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Rogowski传感器对中压变电站电磁兼容性能的影响

Christian Suttner*，Stefan Tenbohlen

德国斯图加特大学电力传输和高压技术研究所

*christian.suttner@ieh.uni-stuttgart.de

Werner Ebbinghaus ABB AG-PPMV-E

Ratingen, Germany werner.d.ebbinghaus@de.abb.com

摘要—与传统的仪器变压器相比，Rogowski传感器在保护和控制设备中的应用具有许多优点。 然而，与可能的干扰相比，这些传感器的信号电平很小，这就产生了关于这些应用对开关瞬变的免疫力的问题。 这一贡献从EMC的角度研究了Rogowski传感器的保护应用。 因此，描述了由开关设备的主要部分产生的扰动。 给出了干扰的传播路径，并讨论了与常规应用的不同之处。 根据保护装置输入端发生的扰动电压，评价了不同电磁兼容措施的有效性。

关键词-Rogowski线圈；瞬变；电磁兼容；电流传感器；低功耗仪表变压器；中压；开关柜

1. 导言

智能电子器件（IEDs）用于中压开关设备的测量，监测和保护应用，为此目的，精确测量两者的标称电流（例如： 1.25kA）和故障电流（例如： 50k A）。 传统电流互感器（CT）的原理是一个铁芯，有一个二次绕组，放置在一次导体上，如图1a所示。 由于磁芯的非线性磁化特性，精度限制在一次电流和负担的一定范围内。 单独的单元与多个CT核心一起使用，甚至可能需要多个CT，以便以所要求的精度覆盖保护和计量功能。 高端保护解决方案的复杂CT计算往往需要对网络参数进行广泛的研究，并导致一种类型的开关设备有100多种不同的CT类型。 传输比率必须事先确定，否则以后改变应用条件就没有灵活性。 现代智能电子器件不需要CTs提供足够的输出功率来驱动电磁继电器。 由于数字现场总线技术，以前重要的二次布线负担几乎被消除了。 气体绝缘开关设备中CTs的大尺寸和散热使制造商无法设计较小的气体隔间。 现代二次设备和通信标准开辟了使用新设计和技术的可能性，如低功率电流互感器和Rogowski传感器。

如图1b所示，Rogowski传感器被归类为电子仪器变压器，并由IEC标准60044-8[1]定义。 它们没有铁磁芯，不容易产生任何饱和效应，因此可以在更宽的范围内提供一次电流的准确图像。 精度限制因子[1]比常规CT高30倍。

图 1. 常规CT和Rogowski线圈的原理图结构。

由于可再生能源在配电网中所占的份额越来越大，需要有足够数量的测点来保持对负荷流量的控制。 由于Rogowski传感器可以低成本生产，并且只需要很小的安装空间，它们非常适合升级现有的变电站和具有电流测量的环形主单元。

特别重要的是要防止保护功能的意外操作，由开关设备本身的开关瞬变引起，以考虑变电站的电磁兼容性能。 因此，第二节描述了Rogowski线圈的工作原理，并结合出现的低信号电平和信号处理的必要性，强调了瞬态过电压引起的问题。 第三节描述了所发生的瞬变的特点。 随后，第四节介绍了Rogowski传感器和传统CT的扰动传播路径。 用第五节中的仿真模型说明了Rogowski传感器中的差分模式耦合，并通过第六节中的测量显示了对共模耦合的影响因素。

1. 目前用罗戈斯基传感器进行的测量

在传统的CT中，二次电流i₂ （t）直接对应于主电流i₁ （t），而Rogowski传感器提供输出电压u₂（t）是一次电流的刻度时间导数。这导致谐波电流的相移为90°，原始输入电流的精确图像可以通过对信号进行积分得到。为了减少外部磁场的影响，绕组线沿着绕组线中轴返回起点(见图1b）。二次电压的幅值与二次绕组的尺寸还有电流变化率成正比。除负担外，应用[2]的公式如下：

