螺線管空心線圈電子式電壓互感器螺線管空心線圈性能分析

本裝置采用的傳感器是一種帶補(bǔ)償線圈的圓柱型空心螺線管。它的二次線圈由繞制在內(nèi)、外兩個(gè)同軸心的非磁性圓柱型骨架上的兩組線圈構(gòu)成，內(nèi)層為二次傳感線圈，外層為補(bǔ)償線圈，兩組二次線圈反向串聯(lián);一次線圈緊貼著繞制在內(nèi)層二次線圈上。為保證在外界磁場干擾下二次線圈輸出電壓為零，內(nèi)、外非磁性骨架上的二次線圈的匝數(shù)之比等于它們所繞骨架的橫截面積之比的倒數(shù)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?nèi)、外兩骨架的橫截面積之比為1 ：3，則對應(yīng)的線圈匝數(shù)之比為3 ：1。

由于兩類二次線圈的匝數(shù)與它們所環(huán)繞骨架的截面積的乘積相等，從而使得外界干擾磁場在這兩種線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小相等，反向串聯(lián)，相互抵消，避免了外界電磁的干擾，保證了測量精度。而當(dāng)一次線圈中通入被測電流時(shí)，通過補(bǔ)償線圈的磁通分為兩部分，小圓內(nèi)磁場較強(qiáng)且與其余部分方向相反。補(bǔ)償線圈的總磁通是這兩部分磁通的疊加，因此其總磁通要小于傳感線圈的總磁通，且傳感線圈總磁鏈應(yīng)該大于兩倍補(bǔ)償線圈的總磁。由上可知，傳感線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢較補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大得多，相互疊加，最終產(chǎn)生一個(gè)正比于被測電流變化率的電壓信號(hào) 。

電子式電壓互感器由高壓采樣和信號(hào)處理兩部分組成，在高壓側(cè)，精密電容器與螺線管空心線圈串聯(lián)接地作為一次電流采樣電路。螺線管空心線圈本身自感和電阻很小，其阻抗值可忽略，因此流經(jīng)高壓側(cè)的電流取決于電容的大小。螺線管空心線圈處于接地端，電勢接近于零，且其一次線圈與二次線圈通過弱磁場禍合在一起，能起到很好的電氣隔離作用。為滿足不同精度的要求，螺線管空心線圈輸出信號(hào)分出兩路提供給后續(xù)電路。處理電路II再接一個(gè)小變壓器可分出三路輸出電壓。處理電路工和處理電路II完全相同，主要包括積分放大電路、差分放大電路、調(diào)相電路、積分電路、功率放大電路五個(gè)部分，其中差分放大電路包含了調(diào)幅功能。為保證電壓互感器有足夠的帶負(fù)載能力，裝置采用了集成功率放大芯片，在二次負(fù)載變化的情況下仍能保證測量精度。

目前，電網(wǎng)中運(yùn)行的電壓互感器主要以電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器等傳統(tǒng)電壓互感器為主。傳統(tǒng)電壓互感器受其原理局限，一般重量和體積都比較大，生產(chǎn)成本高，而且在電網(wǎng)運(yùn)行中存在著一定的安全隱患。隨著電網(wǎng)的擴(kuò)大和電壓等級的抬升，電網(wǎng)設(shè)備正朝著輕型化、智能化方向發(fā)展，系統(tǒng)對設(shè)備的安全性要求也在不斷提高，因此開發(fā)新型電子式電壓互感器已成為一種必然趨勢，以降低制造成本和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為此國內(nèi)外學(xué)者提出了多種設(shè)計(jì)方案，其主要原理是利用電阻分壓或電容分壓，并取得了相關(guān)的研究成果。但采用分壓原理的電子式電壓互感器一次側(cè)與二次回路之間缺乏有效的電氣隔;同時(shí)，采用電容器分壓的電子式電壓互感器存在電荷滯留造成暫態(tài)問題;采用電阻分壓的電子式電壓互感器存在分壓電阻值不精確及應(yīng)用電壓等級不高的問題。因此，提出采用螺線管空心線圈測量流經(jīng)電容器的電流來反映一次側(cè)高電壓的電子式電壓互感器，并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 。

