空心线圈电流互感器的设计.docxVIP

2009-2010学年度下学期课程设计报告题目：空心线圈电流互感器的设计姓名官伟学号 012006019025 班级电气 0604 指导教师李红斌2010年3月20日空心线圈电流互感器的设计一、设计背景及目标空心线圈电流互感器是新型互感器-电子式电流互感器的一种典型代表，是数字化变电站的重要的电流测量设备。空心线圈的测量原理、制作方式、二次信号输出等均和传统互感器有较大差异。本项设计的内容就是设计一套空心线圈及其二次信号变换电路。按照基本的参数要求和有关国家标准，对空心线圈及其二次信号变换电路参数设计和结构设计，并对其性能进行仿真分析。本课程设计的目的在于通过课程设计，掌握有关设计的基本步骤与规范；掌握空心电流互感器的工作原理、结构设计和性能仿真的方法等，巩固电量检测技术的知识，增强感性认识。掌握空心线圈及其二次电路的参数设计、总体结构等，从而对电子式互感器的性能有初步的了解。设计要求针对某一额定电流下的空心线圈进行线圈二次输出计算、二次积分电路参数设计及计算、结构设计等。具体要求为：根据国家标准，确定一次额定电流大小和准确度等级。根据国家标准，选择计量和保护通道的二次输出电压值。进行线圈的结构设计和电气参数设计，确定外形参数。进行积分电路的电气参数设计。对空心线圈和二次电路进行性能仿真。对空心线圈和二次电路进行误差分析。设计原理一、空心线圈电流互感器的工作原理理想空心线圈是将导线均匀密绕在截面积细小均匀的环形非导磁材料骨架上而形成的封闭空心螺线管，其测量电流的工作原理如下图1所示。如果载流导体从线圈穿过，根据安培环路定律，则图1---空心线圈示意图式中，L为线圈圆周长，为线圈周长上的一段线元长度，B为线元处的磁感应强度，α为B和线元沿方向的夹角，为流过载流导体的电流（为方便起见，下文均以代替以表示流过载流导体的电流，即空心线圈电流互感器的一次电流），为真空磁导率，设线圈截面积为S，单位长度匝数（线匝密度）为n，则线元长度内的线圈匝数为。当线圈截面积S非常细小时，可认为截面上磁感应强度处处相等，则长度线圈内的磁通为链接整个线圈的磁链为当被测电流发生变化时，根据法拉第电磁感应定律，线圈输出端的感应电势为其中，M称为线圈与载流导线之间的互感则空心线圈等效电路如下图所示：图2---空心线圈等效电路其中，为空心线圈等效内阻，为空心线圈等效自感，为线圈杂散电容，为外接采样电阻（亦可认为是负荷电阻）。则由上式可知，线圈的感应电势与被测电流成微分关系，因此感应电势的波形一般并不能代表被测电流的波形，因此需要通过外加积分环节以将输出电压转换成与被测电流呈同相关系。外加积分电路的空心线圈等效电路如下图所示：图3---外加积分电路的空心线圈等效回路忽略线圈的杂散电容，则由图3可得电路方程为为简化分析，忽略在和上的压降，且若R取值足够大，使，则则设计过程根据国家标准规定，本次设计的空心线圈电流互感器的额定值选择如下表所示：额定一次电流（A）额定二次输出电压（mV）额定负荷（）准确度等级100150200.5本次设计的空心线圈其外形参数如下表所示：外半径a(cm)内半径b(cm)导线材料导线直径（mm）线圈匝数N7.343.95铜0.313140其中：，。则通过测量计算可得线圈电气参数如下表所示：互感M()自感（）内阻（）杂散电容（）10.332.682.63100在误差允许范围内简化计算，忽略杂散电容及自感和内阻的影响，则有代入上述线圈相应数值可得取，则。即空心线圈外接积分电路参数为五、仿真分析电力系统电压信号为交流正弦波信号，相应电流信号亦为交流正弦波信号，因此空心线圈电流互感器所要测量的电流信号是交流正弦波信号。如此我们可以用交流电压激励信号以模拟电流信号,其在端口输出时性质是相同的。其仿真电路如下图所示：图4---空心线圈电流互感器仿真电路具体参数为：（1）、无外接积分电路的空心线圈输入输出波形如下图所示：说明：为使输入波形和输出波形在同一窗口中显示，图中所示输入信号幅值预先已衰减倍。由图可知，无外接积分电路时，空心线圈的输入波形和输出波形相位相差90°（2）、有外接积分电路时，空心线圈输入和输出波形如下图所示：说明：为使输入信号波形和输出信号波形在同一窗口中显示，图中所示输入信号幅值已预先衰减1000倍。由上图可知，当外接积分电路时，空心线圈输入波形和输出波形相位差为0°，即输入信号和输出信号同相位。输入电流额定值百分数5%20%100%120%输出电压值（mV）7.49629.986150179.986电流误差0.0533%0.0467%0%0.0078%电流允许误差1.5%0.75%0.5%0.5%六、误差分析我们注意到，在推导空心线圈输入输出关系式中，我们采用了如下假设：（1）、忽略线圈的杂散电容（2）、