新型Rogowski线圈分裂铁芯电流传感器：RT系列

1、新型 Rogowski 线圈分裂铁芯电流传感器：RT 系列测与标准TestandStandard新型Rogowski线圈分裂铁芯电流传感器：RT系列ANewClassofRogowskiCoilSplit coreCurrentTransducers：theRTSeriesPierreTURPIN,LEMPierreTURPIN,LEM摘要：为满足工业或高负荷用电领域的测量需求 ,需要高达 2000A 的量 程丄EM开发出了适用于这些EMN装置的RT系列Rogowski 线圈电流传感器 .本文详细介绍了该传感器的原理 ,性能,以 及 Rogowski 线圈积分器的设计 .关键词:电流传感器RT

2、系列Rogowski线圈积分器Abstract：Inordertomeetthemeasurementrequirementsinindustrialorhigh l oadpowerconsumptionfield,ahighspan suchas2000Aisnecessary.LEMproducesRTseriesRogowskicoilcurrentsens orwhichcanapplytotheseEMN apparatuses.Thearticleexplainsindetailtheprinciple,functionofthesensoran dalsothedesignof

3、Rogowskicoilintegraph.Keywords:Currentsensor,RTSeries,Rogowskicoil,Integraph【 中 图 分 类 号 】 TM774 【 文 献 标 识 码 】 A 文 章 编 号:15610349(2010)090048051 引言 监测用电量已经成为工业和商业领域内管理电力装置的 关键要素,例如制造厂,数据中心,食品加工业 ,零售业, 医疗或教育机构 .LEM 在 3 年前向市场推出了 WiLEM 系 统,该系统采用无线辅助计量组件 EMN, 等间隔动态测量用 电情况(照明,HVAC,电机，加热设备等)当初，看来 其测量范围足够宽，

4、计量范围达100A.然而很快就发现,这 个测量范围远远不能满足工业或高负荷用电领域的测量需 求,能量监测通常从测量能量输入端的总消耗着手 ,这就需 要高达 2000A 的量程,而当初开发时忽略了这一点 .因而, LEM 开发出了适用于这些 EMN 装置的 RT 系列电流传感器 . 这种传感器在安装灵活性方面 ,与较低测量范围的开口铁芯 48ITheWorldofPowerSupplySep2010 电流互感器相当 ,但是测量精度却能达到辅助计量领域需要 的 1 级精度 .Rogowski 线圈很久以前就因安装方便而闻名 , 只要克服了它的主要缺陷一一对环路内导体位置的敏感性所 导致的误差 ,它

5、就能提供合适的解决方案 .图 1RT 系列 Rogowski 线圈电流传感器测试与标隹2RogowsKi 线圈的原理首先简单说明 Rogowski 线圈的原理 ( “DieMessungder magnetischenSpannung ” ,ArchivftirElektrotechnik, 1912.Rogowski 线圈是一种自闭式线圈绕组 ,和任何螺旋 形电流互感器一样缠绕在待测导体上 ,唯一且重要的区别是 它没有磁芯 .这种线圈仍然采用了安培定律 ,不过方程式略 有不同 ,因为我们发现传感器输出端的电压并不是与初级电 流成正比 ,而是与它的导数成正比 :=di/dt.M 是初级 导体与

6、线圈之间的互感系数 ,在某种程度上体现了初级和次 级环路之间的耦合情况 .基于这个原理获取良好精度的难度 在于 ,该方程式的简化解析表达式假定线圈绝对对称 (M 必须 恒定 ).而实际上这种情况绝无可能 ,我们将通过分析导致 成为变量的 3 个关键因素进行说明 .(1) 匝数密度 线圈绕组必须绝对均匀以确保绕组密度完全一致 .匝数 不等距导致结构不对称 ,即导致互感系数随初级导体位置 的变化而变化 .这样就产生了源于待测电缆或母线位置的实 际误差 ,对于匝数密度不同于平均分布值的线圈段 ,导体与 其距离越小 ,这种误差就越大 .(2) 线圈横截面 与匝数密度一样 ,如果缠绕在导体上的整个线圈横

