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科学技术创新基于罗氏线圈的微功耗高精度电流传感器设计崔瑞(上海泰锦医疗科技有限公司,上海201203)1概述1.1技术背景一般情况下,高压线缆井各线缆接头的状态参数———电流,需要检修人员固定周期内带着检测设备下井检测,线缆井通道距离较长、环境复杂、井下空气质量较差,在时间、成本和安全性上来讲都有很大风险,且实时性也不太好。
随着物联网技术的普及和应用,电力行业各种设备在线实时监测需求越来越迫切,特别是电力线缆井的高压线缆监测给电力运维人员带来了很大的工作量。
运用物联网技术可以将高压线缆井的电流参数等传至后台,如数据异常便开启报警机制,通知相关人员整修并维护,提高运维工作的检修周期。
1.2国内外研究现状当前市面上做电流检测的主流采用罗氏线圈来进行检测。
相对于传统的磁感应设备,罗氏线圈的线性度和一致性要好许多,这对后续算法实现以及量产的可靠精度非常有益。
R ogows ki 和其同伴W .St ei nhaus 在1912年发表了一篇《The M eas ur em ent of M agnet M ot i ve For ce 》的论文,论文中详细阐述了提出了罗氏线圈的工作原理。
1966年,西德科学家H eum am n 对罗氏线圈的结构进行优化,提高了测量准确度,快速的推动了罗氏线圈的产业化应用。
21世纪以来,美国科学家Lj .A.K oj ovi c 在新型罗氏线圈结构设计做了大量前沿性的工作,为罗氏线圈的产业化奠定了坚实的基础。
从20世纪开始,国内很多学着和大学也已经开始对罗氏线圈进行研究,希望能将罗氏线圈应用到实际的科研与产业中,以解决现实中存在的问题。
如揭秉信教授编写的《大电流测量》对不同积分形式的罗氏线圈测量脉冲大电流时候的频率特性和工作状态进行研究。
现在罗氏线圈的应用在实际产业中得到了应用和提高。
很多高校和公司对罗氏线圈的应用做专门的改进和提高,特别是在小电流测量、结构参数电磁参数、仿真分析与补偿、传输线路的抗干扰等方面,并对罗氏线圈的优化设计方面进行了探索论。
罗氏线圈电流传感检测技术研究概况重点广西轻工业GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 机械与电气2011年2月第2期(总第147期1引言近年来,伴随现代高压、超高压输电网络的建设,电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展[1],这就对电流测量装置提出了更高的要求。
传统的电流测量装置因其主要采用带有铁心的电磁式电流互感器,不仅体积大、频带窄、防爆绝缘困难,且在大电流下铁心磁路易饱和,对测量结果产生较大的误差。
因而,其难以满足电力系统发展的要求,必须寻求基于其他传感机理的电流测量装置来取代之。
Rogowski 线圈(以下简称罗氏线圈电流互感器作为电子式电流互感器的一种,具有测量范围宽、测量精度高、无磁饱和、频带范围宽、体积小、易于数字量输出等一系列优点。
目前,基于罗氏线圈电流互感器的研究与应用已成为新世纪互感器发展的重要方向之一,在电力系统中具有广阔的应用前景。
2罗氏线圈工作原理罗氏线圈也称磁位计,它的产生和应用源于1912年[2]。
它是一种将导线(漆包线均匀绕制在非磁性环形骨架上的空心线圈,其结构原理图如图1所示。
测量时,将载流导线从线圈中心穿过,被测电流不须与罗氏线圈直接接触。
根据安培环路定律和电磁感应定律,磁场将在线圈的两端产生一个感应电动势,其值的大小正比于被测电流对时间的微分。
图1罗氏线圈工作原理图当线圈均匀绕制,且满足线匝截面积处处相等,截面各点磁感应强度相同的情况下,线圈产生的感应电动势e(t[3]为:上式中:,为线圈与载流导线之间互感的理论计算值。
μ=4π×10-7H/m为真空磁导率,;N为绕组匝数; h/m表示线圈骨架高度,a/m表示骨架外径;b/m表示骨架内径;i1/A表示载流导线中的电流大小。
3罗氏线圈研究现状罗氏线圈最初是用来测量磁场的,由于那时罗氏线圈的输出电压还不足以驱动当时的计量与保护设备,它的应用受到了一定限制。
伴随现代通讯传感技术的飞速发展以及数字信号处理技术的广泛应用,罗氏线圈的应用范围也越来越广,是电磁式电流传感器的一种很好的替代品。
基于PCB罗氏线圈的SiCPCB罗氏线圈是一种广泛应用于电子设备中的关键元件，其作用是捕获和测量磁场的变化。
而SiC（Silicon Carbide）作为一种新型材料，具有高耐压、高频率、低损耗等优点，在PCB罗氏线圈中发挥着重要的作用。
