0 引言
煤矿井下供电网络结构复杂，串供级数多，而且井下变电站服务目标为采煤、掘进、运输、排水等关键环节，地质条件复杂[1-2]。供电负荷种类繁多，区域分布广，负荷大小不一，大的多达数千安培，小的仅有几安培。电流测量在电能计量、节能环保、安全运行、提高产品质量等方面有重大意义[3]。传统的电流检测方式以电磁式电流互感器为核心，存在电流互感器安装与维护困难、占用空间大、精度低等缺陷[4]。而以Rogowski线圈为传感头的有源电流互感器具有生产成本低、抗干扰能力强、绝缘性能高、质量轻、体积小、可以实现柔性安装、无二次开路危险等优点，和传统电磁式互感器相比，不存在磁饱和与铁磁谐振的问题，且容易实现数字化[5-7]，因此，在煤矿井下智能变电站应用具有一定优势。本文设计了一套井下智能变电站电流检测系统，该系统以Rogowski线圈为传感头，结合积分还原电路、自适应放大电路等外围电路实现电流检测。
1 系统结构及原理
井下智能变电站电流检测系统结构如图1所示。系统采用分布式结构，包括积分单元和主控单元2个部分。积分单元由电流传感模块、电流信号处理模块、调零模块[8]、信号输出模块等组成；主控单元包括电源模块、主控制器、模数转换、显示模块、通信模块等。系统提供16路Rogowski线圈测量信号的输入，所得到的16路信号分别以0～5 V电压和4～20 mA电流输出[9-10]。分别对16路信号进行RMS值(有效值)测量，并由MC68332微控制器驱动TFT显示屏显示。
图1 井下智能变电站电流检测系统结构
Fig.1 Structure of current detection system of underground intelligent substation
2 系统设计
2.1 积分还原电路
积分还原电路如图2所示，其功能是将Rogowski线圈输出的微分项进行积分还原。A1，A2构成积分器组，A3为第1级减法器，A5为第2级减法器。ui(t)为Rogowski线圈的输出电压信号[11]：
(1)
式中M为线圈互感系数。
图2 积分还原电路
Fig.2 Integral reduction circuit
A1与其外围电路构成电压串联性负反馈放大电路，有非常大的正极性输入阻抗，有利于对Rogowski线圈进行匹配。A1、A2及其附属电路的参数取为完全对称，这样有利于降低共模干扰。A1，A2的输出电压为
(2)
u12(t)=up
(3)
式中up为A1的漂移。
A3的输出电压为
(4)
由式(4)可以看出，A3构成的减法器有效地抵消了积分器漂移产生的共模干扰。同理，A5的输出电压为
u0(t)=-u21(t)+u22(t)=-ui(t)-
(5)
A5构成的减法器也可以抵消A3，A4所产生的共模干扰。结合式(1)和式(5)可得
(6)
由式(6)可知，该积分还原电路还原了被测电流。适当取R1和积分电容C的值，以限制输出RMS不超过20 mV(对应额定计算电流)。本设计取R1为110 kΩ，C为2个47 nF电容并联值。
2.2 自适应放大电路
自适应放大电路如图3所示。A6与R16组成电压跟随器，其输入为积分还原电路的输出。A7与R17,R18,R19组成同相比例放大器，A7选用军品级可编程放大器PGA100，可以根据输入信号的大小在线调整放大倍数。
图3 自适应放大电路
Fig.3 Adaptive amplifier circuit
3 系统稳定性分析
3.1 频域分析
根据Rogowski线圈等效电路[12]，忽略杂散电容，可得其幅频特性和相频特性为
(7)
式中：RL为负载电阻；L0为等效自感；ω0为截止频率。
由式(7)可以看出，比差值恒大于零，相角差与频率成反比，频率越高，相角差越小。
3.2 热稳定性分析
外界温度升高时，Rogowski线圈受热，引起支撑骨架与绕线膨胀，导致Rogowski线圈的互感发生变化，导致输出电压发生变化[13-14]。单位温度变化引起的电压误差为
(8)
由式(8)可以看出，由温度升高而引起的电压误差与线圈互感误差相同。
4 系统测试
4.1 Rogowski线圈测试
随机抽选任一分路所用Rogowski线圈为样本，安装支架(内径为80 mm)材质为环氧树脂，Rogowski线圈信号线为8 m，其输出均为经信号线接至积分柜端子排测得，结果见表1。从测试数据来看，Rogowski线圈的误差最高不超过0.487%，4～20 mA信号输出最高误差不超过0.501%。
4.2 线性度测试
线性度是衡量线性器件的重要指标。根据表1得到Rogowski线圈输入、输出曲线，如图4、图5所示。可见，Rogowski线圈线性度良好，符合要求。
图4 Rogowski线圈输出电压曲线
Fig.4 Output voltage curve of Rogowski coil
图5 Rogowski线圈输出电流曲线
Fig.5 Output current curve of Rogowski coil
4.3 频率特性测试
载流导线在通以1 000 A电流条件下，调节频率在基波到12次谐波范围内变化，频率特性测试结果见表2。
由表2可以看出，线圈的比差和角差变化值较小，角差随频率增大而减小。
表1 Rogowski线圈测试结果
Table 1 Test results of Rogowski coil
表2 频率特性测试结果
Table 2 Test results of frequency feature
4.4 温度特性测试
载流导线在通以1 000 A电流条件下，将线圈放入老化温度控制箱内，调节温度在-20～65 ℃范围内，测试结果见表3。
由表3可以看出，线圈的比差和角差变化值较小，随温度升高而增大。
5 结语
电流精确测量对电力系统的安全运行和电站智能化的实现至关重要，尤其在环境条件恶劣的煤矿井下。以Rogowski线圈取代传统的电流互感器作为传感装置，设计了井下智能变电站电流检测系统，详细介绍了低漂移的积分还原电路、自适应放大电路的设计，并进行了系统稳定性分析和测试。测试数据表明，该系统具有较高的精度和良好的线性度。
表3 温度特性测试结果
Table 3 Test results of temperature feature
参考文献(References)：
[1] 刘建华,唐润恒,赵纪峰,等.基于IEC 61850的井下智能变电站分布式母线保护方案[J].煤矿安全,2017,48(5):120-122.
