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從原理來分析羅氏線圈與電流互感器的區(qū)別以及其應(yīng)用

閱讀:5920      發(fā)布時間:2023-12-7
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蔣大維

江陰市星火電子科技有限公司

摘要:

  羅氏線圈(Rogwski coil)可以說是一種新興的“電流互感器”,由于羅氏線圈的結(jié)構(gòu)組成部分主要是一個線圈,無鐵芯,所以它較普通的電流互感器有著不飽和、延遲低、頻率特性好,同時安全絕緣的優(yōu)點?,F(xiàn)在推廣智能電網(wǎng),智能電網(wǎng)需要使用電子式互感器,將傳統(tǒng)普通電流互感器(current transformer,簡稱CT)輸出的模擬信號改成電子式互感器輸出的數(shù)字信號,從而方便智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸,而電子式互感器主要依托的技術(shù)就是羅氏線圈技術(shù)(當(dāng)然還有低功率互感器、光纖互感器等)。但是電子式互感器大發(fā)展并沒有想象中的那么快,原因是什么?很顯然羅氏線圈沒有那么簡單,目前依然無法取代傳統(tǒng)的電流互感器。本文就是通過比較羅氏線圈和傳統(tǒng)的電流互感器原理來分析其區(qū)別,并且根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展情況,找準(zhǔn)兩種互感器的發(fā)展定位。

1、羅氏線圈的原理(為了方便介紹,下文統(tǒng)一將“羅氏線圈”寫做“RCT”)

圖1  截面為環(huán)形的RCT工作原理圖

RCT測量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律(見圖1:RCT工作原理),我們列出RCT二次電壓u的公式

u=2πf*μ*S*n*I1/N=6.28f*μ*S*n*I1(公式1)

公式1即是RCT的輸出計算公式,其中,u為線圈輸出電壓值,μ為真空磁導(dǎo)率:4π*10-7S線圈的截面積, n為單位長度下的線圈匝數(shù)(即繞線密度), I1為1次電流值,N為一次匝數(shù)。公式1可見,線圈二次輸出電壓值u和f、S、n、I1 這4個關(guān)鍵因素成正比關(guān)系。

其中頻率f越高,RCT輸出的電壓值越高。例如測試60HZ時輸出的電壓值是50HZ的1.2倍。線圈截面積S線圈截面積越大,輸出信號就越大,要取得較大的輸出信號,可以采用截面較大的骨架。繞線的密度n繞線密度與輸出成正比,單位長度繞的線越多,即繞線密度n越大輸出越大,也就是說并不是RCT做得越長圈數(shù)越多輸出信號就越大,而是單位長度繞線越多,其輸出就越大。一次電流I1:這個就很好理解,RCT同CT一樣,都是線性輸出,二次輸出隨著一次電流的增大而增大。

2、傳統(tǒng)電流互感器(即帶鐵芯)的原理(為了方便介紹,下文統(tǒng)一將“傳統(tǒng)電流互感器”寫做“CT”)

圖2:CT的工作原理

CT的工作原理與變壓器基本相同,一次繞組的匝數(shù)(N1)較少,直接串聯(lián)于電源線路中,一次電流I1通過一次繞組時,產(chǎn)生的交變磁通感應(yīng)產(chǎn)生按比例減小的二次電流I2;二次繞組的匝數(shù)N2較多,與儀表、繼電器、變送器等電流線圈的二次負荷(Z)串聯(lián)形成閉合回路,見圖2。CT在工作時,它的二次側(cè)回路始終是閉合的,因此測量儀表和保護回路串聯(lián)線圈的阻抗很小,CT的工作狀態(tài)接近短路。CT是把一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流來測量,二次側(cè)不可開路。

由于CT依托于電磁感應(yīng)原理,所以要有二次感應(yīng)電動勢,鐵芯必須要有磁通,單位面積的磁通叫做磁通密度B,也叫做磁感應(yīng)強度。電流達到一定的大小,鐵芯中的磁通密度達到最高,此時的CT就會飽和,所以磁密即是決定CT是否飽和的參數(shù),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,可以列出磁密B與感應(yīng)電勢的關(guān)系。

B=2252*E2/(f*Sc*N2(公式2)

其中E2為2次感應(yīng)電動勢,由二次阻抗與二次電流I2組成,f為工作頻率,SC為鐵芯截面積,N2為二次匝數(shù)。

同時我們列出CT誤差公式,如下:

ε=25.3*Z2*Lc/(Sc *u*N22(公式3)