本文将详细介绍PCB罗氏线圈的工作原理，以及如何利用SiC进行优化设计，并分析其在工业和消费电子领域的应用场景。
PCB罗氏线圈是基于罗氏效应（Rogowski effect）原理工作的。
罗氏效应是指当一个导线穿过磁场时，导线中会产生感应电流，该电流的大小与磁场的变化率成正比。
PCB罗氏线圈利用这一原理，通过测量导线中电流的变化来测量磁场的变化。
在PCB罗氏线圈中，SiC的主要作用是提高线圈的频率响应。
SiC具有高频率、低损耗的特性，可以降低线圈的电阻和电感，从而提高线圈的响应速度。
SiC还具有高温稳定性，可以在高温环境下稳定工作，提高线圈的使用范围。
PCB罗氏线圈的设计主要涉及线圈的焊接和组装工艺，以及SiC的选择和配置方法。
在焊接和组装过程中，需要保证线圈的精度和稳定性，以确保线圈的测量准确度。
同时，需要选择具有高频率、低损耗的SiC材料，以优化线圈的性能。
在配置方面，需要根据实际应用需求，确定SiC材料在线圈中的位置和数量，以实现最优化的性能。
PCB罗氏线圈在工业和消费电子领域均有广泛的应用。
在工业领域，PCB罗氏线圈可用于电力系统中磁场变化的测量和保护，也可以用于电机、发电机等设备的监测和控制。
在消费电子领域，PCB罗氏线圈可用于磁卡、磁带等磁性媒体的读取和写入，也可以用于智能家居、物联网等新兴技术的磁场传感和信号处理。
SiC在PCB罗氏线圈中的应用主要表现在提高线圈的性能方面。
利用SiC的高频特性，可以优化线圈的频率响应，提高测量速度和精度。
同时，SiC的高温稳定性使得线圈可以在更广泛的环境中稳定工作，提高了线圈的可靠性和稳定性。
然而，SiC的成本较高，可能会增加PCB罗氏线圈的整体制造成本。
本科毕业设计（论文）罗氏线圈的仿真研究2012年6月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：燕山大学毕业设计任务书摘要摘要电流互感器作为电力系统中的重要设备，对电力系统的正常运行和精确计量起着十分重要的作用。
随着国民经济的发展，各种供电电压等级不断出现，对电力系统的测量和保护准确度要求不断提高。
传统的电流互感器已经不能满足电力系统的高要求。
而Rogowski线圈结构简单、测量精度高、线性度好，在一定条件下Rogowski线圈可以作为电流互感器的替代品。
本文分析了Rogowski线圈结构参数（如线圈宽度、厚度和中心半径）和电磁参数（如线圈自感、互感和内阻）之间的关系以及它们对线圈动态特性的影响。
分析了罗氏线圈结构尺寸与电气参数的关系，建立了线圈的数学模型。
研究了三种不同截面形状（矩形、圆形、和跑道形）的Rogowski线圈，针对不同截面形状的线圈建立了不同的数学模型，利用Matlab软件和等值电路对Rogowski线圈进行了仿真研究。
通过比较分析提出了有关优选Rogowski线圈电磁和结构的方法，对于快速设计具有合理结构、最优电磁参数和良好动态特性的Rogowski线圈具有理论指导作用。
罗科夫斯基线圈在电力系统中的应用摘要：在现代电力系统中，传统的电磁式电流测量装置，因其结构上得缺点无法满足目前电力系统发展要求。
而罗科夫斯基线圈与其相比具有显著的优点，本文介绍了几种罗科夫斯基的应用，并进行了简单的诉述。
目前罗科夫斯基线圈电流互感器研究与应用已成为新世纪互感器发展的重要方向之一，而事实证明现今罗科夫斯基已被广泛的应用于电力系统中的电流测量。
关键词：罗科夫斯基线圈；在线监测；领域的应用0、引言近年来，伴随着现代高压、超高压输电网络的建设，电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展，这就对电流测量装置提出了更高的要求。
传统的电磁式电流测量装置不仅体积大，频带宽，防爆绝缘困难且在大电流下铁芯磁路易饱和，对测量结果产生较大的误差。
因此要必须寻求基于其他传感器的电流测量装置来取代。
而罗科夫斯基线圈电流互感器作为电子式电流互感器的一种，罗科夫斯基测量线圈本身与被测电流回路没有直接的点的联系，而是通过电磁场耦合，因此与主回路有着良好的电气绝缘并且由于没有铁芯饱和的问题，电流测量范围宽、测量精度高、无磁饱和、频率范围宽、线性度好、体积小、生产制造成本低、易于数字化输出等一系列优点。
目前，罗科夫斯基线圈电流互感器主要应用于高压输电线路雷电绕击、反击的识别；真空电弧伏安特性的测量；输电线路绝缘子的在线监测；GIS保护和监控等。
1、应用于高压输电线路雷击绕击、反击的识别雷击跳闸分为由于雷电绕击输电线路、雷击杆塔引起反击而引起的跳闸。
对于不同的事故原因其原理是不一样的，解决方法也不同。
由于我国幅员辽阔，山地、平原、盆地、丘陵，地形差别很大，再加上各地气候不同，所以雷击情况差异很大，因此各地在发生雷击事故时，对线路绕击、反击的判断尤为重要。