7、截面 不一致,则互感系数 M 也将不恒定 ,导体位置变化同样会产 生误差.同样,在这种情况下 ,对于横截面明显不同于平均 分布值的线圈段 ,导体与其距离越小 ,这种误差就越大 .(3) 线圈卡环柔性 Rogowski 线圈的主要优势是 ,能提供无需电气连 接的末端 ,反馈信号通过线圈内回绕的金属丝传回 .而这正 是线圈绕组内不连续所致的不对称的主要原因 ,进而影响匝 数密度 ,因为理论上需要线圈绝对连续和均质 .这是尤为关 键的因素 ,产生的误差也最大 .截至目前 ,Rogowski 线圈提供的最佳位置误差为 2%. 除此以外 ,在大多数情况下还存在局限性 ,它不包括环路内 某些区域的导体 ,

8、尤其是卡环前端闭合处 .实际上这可能非 常致命 ,它导致卡环前端附近的误差约达 6%.因此 ,很容易 理解能源计量设备制造商总是避免采用这种技术 .然而 , LEM 认识到这种技术对于能源测量的可用价值 ,但是关键取 决于他们是否能制造出最低位置误差小于 0.75%的线圈 .事 实上,要开发出 1级能量计 ,就得实现整个测量链的整体精度 高于 1%,测量链包括电流传感器 ,电压传感器及信号处理 . 3LEM 面临的挑战近 IO0 年来一直寻求基于电气或机械理念的多重解决方图 2 环路内导体位置导致的测量误差 : 传统 Rogowski 线圈与 LEMRT 比较案,用以解决 Rogowski 线

9、圈电流传感器的主要问题 ,即不 完善的传感器闭合所导致的误差 ,尽管成效非常有限 .LEM 决定更深入地重新探讨这个原理 ,以便更好地理解这些尝试 的失败原因 .我们采用了最新的方法完全成功 ,线圈卡环导 致的误差已经变得几乎可以忽略不计 .这个科学理念在 2007 年申请了专利 .图 3 传感器头卡环采用新型 ”磁套筒 ”(1) 隐藏挑战当分裂铁芯 RogOWski 线圈的主要问题最终得到解决 时,其他问题又浮出水面 .以前与线圈卡环系统设计有关的 误差占据如此重要的地位 ,以至于在某种程度上掩盖了其他 不对称原因 .LEM 继续努力工作以改善这种电流传感器 ,经 过整整 2年的开发 ,已经

10、能够开发显着减小对称缺陷的工艺 和方法.(2) 结果对比图 4 将 LEM 的分裂铁芯 Rogowski 线圈与市面上其他基于 这种技术的产品的精度进行了对比 ,从中可以看出 LEM 在这 方面已经取得的进步 .如今确定 ,对于 15mm 直径的导体 ,无论导体位置如 何,即使它位于线圈卡环附近 ,其位置导致的误差也不会超 过测量值的 0.65%.为了更好地评定取得的结果 ,图 5显示了 210件 RTRogowski 线圈样品的最大误差值 .对于新型 LEM 传感器 , 常规位置误差值为测量值的 0.31%.电源世界 2010/09I49测 l 试【与 i 标准“-1ostandStanda

11、rd3S3O25裁 2o5Otcaus原因图 4 环路内导体位置导致的测量误差 :新型 LEMRT 传感器与传统 Rogowski 线圈对比210 件样懿误差分布涸最大确定误差【 %】l位置导致的最大误差【 %】图 5210件 RT 传感器样品的最大位置误差分布图4RogowsKi 线圈传感器的性能外部导体通常用待测导体位置误差来表示 Rogowski线圈的性能，但是好的传感器必须还保持不受附近所有其他外部导体的干 扰.当两种特性之间存在一定关系时 ,对于这两种特性来 说,都是环路越完善越好 .这是符合安培定律的结果 ,与任 何形式的不对称相关的任何误差都会在环路内部和外部产生 影响.例如,我

