电流互感器传感头Rogowski线圈的研究与设计

1、2010年03月High Voltage Apparatus第46 卷M ar . 第20103期0引言Rogowski 线圈互感系数低的问题。笔者研制一种新型Rogowski 线圈，不仅很大程度上提高了互感系数，有效地解决了绝缘和电磁干扰问题，而且通过后续信号处理电路提高了测量精度。电流互感器是电力系统中电能计量与继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统可靠、安全、经济运行紧密相关。随着电力工业的飞速发展和电网电压等级的不断提高，对电压、电流的测量要求也不断提高，同时电力设备自动化、数字化的程度不断提高，基于光电技术的电子式电流互感器具有线性度好、输出信号可直接与数字化保护和测量设备接口

2、等优点而备受关注1，并被认为是目前应用于电力系统的电磁式电流互感器的理想替代品。在电力系统中用基于Rogowski 线圈的电子式电流互感器来测量电流，当被测电流较小（100A ）时，由于Rogowski 线圈没有铁心，互感系数很低，从中感应出的电压信号很微弱（约几毫伏到几十毫伏），极易受干扰而很难准确测量，所以用于小电流测量的Rogowski 线圈电流互感器的研制被公认为一大难题2。为了精确测量小电流，首先要解决1电子式电流互感器工作原理电子式电流互感器是通过Rogowski 线圈将一次高压侧电流感应为电压信号，然后对电压信号进行处理后转换成光信号，通过光纤传输到二次低压侧，在低压端做适当处理

3、后以模拟量和数字量两种形式输出，以便进行观测。笔者研究的电子式电流互感器具体工作原理见图1。2Rogowski 线圈电流测量原理Rogowski 线圈是将导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，让通有电流的导线垂直穿过线圈的中心，通过被测载流导体所产生的磁通的变化，能够感应出与被测电流大小成比例的电压信号的测量装置。其结构见图2。收稿日期：2009-09-08；修回日期：2009-12-23基金项目：河北省科技局科技攻关项目（062035161D-1）；唐山市科技局资助项目（63773707）；河北省教育厅自然科学基金项目（2006427）。作者简介：贾春荣（1977），女，硕士，讲师，研

4、究方向为光电检测及光纤传感。·16·Mar. 2010High Voltage Apparatus Vol.46No.3out （t ）图4Rogowski 线圈等效电路图图1Rogowski 线圈电子式电流互感器原理图工频电流过程中，相位差会造成线圈的输出电压与一次电流之间不是严格的微分关系，因此相位差非常关键。当线圈用于工频电流测量时，传递函数H （j ）为（4）00L 0C 0（R 0C 0）j （1）f f笔者设计的Rogowski 线圈工作在次级开路状态下，即R f ，则传递函数H （j ）为M j H （j ）L 0C 02R 0C 0j 1M j R 0C 0

5、+（1L 0C 02）（00）（00）则由此可得Rogowski 线圈产生的相位差为（5）arctanR C 21L 0C 0式（4）、（5）中，L 0、R 0、C 0为线圈的等效电感、电阻、电容。2H （j ）M j u （t ）i （t ）图2Rogowski 线圈的原理其测量电流的理论依据是电磁感应定律和安培环路定律。当被测电流i （t ）沿轴线通过线圈时，将会有与i （t ）成比例的感应电压u （t ）输出。目前应用于电流互感器的Rogowski 线圈主要有传统型、基于PCB 板的平板型和基于PCB 板的组合型3种型式3。该课题组为了精确测量小电流，在传统Rogowski 线圈的基础上

6、进行改进，提出一种新的设计方法，构图见图3。 3Rogowski 线圈的设计图3Rogowski 线圈结构示意图当被测电流i （t ）通过初级绕线时，由磁路安培定律，将在次级线圈感应出电压e （t ），e （t ）为（1）e （t ）d N N h ln b d i （t ）而e （t ）M ，则互感系数M 为d t（2）M N N h ln b对于正弦工频电流，Rogowski 线圈的输出电压方均根值E 为（3）E MI NRogowski 线圈等效电路见图44。对于特定的Rogowski 线圈，由于线圈参数的影响会产生一定的相位差。在利用Rogowski 线圈测量设计Rogowski 线圈

7、时，着重注意以下几个问题：互感系数M 足够大，提供的信号要超过可能存在的干扰；骨架截面做成矩形以便于加工；线圈绕成偶数层，并绕制与循行方向相反的“回线”，以抵消外磁场干扰；要考虑温度稳定性的需要。要增加线圈的互感系数，主要从以下两个方面入手5：增加线圈骨架的高度与厚度；多层绕制线圈。3.1骨架材料的选择当外界环境温度变化时，骨架、铜线的热胀冷缩效应导致线圈的参数发生变化，进而改变线圈的输出电压。实验证明，线圈灵敏度的温度依赖性与骨架材料的热膨胀系数紧密相关。综合考虑以往所采用的材料，笔者对可以采用的一些材料的热膨胀系数进行了对比，见表16。表1材料线胀系数橡胶不同材料的线胀系数酚醛层压板聚乙烯

