李敬潔

河北申科電子股份有限公司研發(fā)二部，河北石家莊 052360

0 引言

電流互感器是電力系統(tǒng)和電能計(jì)量中非常重要的裝置，是為電力系統(tǒng)的計(jì)量、繼電保護(hù)、控制與監(jiān)視系統(tǒng)提供輸入信號(hào)的重要元件。目前，電能計(jì)量中廣泛采用的是電磁式電流互感器。隨著對(duì)電能表質(zhì)量要求的提高，電磁式互感器磁芯飽和問題和測(cè)量誤差大以及微利時(shí)代價(jià)格高等問題難以克服。

基于微型的電流互感器主要由一次繞組、二次繞組及磁芯組成。微型電流互感器磁芯是坡鏌合金或超微晶合金，制造材料昂貴，制造工藝復(fù)雜，規(guī)格型號(hào)繁多，而且一次引線和外殼加工工藝復(fù)雜，裝配費(fèi)時(shí)費(fèi)力，致使互感器成本很高。

由于微型電流互感器中激磁電流的存在，以及磁芯的磁滯特性，在大的電流情況下，鐵芯容易飽和，使誤差迅速增加，不能準(zhǔn)確使用，并且，這種帶鐵芯的微型互感器只能工作在頻率50Hz ～400Hz，頻段很窄，不能正確反映系統(tǒng)的運(yùn)行情況，這就迫切需要一種在大電流情況下，依然能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)運(yùn)行情況的傳感器，柔性Rogowski 線圈就是一種比較理想的傳感器，可以解決以上矛盾。

Rogowski 線圈采用硅橡膠骨架上纏繞線圈，外加屏蔽和絕緣，由于不采用磁芯作為骨架，所以，Rogoswki 線圈互感器的線性測(cè)量范圍大，且沒有磁飽和現(xiàn)象，使之能夠滿足測(cè)量大范圍電流的要求。 可以同時(shí)應(yīng)用于測(cè)量和繼電保護(hù)的場(chǎng)合，由于沒有磁心的作用，從而消除了磁飽和和高次諧振的問題，運(yùn)行穩(wěn)定?？蓽y(cè)電流的頻帶寬，采用Rogowski 線圈互感器測(cè)量時(shí)，一般頻率范圍可以設(shè)計(jì)達(dá)到1～1MHz。由于在測(cè)量中線圈中電流非常小甚至沒有電流，因此運(yùn)行溫升非常小，安全可靠，所以，沒有易燃易爆的危險(xiǎn)情況；柔性Rogowski 線圈具有測(cè)量范圍寬，精度高，穩(wěn)定可靠，響應(yīng)頻帶寬，同時(shí)具有測(cè)量和繼電保護(hù)功能，體積小、重量輕、安全且符合環(huán)保要求。

1 Rogowski 線圈工作原理

Rogowski 線圈的截面可以有不同形狀，常見的有矩形截面和圓形截面等，又叫電流測(cè)量線圈、微分電流傳感器， 是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的線圈。

線圈的數(shù)學(xué)公式 為Vout=M di/dt 來表示。其中 M 為線圈互感系數(shù)。通過采用一個(gè)專用的積分器將線圈輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分可以得到另一個(gè)交流電壓信號(hào)，被測(cè)量電流信號(hào)的波形可以用電壓信號(hào)可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)。輸出信號(hào)是電流對(duì)時(shí)間的微分，輸入電流就可以真實(shí)還原。羅氏線圈本身不可能是完全理想的器件，由制造工藝、安裝方式等等都會(huì)造成一定的相位誤差。再就是積分器引入的相位誤差。首先，積分器電路實(shí)現(xiàn)過程中，器件的特性、理論與實(shí)際的差異等等會(huì)造成一定的相位誤差。

2 積分器的設(shè)計(jì)

圖1 是理想積分器的電路原理，由于運(yùn)算放大器難免會(huì)有一定的輸入失調(diào)電壓、這個(gè)輸入含有直流分量的失調(diào)電壓對(duì)電容進(jìn)行充電，不論失調(diào)電壓多小，時(shí)間長了，輸出電壓會(huì)達(dá)到運(yùn)放的輸出上限或下限電壓，這種現(xiàn)象稱為積分器飽和，顯然，積分器飽和后，就不能正常工作了。