（1）

其中： micro;₀ 是真空磁导率

n 是匝数

A_C 是非磁性磁心的横截面

M₁₂是互感

商业上可用的Rogowski传感器的输出水平相当小，例如： 传动比0.15V/80A。 因此，在1250A的一次电流下，输出电压的幅值为2.34V。实践经验表明，如果没有适当的电磁兼容措施，IED高阻抗输入端的干扰电压会有规律地超过10V。从EMC的角度来看，前面提到的传感器信号的集成成为一个问题，因为干扰电压会耦合到传感器的信号线上。 高扰动电压超出了IED的模拟输入范围。 由于信号的集成，错误的测量样本不会被丢弃，传感器输入可能会遇到偏移误差。 IED内部模拟数字转换器（ADC）的典型动态范围是plusmn;10V。

下面的示例说明了在ADC动态范围的最大值处，如果高振幅脉冲导致测量样本损坏，会发生什么情况：假设采样频率为20K Hz，采样信号如图2所示。

图2.采样干扰信号在IED输入端。

采样信号包含一个发生在0.1ms的故障测量样本。这里没有实际工作的电流，因此，当前图中的所有其他样本都是零。在Rogowski传感器的情况下，该信号将被集成以获得i₁（t）信号。 在曲线下面计算的电压/时间面积会导致电流信号中的直流偏移。 根据方程2可以计算直流偏移的振幅。

(2)

由于启动或跳闸各种保护功能，由开关瞬变引起的这种直流偏移预计是关键的。 明确识别损坏无效的测量数据对保护设备来说是一个巨大的挑战，因为它们必须立即与完全移位的短路电流区分开来。 尽管现代IEDs可以处理单一的测量误差，但是干扰的概率随干扰时间的延长而增大。因此，保护电流传感器输入不受干扰是很重要的，例如通过适当的屏蔽

。

1. 开关瞬变的起源

开关瞬变是由开关操作过程中的电弧现象引起的。 电弧本身的特点是开关的功能原理。 典型真空断路器（CB）的发生概率和相关电磁兼容应力主要取决于负载。 然而，在任何关闭操作中也可以找到CB触点的单个预击，而不依赖于负载条件[3]。

在隔离开关操作期间，总是有几十个皮法拉到纳米法拉的小电容杂散负载C_stray （见图3）[6]。 在特殊总线耦合器面板的情况下,它们由开关设备和连接的电力电缆的电容组成[7]。

图3.隔离开关开启操作的等效电路图。

实践经验证明，总线耦合器板（横向和纵向）内移动隔离开关会产生最严重的电磁干扰。 出于以下考虑，假定母线耦合的断开是干扰源。根据图3的等效电路图， 图4显示了隔离开关两侧的电压信号。

图4.在总线耦合器面板中隔离开关打开时的电压

据[4]，每个充电过程中寄生电容C_stray在主导体上产生两个反向极性的行波，每个方向一个。 行波可能会在连接到主要部件的所有设备上引起干扰，例如电压指示器或IEDs。 瞬态过电压在IED处的幅值与时间的增加和波锋在仪表变压器初级端子处的峰值呈线性关系。 IEDs模拟测量输入端的瞬态扰动幅度主要与下列因素有关：

• • 开关设备的工作电压

较高的工作电压导致开关触点处较高的点火电压、较高的波前和较高的扰动幅值。 在最坏的断线操作情况下，最大期望点火电压是施加的线对地电压峰值的两倍[5]。

• • 开关设备面板的类型

不同站点的实际经验表明，总线耦合器面板产生最严重的干扰。 给料板对自我干扰不那么关键。 它们的CB通常在隔离开关断开操作期间打开。 因此，仪表变压器与携带点火电压的母线部件进行电位隔离。

