1、基于高频电磁仿真的零区电流传感器设计钟建英1，占小猛1，翟小社2，韩威2，张高潮2，王琪2，江经华1（1.平高集团有限公司，河南 平顶山467000；2.西安交通大学，西安710049）摘要：罗氏线圈在进行断路器零区电流测量时，由于线圈结构参数的相互制约，在提高灵敏度的同时会造成测量带宽的下降，因此同时满足高灵敏度和宽频带的要求存在较大困难。为此文中提出基于高频电磁仿真的零区电流传感器设计方法。基于解析方法分析，确定了满足传感器灵敏度要求的系列结构参量，基于AnsysQ3D Extractor仿真，确定各组结构参量的高频电磁参数，并通过AnsysCircuit电路仿真所确定对应的频率特性，从而
2、实现了对频率特性优化设计，频率特性测试结果验证了上述幅频和相频特性仿真结果的正确性。最终，在零区电流测量实验中，文中传感器与KEMACZM型零区系统的测量结果相一致。关键词：零区电流；罗氏线圈；电磁仿真；灵敏度；频率特性Design of Zerozone Current Sensor Based on Highfrequency Electromagnetic SimulationZHONG Jianying1，ZHAN Xiaomeng1，ZHAI Xiaoshe2，HAN Wei2，ZHANG Gaochao2，WANG Qi2，JIANG Jinghua1（1.Pinggao Grou
3、p Co.，Ltd.，Henan Pingdingshan 467000，China；2.Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract:When Rogowski coil is used to measure the zero zone current of circuit breaker，due to the mutual restriction of coil structure parameters，the measurement bandwidth，at the time of improving sensitivity，
4、will be reduced.It is therefore difficult to meet the requirements of high sensitivity and wide band simultaneously.Therefore，a designmethod of zero zone current sensor based on high frequency electromagnetic simulation is proposed in this paper.Based on the analysis of analytical method，a series of
5、 structural parameters meeting the sensitivity requirements ofthe sensor are determined.On the basis of AnsysQ3D Extractor simulation，the highfrequency electromagnetic parameters of each group of structural parameters are determined，and the corresponding frequency characteristics aredetermined throu
6、gh AnsysCircuit simulation so as to achieve the optimal design of frequency characteristics.Thecorrectness of the above simulation results of amplitude frequency and phase frequency characteristics are verifiedby the frequency characteristic test results.Finally，in the zero zone current measurement
7、experiment，the measurement results of the sensor in this paper are consistent with those of KEMACZM zero zone system.Key words:zero zone current；Rogowski coil；electromagnetic simulation；sensitivity；frequency characteristics第59卷第2期：000100062023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00010006Feb.16，20
8、23DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.001_收稿日期：20220817；修回日期：20221023基金项目：国家电网公司总部科技项目(550 kV更新换代GIS研制)。Project Supported by Science&Technology Project of State Grid Corporation of China(550 kV Upgraded GIS Development).0引言高压断路器在开断故障电流时，电流过零后会产生弧后电流，弧后电流的大小与高压断路器灭弧室设计结构、灭弧介质及压力、暂态恢复电压等因素有关，通常认为开断性能良