處理電路中采用了差分放大以避免共模干擾對測量精度的不良影響。為保證輸出電壓與高壓側(cè)電壓相位一致，在處理電路中引入調(diào)相環(huán)節(jié)，可在0一10。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓的相角。同時(shí)，由于器件自身的原因或者外界溫度的影響，可能會(huì)導(dǎo)致積分器及其它芯片存在直流偏移量輸出，接入一個(gè)高通濾波器可有效地消除直流偏移的影響。

若去掉調(diào)相環(huán)節(jié)，由于積分電路不可能完全滿足90。移相要求，它總是要略大于90，

裝置采用高壓電容器作為其高壓采樣部件，將高電壓轉(zhuǎn)變成可以方便測量的小電流信號(hào)。在110 kV電網(wǎng)中，若高壓電容器的電容值為5000PF，正常運(yùn)行情況下電壓互感器一次側(cè)電流約為100mA。由于電容器能夠存儲(chǔ)電荷，高壓側(cè)斷開時(shí)電容器上的電荷將會(huì)被保持，當(dāng)再次合上時(shí)電容器上電荷將通過接地回路放電。電容器上保持的電荷量與其斷開時(shí)電壓的相位有關(guān)，在一次電壓最大時(shí)斷開其保持的電荷量最大.以這種最嚴(yán)重的情況為例，在高壓側(cè)合閘的瞬間，存儲(chǔ)電荷將會(huì)通過電網(wǎng)低直流阻抗立即放電。由于高壓電容器電容的值只有5000PF，電網(wǎng)直流電阻亦很小，空心線圈一次側(cè)電感很微弱，因此一次側(cè)是一個(gè)RC回路的放電過程，而且放電時(shí)間常數(shù)非常小，放電速度很快，瞬態(tài)過程很短暫，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工頻周期。

帶補(bǔ)償線圈的螺線管空心線圈具有不飽和、測量動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測量小電流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，通過測量流過電容器的電流完全能夠正確反映一次高電壓的變化情況。與傳統(tǒng)電壓互感器相比，電子式電壓互感器受電網(wǎng)頻率波動(dòng)影響小，在IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率波動(dòng)范圍內(nèi)(49.5 Hz一50.5 Hz)，其二次輸出電壓幾乎不受影響，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，無鐵磁諧振 。

在工程學(xué)里，螺線管也指為一些轉(zhuǎn)換器（transducer），將能量轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。螺線管操作閥（solenoid valve）是一種綜合原件，內(nèi)中最重要的組件是機(jī)電螺線管。機(jī)電螺線管是一種機(jī)電原件，可以用來操作氣控閥或液壓閥。螺線管開關(guān)是一種繼電器，使用機(jī)電螺線管來操作電開關(guān)。例如，汽車的起動(dòng)器螺線管是一種機(jī)電螺線管。

由導(dǎo)線繞成的通常為長圓柱形的線圈。電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(magnetic field)。此磁場能移動(dòng)置于其軸線上的鐵棒。螺線管常用于通過導(dǎo)通或切斷電流的方式來操縱與鐵棒相連接的機(jī)械閥門。在大多數(shù)汽車中螺線管用于操縱給起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)供能的大電流開關(guān)。

簡單點(diǎn)講，通電螺線管的磁極只與通電螺線管中的電流的方向有關(guān)。

用右手螺旋定則，電池短負(fù)長正，電流由正流往負(fù)，右手四指順電流方向，拇指指的方向就是螺線管北極。在螺線管外磁力線由北到南，小磁針順磁力線方向。

通電螺線管對外相當(dāng)于一個(gè)條形磁鐵。通電螺線管外部的磁場與條形磁鐵的磁場相似。

安培定則

通電螺線管中電流的方向與螺線管兩端極性的關(guān)系可以用安培定則（也叫右手螺旋定則）。