肖劍鋒，王劍飛，何志滿，萬暉，唐雪峰，米彥

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司萬州供電分公司，重慶 404000； 2. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044)

0 引 言

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對于人民的生產(chǎn)、生活質(zhì)量以及社會的進步和經(jīng)濟起著非常重要的作用。但是自然雷擊的發(fā)生會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成很大影響，甚至引起嚴(yán)重后果。因此，有效防雷是保障電力系統(tǒng)的正常運行亟需解決的關(guān)鍵問題。若能夠?qū)纂娏鞯牟ㄐ魏头颠M行準(zhǔn)確的測量，對于輸電線路的差異化防雷的實現(xiàn)將起到極大的促進作用。

多年以來，國內(nèi)外的學(xué)者們在雷電流在線監(jiān)測領(lǐng)域開展了大量相關(guān)研究工作，并取得了眾多具有價值的成果和突破。目前，雷電流的監(jiān)測方法主要分為以下四種：磁鋼棒測量、雷電定位系統(tǒng)、磁帶測量以及Rogowski線圈(羅氏線圈)測量法。磁帶和磁鋼棒法都只能測量雷電流的幅值或者是陡度[1-2]，而雷電定位系統(tǒng)對設(shè)備要求高，成本巨大[3-4]。羅氏線圈以其能夠測量雷電流全波波形的優(yōu)點，成為了目前雷電流監(jiān)測領(lǐng)域較受歡迎的研究方向。

文章將對基于羅氏線圈及其特殊形式微分環(huán)的雷電流在線監(jiān)測方法進行綜述，介紹其測量原理以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對其優(yōu)劣勢進行分析，最后提出今后的研究方向。

1 羅氏線圈的測量原理分析

1.1 傳統(tǒng)羅氏線圈的測量原理分析

羅氏線圈測量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。羅氏線圈是將導(dǎo)線均勻地繞在截面均勻的非磁性材料的框架上，讓通有電流的導(dǎo)線垂直穿過線圈的中心，通過被測載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁通的變化，能夠感應(yīng)出與被測電流大小成比例的電壓信號。以骨架橫截面為矩形的羅氏線圈為例，如圖1所示。

圖1 矩形橫截面羅氏線圈原理圖

圖1為矩形橫截面羅氏線圈原理圖。圖中，被測電流從線圈中心穿過，設(shè)為I;a為骨架內(nèi)半徑;b為骨架外半徑;h為骨架厚度;E為線圈感應(yīng)電壓;線圈匝數(shù)為N;線圈平均半徑為r。假設(shè)載流導(dǎo)體為無限長，則根據(jù)畢奧-薩伐爾定理可知：

(1)

當(dāng)被測導(dǎo)線距離線圈較遠(yuǎn)，穿過線圈的磁通近似為：

(2)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：

(3)

令線圈互感系數(shù)為M，則有：

(4)

式(3)可以簡化為：

(5)

由式(5)可知，羅氏線圈輸出的感應(yīng)電動勢與被測電流的微分信號成正比，比例系數(shù)即為互感系數(shù)。因此加一個積分器對羅氏線圈輸出信號進行積分就可以得到被測電流波形。這就是羅氏線圈的測量原理。

1.2 微分環(huán)的測量原理分析

微分環(huán)是羅氏線圈的一種特殊形式，也是基于法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。微分環(huán)繞線方式與羅氏線圈相同，區(qū)別在于微分環(huán)采用的是直線型骨架。除此之外，羅氏線圈測量電流時需要被測電流穿過線圈，而微分環(huán)測量電流時不需要被測電流穿過線圈，只要被測電流產(chǎn)生的磁場能夠穿過其線圈截面就可以進行測量，其測量雷電流的原理如圖2所示[5]。

圖2 微分環(huán)測量示意圖[5]

如圖2所示，當(dāng)載流導(dǎo)線上有沖擊電流通過時，在載流導(dǎo)線的周圍會產(chǎn)生一個瞬態(tài)磁場，當(dāng)微分環(huán)截面與產(chǎn)生的瞬態(tài)變化磁場發(fā)生鉸鏈時，微分環(huán)就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，該感應(yīng)電動勢正比于匝數(shù)N，微分環(huán)橫截面積S，以及磁感應(yīng)強度B的變化率，即：

(6)

式中的負(fù)號可以通過改變微分環(huán)方向來去掉，而式中的磁感應(yīng)強度B為微分環(huán)所在空間中的磁感應(yīng)強度在線圈軸向上的分量。當(dāng)微分環(huán)確定時，匝數(shù)N和橫截面積S均為常數(shù)，則：

