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电流互感器传感头Rogowski线圈的研究与设计

第46

卷第3期

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，研究方向为光电检测及光纤传感。

0引言

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

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。

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。

第46卷第3期2010年03月

Vol.46No.3M ar .2010High Voltage Apparatus

Mar.2010High Voltage Apparatus Vol.46No.3

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 线圈的基础上进行改进，提出一种新的设计方法，构图见图3。

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e （t ）＝－d Φd t ＝－μ0N 1N 2h 2πln b a d i （t ）

d t

（1）而e （t ）＝－M d i d t

，则互感系数M 为

M ＝μ0N 1N 22πh ln b

（2）对于正弦工频电流，Rogowski 线圈的输出电压方均根值E 为

E ＝ωMI N

（3）Rogowski 线圈等效电路见图4[4]。

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

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 ω）为H （j ω）＝

M j ω

－L 0C 0ω2

＋（L 0f ＋R 0C 0）j ω＋（R 0

＋1）

（4）

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 ω）为

H （j ω）＝M j ω－L 0C 0ω2＋R 0C 0j ω＋1

＝

M j ω［R 0C 0ω+（1－L 0C 0ω2）］（00）（00）则由此可得Rogowski 线圈产生的相位差θ为

θ＝arctan R 0C 0ω1－L 0C 0ω

（5）式（4）、（5）中，L 0、R 0、C 0为线圈的等效电感、电阻、电容。

3Rogowski 线圈的设计

设计Rogowski 线圈时，着重注意以下几个问题：①互感系数M 足够大，提供的信号要超过可能存在的干扰；②骨架截面做成矩形以便于加工；③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；④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]：①增加线圈骨架的高度与厚度；②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1[6]。

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

图1

Rogowski 线圈电子式电流互感器原理图

图2Rogowski 线圈的原理

u （t ）

i （t

）

图3

Rogowski 线圈结构示意图

图4Rogowski 线圈等效电路图

out （t ）

表1

不同材料的线胀系数

材料橡胶

酚醛层压板

聚乙烯

陶瓷

有机玻璃

玻璃钢管

线胀系数

α×10-6/℃

220.325～60126～160 1.0～7.70.78.4

16··

第46卷第3

期

表4

常温、－40、70℃时比差试验数据

I /A

U 0/mV

E 01/mV

E 02/mV

ε/%

1.00 1.00 1.005.00 5.00 5.006.00

6.00

2.498 2.498 2.49810010010099.6899.6599.670-0.32-0.350-0.33012.49012.49012.490500500500499.10499.09

499.060

-0.18-0.182-0.18815.010

15.010

600

601.12

601.52601.130

0.19

0.250

0.190

0.250.250.250.6220.6230.62325252524.8024.8224.815-0.73-0.720-0.740常温

－40/℃70/℃常温

－40/℃70/℃

表2

待选氧化物陶瓷的性能参数

材料密度/（g ·cm －3）

吸水率/%线膨胀系数α×10-6/℃安全工作温度/℃

功率因子

介电常数

氧化锂瓷 2.340.0 1.010000.05

5.6

堇青石

1.6～

2.1

5.0～15.0 2.5～3.012500.004～0.014.5～5.5

表3

待选漆包线的性能参数

漆包线种类耐温等级/℃耐刮性弹性击穿电压介质损耗正切角软化击

穿温度

热冲击

缩醛漆包线120优优良好可优聚酯漆包线130良良优好

优可聚酯亚胺漆包线180良优优-良良耐制冷剂漆包线

105

优

好

良

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。

图6被测电流与感应电压波形

感应电势/m V

被测电流/A

图5

线圈线性度

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2[7]。

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3[7]。

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×

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。

实验结果

由式（2）得，线圈的互感系数M =7.958328μH 。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。

手工绕制的Rogowski 线圈经测试各参数值为：R 0=50.7Ω，L 0=1252.4μH ，C 0=20pF 。则根据式（5）计算可知，其相位差θ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。

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 60044-8—2002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。

（下转第22页）

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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。

参考文献：

[1]张

悦.基于人工过零法真空直流开断的实验研究[D].西安交通大学，2006.

[2]

JUNGBLUT R ，SITTIG R.Hybrid High -Speed DC Circuit

Breaker Using a Charge -Storage Diode[C]//Industrial and Com -mercial Power Systems Technical Conference ，1998:95-99.[3]

TAKEDA M ，YAMAMOTO H ，HOSOKAWA Y ，et al .A Low Loss Solid -state Transfer Switch Using Hybrid Switch Devices [C]//Power Electronics and Motion Control Conference ，IPEMC

2000，The Third International ，2000：235-240.

[4]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.

[5]

HOLAUS W ，FROHLICH K.Ultra -fast Switches -A New Ele -ment for Medium Voltage Fault Current Limiting Switchgear [J].Power Engineering Society Winter Meeting ，2002，1(27-31):299-304.[6]李庆民，刘卫东，徐国政，等.高压快速转换开关的研制[J].高压电器，2003，39（6）：6-7.

[7]董恩源.基于电子操动的直流快速断路器的研究[M].大连理工大学博士学位论文，2005.

[8]

MEYER J M ，RUFER A.A DC Hybrid Circuit Breaker With Ultra -Fast Contact Opening and Integrated Gate -Commutated Thyristors (IGCTs)[J].IEEE Transactions on Power Delivery ，2006，21(2)：646-651.

[9]

李博.高速斥力机构及故障电流快速监控装置的研究[D].辽

宁：大连理工大学硕士学位论文，2006.

表5

常温、－40、70℃时相位差试验数据

I /A

θ/（°）

1.00 1.00 1.005.00 5.00 5.006.00

6.00

0.250.250.25常温

－40/℃70/℃常温

－40/℃70/℃29.129.329.514.714.814.99.79.89.89.7

9.8

9.9

由以上试验结果可知，在国标规定的测试范围内测试值满足0.2级标准。

结语

介绍了用于小电流测量的Rogowski 线圈的研制，并且给出了额定电流为5A 的线圈测量实验数据。结果证明其测量精度很高，线性度很好，而且线圈所产生的相位差非常小，测量工频电流时完全可以满足国标0.2级标准。

参考文献：

[1]

罗苏南，田朝勃，赵希才.空心线圈电流互感器性能分析[J].中国电机工程学报，2004，24（3）:108-113.

[2]

RAW W F.The Use of Rogowski Coils for Low Amplitude Current Waveform Measurement[J].IEE ，Colloquium ，Measurement Technique for Power Electronics ，University of Birmingham ，1992，22（12）：4-14.[3]陈

庆，李红斌，张明明，等.3种Rogowski 线圈的设计及其性能分析[J].仪表技术与传感器，2005（7）：54-58.

[4]金涌涛，刘会金，熊玲玲.Rogowski 线圈频率特性分析及拓宽频带方法[J].电测与仪表，2003，40（9）：12-16.

[5]廖京生，郭晓华，朱明均，等.用于小电流测量的Rogowski 线圈电流互感器[J].电力系统自动化，2003，27（2）：56-59.

[6]《电工材料应用手册》编委会.电工材料应用手册[K].北京：机械工业出版社，1999.

[7]金志浩.工程陶瓷材料[M].西安：西安交通大学出版社，2000.[8]郭晓华，朱明钧，徐

雁，等.Rogowski 线圈工业化应用中若干

问题的探讨[J].高电压技术，2003，29（3）：16-18.

[9]邸志刚，张庆凌，贾春荣，等.电子式电流互感器传感头的相位差研究[J].高压电器，2007，43（5）：346-353.

（上接第17页）

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