电子式电流互感器传感头的理论与工艺研究

论文摘要

电子式电流互感器(ECT)具有高绝缘、无饱和等优良性能,被认为是传统电磁式电流互感器的替代产品,但迄今为止其研究领域依然充满难题,阻碍着电子式电流互感器的实用化进程,其中的主要原因是外界环境因素(如温度、电磁干扰等)对电流传感头的影响,使其无法满足电流计量精度以及连续稳定运行的要求。本论文的研究对象是电子式电流互感器的电流传感头。作为电子式电流互感器的理论基础,论文阐述了基于法拉第磁光效应和基于Rogowski线圈原理的电子式电流互感器的电流传感原理,阐述了不同类型电子式电流互感器的组成、结构及研究现状,揭示了目前电子式电流互感器电流传感头存在的主要问题。研究分析了基于Rogowski线圈原理的电子式电流互感器的组成结构。基于电磁场理论知识,系统地分析了圆形截面Rogowski线圈和矩形截面Rogowski线圈的电流传感原理,研究了自积分式电流传感头电路和外积分式电流传感头电路,分析了具有反馈环节的外积分器,从时域和频域两方面分析了电流传感头电路的工作原理。系统地建立了圆形截面、矩形截面、跑道形截面Rogowski线圈互感的数学模型。通过理论推导和实验的方法,研究了常规圆形截面线圈互感数学模型与新建互感数学模型之间的计算误差问题。针对IPEM片状结构矩形截面Rogowski线圈互感的计算问题,建立了求解矩形截面载流导体表面磁场的二重级数模型,给出了其互感数值求解方法,数据结果采用MATLAB和ANSYS仿真进行了验证。为了提高电流传感头灵敏度、同时保持线圈的必要带宽,论文分析了多Rogowski线圈串联组合式电流传感头的性能。研究分析了热膨胀效应对电流传感头Rogowski线圈的影响。提出并定义了Rogowski线圈热系数的概念,并根据线圈组成将该系数分为线圈绕组热系数和线圈骨架热系数。推导建立了计算圆形截面线圈和矩形截面线圈的四个热系数计算公式,建立了评价Rogowski线圈电流传感头热膨胀误差的数学模型,通过试验对理论分析结果进行了验证。本论文还分析了其它影响电流传感头性能的因素,分析了温度对传感头积分器电路的影响、Rogowski线圈接头匝工艺因素的影响、Rogowski线圈结构及其电磁参数的影响、外界电磁干扰因素的影响等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电子式电流互感器的类型和基本原理
• 1.1.1 基于 Faraday 磁光效应原理的电子式电流互感器
• 1.1.2 基于 Rogowski 线圈原理的电子式电流互感器
• 1.2 电子式电流互感器的发展与研究现状
• 1.3 电子式电流互感器存在的主要问题
• 1.4 本论文主要研究内容
• 1.5 本论文完成的主要工作
• 第2章 电子式电流互感器的组成原理
• 2.1 电子式电流互感器的组成
• 2.1.1 高压区电流传感单元
• 2.1.2 低压区信号处理单元
• 2.1.3 光纤信号传送单元
• 2.2 电流传感头的组成原理
• 2.2.1 电流传感头的基本原理
• 2.2.2 传感头电源
• 2.3 Rogowski 线圈电流传感原理分析
• 2.3.1 圆形截面 Rogowski 线圈传感原理分析
• 2.3.2 矩形截面 Rogowski 线圈传感原理分析
• 2.4 Rogowski 线圈传感头电路分析
• 2.5 Rogowski 线圈应用电路的基本形式
• 2.5.1 自积分 Rogowski 线圈测量电流
• 2.5.2 外积分式 Rogowski 线圈测量电流
• 2.6 电子式电流互感器的积分器电路
• 2.7 本章小结
• 第3章 Rogowski 线圈互感数学模型
• 3.1 改进的圆形截面Rogowski 线圈的数学模型
• 3.1.1 圆形截面 Rogowski 线圈互感的常规模型
• 3.1.2 圆形截面 Rogowski 线圈互感的精确计算模型
• 3.1.3 数学模型的误差分析
• 3.1.4 实验结果
• 3.2 矩形截面Rogowski 线圈的数学模型
• 3.3 跑道形截面Rogowski 线圈的数学模型
• 3.4 矩形截面片状Rogowski 线圈的互感问题
• 3.4.1 矩形截面导体表面磁场的仿真与计算
• 3.4.2 矩形截面片状 Rogowski 线圈的互感
• 3.5 组合线圈的互感及电参数
• 3.6 本章小结
• 第4章 影响互感器传感头性能因素的分析
• 4.1 温度对Rogowski 线圈的影响
• 4.1.1 Rogowski 线圈热膨胀效应互感相对误差因子
• 4.1.2 温度对矩形截面 Rogowski 线圈骨架的影响
• 4.1.3 温度对圆形截面 Rogowski 线圈骨架的影响
• 4.1.4 温度对矩形截面线圈绕组的影响
• 4.1.5 温度对圆形截面线圈绕组的影响
• 4.2 温度对积分器的影响
• 4.3 线圈结构因素的影响
• 4.3.1 线圈绕组接头匝工艺误差
• 4.3.2 不同截面线圈结构误差的比较
• 4.3.3 不同截面结构线圈的电磁参数误差比较
• 4.4 电磁干扰
• 4.5 本章小结
• 第5章 电流互感器传感头电源
• 5.1 不同类型的传感头电源
• 5.1.1 电磁感应供能式电源
• 5.1.2 激光供能式电源
• 5.1.3 电容分压式电源
• 5.2 锂离子电池的特性
• 5.3 锂离子电池在传感头电源中的应用
• 5.3.1 应用方案
• 5.3.2 电池应用及其自动管理
• 5.4 本章小结
• 第6章 电流传感头结构设计
• 6.1 矩形截面单层绕组线圈的最优结构设计
• 6.1.1 线圈的结构参数与电参数
• 6.1.2 优化设计的基本原则和数学模型
• 6.1.3 电磁补偿环最优结构设计
• 6.1.4 结构优化设计流程
• 6.1.5 设计举例
• 6.2 矩形截面多层绕组线圈的最优结构设计
• 6.2.1 多层线圈的互感变量分析
• 6.2.2 多层线圈结构参数
• 6.2.3 间隙系数
• 6.2.4 绕制线圈的导线
• 6.2.5 电磁干扰耦合的途径和抑制
• 6.2.6 三层绕组线圈结构优化设计举例
• 6.3 热膨胀误差的自补偿方法
• 6.3.1 骨架的热系数
• 6.3.2 热膨胀误差的补偿方法
• 6.3.3 试验结果
• 6.4 相关研究
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务和主要成果
• 致谢
• 作者简介