其中Z2為互感器二次阻抗,LC為鐵芯的磁路長度。

3、從多方面分析RCT與CT

下面我們從輸出信號、過載能力、帶載能力、頻率范圍、誤差、線性度、抗干擾能力、反應(yīng)能力、安全使用9個方面來比較雙方的優(yōu)勢。

3.1輸出信號

CT輸出的信號為交流電流信號,如果是一次互感器,一般輸出5A/1A的信號,如果是電表中的二次互感器,則一般輸出1mA-5mA的交流信號。而RCT則輸出的一個很小的電壓信號,一般為1kA輸出0-100mV,可以用高阻抗的電壓表測試,如果加上積分器,一般輸出的信號為0-10V,根據(jù)客戶要求選用。(見圖3:江陰市星火電子科技有限公司的三相RCT+積分器)當(dāng)然現(xiàn)在也有客戶需要RCT輸出1A甚至5A的信號,那樣必須外接一個功率放大器。

 

圖3:江陰市星火電子科技有限公司的三相RCT+積分器

3.2過載能力

RCT沒有鐵芯或者它的鐵芯為空氣,空氣不會磁場飽和,所以RCT不會飽和,這也是RCT的優(yōu)點。而CT由于存在著鐵芯,一旦鐵芯中磁密B達到最高,那么CT的磁導(dǎo)率會不斷下降,最終消失,那時CT極有在失磁的情況下燒毀。(見圖9:導(dǎo)磁率隨著磁場的增加,先不算增大再不斷將至最低。)

3.3帶載能力

帶載能力有區(qū)別于過載能力,如果單看CT,一般過載能力強的它的帶載能力也就強,但是RCT和CT比較又是另外的情況了,上文3.1已經(jīng)說過,RCT基本上輸出的是一個很小的電壓信號,一旦加上負載,那么電壓值會非??斓牡?,這也是為什么RCT需要高阻抗電壓表測試的原因。而CT則不一樣,CT其實相當(dāng)于初級只有一圈的變壓器,它有鐵芯,能夠輸出一定的功率,當(dāng)然這也和鐵芯的材質(zhì)有關(guān),比如硅鋼的磁密能夠達到2T,而超微晶約為1T,那么硅鋼的帶載能力基本上是超微晶的1倍左右。

3.4頻率范圍

無論CT還是RCT其自身都是一個電感器,區(qū)別是CT由于有鐵芯的情況下電感量比較大,根據(jù)阻抗公式ZL=2πfL,其中電感量L越大,其阻抗就越大;頻率越高,其阻抗就越大。在相同的頻率下,CT的阻抗非常的大,而RCT的阻抗則非常的小,所以RCT很容易響應(yīng)較高頻率的電流,從而比較真實的還原一次電流。

3.5誤差

為了更有說服力,我們選取兩款產(chǎn)品來比較,一款RCT(見圖4:長度25cm,不帶參數(shù):輸入1KA,輸出100mV),一款開合式CT(見圖5:開合式KCT85:參數(shù)輸入1KA,輸出1A)。

圖4:長度25cm,參數(shù)100mV/kA。

圖5:開合式CT,內(nèi)孔尺寸80*50,參數(shù)1KA/1A。

下面是使用測試設(shè)備測試出的數(shù)據(jù)對比。

3.5.1 RCT不帶帶積分器與帶積分器20-1000A的測試數(shù)據(jù)

輸入電流(A)

20

40

60

80

100

200

400

600

800

1000

100mV/KA

(單位mV)

2.5

4.2

6.1

8.0

10.0

20.2

40.2

60.2

80.2

100.4

帶積分器1V/KA

(單位V)

0.021

0.041

0.061

0.080

0.100

0.201

0.402

0.604

0.806

1.008

3.5.2開合式互感器1000A/1A的測試數(shù)據(jù)(互感器校驗儀)

輸入電流(A)

10

50

200

1000

1200

誤差(%)

-0.25

-0.047

0.032

0.086

0.09

3.5.3據(jù)此畫出他們的誤差線性對比圖

 

圖6:RCT與KCT85的線性對比

從這張誤差線形圖我們可以得出以下幾點結(jié)論:

1)RCT在較低的電流范圍誤差是非常大的,如圖在100A以下,誤差達到了25%。而kCT85的誤差則非常?。ㄒ妶D7)。

圖7:RCT 100mV/KA不帶積分器在低端的誤差較大

2)RCT在帶上積分器后,在低端的誤差低于不帶積分器的,因為積分器輸出的信號較大,但不能說明帶上積分器能夠降低誤差。

3)很多人都說RCT的線性度比CT要好,理論上是,但實際應(yīng)用中就不一定了,因為RCT由于沒有鐵芯受到的干擾誤差會更大(見圖8),具體在3.6線性度會再分析。

圖8:RCT的線性度有波動而開合式CT線性度較平穩(wěn)

3.6線性度

按照公式1,RCT的輸出u =6.28f*μ*S*n*I1在相同的線圈上應(yīng)該是線性的輸出,因為真空的磁導(dǎo)率不會改變,而S和n在同一個線圈是固定的。