12、们取一个施加有 100A 电流的导体 ,将该导体 放置在 Rogowski 线圈内,使其与一段产生 +0.5%的误差的环 路接触这样得到的测量结果为100.5A.让同一导体接触同段环路，但是在环路外，同样会产生0.5A的误差，但是不 会叠加到环路内测得的电流上 ,这是因为外部磁场抗扰 . （2）绝对精度通常,Rogowski线圈传感器的绝对精度低，因为它们的增益 （用专用术语 M 表示）取决于大规模生产过程中难以 控制的物理参数 .简而言之 ,试图制造增益色散小于几个百 分点（比方说 2%一 5%,具体取决于采用的技术 ）的传感器 是不现实的 .这就意味着 ,设计的线圈绕线机的节距必须被 控制

13、在微米级精度 ,并能产生同等精度的线圈底座 .因此, 习惯上将 Rogowski 线圈连接到有源或无源电路 ,这样它就 能得到校准 ,从而获得良好的绝对精度 .50ITheWorldofPowerSupplySep2010 另一方面 ,必须确保传感器特性的杰出稳定性 ,尤其是 温度方面 ,以防任何不得不通过再校准对使用条件改变进行 补偿来得到校正的漂移 例如丄EM的RT系列在这方面的 卓越性已经得到验证，为30ppm/C .(3) 没有测量限制当确定测量系统时 ,常常出现这样一个问题 :如果电流 超过其标称值 ,则传感器会饱和吗 ?当然 ,当采用 ROgOWSki 线圈时 ,这个问题的答案是

14、”不”因,为这种线 圈没有磁芯 ,因此不会饱和 .理论上,可测电流没有限制 ! 实际上 ,闭合环路的直径决定了电流的标称值 ,与测量范围 无关，与初级导体的规格相关在di/dt(脉冲)高的特定 情况下 ,电流限值由线圈末端产生的电压确定 .(4) 线性度 当然,对于打算用于精确测量的传感器来说 ,线性度很 重要.同样,因为 Rogowski 线圈不存在饱和 ,因此线性度 不可能不足 ,因为这种线圈在这方面具有先天优势 .如果仍 然发现线性度不足 ,则必须质疑测量方法是否正确以及是否 是 Rogowski 线圈 .(5) 相移相移是能源测量领域极其重要的参数 ,利用电流及电压 测量结果计算得出

15、.与饱和度和线性度方面的表现一样 , Rogowski 线圈在相位方面的表现同样出色 ,也就是它不会 导致相移 .然而 ,值得记住的是 ,它一定与自身会产生相移 的放大级（下文标题”积分器”所述）相关.综上所述 ,没有连 接线圈时 ,相位误差本质为零 ,但连接负载后就能达到较高 值.不过 ,这种误差能够通过等效 RLC 电路计算或模拟轻松 量化 ,以及通过特别方法得到补偿 .5LEM 的选择如今,Rogowski线圈传感器完全可与能源测量领域内最 好的电流强度互感器抗衡 .LEM 需要最大程度地挖掘这种技 术的性能 ,它们在测量大电流时能够创造净利润 ,即重量, 整体尺寸 ,灵活性和易管理性

16、,这一点变得非常明显 .5mm 的横截面几乎可被列为 ”常规 ”尺寸 ,当测量这种横截面 时,RT系列传感器是市面上最轻薄的 Rogowski线圈传感 器.线圈卡环装置 （获得专利）也非常小巧 （28x30x16ram）, 它能将环路可靠连接到其同轴信号电缆上 .这里,同轴电缆 直接与线圈的小截面相连 .实际上,因为增益与横截面成正 比,所以,精密线圈产生的电压很小 ,通过开始消除环路与 放大级之间的干扰来控制信噪比 ,这种方式是适宜的 .为了保证RT线圈在时间与温度方面的稳定性，采用测试与标隹图6EMN能量计安装电气柜内配有 3个RTRogowski线圈LEM开发的新颖工艺将线圈整合到 PU

