一種基于Rogowski線圈的大電流傳感器

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)和電能計量中非常重要的裝置，是為電力系統(tǒng)的計量、繼電保護(hù)、控制與監(jiān)視系統(tǒng)提供輸入信號的重要元件。目前，電能計量中廣泛采用的是電磁式電流互感器。隨著對電能表質(zhì)量要求的提高，電磁式互感器磁芯飽和問題和測量誤差大以及微利時代價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)格型號繁多，而且一次引線和外殼加工工藝復(fù)雜，裝配費(fèi)時費(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量范圍大，且沒有磁飽和現(xiàn)象，使之能夠滿足測量大范圍電流的要求。 可以同時應(yīng)用于測量和繼電保護(hù)的場合，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。可測電流的頻帶寬，采用Rogowski 線圈互感器測量時，一般頻率范圍可以設(shè)計達(dá)到1～1MHz。由于在測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情況；柔性Rogowski 線圈具有測量范圍寬，精度高，穩(wěn)定可靠，響應(yīng)頻帶寬，同時具有測量和繼電保護(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，又叫電流測量線圈、微分電流傳感器， 是一個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)。通過采用一個專用的積分器將線圈輸出的電壓信號進(jìn)行積分可以得到另一個交流電壓信號，被測量電流信號的波形可以用電壓信號可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)。輸出信號是電流對時間的微分，輸入電流就可以真實還原。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，積分器電路實現(xiàn)過程中，器件的特性、理論與實際的差異等等會造成一定的相位誤差。

2 積分器的設(shè)計

圖1 是理想積分器的電路原理，由于運(yùn)算放大器難免會有一定的輸入失調(diào)電壓、這個輸入含有直流分量的失調(diào)電壓對電容進(jìn)行充電，不論失調(diào)電壓多小，時間長了，輸出電壓會達(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)一個電阻，也就是給電容一個放電回路，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，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量系統(tǒng)一個突出的特點。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，因為系統(tǒng)可以使用常見的基準(zhǔn)信號進(jìn)行測量，因為系統(tǒng)在整個量程范圍內(nèi)都是線性的，所以測量結(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，價格非常昂貴。

4 設(shè)計原則與實例分析

4.1 設(shè)計原則

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

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 實例分析

基于4.1 的設(shè)計原則，以及羅氏線圈的原理，我們用硅橡膠做骨架，設(shè)計了一種型號為SKRS-1000，可測量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：

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，并轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出；

2）采取電流檢測與變送輸出一體化結(jié)構(gòu)，無二次開路危險；

3）能測量非常大的電流而不飽和；

4）測量帶寬非常寬—1Hz ～1MHz；

5）能夠測量疊加在大直流電流上面的交流成分；

6）可測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比，以及設(shè)計實例的成功應(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咝阅埽?jīng)濟(jì)性邁進(jìn)，羅氏互感器的應(yīng)用將會越來越廣泛。

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