(7)

同時，假設(shè)載流導(dǎo)體無限長，磁感應(yīng)強度B與載流導(dǎo)線上的電流I之間的關(guān)系為：

(8)

式中l(wèi)為微分環(huán)到輸電導(dǎo)線的垂直距離;μ0=4π×10-7H/m為真空中的磁導(dǎo)率。

因此，由式(7)與式(8)可得載流導(dǎo)體上的電流與微分環(huán)感應(yīng)電動勢的關(guān)系為：

(9)

由式(9)可知，與傳統(tǒng)羅氏線圈相同，微分環(huán)所測得的感應(yīng)電動勢與被測電流的微分信號成比例關(guān)系，只需對感應(yīng)電動勢進行合適的積分處理，就能還原被測電流的波形;這就是微分環(huán)的測量原理。

2 羅氏線圈測量雷電流的發(fā)展與應(yīng)用

羅氏線圈的產(chǎn)生和運用出現(xiàn)于1912年，Rogowski根據(jù)Maxwell第一方程證明了羅氏線圈的存在和相關(guān)特性。但由于線圈的輸出還不足以驅(qū)動當(dāng)時的計量設(shè)備，所以最初只是用來測量磁場。1966年，西德的Heumamn經(jīng)過長期研究，設(shè)計了一種全新的線圈結(jié)構(gòu)，將羅氏線圈的測量精確度提高了一個數(shù)量級。此后，羅氏線圈開始作為電流互感器的傳感頭得到運用和發(fā)展[6]。近年來，國內(nèi)外的很多學(xué)者在羅氏線圈測量脈沖大電流及雷電流的領(lǐng)域進行了研究。

2.1 國外的發(fā)展現(xiàn)狀

國外主要是日本的學(xué)者在從事羅氏線圈在雷電流測量領(lǐng)域的研究。國外某電力公司雷電研究中心Kazuo Nakada和Hitoshi Sugimoto等人，在6.6 kV試驗輸電線路上利用羅氏線圈測量雷電流和雷電過電壓參數(shù)，并將實測波形與EMTP仿真波形進行對比以研究分析雷電特性[7]。

國外某電力公司Teru Miyazaki和Shigemitsu Okabe等人等設(shè)計了一套用于500 kV超高壓輸電塔上的雷電監(jiān)測系統(tǒng)，并對獲得的雷電參數(shù)進行分析研究。這套雷電流監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示，先在桿塔頂部加裝的兩個長2.5 m的引雷針，再將羅氏線圈安裝在引雷針上，直接對擊中引雷針的雷電流進行測量并記錄于安裝在桿塔上的存儲卡中。此外，使用全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄時間。通過光纜來將數(shù)據(jù)從塔頂?shù)膫鞲衅魈巶鬏斨了撞康臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以抑制感應(yīng)噪聲,電源和數(shù)據(jù)采集是遠(yuǎn)程控制的。該系統(tǒng)在1994～2004年間共獲得120個負(fù)極性雷電流數(shù)據(jù)和15個正極性雷電流數(shù)據(jù)[8-15]。

圖3 雷電監(jiān)測系統(tǒng)原理圖[13]

國外某實驗室的Toru Miki和Takatoshi Shindo等人在某晴空塔497 m處安裝了一套大尺寸的羅氏線圈來測量雷電流，如圖4所示[16]。線圈整體是一個正六邊形的形狀，邊長約為5.1 m，外部采用氯乙烯材料作為套管，內(nèi)部有兩組線圈：一組用來測量低頻信號以獲取盡可能完整的雷電流波形；另一組用來測量高頻信號以獲取雷電流的準(zhǔn)確幅值以及上升沿陡度。線圈通過光纖電纜安裝在晴空塔較低高度的記錄數(shù)字化儀連接，完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 安裝在東京晴空塔上的羅氏線圈[16]

2.2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)的學(xué)者們在羅氏線圈測量雷電流領(lǐng)域也做了許多研究與應(yīng)用。某大學(xué)高壓研究所2008 年5月在某供電公司220 kV“黨紅線”和“天樓線”上安裝了2套基于羅氏線圈的雷電流波形記錄系統(tǒng)，如圖5所示[17]。通過在頂部安裝一根引雷針來有效捕捉雷電流，再將羅氏線圈安裝在引雷針上來測量雷電流波形，并通過現(xiàn)場的信號處理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)并壓縮打包，通過GPS發(fā)射到遠(yuǎn)端接受裝置。系統(tǒng)電源由太陽能電池提供。另外，某大學(xué)最近開發(fā)了一種采用5個柔性Rogowski線圈的雷電流波形記錄系統(tǒng)，通過檢測3相導(dǎo)線、避雷線及桿塔的雷電流，可實現(xiàn)對雷電直擊和繞擊的識別。目前已有2套安裝在承德的220 kV 輸電線路上。

