基于Rogowski線圈的大電流測(cè)量傳感理論研究與實(shí)踐.pdf

1、大電流測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代電磁測(cè)量領(lǐng)域的重要組成部分，它在節(jié)能降耗、確保系統(tǒng)安全運(yùn)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(jí)的不同，又可以分為低壓大電流和高壓大電流兩大類。對(duì)于大電流的測(cè)量問題，除了它們存在不同的頻率和電壓等級(jí)的差別之外，還有計(jì)量、監(jiān)視、控制以及保護(hù)等不同的用途，因而它們對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度指標(biāo)的要求也不完全一致。對(duì)于

2、作計(jì)量用途方面的大電流測(cè)量而言，要求準(zhǔn)確度最高；對(duì)保護(hù)和控制方面而言，則要求次之；對(duì)監(jiān)視方面而言，則要求最低。特別是現(xiàn)在以計(jì)算機(jī)為核心集數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的傳感設(shè)備不斷淘汰那些不易與計(jì)算機(jī)直接通信的傳感裝置，已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。因此，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)與選擇最合適的傳感理論和方法對(duì)不同性質(zhì)大電流測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行快速、可靠測(cè)量，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。由于羅柯夫斯基線圈（Rogowskicoil，以下簡(jiǎn)稱羅氏線圈）具有與被測(cè)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(jiǎn)單、線性特性良好等顯著優(yōu)點(diǎn)，并且它非常容易與計(jì)算機(jī)通信，因而成為高壓現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：60274037）和華中科技大學(xué)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(chǎng)監(jiān)測(cè)不同性質(zhì)大電流的工業(yè)用傳感系統(tǒng)，完成保護(hù)、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(gè)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(jì)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(duì)整個(gè)傳感系統(tǒng)工作性能的影響；羅氏線圈分布電容測(cè)量方法和它對(duì)傳感系統(tǒng)動(dòng)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(jì)算模型；羅氏線圈整個(gè)傳感系統(tǒng)的時(shí)域特性和頻域特性的分析方法；論文首次提出了復(fù)合積分器的電路模型并成功應(yīng)用到神光III能源模塊中的預(yù)電離和主放電的脈沖大電流的測(cè)量系統(tǒng)中；構(gòu)建了幾種典型的羅氏線圈大電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別用于測(cè)量串補(bǔ)電容

5、器型式試驗(yàn)中的脈沖大電流、電力電容器能量爆破試驗(yàn)中的暫態(tài)大電流、高速大功率電子開關(guān)RSD（ReverselySwitchedDynistor）的開關(guān)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(dāng)檢測(cè)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(xì)研究了它的工作機(jī)理、控制特性、開環(huán)輸出特性曲線、動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性以及擴(kuò)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(jī)理與抑制措

6、施，分析了基于羅氏線圈測(cè)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(chǔ)上，獲得了一些用于構(gòu)建測(cè)量大電流的羅氏線圈傳感系統(tǒng)的分析方法、設(shè)計(jì)思路、優(yōu)化參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)等理論研究成果，并將它們成功地應(yīng)用到了工程監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量和監(jiān)視任務(wù)，它們分別是：神光III能源模塊中的預(yù)電離、主放電的脈沖大電流和放電回路中的地線電流、串補(bǔ)電容器型式試驗(yàn)中的脈沖大電流、電力電

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

8、一步實(shí)用化，拓展工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)并提供了可靠的技術(shù)支持。論文在分析傳統(tǒng)的飽和電抗器在交流和直流同時(shí)激勵(lì)時(shí)的工作特性和控制原理的基礎(chǔ)上，首次提出了在飽和電抗器的結(jié)構(gòu)中分別增加一個(gè)二次繞組和一個(gè)由羅氏線圈構(gòu)成的檢測(cè)繞組，組成一種新型直流比較儀，即該比較儀由單鐵芯、檢測(cè)繞組、激勵(lì)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(jiǎn)述為：利用正弦電壓源激勵(lì)鐵芯，當(dāng)直流電流不為零時(shí)，檢測(cè)繞組端電壓呈現(xiàn)出正負(fù)半波不對(duì)稱

9、的波形，獲取檢測(cè)繞組端電壓的正負(fù)半波有效值之差，經(jīng)過電壓-電流變換，再由功率放大器擴(kuò)流，然后送到二次繞組中形成與被測(cè)直流所產(chǎn)生的磁勢(shì)方向相反的直流磁勢(shì)，以平衡被測(cè)直流磁勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“零磁通”狀態(tài)，從而完成直流測(cè)量任務(wù)。本文詳細(xì)論述了該比較儀的工作機(jī)理、構(gòu)造特點(diǎn)、特征信號(hào)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(dòng)態(tài)特性等重要研究?jī)?nèi)容，完成了比較儀的仿真研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并取得了初步的理論

10、和實(shí)驗(yàn)成果。根據(jù)論文的理論研究與實(shí)驗(yàn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，是可以用于直流大電流測(cè)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(huì)出現(xiàn)虛假平衡點(diǎn)、線性度高等優(yōu)點(diǎn)，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(shì)，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(jìn)行了大膽的理論探索與實(shí)驗(yàn)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(huì)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(duì)電動(dòng)機(jī)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(jī)理、長(zhǎng)連接電纜對(duì)逆變器和電動(dòng)機(jī)的影響特性。針對(duì)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(cè)量流過三相L-R-C濾波器的每相支路電流或者流入電動(dòng)機(jī)的每相電流，并將測(cè)量結(jié)果相加以反映高頻共模電流。這種監(jiān)測(cè)方法不需要隔離