羅氏線圈電子式電流互感器的設計

司小平，樂麗琴，趙國生

（黃河科技學院信息工程學院 河南 鄭州 450063）

隨著電力生產、電力傳輸容量增加以及運行電壓等級不斷提高，傳統的電磁式電流、電壓互感器暴露出諸如，難達到絕緣要求、磁飽和、鐵磁諧振、動態范圍小、頻帶窄、易燃、易爆炸等一系列缺點，難以滿足電力系統進一步發展的需要。基于光學和電子學原理的電子式電壓/電流互感 器 （Electronic Voltage/Current Transformer， 分別簡 稱 為EVT和ECT）以其抗電磁干擾性能好、消除了磁飽和與鐵磁諧振、測量準確度高、頻率響應范圍寬、造價低、多功能、智能化等優點，已成為一種很有發展前途的超高壓條件下電壓、電流的測量設備[1-2]。而Rogowski線圈是電子式電流互感器的重要組成部分，它的設計是互感器精確測量的基礎[3]。文中介紹了一種基于羅氏（Rogowski）線圈的電子式電流互感器的研制。

1 羅氏線圈測量原理

對于均勻密繞的矩形截面（形狀如圖2（a）所示）螺線環形螺線管羅氏線圈（匝數為N），其輸出為（理想情況下）

即輸出的感應電動勢正比與一次電流的微分 （為了得到與一次電流成正比的輸出，后面需接RC有源積分器，如圖1（c））[4]。但實際上由于羅氏線圈繞制不可能達到理想的均勻度，其輸出與理想值會有一定的偏差。當羅氏線圈的兩個出線端的距離很小時，一次電流產生的交變電場不會在羅氏線圈的輸出端產生附加電動勢。

2 羅氏線圈的計量誤差

2.1 繞制工藝誤差

A:羅氏線圈繞線非均勻：匝間留有調節間隙或繞線稀疏不均勻，會造成磁密并不完全垂直于每匝線圈截面而造成測量誤差。

B:羅氏線圈非整層繞制，使得外部干擾對羅氏線圈輸出影響較大，從而影響計量誤差。

目前的環形繞線機的繞制工藝要把羅氏線圈的計量誤差限制在0.5%以內是非常困難的。

圖1 無限長載流直導線產生的磁場和穿過矩形截面磁通Fig.1 The magnetic field generate by infinite long straight current-carrying wires and magnetic flux through the rectangular cross section

2.2 計算誤差

A:骨架材料的磁導率并非μ0造成的計算誤差，在羅氏線圈的輸出公式中骨架材料的磁導率按μ0計算，而實際的骨架材料的磁導率在1.0μ0~1.1μ0之間波動，從而引起計算值與實際值之間的誤差。

B:羅氏線圈輸出計算公式并未考慮各種變形誤差，而在繞制過程中，骨架上面墊的絕緣膠帶與繞線機繞線時對線的拉力的大小不同會產生不同的變形，同時內層漆包線也會在外層繞制時產生微小變形，而造成計算值與實際值的微小誤差。

2.3 澆鑄誤差

羅氏線圈繞線完畢后，外面還需要用皺紋紙及半導體紙進行包繞，然后在130°C下用環氧樹脂澆鑄，澆鑄過程中的高溫及壓力會造成漆包線變軟，甚至環氧樹脂借助壓力作用滲入繞線內空隙中，從而產生澆鑄誤差，澆鑄誤差一般在0.2~2%左右。

2.4 一次導線位置誤差

一次導線的不同放置位置（位于中心或偏心）會造成測量誤差，該誤差是由羅氏線圈的繞線不均勻造成的，誤差大小取決于一次導線的偏心度及繞線的均勻程度。

2.5 外部一次導線電流的磁場耦合干擾誤差

由于電力線為三相，其它兩相距離羅氏線圈測量相很近，其一次大電流產生的磁場會造成測量相的輸出產生誤差，該誤差由羅氏線圈的繞制工藝誤差產生（繞線非均勻或非整層繞制）。

2.6 其它誤差

羅氏線圈的使用溫度條件及外部高頻電磁場干擾也會造成羅氏線圈的輸出產生誤差。

3 減小羅氏線圈計量誤差的方法

3.1 提高羅氏線圈的繞制工藝水平

選用熟練的使用環形繞線機的技術工人，羅氏線圈繞制時采用整層密繞方式（不留調節間隙），通過大量的繞制比較及實測誤差比較，通過匝數調整的方法，可以將羅氏線圈的繞制誤差與計算誤差降低至最小。

3.2 減小澆鑄誤差

羅氏線圈繞成后，外層用半導體紙用力緊繞一層后，再用皺紋紙及白布帶用力密繞，增加繞制時的用力，將漆包線間的空隙充實，同時皺紋紙及白布帶可起到有效地阻止澆鑄時環氧樹脂顆粒進入的作用。

3.3 減小羅氏線圈過孔孔徑或在過孔中澆鑄一次銅排

減小羅氏線圈過孔孔徑可以有效地減小一次導線或銅排的偏心誤差，從而減小綜合誤差。

3.4 減小羅氏線圈骨架外環直徑

3.5 羅氏線圈的引出線采用屏蔽雙絞線或有線電視傳輸線

羅氏線圈的引出線采用屏蔽雙絞線，屏蔽雙絞線的屏蔽層（銅）可以有效的阻止外部高頻電磁場的干擾（利用渦流效應進行屏蔽），雙絞線可以減小傳輸中的電容效應，由于雙絞線所形成的環的面積很小，耦合工頻磁場在環內形成的感應電動勢很小，且各個環之間的產生的感應電動勢可以互相抵消，因此，可以把外部干擾減小到最小。