圖5 220 V線路雷電流波形記錄系統(tǒng)[17]

某大學(xué)研制了一套運用于湖北咸寧110 kV“汪官線”的雷電流波形實時監(jiān)測系統(tǒng)，如圖6所示[18-20]。監(jiān)測系統(tǒng)包括一臺前置機，A、B、C三相的絕緣子近地端及避雷線處一共安裝4個羅氏線圈，所選安裝桿塔均是以前較易出現(xiàn)雷擊的位置，數(shù)據(jù)通過GPRS單元進行傳輸，電源由“光電池+蓄電池”系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)在2007年4月26日凌晨在汪官線#51塔地線支架上雷電流傳感器監(jiān)測到了第1組雷電流數(shù)據(jù)。波形為典型的衰減震蕩波，負(fù)極性，峰值為11.8 kA，到達(dá)峰值時間為1.8 μs，震蕩波持續(xù)時間14 μs。這次對于雷電流波形的記錄也填補了我國在雷電實測方面的空白。

圖6 雷電流波形實時監(jiān)測系統(tǒng)[19]

某大學(xué)提出一種輸電線路桿塔的雷電流實測系統(tǒng)[21]，即在絕緣子串桿塔側(cè)金具上鉗套羅氏線圈，測量雷擊時的閃絡(luò)電流,進而算出雷電流幅值。并在實驗室采用沖擊帶電流進行了測試，效果良好。除了在引雷針及絕緣子串上安裝羅氏線圈之外，某研究所研制了一種高度集成的雷電流和雷電過電壓傳感器，并將其直接安裝在導(dǎo)線和避雷線上，如圖7所示[22]。該安裝方式實現(xiàn)了輸電線及避雷線上雷電流波形的直接測量。

圖7 直接安裝在輸電線上的傳感器[21]

2.3 羅氏線圈的優(yōu)劣勢及發(fā)展方向

2.3.1 優(yōu)劣勢分析

相比于早期用于雷電流測量的磁帶法和磁鋼棒法，采用羅氏線圈測量雷電流能夠得到雷電流的全波波形。不僅如此，羅氏線圈作為一種電流傳感器，與帶鐵心的傳統(tǒng)互感器相比，它具有以下優(yōu)點[23]：(1)測量范圍寬，精度高；(2)穩(wěn)定可靠，同時具有測量和繼電保護功能；(3)沒有鐵心，響應(yīng)頻帶寬；(4)體積小、重量輕、安全且符合環(huán)保要求；(5)易于實現(xiàn)微機化、網(wǎng)絡(luò)化。

但與此同時，采用羅氏線圈測量雷電流也存在著一些問題。目前在實際運用中羅氏線圈一般是安裝在引雷針上、絕緣子串、桿塔或者是輸電線路上。當(dāng)安裝在引雷針上時，只能測量直擊輸電桿塔的雷電流，并且加裝引雷針會增加桿塔遭受雷擊的概率，存在安全隱患；當(dāng)安裝在絕緣子串或者是桿塔上時，測量的主要是該桿塔上的雷擊閃絡(luò)電流以及桿塔的入地電流，若雷擊的是其他桿塔，則無法測量到雷電流波形，而從成本與安全角度考慮，很難在所有桿塔上均安裝監(jiān)測裝置；當(dāng)直接安裝在輸電導(dǎo)線和避雷線時，安裝、維護的時候都需要停電，大大增加了電力部門的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)與工作強度。以上都是羅氏線圈在實際應(yīng)用中存在的局限性。

2.3.2 后續(xù)發(fā)展趨勢探討

傳統(tǒng)羅氏線圈的繞制存在著繞制不均勻以及雜散參數(shù)不統(tǒng)一的情況，不利于批量生產(chǎn)。而PCB(印制電路板)工藝則可以解決這個問題。Kojovic L A首次提出了 PCB 羅氏線圈的設(shè)計思想并在美國注冊了專利[24]，在國內(nèi)也有很多學(xué)者對PCB羅氏線圈進行了研究[25-29]。但是主要是對PCB羅氏線圈進行理論分析與設(shè)計，目前還沒有針對雷電流測量的PCB羅氏線圈實際運用。針對輸電線路雷電流的在線監(jiān)測，設(shè)計并研制一種便于安裝，抗干擾性強的PCB羅氏線圈傳感器，是一個可行的研究方向。