8、陶瓷有机玻璃玻璃钢管×10-6/220.325601261601.07.70.78.4由表1可知，有机玻璃的线胀系数最小，陶瓷次之。但是综合考虑这两种材料，因为有机玻璃的电绝缘性能差，不适合用来做电绝缘的骨架材料，所以线圈采用陶瓷做骨架。在各种陶瓷中， 以氧化物陶瓷的第46卷第3 期·17·热胀系数最小。一些可用来做电介质材料的氧化物陶瓷性能指标见表27。表 2材料氧化锂瓷堇青石密度·/（g cm 3）40。考虑与前一级准确度为0.2级的电流互感器匹配，故取N 1=6，N 2=746。待选氧化物陶瓷的性能参数功率因子介电常数45.6实验结果吸水率线膨胀系

9、数安全工作/%×10-6/温度/2.340.01.010000.051.62.1 5.015.02.53.012500.0040.014.55.5由表2可知，所做骨架采用氧化锂瓷为宜。由于陶瓷材料脆性大，易碎裂，鉴于此缺点，所采用的氧化锂瓷要通过纤维增韧来改善其脆性、增加其韧性。3.2绕线材料的选择绕线材料采用漆包铜圆线，目前用在电力系统线圈中的各种漆包线主要性能见表37。表3漆包线种类缩醛漆包线聚酯漆包线聚酯亚胺漆包线耐制冷剂漆包线由式（2）得，线圈的互感系数M =7.958328H 。利用WYP-4型音频稳压电源产生标准工频正弦电流对手工绕制的线圈进行测试，其线性度测试结果见图5

10、。感应电势/m V待选漆包线的性能参数图5被测电流/A耐温击穿介质损耗软化击耐刮性弹性热冲击等级/电压正切角穿温度线圈线性度120130180105优良良优优良优优良优优优好好可优良好优可良良-经过以上对比，线圈的初级绕线采用聚酯漆包线。考虑到线圈的耐压击穿能力和初级线的载流能力，初级绕线采用直径为1.8mm 的2级线。为了尽量减少外界磁场对线圈的干扰，次级线圈采用直径为0.2mm 的2级无磁性聚氨酯漆包铜圆线。3.3线圈的制作该课题组制做的Rogowski 线圈一次额定电流为5A ，二次额定电压为0.5V ，一次电流过载倍数为20。由于Rogowski 线圈的输出信号很微弱，所以在线圈输出端

11、加入放大倍数为40的放大电路。线圈的制法为在陶瓷骨架上均匀刻录6条绕行沟槽，将初级绕线绕制其中。然后在此基础上均匀密绕次级绕线。次级绕线要绕制两层，第1层密绕，第2层均匀绕制，而且要在线圈骨架上绕制一圈与线圈的巡回方向相反的回线，起到“返回匝”的作用，以消除外磁场干扰8。此外线圈必须采取严格的屏蔽措施。笔者所做的线圈在测量过程中要放在屏蔽罩中。屏蔽罩采用锡箔制成，并且要做成开口，使高频的干扰波在屏蔽罩的环流中由于阻抗过大而被衰减掉。根据制作经验，线圈骨架尺寸为准65.5/准81.8×表4I /A常温手工绕制的Rogowski 线圈经测试各参数值为：R 0=50.7，L 0=1252.

12、4H ，C 0=20pF 。则根据式（5）计算可知，其相位差极小。利用示波器显示线圈输入50Hz 正弦交流电流和感应电势的波形见图6，其中上边波形是输入到线圈的被测电流波形，下边为线圈感应电势经过放大40倍后经过积分器、滤波器的输出波形。图6被测电流与感应电压波形为了进一步测试线圈的精度，在线圈的输出端加上后续信号处理电路9，对感应电压进行处理，然后对IEC 60044-82002标准规定的电子式电流互感器测试点即室温、-40及70进行试验。在试验过程中主要采用的装置有：光标式0.1级高精度电流表；WYP-4型正弦交流发生器；TDS2002数字示波器；GH4182工频相位计；SDB-1型6位半

13、电压表；环境温度控制装置：西门子冰柜（自动数字显示温度，可实现-40的测试环境）、电热箱（数字显示温度可实现70的测试环境）。经过试验可得试验结果见表4、5。E 02/mV70/25100500600常温常温、40、70时比差试验数据E 01/mV/%70/24.81599.670499.060常温常温U 0/mV70/0.251.005.006.00常温40/0.251.005.006.0040/0.6232.49812.49015.01070/0.6232.49812.49015.01040/2510050060040/24.8299.65499.0940/-0.720-0.350-0.1

14、820.25070/-0.740-0.330-0.1880.1900.251.005.006.000.6222.49812.49015.0102510050060024.8099.68499.10601.12-0.73-0.32-0.180.19601. 52601.130注：U 0为线圈输出的电压值；E 01为输出电压理论值；E 02为信号处理系统实际输出电压值。（下转第22页）·22·Mar. 2010High Voltage Apparatus Vol.46No.3零原理的真空直流断路器的高速操动机构进行了研究。建立了电磁斥力机构的动态仿真模型，对电磁斥力机构进行了动

15、态的仿真分析，根据仿真的结果制作了实验样机并进行了实验。通过仿真和实验结果的对比分析验证了文中电磁斥力机构动态仿真方法的正确性，为进一步开发真空直流断路器奠定了基础。452000，The Third International ，2000：235-240.张自麟. 直流断路器脱扣器电动斥力机构推斥力分析与计算J.船电技术，2001(1：38-40.HOLAUS W ，FROHLICH K.Ultra -fast Switches -A New Ele -ment for Medium Voltage Fault Current Limiting Switchgear J.PowerEngine

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