4 羅氏線圈制作

骨架材料：采用大理石、纖維、尼龍66、環氧樹脂、陶瓷等骨架材料，一般為環形骨架（如圖2（b）所示）。繞線：可采用線徑為0.17、0.2、0.3毫米等多種線規導線，這需根據骨架尺寸及輸出電壓要求及密繞要求來選擇[5]。繞制方法：采用環形繞線機均為密繞，不留調節間隙。注意：這是影響羅氏線圈精度的主要因素。半導體屏蔽層：羅氏線圈外層用半導體紙進行包括，以保持電場均勻，防止高壓時羅氏線圈內部出現局部放電現象。注意：半導體屏蔽層需外接屏蔽接地線。環氧樹脂澆鑄層：半導體屏蔽層外可用皺紋紙與布密繞，以防止澆鑄時環氧樹脂滲入導線間隙內，也可直接在半導體層外用環氧樹脂澆鑄。環氧樹脂澆鑄溫度在130度左右，澆鑄厚度在8～12 mm之間，真空澆鑄。帯傘裙的支撐架：考慮到電子互感器對爬電距離的要求，羅氏線圈環外需用帯傘裙的支撐架支撐，以保證一次導線與二次出線距離大于270 mm。

圖2 羅氏線圈的繞制Fig.2 Winding of Rogowski coil

5 采用羅氏線圈的電子式電流互感器設計

5.1 電子式電流互感器

由模擬積分器構成得電流互感器和采用DSP芯片的數字輸出電子式電流互感器如圖3、4所示。

圖4 采用DSP芯片的數字輸出電子式電流互感器Fig.4 Electronic current transducer Using DSP chip with digital output

5.2 羅氏線圈與電子式互感器的電子部分組合方式

對于35 kV電壓等級以下的電子式電流互感器，其組合方式有以下幾種：

1）模擬式積分器與羅氏線圈傳感頭一體化構成電子式電流互感器。

2）模擬式積分器與羅氏線圈傳感頭分開構成電子式電流互感器，中間采用屏蔽雙絞線或有線電視電纜連接（適用于開關柜）。

3）羅氏線圈傳感頭與數字式DSP電路分開，中間采用屏蔽雙絞線或有線電視電纜連接（也適用于開關柜）。

對于110 kV電壓等級以下的電子式電流互感器，其組合方式為：羅氏線圈傳感頭與DSP數字化部分一體化構成電子電流互感器，通過通信光纖以數字方式向合并器傳送電流信號，電子式互感器采用光纖激光供能[6]。

6 電子互感器測試項目與測試結果

1）絕緣耐壓：二次短路接大地，在一次與二次間施加高電壓（對于10 kV電子CT，施加電壓為42 kV，持續時間為1分鐘），觀察內外絕緣是否擊穿。對于環氧樹脂真空澆鑄，絕緣厚度在8～13 mm即能滿足要求。

2）局部放電測試：二次短路接大地，在一次與二次間施加高電壓，電壓達到42 kV的80%時保持1分鐘，再降到14.14 kV（對于10 kV電子CT）并保持1分鐘，觀察二次繞組內部及環氧樹脂澆鑄體內有無局部放電現象。

3）爬電距離：指一次出頭與二次出頭間的距離，對于10 kV電子CT，其爬電距離大于270 mm即可（可以用尺子量）。

4）動穩定測試：在一次短路情況下，一次短路電流為額定電流的2.55*75倍時（峰值），一次線間的短路力不能使一次繞組有明顯的變形及折斷現象，短路電流持續時間為1秒（武漢高壓所取一個波峰，80KVA進行測試）。

5）熱穩定測試：在一次短路情況下，一次短路電流為額定電流的75倍時，一次繞組的發熱不能使互感器局部出現燒毀現象。短路電流持續時間根據要求為1～4 s（武漢高壓所取 3 s，31.5 kVA 進行測試）。

6）誤差特性測試：由精度要求來決定。

7）雷電沖擊測試：施加75 kV（對于10 kV電子 CT）的雷電電壓（波頭為 1.2 μs，波尾為 50 μs），觀察互感器[7-8]絕緣是否損壞。

測試設備及測試現場如圖5所示。其中1、2、3與6為廠家出廠必作測試，其它為型式測試項目。其它傳統互感器測試項目：1）PT二次短路測試2）CT伏安特性測試，對于電子互感器不需要。

測試結果：所研制電子式電流互感器測量精度為0.5級，個別參數達到0.2級。

圖5 測試設備及測試現場Fig.5 The test equipment and test site

7 結 論

Rogowski線圈的設計師電子式電流互感器測量精度的關鍵，本文在考慮引起羅氏線圈計量誤差的各種原因的基礎上，綜合應用多種減小羅氏線圈計量誤差的方法，繞制了一種羅氏線圈。并利用該線圈設計出一種電子式電流互感器，經測試，其測量精度和性能穩定性都優于傳統的電流互感器，有著很好的應用前景。

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