基于PCB罗氏线圈的C型多层雷击电流检测器设计

魏文伟, 蔡乐才, 张超洋3,

(1.国网四川省电力公司内江供电公司, 四川 内江 641000;2.宜宾学院物理与电子工程学院, 四川 宜宾 644000; 3.四川轻化工大学自动化与信息工程学院, 四川 自贡 643000)

引 言

由于电网中一旦发生事故，将造成巨大的经济损失和人员伤亡，因而及时地监测避雷器运行状态和评估避雷器健康情况是非常有必要的。电网的事故以输电线路的故障占大部分，输电线路的故障又以雷击跳闸占的比重较大，尤其是在山区的输电线路中，线路故障基本上是由于雷击跳闸引起的。避雷器在露天环境中安置，老化或者受潮会导致避雷器的保护能力下降，严重时造成电网大范围停电事故。电网系统易受雷击产生故障，输电线路故障检测、定位是输电线路运维工作的重点[1-2]。雷击电流波形和幅值对输电线路进行差异化防雷设计具有指导意义，研究有效测雷和防雷措施是确保电力系统正常运行亟需解决的关键问题。

近年来，国内外学者们在雷电流监测领域的研究取得了众多具有价值的成果。江天炎等人进行了罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究[3],提出了用磁钢棒测量法和磁带测量法检测雷击电流的幅值[4-5]，用行波法实现故障定位[6]，设计了雷电定位系统[7]、Rogowski 线圈 (罗氏线圈)[8]、PCB(Printed Circuit Board：印制电路板) Rogowski线圈检测雷击电流波形和幅值[9]，罗氏线圈防雷领域的研究[10]，罗氏线圈电子式电流互感器谐波测试方法和CPU系统隔离回路解决方案[11-12]等。雷电定位系统相对价格较高，行波法因为高频分量被衰减导致精度降低。Rogowski线圈电流传感器各方面性能优越，但是普通的Rogowski线圈是将导线(漆包线)均匀地绕在环形非铁磁骨架上制成，其绕制过程通常是由手工或绕线机来完成的[13]。在批量化生产中，很难做到线圈均匀绕制，不利于产业化发展。采用罗氏线圈为轻便大口径柔性传感器[14-15]，既便于安装又便于携带，同时能够适应各种电缆直径。PCB Rogowski线圈成本低，便于批量生产，但是测量灵敏度低，而且安装不方便。针对上述问题，本文提出了一种C型PCB Rogowski线圈暂态电流采集方法，具有成本低、便于批量生产、安装方便、检测灵敏度高的特点，对我国实现电力系统雷击电流检测的智能化、网络化、数字化方面发展具有积极的意义。

1 系统原理

如图1所示，当设备遭遇雷击时，输电线路或设备的避雷器上会瞬间流过雷击电流，远程雷击检测仪启动，记录雷击时间，捕捉雷击的定位。然后将雷击的时间，地点等信息发送到监控服务器，配置软件记录上述信息后，通过监控服务器转发到任意的其他客户端，如手机客户端、PC客户端等。

图1 避雷器雷击智能计数仪广域监测系统框图

远程雷击检测仪由两个雷电流传感器、一个测量主机组成，能同时监测正反两路雷电流信号。如图2所示，系统前端采用独立研发的C型多层PCB Rogowski雷电流互感器用来检测100 kA以上的雷电流，用积分电路处理后，经峰值检波和测量触发电路，低功耗CPU MSP430处理器进行数据采集，应用GPS定位技术、RF短距离数据传输及GSM技术，实现对雷电流的远程实时检测功能。

图2 远程雷电流测试仪系统框图

选择 AD 公司的一款低功耗、低噪音模数转换芯片 AD7655 实现模数转换；处理器用美国德州仪器公司(TI)的低功耗芯片 MSP430F149；存储器用M25P32-VMW6TG 串行 Flash存储芯片。

为了便于测量数据的获取，设计了两种通讯方式，一种是在现场用便携式笔记本通过RF模块射频通讯方式接收数据(通信距离1500 m以内)，另一种是通过短信GSM方式发送至监控终端。

2 C型PCB Rogowski线圈及电流检测

2.1 罗氏线圈测电流原理

传统的Rogowski线圈将导线均匀地绕在非磁性材料的框架上，有大电流i(t)的导线垂直穿过线圈的中心，导线输出端能感应出反映电流i(t)大小的电压信号u(t)的测量装置。定义：H为线圈内部的磁场强度；h为截面高度；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；u(t)为线圈两端的感应电压；N为线圈匝数；a、b为线圈横截面的内径和外径；非磁性环形骨架中心距中轴被测电流距离为r；每匝线圈横截面积为S。当被测电流i(t)沿轴线通过线圈时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场H。依据安培环路定律得:

i(t)=∮Hdl

(1)

H=i(t)/2πr

(2)

B=μ0H=μ0i(t)/2πr

(3)

按照电磁感应定律，穿过感应线圈的感应电动势为：

(4)

(5)

所以罗氏线圈输出的感应电动势：

(6)

其中：N为线圈匝数，互感系数M为：

M=u0Nhln(b/a)/2π

(7)