為了避免這種現(xiàn)象，如圖2，在電容兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，也就是給電容一個(gè)放電回路，引入負(fù)反饋，，可以有效的避免電容飽和。顯然，并聯(lián)了電阻之后，積分器已經(jīng)不是積分器了，尤其是低頻時(shí)，積分器的輸出相位與輸入相位相比，已經(jīng)不是滯后90°了，而且是頻率越低，相位誤差越大。事實(shí)上，微型電流互感器大多用于50Hz，相位誤差就可以忽視了。

圖1

圖2

3 線性度的影響

線性度好是羅氏線圈電流測(cè)量系統(tǒng)一個(gè)突出的特點(diǎn)。線圈不含磁芯，所以不易飽和，在使用量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)的輸出與被測(cè)電流是線性的。最大擊穿電壓決定羅氏線圈的量程。積分器也是線性的，量程取決于其本身。線性度好使得羅氏線圈非常容易量化，因?yàn)橄到y(tǒng)可以使用常見的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)橄到y(tǒng)在整個(gè)量程范圍內(nèi)都是線性的，所以測(cè)量結(jié)果都是準(zhǔn)確的。微型電流互感器線性度是一條曲線，誤差隨電流的增加而減小，且在約10 倍電流范圍內(nèi)使用，如果僅達(dá)到同等要求的誤差曲線，價(jià)格非常昂貴。

4 設(shè)計(jì)原則與實(shí)例分析

4.1 設(shè)計(jì)原則

1）為了保證二次輸出感應(yīng)的是被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而不是環(huán)境干擾磁場(chǎng)，需進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)；

2）輸出積分器參數(shù)選擇、運(yùn)放電路選型等也很重要；

3）羅氏線圈的輸出電壓真空磁導(dǎo)率u0、線圈面積S、線圈匝數(shù)N、輸入電流變化率di/dt 成正比，

u（t）=u0*N*S*di/dt

u0 不可變，di/dt 由輸入信號(hào)決定，因此，改變輸出，只能通過改變線圈面積S 和匝數(shù)N；

4）羅氏線圈只能用于電流測(cè)量，而互感器有電壓互感器和電流互感器，電流互感器二次輸出是正比于一次的電流，羅氏線圈二次輸出的是一次電流的變化率，需要采用積分器才能還原為正比于一次電流的電壓。

4.2 實(shí)例分析

基于4.1 的設(shè)計(jì)原則，以及羅氏線圈的原理，我們用硅橡膠做骨架，設(shè)計(jì)了一種型號(hào)為SKRS-1000，可測(cè)量1000A 的羅氏線圈傳感器，并成功應(yīng)用于冶煉制帶設(shè)備，具有如下特點(diǎn)：

1）采用柔性電流傳感器（Rogowski 線圈電流傳感器）進(jìn)行電流檢測(cè)，并轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出；

2）采取電流檢測(cè)與變送輸出一體化結(jié)構(gòu)，無二次開路危險(xiǎn)；

3）能測(cè)量非常大的電流而不飽和；

4）測(cè)量帶寬非常寬—1Hz ～1MHz；

5）能夠測(cè)量疊加在大直流電流上面的交流成分；

6）可測(cè)量的電流變化率非常大；

7）不受磁飽和的困擾；

8）能承受大電流過載而不壞。

5 結(jié)論

由羅氏線圈與帶磁芯的電流互感器的對(duì)比，以及設(shè)計(jì)實(shí)例的成功應(yīng)用，可以看出隨著電子行業(yè)發(fā)展，互感器向?qū)捔砍蹋⑿突?，高性能，?jīng)濟(jì)性邁進(jìn)，羅氏互感器的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

[1]趙乃九.電流互感器之原理與設(shè)計(jì).上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1960.

[2]張軍，肖耀榮，劉在勤.互感器設(shè)計(jì).沈陽：沈陽變壓器研究所，1993.

[3]肖耀榮，高祖綿.互感器原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ).沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.2003，2.

[4]羅蘇南，田朝勃，趙希才.空心線圈電流互感器性能分析.2004.