε<0.01%，即實際應用中，載流導體的位置偏心系數K小于0.43就可忽略載流導體偏心導致的互感系數的誤差。設計中，根據安裝導向的大小情況設計PCB羅氏線圈的中心孔徑比載流導體稍大，則可保證安裝的偏心系數K小于0.43，誤差影響可以忽略。

4 系統測試

IEC國際電工委員會標準IEC1024《避雷針防雷電氣》、IEC1312《雷電電磁脈沖防護》均執行10/350 uS和8/20 uS雷電波形。國家標準GB11032-2000《交流規范》、GB3482-3483-83《電子設備雷擊實驗、導則》均執行8/20 uS雷電波形。為驗證本采集系統的采集精度，用沖擊電流發生器作為行波源，產生 8/20 uS不同幅值、不同極性的標準電流波形，用示波器檢測結果作為標準電流檢測值，與本檢測的結果進行比較，得到的結果見表1。從表1中可以看出，系統檢測的最大誤差為4.0%，小于10%，滿足應用規范的要求。

表1 系統測試結果

5 結束語

本設計采用PCB羅氏線圈作為電流檢測傳感器，設計了雷擊電流檢測系統。從理論上分析了電磁干擾和安裝工藝對檢測精度的影響。設計中根據分析結果改進了設計方案，同時，為了增加安裝的方便性，將PCB羅氏線圈結構設計為帶鎖片的C型結構，實現了低成本、便于安裝的系統設計。