• • 隔离器的绝缘介质

绝缘介质的高击穿场强通常会导致更陡峭的波前，从而在更高的频率下产生更多的光谱分量。 然而，更详细的调查只显示绝缘断路器在空气和SF₆之间的微小差异（见图5）。电流互感器初级钳位处测量的行波上升时间几乎相同，约为15ns。 造成这种意外小偏差的原因可能是面板在较高频率下的较差波传播特性。/

图5. 波前特征的比较—— 分别在air和SF₆中对断开触点的点火

Ⅳ. 干扰传播路径

1. 常规电流变压器

图6. 在典型开关柜的一次和二次部件上的扰动传播

在传统的CT应用中，二次布线由非屏蔽单线组成。 干扰传播主要是通过杂散电容C_p传播的。 图6中箭头所示的公共模式耦合受到以下因素的影响：

• • 耦合电容C_P

在标准型CT中C_p的价值通常在皮法拉的范围内。 有较低C_p值的特殊屏蔽变压器可应用于电压水平超过36千伏。 高耦合电容会导致更强的耦合，从而导致IED输入端有更高扰动电压。

• • 信号导线的长度、电感比

在传统的CT应用中，二次布线通常接地在低压室的一个中心点，以避免短路时的大电流注入；参见图6中的终端块。 假设二次电线可以描述为传输线，线路长度的变化本质上改变了系统的阻抗条件。 阻抗的变化导致了不同的扰动电压分布。

• • IED输入阻抗

IED内的二次变压器通常被屏蔽，以保护ADC不受传导干扰。 在高频共模扰动的情况下，IED输入阻抗主要由ZE2的电感分量决定的。

由于ADC的参考电位是IED内部的接地，因此IED外壳的接地阻抗与输入端的扰动无关，因此未在图6和图7中显示。

1. Rogowski线圈

图7.传感器应用中的扰动传播

在Rogowski传感器应用中的二次接线是屏蔽双绞线。 公共模式传播的决定因素是：

• • 耦合电容C_P 和阻抗Z_Ⅵ

由于传感器的尺寸较小，母线的杂散电容远低于传统的CT。此外，Rogowski线圈主要应用于套管，其中包含用于电压指示的耦合层。 这就创建了一个几乎完全消除杂散电容的屏蔽效应。但是，阻抗Z_Ⅵ的电感部分就变得对于高频至关重要，因此一个小的共模电流仍然耦合到传感器布线中。

• • 屏蔽信号电缆

根据标准[1]，信号电缆需要屏蔽。 屏蔽通过向地面提供电容旁路C_C来影响扰动电压。屏蔽的地面阻抗Z_ES1 和Z_ES2 在高频下限制了它的有效性。

• • IED输入阻抗

由于传感器的输出功率有限，模拟传感器输入的阻抗必须很高。 因此，对于高频共模干扰，IED的输入阻抗主要由模拟输入电路的低通滤波器决定。 这种滤波器的截止频率通常大于5k赫兹。

Ⅴ. Rogowski线圈不同的模式耦合

传感器的输出电压是指Rogowski线圈应用中一次电流的时间导数，这一事实表明，当输入信号的频率增加时，输出电压就会上升。 由于开关干扰包含高频分量，由此产生的输出电压可能很高。 根据图8中的等效电路图，建立了Rogowski线圈的仿真模型，以评估电感耦合引起的高差动电压的危险。

图8. 传感器与负载的简化等效电路

在主导体和绕组导线之间的互感M₁₂可以使用传感器的额定值计算。（i_1r =8A；u_2r =150mV）：

（3）

（4）

将（4）所得 的电流变化率带入公式（1）中可得：

（5）

元件L₃（438.4mH），R₁（2.8kOmega;）和C_S（22p F）的值已用阻抗分析仪测量。 所述IED的差分输入阻抗为1.2MOmega;。

图9显示了使用传感器的简化等效电路进行差分模式扰动模拟的结果，如图8所示。 初级导体上有一个双指数脉冲电流，峰值为25A，上升时间为10ns，半值

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