3 微分環(huán)測量雷電流的發(fā)展與應(yīng)用

微分環(huán)在國外的應(yīng)用從二十世紀(jì)60年代就開始了，但是主要是應(yīng)用于脈沖大電流的測量。國內(nèi)的學(xué)者大部分也是研究微分環(huán)對于脈沖大電流的測量，目前只有少部分學(xué)者進行了微分環(huán)在雷電流測量領(lǐng)域的研究。

3.1 國外的發(fā)展現(xiàn)狀

國外對于微分環(huán)運用的研究開始的比較早。1963年，英國某機構(gòu)的D. E. T. F. Ashby，L. S. Holmes和M. A. Kasha研制了一個用于脈沖大電流測量的單層多匝磁場傳感器[30]。1997年，美國某實驗室的R. D. Scarpetti, J. K. Boyd, G. G. Earley等人研制的FXR(Flash X-Ray machine)[31]，采用微分環(huán)測量脈沖電流的偏心及高頻振蕩；美國某實驗室的W. A. Stygar，R. B. Spielman等人采用微分環(huán)Z-Pinch負(fù)載電流進行了測量[32]。

在雷電流監(jiān)測方面的應(yīng)用比較少，1975年某大學(xué)的E. Philip Krider和R. Carl Noggle采用由銅線或者同軸電纜構(gòu)成的單匝環(huán)形天線結(jié)合外積分的形式實現(xiàn)了對雷電瞬態(tài)磁場的測量[33]。1999年，雅典某大學(xué)的I. F. Gonos，L. Ekonomou等人利用同軸電纜繞制的環(huán)形天線構(gòu)成了一個雷電測量及定位系統(tǒng)[34-35]，其采用兩個垂直放置環(huán)形天線構(gòu)成一個傳感器，來對雷電流進行測量及定位，如圖8所示。但是，該測量與定位系統(tǒng)并不適用于在輸電線或桿塔上進行監(jiān)測。

圖8 環(huán)形天線傳感器[35]

3.2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對于微分環(huán)的研究大多數(shù)也是集中在脈沖大電流測量領(lǐng)域。1998年，某大學(xué)研制了用于測量納秒級脈沖的微分環(huán)，并分析了其在強流陡脈沖測量中的抗干擾性[36]。2001年，某核技術(shù)研究所采用單匝微分環(huán)對強脈沖進行了測量，測量結(jié)果與理論計算相符合[37]。某核研究所將微分環(huán)應(yīng)用于“強光一號”加速器上，來測量納秒級的脈沖大電流[38]。某流體物理研究所研制并標(biāo)定了用于測量陽加速器新真空磁絕緣線電流的微分環(huán)[39]。

而對于微分環(huán)在雷電流在線監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)主要是某大學(xué)在研究[6,40-41]。他們研制了一種用于輸電線路雷電流在線監(jiān)測的繞線式微分環(huán)，如圖9所示。

圖9 繞線式微分環(huán)[40]

微分環(huán)內(nèi)部采用銅芯漆包線繞制，匝數(shù)為100匝，外部為鋁制屏蔽殼防止周圍的磁場干擾。微分環(huán)的靈敏度為0.032 2 V/kA，頻帶為783 Hz～25.3 MHz。其測量原理如圖10所示。

圖10 微分環(huán)安裝示意圖[5]

微分環(huán)安裝在輸電線路桿塔上，與被測輸電導(dǎo)線有一定的距離。當(dāng)輸電導(dǎo)線上有雷電流通過，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生變化的瞬態(tài)磁場，微分環(huán)和磁場發(fā)生耦合并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)積分處理之后還原雷電流波形。

基于該微分環(huán)的雷電流在線監(jiān)測系統(tǒng)成功應(yīng)用于110 kV輸電線路。在實際運用中，微分環(huán)采集的信號通過同軸電纜傳輸至信號采集系統(tǒng)，并由GPRS無線傳輸至用戶服務(wù)器，實現(xiàn)在線監(jiān)測。信號采集系統(tǒng)及GPRS的供電由安裝在桿塔上的太陽能電池板及蓄電池實現(xiàn)。

