基于Rogowski线圈的工频电流断路器测试仪设计

基于Rogowski线圈的工频电流断路器测试仪设计

贺尧

南方电网超高压输电公司天生桥局 562400

【摘要】：本文通过分析Rogowski线圈运行原理，对工频电流断路器测试仪系统进行硬件设计，给系统功能应用打下坚实基础。

【关键词】：Rogowski线圈；电流测试仪；RS232；串行通信；

一、前言

断路器的分合闸线圈的电流波形可以间接反应操动机构的状态，波形的不同特征值表征不同的故障[1][2]。但目前，获取线圈电流波形的方式主要有两种，一是测试仪器通过可调电压源输出一脉冲电压动作断路器同时监测其输出的电流波形。无法模拟正常工况下保护操作箱动作断路器时的线圈电流波形。二是通过加装在线监测电流传感器获取操作箱动作断路器时的线圈电流波形。但针对不同的断路器选配适用的不同加装装置做法耗费巨大，且大多数高压断路器在正常工况下动作情况较少。在线监测需求不突出。

同时在高压断路器的合分闸线圈电流分析过程中，常用工频电阻为基础，电流为几十毫安至数十安培，通电时间为在几十周波，电流值呈现出波形为非正弦波的复杂波形的不规则变化特征。针对以上情况，本文设计一种基于Rogowski线圈的工频电流断路器测试仪。将Rogowski线圈应用到测试环境，其体积小、结构简单、交流电流隔离测量等特征适用性良好，采用免磁饱和的非磁力线圈芯。同时在此基础上对测试仪的系统设计工艺进行了全面分析。

二、系统硬件设计

首先，必须对原ROCOVSKI线圈感应的焊接电流微分信号进行积分，经量程转换电路将还原后的信号输入全波段精密整流电路，再经A/D转换器输入单片机后，输出可分为两路进行真实有效的数据转换。获得了过零时间。该系统显示部件使用1604字符形器来显示系统。选择了I2C的 ROM。另外，该系统还设计了RS232界面，便于计算机通讯（如图1所示）。

                          图1  硬件功能模块

（一）积分和量程切换电路

罗科夫斯基测量线圈的输出电压与电流之间的关系呈正相关关系，需要进行积分计算。该设计采用了由计算放大器请求构成的仿真积分电路。e (t)的功能是 R。上的电流与Cl和R2的电流相等，选取适当的电容器使 C。采用多路变换电路进行量程切换。不同的通道配置不同比例的电阻可以通过主MCU控制来选择工作的通道，上部的电流接近于电容的绝缘电阻。

（二）精密全波整理和整形电路

精确全波整流电路的作用是将测量电流的负半周信号转换为便于A/D转换器操作的正向信号。由于翻转后的电流为半周波周期，因此该系统可以对半周波进行精确测量。本方法组成全波整流电路，有2个操作放大器，电阻，二极管等。在主回路中获得焊接电流的通和断状态是整形电路的作用。为了更快速的响应，本文选择了只需简单的连接电阻就能输出内部基准电平的独立比较器晶片MAX984。因此，为了加强系统抗干扰性，本文采用150mV电平为标准电平[1]。

（三）A/D转换和显示电路

A/D变换是中心设计。一般情况下，计算是用连续取样得到的，这种方法都需要进行平方操作，而且计算还必须进行开方、除法等操作，因为该系统选择了 AT89S52，属于MCS51系列的单片机，平方、开方、除法等操作金额较快。为确保测量的及时性，必须在完成测量信号完成后进行。由于该设计的测量精度准确到半周波，为了保证测量所需的准确性，所需的时间必须低于10ms，在较高的数据量下难以达到。基于上述要求，本文采用硬件真有效值转换方式，使用AD536芯片转变不规则波形的真有效值，A/D转换器利用高转换精度的TLC2543芯片和11路输入端，通过单片机I/O口软件真实模拟SPI时序，实现A/D转换功能。在一个完整焊接循环过程中，通常主要包括回火焊接、预热焊接、主焊接等流程，本文显示环节采用1604字符型液晶显示模块，能将三段检测数据呈现在液晶屏上。为了控制MCU的I/O端口，将液晶模块和MCU连接应用间接访问形式[2]。

（四）数据存储和RS232电路

该系统的数据储存选择了带有 IzC的Arl24C64芯片，它是一种不失去芯片数据的EEPROM装置，该芯片能够储存于100年。由于单片机采用了具有硬件I2C接口的AT89S52，因此在 I/O13软件中对 I2C进行仿真，从而实现数据的存储。该系统可以在芯片的SDA和 SCL和 MCU的 I/O联接的情况下，通过47k的电阻上拉出UART口的分配。该系统可以用于运输应用。同时，UART端口配备RS232通信方式，能和计算机相互连接，选择AT24C64中存储的测试结果，配置PC端软件，全面分析测量数据。

三、系统软件设计

该系统软件包括 D转换程序、存储和通讯程序、显示程序等。在系统中，加入转换程序采用了 SPI串行通讯的时间，利用汇编语言设计，R1的内容为控制字，高8位存储在R2，低4位存储在R3，子资料储存部分与之相似，只是采用软件仿真 I

2C串行通讯的时序，显示部分只要确定好数据显示行、列，寻找对应的 ASCI I码，按照规则指令进行实施[3]。

四、总结

综上所述，柔性Rogowski线圈电流传感器具有隔离测量、成本低、安装简单等特征，被广泛应用到高压断路器的合分闸线圈电流方面，能有效提高系统稳定性，各项性能指标均满足行业标准，同时采用柔性Rogowski线圈电流传感器的工频电流断路器测试仪用于现场离线测量分析保护操作箱动作断路器时多个分合闸线圈时的电流波形的情况且又无需加装大量在线监测传感器。具有较强的推广价值。

参考文献：

[1]张永奎、赵智忠、冯 旭、郭 雪 基于分合闸线圈电流信号的高压断路器机械故障诊断

河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室.高压电器.第49卷.第2期 2013年2月

[2]范敏、汪佳、何智强、黎治宇 断路器机械缺陷判断的分、合闸线圈电流波形分析法 国网湖南省电力公司电力科学研究院、中国能源建设集团有限公司湖南省电力勘测设计院.湖南电力 第34卷第4期 2014年8月

[3] 焦超群,黄涛,张秀敏,等. 用于压接型IGBT器件芯片电流测量的带金属屏蔽层集成PCB Rogowski线圈的研究[J]. 中国电机工程学报,2022,42(24):9105-9117,中插28.

[4] 项鹏飞,郝瑞祥,郝一,等. 基于PCB罗氏线圈的SiC MOSFET简化短路保护电路研究[J]. 中国电机工程学报,2022,42(19):7194-7204,中插24.

[5] 黄涛. 用于压接型IGBT器件的集成PCB Rogowski线圈研究[D]. 北京:北京交通大学,2021.