由式(6)可知，罗氏线圈输出的感应电动势u(t)与被测电流的微分信号成正比，比例系数即为互感系数M，式(7)表明M的大小与线圈的结构和线圈匝数决定。因此，罗氏线圈输出信号经过一个积分器后就可以得到被测电流波形，所以用罗氏线圈能够测量电流。

2.2 PCB Rogowski线圈

传统的Rogowski线圈在批量化生产中很难做到线圈均匀绕制。随着PCB制作工艺的提高，线路尺寸上可重复生产的精度高，所以采用PCB结构的Rogowski线圈得以应用。其与传统电磁式互感器相比，PCB Rogowski线圈具有的体积小、成本低、传输频带宽等优点。实际应用中，由于双面PCB结构型绕线匝数有限，导致测量灵敏度较低，为了增加测量灵敏度，设计中采用多层串联方式提高绕线匝数。两层串联型正反PCB结构的Rogowski线圈原理如图3所示。设计中采用多个 PCB 板罗氏线圈正反相连安装构成电流检测传感器，增加了罗氏线圈的匝数，由式(2)可知，这样能产生足够的感应电动势，能有效提高信号采集的精度，同时，每个PCB罗氏线圈采用正反相间连接方式，消除平行于印制板平面的磁场干扰。另外，PCB 板上的布线尽量均匀密绕，减少匝间和板间电容，减少批量生产的参数差异。

图3 串联PCB型Rogowski线圈设计原理图

在实际安装过程中，要断开原有线路，才能把闭环的线圈套在电力线上，这给安装带来了严重不便。因此，在设计中对电流检测部分进行了改进，研制了一种C型PCB Rogowski线圈的新型电流传感器，如图4所示，将线圈结构改为开口的C型结构，在开口位置增加了一个安装定位的锁片K。安装的时候，先打开锁片K，通过缺口将线圈直接套在电力线上，然后闭合固定锁片K，完成安装。

图4 C型PCB Rogowski线圈

3 干扰分析及处理

受安装工艺和外界磁场影响，实际工作状态与理想状态之间存在干扰的影响，下面对几种干扰情况进行分析。

3.1 磁场干扰

任意方向的干扰磁场均可分解为垂直于(z轴)及平行于(x轴、y轴)罗氏线圈的磁场，这里分别称为垂直场和平行场。当罗氏线圈受到垂直磁场BZ的作用时，会在线圈上产生感应电动势：

(8)

式中：φz为垂直干扰磁场BZ在线圈中产生的磁通量。实际输出电压：

uo(t)≈u(t)+ez

(9)

为了减少ez的影响，设计了特殊的PCB罗氏线圈，即增加一层PCB，沿着PCB线圈骨架中部，绕制一圈与线匝方向相反的回线，垂直干扰磁场BZ会在回线上产生与ez相反的电动势，从而抵消影响。同时，回线与载流导体产生的有用磁场方向平行，不会影响被测电流感应电动势。

为了减少平行磁场干扰，设计中尽可能增加线圈匝数，减小线圈尺寸，降低线圈对称位置的平行干扰磁场强度的大小差异，尽可能均匀绕制线圈，及PCB的走线对称，大小相同的平行干扰磁场产生的干扰电动势相互抵消。另外，用一个只留中心位置开孔的金属壳把罗氏线圈屏蔽在里面，减小外磁场的干扰。

3.2 载流导体位置影响

如图5所示，载流导体从PCB罗氏线圈的中心位置A移动了KR距离到位置B。R为PCB罗氏线圈外径，K为偏心系数，且K≤1。

图5 载流导体偏斜示意图

被测电流在C处线匝产生的磁场强度、磁感应强度和磁通分别为：

(10)

B(dθ,t)=u0·H(dθ,t)

(11)

ψ(dθ,t)=S·B(dθ,t)

(12)

(13)

其中dθ表示角度变化量，由式(10)～式(13)可得被测电流在线圈中产生的总的感应电动势为：

(14)

由此求得互感系数的相对误差：

(15)

由式(15)可得，当K≤0.43时，▽ε<0.01%，即实际应用中，载流导体的位置偏心系数K小于0.43就可忽略载流导体偏心导致的互感系数的误差。设计中，根据安装导向的大小情况设计PCB罗氏线圈的中心孔径比载流导体稍大，则可保证安装的偏心系数K小于0.43，误差影响可以忽略。

4 系统测试

IEC国际电工委员会标准IEC1024《避雷针防雷电气》、IEC1312《雷电电磁脉冲防护》均执行10/350 uS和8/20 uS雷电波形。国家标准GB11032-2000《交流规范》、GB3482-3483-83《电子设备雷击实验、导则》均执行8/20 uS雷电波形。为验证本采集系统的采集精度，用冲击电流发生器作为行波源，产生 8/20 uS不同幅值、不同极性的标准电流波形，用示波器检测结果作为标准电流检测值，与本检测的结果进行比较，得到的结果见表1。从表1中可以看出，系统检测的最大误差为4.0%，小于10%，满足应用规范的要求。

表1 系统测试结果

5 结束语

本设计采用PCB罗氏线圈作为电流检测传感器，设计了雷击电流检测系统。从理论上分析了电磁干扰和安装工艺对检测精度的影响。设计中根据分析结果改进了设计方案，同时，为了增加安装的方便性，将PCB罗氏线圈结构设计为带锁片的C型结构，实现了低成本、便于安装的系统设计。