9、好的灭弧室不会产生弧后电流或弧后电流很小1-3，开断性能差或处于临界开断阶段的灭弧室相对于开断性能良好的灭弧室会产生较大的弧后电流，因此弧后电流的大小常用来表征灭弧室开断性能的差别，是灭弧室开断性能的重要参量4，文中拟开发零区电流传感器用于550 kV断路器弧后电流测量，支撑550 kV断路器产研究与分析2023年2月第59卷第2期品开发。与灭弧室开断前的故障电流(数十千安，工频)相比，弧后电流幅值很小且频率较高(几十毫安至数安培)，兆赫兹5-6，在上述较大的动态范围内精确测量弧后电流一直是个热点和难点问题。对于弧后电流的测量方法国内外学者已有较多的研究，主要的测量方法有：电流转移法，此方法的
10、原理是采用同轴分流器，依靠十分精确地控制和同轴分流器并联的开关在电流过零前分闸，由于开关的电弧电阻远大于同轴分流器的电阻，主电流瞬间由并联的开关向同轴分流器转移，同轴分流器测量转移后的主电流和弧后电流7-8。采用同轴分流器测量的优点是具有明确意义的零电平，可以测量幅值很小且持续时间长的弧后电流，但其缺点是测量回路和一次主电路连接在一起，其电磁干扰很难降低到可接受的水平之下9-12。罗氏线圈直接测量法，原荷兰KEMA试验站通过在罗氏线圈两端并联阻尼电阻的方法抑制干扰，设计了一款Mcoil罗氏线圈用于弧后电流的测量13-14。该方法消除了一次侧的电磁干扰15，由于罗氏线圈与一次电流的导体形成互感关
11、系，罗氏线圈最高输出电压处于测量所关注的区域(即电流过零前后)，而在电流最大时又输出低电压，所以罗氏线圈直接测量弧后电流是一种理想的解决方案。但是采用常规设计的罗氏线圈测量弧后电流，存在电流零区情况下灵敏度与测量频带之间的矛盾，使得在弧后高频测量条件下无法满足所需要的测量灵敏度值。文中提出上述传感器设计与实验标定的完整解决方案。首先，基于解析方法分析，确定了满足传感器灵敏度要求的结构参量空间，其次，基于AnsysQ3D Extractor仿真，确定各组参量的高频结构参数，并通过AnsysCircuit电路仿真确定对应的频率特性，从而实现了频率特性优化设计。试验测试环节，频率特性的测试结果验证了
12、上述幅频和相频特性仿真结果的正确性，而实际的零区电流测量结果与KEMACZM型零区电流测量系统相一致。1电流传感器原理及参数设计1.1电流传感器测量原理电流传感器测量电流的结构见图1。图1中：a、b、h分别为传感器的内半径、外半径、高度；D为穿过传感器中心母线导体的直径。图1电流传感器结构Fig.1Structure of current sensor由电磁感应定律可得电流传感器端口的感应电压16-17e(t)为e(t)=Mdi(t)dt(1)电流传感器的互感系数18M为M=0Nh2lnba(2)当电流传感器绕线均匀密绕的时候19，自感L为L=NM=0N2h2lnba(3)式(3)中：0为真空
13、磁导率；N为电流传感器的匝数。1.2电流传感器结构参数设计在设计电流传感器结构之前，首先需要计算所需的互感系数M。当一次侧流过峰值为In的正弦电流时，罗氏线圈的开路输出电压为E，由式(1)得出电流传感器互感系数为M=EIn(4)根据零区电流从工频电流 63 kA 到弧后高频(12 MHz)小电流(几百毫安、数安)的动态范围特点20-23，为保证电流传感器信号满足10 V的动态测量范围，由式(4)可确定电流传感器的互感系数M为410-7H。根据待测短路电流值、中心导体的电导率及其必要的机械强度要求，确定中心导体的直径 D 为40 mm，考虑到中心导体与线圈绕组间的绝缘需要，确定电流传感器的内径a
14、为25 mm。在保证互感系数M不变的情况下，可由式(2)确定电流传感器的结构参数，见表1。作为设计方法的研究，该组结构参数的跨度较大，是为了研究不同形状下的电磁结构特点，以及对频率特性的影响趋势。接下来基于电磁仿真工具的应用，计算绕组的结构参数，并由此讨论其频率特性的变化趋势。2表1结构参数Tabel 1Structure parameter序号12345678外径/mm3540455055606570高度/m1.1900.4300.1700.1000.0630.0460.0350.028匝数5102030405060702传感器电磁结构仿真与参数提取2.1传感器参数提取为通过电路仿真计算传感
15、器频率特性，对照表1各组结构参量，建立Ansys的Q3D Extractor仿真模型，见图2。分别计算各组参量所对应的互感MS、自感L0、电容C0和电阻R0，仿真计算结果见表2。图2传感器仿真模型Fig.2Simulation model of sensor表2高频参数的计算结果Table 2Calculation results of high frequency parameters序号12345678互感/H0.3970.4030.3960.3980.4010.4030.4020.401自感/H7.567.9610.9812.0516.5120.5124.2028.10电容/pF326.
16、720235.460195.110169.020142.030141.455140.680139.480电阻/2.0001.4801.3000.9660.9161.3601.5001.700传感器互感MS、自感L0、匝间电容C0等参量的计算见表2。由计算结果可见，互感的电磁场计算结果与公式法基本一致，而对于传感器的自感，在匝数较少时两种计算方法存在较大的偏差，这主要是因为公式法是基于传感器均匀密绕的情况，因此在匝数较少时会与实际情况存在较大的偏差，而随着匝数的增加，采用公式法与电磁场的计算结果两者趋于一致。计算结果表明，对于h较大的细高型传感器，由于导体之间存在比较长的平行结构，因此其计算结果的电容值偏大；而随着h减小，b以及N的增加，电容C0逐渐减小，传感器的自感L0逐渐增大；由于传感器的频带主要取决于上述电容C0与线圈自感L0，因此可通过结构参量的选择实现传感器频率特性的优化设计。2.2传感器电路仿真在Ansys的Circuit模块中创建的传感器电路仿真模型24见图3，导入每组的高频参数，图3中：I1(t)为待测母线电流；U0(t)为传感器输出电压；R0为传感器内阻；L0为传感器自
