基于Rogowski線圈的大電流測量傳感理論研究與實踐.pdf

1、大電流測量技術是現(xiàn)代電磁測量領域的重要組成部分，它在節(jié)能降耗、確保系統(tǒng)安全運行和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面均有著重大意義。根據(jù)頻率特性，大電流分為穩(wěn)態(tài)大電流（如直流大電流）、暫態(tài)大電流和脈沖大電流（又稱沖擊大電流）；根據(jù)它們所在環(huán)境工作電壓等級的不同，又可以分為低壓大電流和高壓大電流兩大類。對于大電流的測量問題，除了它們存在不同的頻率和電壓等級的差別之外，還有計量、監(jiān)視、控制以及保護等不同的用途，因而它們對測量準確度指標的要求也不完全一致。對于

2、作計量用途方面的大電流測量而言，要求準確度最高；對保護和控制方面而言，則要求次之；對監(jiān)視方面而言，則要求最低。特別是現(xiàn)在以計算機為核心集數(shù)據(jù)采集和信號處理的傳感設備不斷淘汰那些不易與計算機直接通信的傳感裝置，已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。因此，借助計算機技術，設計與選擇最合適的傳感理論和方法對不同性質(zhì)大電流測量現(xiàn)場，進行快速、可靠測量，是當前迫切需要解決的問題。由于羅柯夫斯基線圈（Rogowskicoil，以下簡稱羅氏線圈）具有與被測電流回路沒有

3、直接的電的聯(lián)系、頻帶寬、輸出功率低、結(jié)構(gòu)簡單、線性特性良好等顯著優(yōu)點，并且它非常容易與計算機通信，因而成為高壓現(xiàn)場中測量交流、暫態(tài)和脈沖等不同性質(zhì)大電流的首選敏感器件。本論文分別得到國家自然科學基金（批準號：60274037）和華中科技大學優(yōu)秀博士論文基金資助。該文最大特色在于：將羅氏線圈作為現(xiàn)場監(jiān)測不同性質(zhì)大電流的工業(yè)用傳感系統(tǒng)，完成保護、控制和監(jiān)視等不同功能。論文以羅氏線圈傳感理論作為研究主線，系統(tǒng)地分析了羅氏線圈傳感系統(tǒng)以下幾個方

4、面的重要內(nèi)容：羅氏線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)的計算模型、優(yōu)選方法和它們之間的相互影響特性以及它們對整個傳感系統(tǒng)工作性能的影響；羅氏線圈分布電容測量方法和它對傳感系統(tǒng)動態(tài)特性的影響；羅氏線圈的最佳終端電阻的取值依據(jù)與計算模型；羅氏線圈整個傳感系統(tǒng)的時域特性和頻域特性的分析方法；論文首次提出了復合積分器的電路模型并成功應用到神光III能源模塊中的預電離和主放電的脈沖大電流的測量系統(tǒng)中；構(gòu)建了幾種典型的羅氏線圈大電流監(jiān)測系統(tǒng)，分別用于測量串補電容

5、器型式試驗中的脈沖大電流、電力電容器能量爆破試驗中的暫態(tài)大電流、高速大功率電子開關RSD（ReverselySwitchedDynistor）的開關狀態(tài)大電流和鋁電解系統(tǒng)中的低壓直流大電流；論文首次創(chuàng)造性地提出了利用羅氏線圈充當檢測繞組而構(gòu)建了一種新型自平衡式混成直流比較儀物理模型，詳細研究了它的工作機理、控制特性、開環(huán)輸出特性曲線、動態(tài)特性和靜態(tài)特性以及擴展它的輸出量程的方法；闡述了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)共模電壓和共模電流的產(chǎn)生機理與抑制措

6、施，分析了基于羅氏線圈測量高頻共模電流的典型傳感方法的可行性。論文在深入、系統(tǒng)研究羅氏線圈傳感系統(tǒng)的基礎上，獲得了一些用于構(gòu)建測量大電流的羅氏線圈傳感系統(tǒng)的分析方法、設計思路、優(yōu)化參數(shù)的關鍵技術等理論研究成果，并將它們成功地應用到了工程監(jiān)視現(xiàn)場中，分別完成了暫態(tài)、脈沖和直流等幾種不同性質(zhì)大電流的現(xiàn)場測量和監(jiān)視任務，它們分別是：神光III能源模塊中的預電離、主放電的脈沖大電流和放電回路中的地線電流、串補電容器型式試驗中的脈沖大電流、電力電