LIU Jianhua,TANG Runheng,ZHAO Jifeng,et al.Distributed busbar protection scheme of underground intelligent substation based on IEC 61850[J].Safety in Coal Mines,2017,48(5):120-122.
[2] 王占飞,刘小东,张登山,等.煤矿智能化数字变电所建设基本要求与实施条件[J].煤炭科学技术,2015,43(增刊2):108-112.
WANG Zhanfei,LIU Xiaodong,ZHANG Dengshan,et al.Basic requirements and implementation conditions of intelligent digital substation construction in coal mine[J].Coal Science and Technology,2015,43(S2):108-112.
[3] GB 50053—2009 供配电系统设计规范[S].
[4] 李旭,黄继东,倪传坤,等.不同电流互感器混用对线路差动保护的影响及对策的研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(3):141-145.
LI Xu,HUANG Jidong,NI Chuankun,et al.Influence of mixing different types of current transformers on line differential protection and the countermeasures[J].Power System Protection and Control,2014,42(3):141-145.
[5] 刘志恒,段雄英,廖敏夫,等.罗氏线圈电子式电流互感器积分特性研究[J].电力自动化设备,2017,37(3):191-196.
LIU Zhiheng,DUAN Xiongying,LIAO Minfu,et al.Research on integral characteristic of ECT with rogowski coil[J].Electric Power Automation Equipment,2017,37(3):191-196.
[6] 汪建,戴原骁.Rogowski线圈数字积分器的直流误差消除方法研究[J].电测与仪表,2016,53(24):80-86.
WANG Jian,DAI Yuanxiao.Research on DC error elimination method of Rogowski coil digital integrator[J].Electrical Measurement & Instrumentation,2016,53(24):80-86.
[7] 樊占峰,尹明,宋国兵,等.基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法研究[J].中国电机工程学报,2016,36(增刊1):36-42.
FAN Zhanfeng,YIN Ming,SONG Guobing,et al.Research on failure sampling data identification in smart substation based on waveform factor equation[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(S1):36-42.
[8] 陈连玉,薛晓炎.一种嵌入式自适应应变检测系统的研究[J].工矿自动化,2007,33(6):35-37.
CHEN Lianyu, XUE Xiaoyan. Research of an embedded self-adaptation detection system of strain[J].Industry and Mine Automation,2007,33 (6):35-37.
[9] 刘冬梅,李泽滔.基于ADE7753的Rogowski线圈宽范围电流测量研究[J].自动化与仪器仪表,2015(7):159-160.
LIU Dongmei,LI Zetao.Research on wide range current measurement of Rogowski coil based on ADE7753[J].Automation & Instrumentation,2015(7):159-160.
[10] 王艳红,杜海莲.基于Rogowski线圈的电流传感器性能研究[J].电气开关,2012(2):50-53.
WANG Yanhong,DU Hailian.Study on ECT performance based on Rogowski oil[J].Electric Switcher,2012(2):50-53.
[11] 张红岭.Rogowski线圈的研究与设计[D].秦皇岛:燕山大学,2006.
[12] RICHTER F，SOURKOUNIS C.Precise current sensor for power electronic devices[C]// 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference，Rhodes, 2008.
[13] HEWSON C R，RAY W F，METCALFE J.Optimising hign frequency integrator operation of Rogowski current transducer[C]// 2007 European Conference on Power Electronics and Applications，Aalborg, 2007.
[14] 邸志刚,贾春荣,郑绳楦．用于小电流测量的高精度Rogowski线圈的研究与设计[J]．电气应用,2005,4(5):62-65．
DI Zhigang，JIA Chunrong，ZHENG Shengxuan．The research and design of high precise Rogowski coil used to measure small current[J]．Electrotechnical Application,2005,4(5):62-65．