新型传感器仪表替代现有船用互感器的研究

黎 庶

（武汉理工大学 能源与动力工程学院 武汉430063）

引 言

现有船用电流互感器与电压互感器在船舶电力系统中用于测量交流电流和交流电压，电流互感器存在的副边开路产生高压可能会引起操作人员电击的危险，这种事故在船舶上时有发生；副边开路产生高压还可以击穿电流互感器绝缘引起自身设备的损坏和火灾；且电流互感器过载能力差也易引起自身设备的过热和损坏。电压互感器则存在笨重和硅钢和铜丝等材料耗费较多的特点。基于以上原因我们需要选择新型传感器仪表替代现有互感器，达到船舶电力测量仪表优化配置的效果。

1 现有新型传感器仪表介绍

1.1 罗氏线圈电流互感器

罗氏线圈是在非导磁骨架材料上，紧密且均匀地缠绕一定匝数的线匝，将待测电流信号转化为感应电压信号。罗氏线圈的电流互感器由高精度罗氏线圈、信号调节电路、电流表组成。信号调节电路将罗氏线圈传变的一次电流转换为标准的电流或电压信号（4～20 mA，0～5 V），供电流表显示或计算机数据采集，结构如图1所示。［1］

图1 罗氏线圈电流互感器原理图

根据电磁感应原理，罗氏线圈一次侧电流i(t) = I sin (ωt + θ )作用下产生感应电动势 e(t)为 ：

式中：μ0为真空磁导率；N为线圈匝数，匝；h为线圈骨架高度，m；r2为线圈骨架外径，m；r1为线圈骨架内径，m。

由式（1）知，e(t)与真空磁导率μ0成正比，可见与导磁材料无关，因此罗氏线圈电流互感器不需要使用硅钢片作为导磁材料；也就是不需要铁芯。因此线圈骨架可以考虑使用空心的塑料支架，大大节约了硅钢片的使用；同时减轻了电流互感器的质量。假设 N = 3 000 匝，h = 0.02 m，r2= 0.04 m，r1= 0.02 m，一次侧电流I = 50 A，一次侧电流频率 f = 50 Hz，真空磁导率 μ0= 4π×10-7T·m/A，带入式（1），经计算知 e(t)≈-0.13cos (ωt + θ ) V。由于e(t)是一个非常微弱的信号，因此对于安装或更换罗氏线圈互感器的操作者来说，完全不存在触电的危险。

1.2 霍尔电流互感器

霍尔电流互感器具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，在电力系统中，常用于对大电流进行精确的检测和控制。霍尔效应电流互感器原理如图2所示。

图2 霍尔电流互感器工作原理图

图2中I为一次侧待测电流，B为一次侧电流产生的磁感应强度，f为单位电荷所受到的洛伦兹力，v为电子平均运动速度，i为（没有考虑温度影响时）霍尔元件的激励电流，b为霍尔元件宽度，UH为霍尔电动势。

洛伦兹力f的方向图中是向里的（左手定则），电子漂移到图里面一侧，正电荷则漂移到靠图外面一侧，从而形成一个内电场 EH，经计算知 EH=vB［2］，故得：

式中：v与霍尔半导体器件的电子浓度有关，一旦半导体材料选定，则v就成了一个已知数。B是由一次侧电流产生的，故B和一次侧电流I成正比，因此霍尔电动势UH的大小直接反映了待测一次侧电流I的大小；通过调理电路将霍尔电动势UH放大可获得一次侧待侧电流I的大小。为使一次侧电流I产生的磁感应强度B有一定大小，且与霍尔半导体器件至一次侧导线的距离无关，故在一次侧导线周围安装导磁铁芯，由于图2是原理图，故未体现；因此霍尔电流互感器同样需要铁芯，只不过铁芯的尺寸比普通电流互感器小了许多，故节约了硅钢片的使用量，减轻了电流互感器的质量。由式（2）知霍尔电动势UH是一个较小的微弱信号，因此对于安装或更换霍尔电流互感器的操作者来说，完全不存在触电的危险。

1.3 分压式电压表

传统电压互感器通过变压器降压来完成交流电压的测量，分压式电压表通过电阻分压降压来测量交流电压，省去了笨重的电压互感器，简化了测量设备。图3为分压式电压表工作原理。