7、容器能量爆破試驗中的暫態(tài)大電流、高速大功率電子開關RSD的開關狀態(tài)大電流和鋁電解系統(tǒng)中的低壓直流大電流。針對暫態(tài)、脈沖和直流這些不同性質(zhì)大電流，論文詳細研究了建立包括被測電流試驗回路和羅氏線圈測量回路的整個系統(tǒng)的仿真模型的分析方法和設計思路，論述了各個典型傳感系統(tǒng)測量誤差的構(gòu)成特征與控制措施，歸納了普遍適用于設計測量暫態(tài)、脈沖和直流大電流時的羅氏線圈傳感系統(tǒng)的重要構(gòu)建步驟、分析方法和設計思路，驗證并完善了所取得的理論研究成果，為將它們進

8、一步實用化，拓展工業(yè)現(xiàn)場應用，奠定了堅實的理論基礎并提供了可靠的技術支持。論文在分析傳統(tǒng)的飽和電抗器在交流和直流同時激勵時的工作特性和控制原理的基礎上，首次提出了在飽和電抗器的結(jié)構(gòu)中分別增加一個二次繞組和一個由羅氏線圈構(gòu)成的檢測繞組，組成一種新型直流比較儀，即該比較儀由單鐵芯、檢測繞組、激勵繞組、一次繞組和二次繞組以及后續(xù)處理電路組成。它的基本工作原理簡述為：利用正弦電壓源激勵鐵芯，當直流電流不為零時，檢測繞組端電壓呈現(xiàn)出正負半波不對稱

9、的波形，獲取檢測繞組端電壓的正負半波有效值之差，經(jīng)過電壓-電流變換，再由功率放大器擴流，然后送到二次繞組中形成與被測直流所產(chǎn)生的磁勢方向相反的直流磁勢，以平衡被測直流磁勢，實現(xiàn)“零磁通”狀態(tài)，從而完成直流測量任務。本文詳細論述了該比較儀的工作機理、構(gòu)造特點、特征信號量的分析與選取方法、比較儀的開環(huán)輸出特性與閉環(huán)控制特性、拓展比較儀輸出量程的方法以及它的靜態(tài)特性和動態(tài)特性等重要研究內(nèi)容，完成了比較儀的仿真研究與實驗驗證，并取得了初步的理論

10、和實驗成果。根據(jù)論文的理論研究與實驗表明，按照所提出的拓展其輸出量程的方法將這種比較儀進行適當?shù)母脑?，是可以用于直流大電流測量的，且該比較儀兼具磁調(diào)制器的高敏感度、低漂移和磁放大器輸出特性不會出現(xiàn)虛假平衡點、線性度高等優(yōu)點，還具有如同飽和電抗器一樣的結(jié)構(gòu)緊湊、控制迅速等優(yōu)勢，因此，論文特稱它為自平衡式混成直流比較儀，并為探索新型直流大電流傳感方法，進行了大膽的理論探索與實驗嘗試。在高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的整流電路和逆變電路中都會產(chǎn)生反映零序性

11、質(zhì)的共模電壓，由它直接產(chǎn)生的電流就是共模電流，它是一種特殊的高頻脈沖電流，雖然它的幅值并不太大，但是它對電動機的絕緣層和軸承壽命卻有著顯著影響。論文深入分析了常規(guī)脈寬調(diào)制逆變器和三電平逆變器中產(chǎn)生共模電壓和共模電流的機理、長連接電纜對逆變器和電動機的影響特性。針對共模電流的特殊性質(zhì)，論文提出利用不含鐵芯的羅氏線圈測量流過三相L-R-C濾波器的每相支路電流或者流入電動機的每相電流，并將測量結(jié)果相加以反映高頻共模電流。這種監(jiān)測方法不需要隔離