但是CT是輸出精度公式ε=25.3*Z2*Lc/(Sc *u*N22,其中Z2、Lc、Sc N2在同一個線圈上是相對固定值,其中磁導(dǎo)率u會隨著電流的大小而變化,從而產(chǎn)生精度的變化(見圖9)。

 

psb.png

 

圖9:磁導(dǎo)率隨著磁場強度變化趨勢圖

按理論CT的誤差應(yīng)該大于RCT。但是RCT實際在測試過程中,還會受到具體位置的影響,其輸出精度也會有較大的變化,所以由于位置的不固定,RCT的線性度也會產(chǎn)生較大影響,這也是RCT的一個很大缺點(見圖10:測試RCT不同位置誤差圖)。

圖10:測試RCT不同位置誤差圖

現(xiàn)在有很多廠家為了使RCT的輸出增大,采用了有磁性的骨架,即是使RCT增加了磁導(dǎo)率,這樣做是非常不妥當(dāng)?shù)摹J紫雀鶕?jù)圖9,可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)磁率隨著磁場的變化而變化的,直到磁場飽和,磁導(dǎo)率降到最低點,那么RCT的輸出就沒了線性。即輸出的線性趨勢和磁導(dǎo)率的趨勢一樣,那樣RCT還能使用么?如果非要使用磁性的骨架,那么必須是磁性骨架的磁導(dǎo)率恒定,就是恒導(dǎo)磁,這個是可以實現(xiàn)的,(現(xiàn)在已經(jīng)有了恒導(dǎo)磁的超微晶,其通過橫縱磁場的處理,是磁芯在一定的范圍內(nèi)磁導(dǎo)率變化較小。)但是恒導(dǎo)磁除了真空磁導(dǎo)率外,所有材料只能在一個范圍內(nèi)恒導(dǎo)磁。那么使用這種材料后,RCT的不飽和優(yōu)點就喪失了。

3.7抗干擾能力

RCT沒有鐵芯,極易收到信號的干擾,特別是小電流誤差非常的大,可以見圖6,在低端的時候受到干擾較大,從而誤差相對較大。所以RCT需要做適當(dāng)?shù)钠帘蝸磉_到較好的輸出。而CT雖然也會受到信號的干擾,但是由于本身擁有一個很強的磁場,相當(dāng)于一個濾波器,所以受到的干擾相對較小。

3.8反應(yīng)能力

反應(yīng)能力是互感器的一個重要特性,一般CT由于含有鐵芯,那么鐵芯就會產(chǎn)生磁滯效應(yīng),這樣有兩個危害:一個是會使互感器發(fā)熱,磁滯效應(yīng)嚴(yán)重時甚至燒毀互感器,另外一個是互感器的反應(yīng)能力會由于磁滯效應(yīng)減弱,不能時時傳達一次側(cè)電流的信息,這樣特別是在保護用CT上面危害是非常大的。而這恰恰是RCT的一個優(yōu)點,因為它沒有鐵芯,所以它沒有磁滯反應(yīng),那么它的時時反應(yīng)能力非常之高,這也是它能測試高頻電流的一個重要原因。

3.9、安全性

CT一般出廠前都有一個銘牌,上面寫著“嚴(yán)禁二次開路”見圖11,因為CT二次開路會產(chǎn)生高壓,嚴(yán)重時會損傷設(shè)備和人的生命安全,所以互感器二次只能短路而不能開路,當(dāng)然二次側(cè)也不能短接熔斷器。但RCT二次側(cè)輸出是一個很小的電壓值,無需考慮后次開路。所以在安全性能上,RCT要遠遠高于CT。

圖11:互感器的二次銘牌

綜上所述,現(xiàn)在用表格的形式總結(jié)RCT和CT的相對區(qū)別。

類型

3.1輸出信號

3.2帶載能力

3.過載   能力

3.4

誤差

3.5

線性度

3.6

抗干擾

3.7反應(yīng)能力

3.8

頻率

范圍

3.9

安全性

RCT

CT

較強

較強

4、RCT的發(fā)展趨勢

本文分析了RCT與CT的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)RCT目前還是無法去代替CT的。那么RCT可以應(yīng)用在哪些場合呢?根據(jù)我們總結(jié)RCT雖然誤差較大,但不飽和的優(yōu)點,它可以替代保護用CT。當(dāng)然在測量領(lǐng)域,RCT高頻特性好、反應(yīng)迅速、又可以使用在測量比如泄漏電流、故障電流、脈沖電流、雷擊電流,或者電流中的諧波。也希望在RCT工藝不斷增強的情況下,實現(xiàn)電子式互感器的大規(guī)模開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。

 

 

 

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