某大學(xué)學(xué)者對繞線式微分環(huán)進行了結(jié)構(gòu)改進[42-43]，設(shè)計了一種單層PCB微分環(huán)并進行了實驗室標(biāo)定，測試效果良好。如圖11所示，PCB微分環(huán)利用PCB覆銅代替了銅線的繞制，改善了傳統(tǒng)繞線式微分環(huán)在制作過程中出現(xiàn)的雜散參數(shù)不統(tǒng)一的情況，也有利微分環(huán)的批量生產(chǎn)。

圖11 PCB微分環(huán)

3.3 微分環(huán)的優(yōu)劣勢分析及發(fā)展方向

3.3.1 優(yōu)劣勢分析

微分環(huán)是一種特殊形式的羅氏線圈，它也具備傳統(tǒng)羅氏線圈測量帶寬高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單以及能實現(xiàn)雷電流全波波形測量等優(yōu)點。除此之外，相較于傳統(tǒng)的羅氏線圈，微分環(huán)不要求被測電流穿過線圈，所以可以實現(xiàn)非接觸式測量，這對于在輸電線路及桿塔上的安裝帶來了極大的方便，無論是安裝還是拆卸都不會影響線路的正常運行。

但是，由于雷擊點不一定在安裝傳感器的周圍，所以傳感器測得雷電流波形可能是衰減或者是分流之后的波形，而不是原始雷電流波形。而且微分環(huán)是通過耦合周圍磁場來進行測量，而當(dāng)輸電線路一相導(dǎo)線發(fā)生雷擊時，其它各項導(dǎo)線上也會有一定大小的電流流過，因而微分環(huán)所耦合的磁場是各相導(dǎo)線電流共同作用的結(jié)果，若要得到每一相導(dǎo)線的電流波形，需要進行解耦處理。由此可以看出，微分環(huán)對于信號的后續(xù)處理要求更高。

3.3.2 后續(xù)發(fā)展趨勢探討

目前某大學(xué)學(xué)者研制的PCB微分環(huán)雖然精度高，線性度好，但是由于繞線匝數(shù)只有10，所以靈敏度不是很高。在后續(xù)的研究中可以考慮改進PCB微分環(huán)的結(jié)構(gòu)以提高靈敏度，例如增加PCB微分環(huán)的層數(shù)，研制多層PCB微分環(huán)以提高靈敏度。

4 結(jié)束語

對用于雷電流在線監(jiān)測的羅氏線圈及其特殊形式微分環(huán)進行了綜述，介紹了它們的測量原理、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)劣勢，并探討了今后可能的發(fā)展方向。作為能夠?qū)崿F(xiàn)雷電流全波波形測量的傳感器，羅氏線圈和微分環(huán)都具有很好的發(fā)展與應(yīng)用前景。在實際運用中，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場輸電線路及桿塔的實際情況以及所需要的雷電流參數(shù)，來選擇合適的傳感器及安裝位置。

除了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化與改進，羅氏線圈與微分環(huán)用于雷電流測量時還有一個共同的問題—信號的采集與傳輸系統(tǒng)的電能供應(yīng)。目前實際運用中大多是在現(xiàn)場安裝信號采集與處理系統(tǒng)，并通過GPRS無線傳輸信號。電源則是由蓄電池與太陽能電池配合供電。但無論是蓄電池還是太陽能電池，長時間放置在自然環(huán)境下很容易出現(xiàn)問題甚至損壞，而對電源的檢查與維護又會消耗大量的人力物力。

所以如果能實現(xiàn)現(xiàn)場的無源監(jiān)測，而由遠(yuǎn)端的控制室來完成電能供給，無疑會大大提高監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？梢钥紤]利用電光晶體的電光效應(yīng)，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖復(fù)合架空地線(OPGW)中的光纖進行傳輸信號。光纖復(fù)合架空地線(Optical fiber composite overhead ground wires, OPGW)是用于高壓輸電系統(tǒng)通信線路的新型結(jié)構(gòu)的地線，具有普通架空地線和通信光纜的雙重功能?？梢岳闷渫ㄐ殴饫|的功能將光信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制室，再由控制室將光信號還原為電信號。這樣光源和信號采集及處理的環(huán)節(jié)均可由控制室來功能，從而實現(xiàn)了測量現(xiàn)場的無源監(jiān)測。

這種無源監(jiān)測的方法需要選擇一種合適的電光晶體，靈敏度要滿足監(jiān)測需求。同時這種方法也存在一定問題，就是監(jiān)測現(xiàn)場是在野外環(huán)境，溫度變化較大，可能會影響晶體的光學(xué)性質(zhì)，可以考慮設(shè)計一種無源的溫控箱，把電光晶體的溫度變化控制在一定范圍內(nèi)。