用于高壓設備能耗測試電流傳感器的設計

焦裕璽李煒王曉東肖志勇劉向東（.山東科技大學電氣與自動化工程學院；.勝利油田技術檢測中心）

用于高壓設備能耗測試電流傳感器的設計

焦裕璽1李煒2王曉東2肖志勇2劉向東2
（1.山東科技大學電氣與自動化工程學院；2.勝利油田技術檢測中心）

油田生產系統中存在著大量高壓電氣設備，為了對這些設備開展能耗測試及評價，需要高精度的便攜式高壓用電節點測試設備。由于傳統的鐵磁式電流傳感器測量設備難以滿足現場測試及精度的要求，通過分析空心線圈的結構與原理，設計了基于組合式空心線圈的高壓測試電流傳感器，通過實驗測試比對，能夠滿足測量精度要求。

設備能耗測試 組合式空心線圈 電流傳感器 高壓測試

對于油田主要的生產系統，例如機采系統、注水系統、集輸系統中的低壓電氣設備，已經能夠通過測試來掌握詳細的設備能耗情況及節能降耗潛力。但是對于油田電網中存在的大量6/10 kV配電線路、單井小容量變壓器以及注水、集輸系統中使用的高壓電動機，由于缺少相應的高壓測試儀器，只能通過理論計算或者對互感器二次側進行測量得到近似的結果，一直難以對這些線路的損耗、變壓器能效及高壓電動機效率進行準確的評價。為了解決這一問題，有必要開發一種高可靠度、高精度的便攜式高壓用電節點測試設備。

1 空芯線圈的傳感原理

空芯線圈結構如圖1所示，圓柱形載流導線穿過空芯線圈的中心，空芯線圈上的漆包線繞組均勻分布，且每匝線圈所在的平面穿過線圈的中心軸[1]。

圖1 空心線圈結構

空芯線圈中的相對磁導率處均為1，任意一距離中心軸為x點的磁感應強度為：

載流導線上的被測電流為I(t)，真空中的磁導率為μ0。單匝線圈上磁通量總和可表示為：

空心線圈骨架截面為矩形，a和b為骨架的內、外半徑，N為空芯線圈的匝數，空芯線圈的厚度為W，則空芯線圈的感應電壓e可表示為：

M為空芯線圈的互感系數。從上述的推導可以看出，理想空芯線圈對電流的測量依賴于一個穩定可靠的互感系數，將測得的感應電勢進行積分處理并結合該空芯線圈的互感系數進行計算，即可得到被測電流的大小。

2 組合式空芯線圈的設計

基于印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）的空芯線圈可以實現多匝繞線均勻對稱分布，布線密度高，可通過增加繞線匝數增大互感系數，此外印刷電路板的敷銅層與基材緊密結合，具有極高的溫度穩定性，在溫度劇烈變化時，多匝線圈的形狀將始終保持不變[2]。組合型空芯線圈互感系數高、體積小、價格低廉、質量輕，易于實現開口設計，因此在該設計中使用組合型空心線圈作為高壓測試裝置的電流傳感器。

圖2為組合型空芯線圈的結構，由一塊主電路板和若干個小貼片組合而成。小貼片用來感應被測電流所產生磁場的變化，主印制電路板則給多個小貼片提供可靠的機械固定和精確的定位，同時將所有小貼片的感應電勢串聯起來輸出總感應電勢。

圖2 組合型空芯線圈結構

3 積分電路的設計

由于空心線圈二次輸出電壓信號為一次側電流信號的微分，要還原出與一次側電流信號成比例的信號，必須添加相應的積分環節。因此，積分電路是空心線圈互感器實際應用中最為關鍵而且必不可少的組成部分。

對于應用于工頻電流測試的電子式電流互感器的空心線圈而言，積分電路需要抑制低頻干擾，并保證無相位差。它由差分放大電路、改進積分電路、相位補償電路構成。組合式空心線圈的輸出信號輸入到差分放大電路，差分放大電路輸出到改進積分電路，改進積分電路輸出到相位補償電路，相位補償電路輸出電壓信號[3]。其結構如圖3所示。

圖3 空心線圈積分電路

空心線圈的積分電路較多采用基于反饋電阻的傳統積分器，低頻信號干擾極有可能影響積分電路的正常工作[4]。為了消除低頻干擾對積分電路的影響，本設計采用了一種改進積分電路，具體電路形式如圖4所示。

在工頻附近，系統仍存在一定的相位差，在高頻時候相位差幾乎為零。為了滿足測量的精度要求，需要對積分出來的信號進行相位補償。

圖4 改進后積分器原理圖

4 傳感器校驗與比對

實驗室測試主要是對系統前后端的電流輸入通道進行標定，對于電流的標定采用鉗型Tektronix A622示波儀。圖5為電流標定儀器測試有效值與本系統測試有效值的變化趨勢比較圖。可以看出，本系統的測試結果與標定儀器的變化趨勢基本一致，能夠達到系統設計的要求。

圖5 電流傳感器標定比對

5 結論

分析了空心線圈的基本結構與測量原理，選擇了組合式空心線圈作為油田高壓測試裝置的電流傳感器，并對傳感器結構及積分電路進行了設計，通過實驗室標定與測試對比，其精度可以滿足要求。

[1]羅蘇南,田朝勃,趙希才.空心線圈電流互感器性能分析[J].電機工程學報,2004,3(24):108-113.

[2]陳慶,李紅斌,張明明,等.采用主副印制電路板構造的Rogowski線圈性能分析及設計[J].電力系統自動化, 2004,28(16):79-82.

[3]陳金玲,李紅斌,馮凱.Rogowski線圈電流互感器的全數字化設計[J].高壓電器,2006,12(42):450-452.

[4]謝彬,尹項根,張哲.基于Rogowski線圈的電子式電流互感器的積分器技術[J].繼電器,2007,35(3):45-51．

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.015

2015-01-28）

焦裕璽，山東科技大學在讀碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程，E-mail：544149814@qq.com，地址：山東省東營市西城區濟南路2號勝利油田技術檢測中心，257000。