图3 分压式电压表工作原理

图3中UX为船舶电力系统中的发电机某相的电压，R1和R2为分压电阻，u0为电压表测量电压。根据分压原理：

中国船级社规定船舶高压电力系统电压等级在1～15 kV，船舶低压电力系统电压等级小于1 kV，考虑到操作人员的安全及测量精度，电阻分压式电压表仅适合应用于低压电力系统的船舶。

对于1～15 kV船舶高压电力系统的电压测量，可采用电容分压的方法测量电力系统中的电压［3］，原理如图4所示。

图4 电容分压器测量船舶高压电力系统电压原理图

图4中C1、C2、C3为分压电容，被测高压通过电容分压器的分压作用将高压转换为低压，交流电压表在接地部分取电压测量［4］。

2 新型传感器仪表替代现有互感器的必要性

2.1 船舶自动化的需要

近代船舶广泛使用自动化设备已经是大势所趋，特别是对船舶电站的监视与控制已经成为自动化船舶不可缺少的部分。 罗氏线圈产生的感应电动势e(t)，霍尔电动势UH以及分压式电压表的测量电压u0，都可以通过调理电路转变成4～20 mA或0～5 V的标准信号供计算机采集或仪表显示。

2.2 使船舶电站小型化

由于电阻分压技术的使用省去了电压互感器，新型电流互感器的使用减少了传感器部分的尺寸，知道了罗氏线圈产生的感应电动势e(t)（或霍尔电动势UH）和分压式电压表的测量电压u0的瞬时表达式，即可得到电流和电压的有效值，以及频率、功率因数、有功功率、无功功率。所以可将电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率放在同一个LCD屏里分六部分同时显示，省去分压式电压表的显示表头，大大节省了配电柜的尺寸。由于不使用传统的变压器式电流互感器和电压互感器，减轻了配电柜的质量。由于没有铁芯，电阻电容分压技术和罗氏线圈电流互感器不会产生铁磁谐振，改善了配电柜的电磁环境，可满足舰船电力系统测量和保护的需要［5］。

2.3 使船舶电站保护系统具有优异的性能

传统的变压器式电流互感器存在随着被测电流越大、电压等级越高，铁芯易趋于饱和，二次侧电流波形发生畸变失真，产生很大测量误差等不足之处［5］。由于波形失真，必然导致相位检测误差，船舶电力系统的逆功率保护器无法可靠动作，调频调载电路不能很好实现调载作用。新型电流互感器则具有较高的线性度和宽广的测量范围，不会使二次侧电流波形失真和饱和。

3 部分新型传感器仪表实例

3.1 基于高精度罗氏线圈研制及数字信号调理方案

某厂家采用特殊的柔性材料作为线圈骨架，经特殊工艺处理，制造出如图5所示的罗氏电流互感器。

图5 罗氏线圈电流互感器实物

该互感器具有以下特点：

（1）适用环境广：以特殊柔性材质制作，便于测量任何特殊环境下的导体电流；

（2）电流测量范围宽：可从50 mA到200 kA（工频范围）；

（3）电流测量档位可调：电流测量分为3档，可实现对电流测量精度的要求，仪表的精度为1级精度；

（4）使用安全：与常规电流钳不同，无二次开路危险，特别是测试大电流时，使用安全可靠。

3.2 根据电阻分压原理

图6为某厂家生产的电阻分压式电压表。其具有以下特点：

（1）测量范围为0 ～1 500 V，图6中照片为500 V交流电压表；

图6 电阻分压式电压表实物

（2）测量精度为1.5级，厂家可以根据客户需要预定精度等级；

（3）后面有两个接线柱，直接与待测交流电压并联连接。

4 结 语

综上所述，新型传感器仪表具有安装和更换安全（不易发生触电事故），线性度好、测量范围宽、不易饱和、铁芯材料使用少、体积小、质量轻等优点，既适合全手动控制的船舶电站中的使用，又适合全自动电站中的使用。上述新型传感器仪表现已广泛应用于陆上电力系统测量与控制，相信在不久的将来，新型传感器仪表必将广泛应用于各类船舶，为提高船舶电力系统性能、节约金属材料的使用，避免互感器安装和更换过程中的人员伤亡事故作出贡献。