一种基于空心线圈的电流测量方法

一种基于空心线圈的电流测量方法

张海生

北京电力工程公司

摘要：本文提出一种基于空心线圈的电流测量方法。该方法在空间按一定规则布置多个空心线圈，对采集到的每个线圈中的感应电压进行数值积分，通过分析其中两个线圈的感应电压的比值关系，得到线圈到导线的距离，在此基础上求解导线中的三相电流。在AnsoftMaxwell软件中建立了该传感器的电磁仿真模型，仿真结果验证了该方法的正确性，得到了电流传感器的相对测量误差曲线。

关键词：电流测量;空心线圈;三相导线;相对误差

Abstract:Thispaperproposedanovelcurrentmeasurementmethodbasedonhollowcoil.Themethodplacedseveralhollowcoilsinspatialaccordingtocertainrules.Thecollectedinducedvoltageofeachcoilisintegrated.Byanalyzingtheratiorelationshipofinducedvoltageintwoofthecoils,thedistancefromthecoilstotheconductorcanbeobtained.Andbasedonthis,thethree-phasecurrentcanbesolved.BybuildingtheelectromagneticmodelofthemethodwithAnsoftMaxwellsoftware,thecorrectnessofmeasurementprinciplewasverifiedwiththesimulationresults.Therelativeerrorofthesimulationresultisobtained.

Keywords:currentmeasurement;hollowcoil;three-phaseconductor;relativeerror

0引言

电流的准确测量是电能测量、继电保护、系统检测及电力系统分析等的前提条件[1]。为了满足电力系统安全性和稳定性的要求，需要采用高准确度的电流传感器对电流测量。传统的电磁式电流传感器在测量大电流时，铁芯易饱和，从而影响测量的精度。电磁领域、光电领域的突破以及智能传感技术、信号处理技术等的飞速发展，为新型电流测量方法的研究提供了条件[2-5]。

光学电流传感器可以用来测量直流和交流，且不存在磁饱和现象，被认为是最有潜力的电流测量装置[4]。但其存在几个未完全解决的问题：光学传感器头加工困难；测量受光功率波动的影响；小电流测量时的信燥比较低；易受温度影响等[4]。磁场电流传感器主要是基于霍尔效应[5-7]，磁阻效应[8-10]等进行测量的，可以将多个磁场传感器环绕在载流导体周围形成环形磁传感器阵列来实现对导体中电流的准确测量[5-10]。采用闭合回路的Rogowski线圈，能够克服大电流测量时的磁饱和问题，而且反应速度快。但包括传统电磁式电流互感器在内的这种闭合回路线圈结构不易于现场安装。

Rogowski线圈不含铁芯，无磁饱和现象以及测量带宽等特性，得到了广泛应用[11-15]。通过对电网中三相导线的位置关系分析，本文提出了一种基于空心线圈的新型电流测量方法，该方法通过在导线下方放置多个线圈测量导线电流。该方法采用非接触式结构，安装方便，具有自校正能力。而且使用空心线圈，在测量大电流时不会出现饱和情况，具有较宽的电流测量范围。

通过分析可知，uc1、uc2、uc3、uc4都与三相导线中的电流有关，其表达式为：

由图10、图10可知，线圈组存在位置偏差时，电流测量的相对误差增大。且线圈组存在沿Y轴水平移动或沿Y轴旋转的位置偏差时，相对误差更大。这主要是因为线圈组到导线的距离D是根据线圈1和线圈2的比值进行计算的，线圈组存在上述两种位置偏差时，对距离D的计算影响最大，从而影响电流测量结果。因此，在实际安装过程中，应尽量避免线圈组的位置偏差，特别是上述两种位置偏差。

4结语

本文提出了一种新型非接触式电流测量方法，从它的理论基础、具体测量方案、电磁仿真等方面进行了详细的研究。

该电流测量方法结构简单，价格低廉，安装方便，具有自校正能力，且易于集成到现有系统中，不会破坏现有的结构，特别适用于配电网中三相导线中电流的测量。下一步将重点研究该传感器的优化设计方法，并对设计出的实际传感器进行实验验证。

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