17、树脂内这种缠绕技术还有助于稳固维持不同部分以及提供装配稳固性,而这是难以安装的场合所需的 .6RogowsKi 线圈积分器设计Rogowski 线圈提供的电压与其端子上产生的初级电流 的导数成正比 .因此 ,必须利用电子积分器将这种信号转换 为与初级电流值成正比的信号 .积分器是采用 ROgOWSki 线圈进行电流测量的基本组 件,放大级的放大方式对传感器的电气性能 (线性度 ,相移 和频率带宽 )有重大影响 .下文列出了 此类积分器的各种关 键因素以及一些可能的解决方案 .(1) 非常低的信号电平 (例如 20mV/kA,LEM 的 RTOdB3dB(a)【Hz】(b)图7(a)线圈+积分器

18、的典型频率响应；(b)线圈十积分器的典型阶跃响应TestandStandard系列传感器 ) 推荐采用非常低的噪音 OpAmp 以优化信噪比 . 必须设法使PCB表面积最小，或尽可能屏蔽放大级 以降低对外部磁场的敏感度 .(2) 低截止频率当积分器连接 lRogowski 线圈时 ,这二者就组成了高 通滤波器 .由于它抑制非常低的频率 ,因此,必须定义截止 频率,以便优化标称工作频率下的性能 ,同时仍然获取尽可 能短的响应时间 .(3)失调抑制纯积分器的主要问题在于 ,它会对最微弱的寄生失调(例lAmpOp导致的)积分，这样输出就总是不稳定，迟 早漂移到较高或较低电平处饱和 .因此,必须采用静

19、态增益 或有源补偿级限制这种漂移 .(4) 总失调抑制可以完全消除剩余失调 ,只需在积分器与测量级之间添(a)(b)(c)图 8 纯积分器的主要问题与解决方案 :(a)OpAmp 输出饱和信号变形；(b)采用静态增益，输出失调高,可调低输出信号，动态；(c)有源补偿级限制，输出失调低， 经过优化的输出信号 ,动态.电源世界 2010/09l51测试与 i 标 ;准TestandStandard 加一个电容耦合装置 .(5) 相移 上文讲述的失调抑制电路会产生几度的相位角误差 ,这 成了能量测量的主要问题 .因此 ,在这种应用场合 ,必须添 加相移补偿级 ,它通常包含一个低通滤波器 .不幸的是

20、,这 种校正并不恒定 ,而是受频率影响 ,这就意味着必须优化设 计以尽可能降低基频相位差 ,基频一般为 162/3,50,60Il 鼍一 ,l?I母一 +,图 9 完全消除剩余失调 :添加电容耦合装置图 10 添加相移补偿级 : 低通滤波器或 400Hz.(6) 有源增益调节校准Rogowski 线圈需要根据基准信号校准 ,以便对其增益 进行微调 .因为制造过程存在不可避免的缺陷,从而导致线圈结构不可能完全精确 .一般而言 ,工程师采用附加有模拟装置的积分级 ,例如电位计 .最新的数字校准解决方案与采用微控制器或结合采用微控制器与PGA（可编程增益放大器图 11 相移校正器范例 ,频带 50/60Hz器 ） 的方案差不多 .在任何情况下 ,每副 Rogowski 线圈的 校准都是特定的 ,必须始终采用以前校准采用的同一电路 .（7）无源增益调节校准纵观过去 ,Rogowski 线圈总是仅仅用于电流有效值（rms）测量,没有相位限制.许多环路都提供了基于纯电阻或电阻/电容电路（尺 c电路）的出厂校准这种方法一向 简单,经济,但是不能用于能量测量 ,因为它产生的相位误 差非常大，同时它可能受频率影响（如果采用