现在电力系统由雷电引起的跳闸中，绕击、反击的判别极其困难，如普遍使用的雷电定位仪，虽然可以测量雷电流的参数(幅值、陡度)，但无法鉴别出绕击与反击。
因此，找到一个方便、易行的输电线路雷电绕击与反击判别方法，是电力系统防雷研究的焦点问题。
2021年第49卷第5期传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technokgies )81DOI ：1O. )373/J. 100-9787(2021)05-0081-04基于PCB 罗氏线圈的反窃电在线监测系统设计**收稿日期：231-1-09*基金项目：国家自然科学基金资助项目(6165009,51567313)；云南省应用基础研究资助项目(2318FB16)杨 鑫1张家洪1沈 鑫2，鲍 毅1李英娜1李 川1(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500；2.昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650500)摘要：针对反窃电过程中遇到的准确率低、及时性差以及稽查取证困难的问题，设计了一种基于印刷电 路板(PCB )罗氏线圈的反窃电在线监测系统,其中高低压两侧间数据的传递通过ZigBee 技术实现，检测数据则是由GPRS 上传至远端服务器。
设计了一种PCB 罗氏线圈电流传感器，并对其结构及电磁参数进行仿真分析,最终制作了三种不同规格的PCB 罗氏线圈电流传感器，灵敏度分别为3.23,3.52 ,. 9 mV/A 。
设计了一种基于距离的离群点反窃电算法，并对算法的可行性进行了仿真分析。
结果表明:设计的基于PCB 罗氏线圈电流传感器和离群点算法的反窃电在线监测系统有效可行。
关键词：反窃电；印刷电路板(PCB )罗氏线圈；电流监测；离群点算法中图分类号：TP212； TN616.0 文献标识码：A 文章编号：100-9787(2021)05-0081-04Design of anti-steeling online monitoring systembased on PCB Rogowski coil *YANG Xin 1, ZHANG Jiabong 1 , SHEN Xin 2, BAO Yl 1 , LI Yingna 1, LI CUuon 1(1. Facelty of Information Engineering and Automation ,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China ；2. Faculty of Mechanicol and Electricoi Engineering ,Kunming University ofScience and Technology,Kunming 650500,China)Abstsct ： Aiming at the problems of kw accuracy , poor timenness and difficulty X agPiXng and evidence colkctiox in the process of a/iDWakng,9n a/iDWakng ox/ne moxiX/ng system Uasel ox pknwl circuit board(PCB) Rogowshi ceil is designep , ZigBee Wchnokgy is usel to reakze data Wansmissiox between high and kw volmge sides,the general pachet rabio service ( GPRS) Wchnokgy is usel to upVab the detectiox data to the remoteserver. A PCB Rogowshi coil current sensor is designel, and its structure and emctmmagnetic parameters aresimulawl and aualyzel. F9aky,thme PCB Rogowshi ceil current sensors of diXerent specificatioxs were pmPucel ,with sensitivity of 3. 23,3. 52 and 2. 0 mV/7A , respectively. A distauce-Pasel ont/er a/iDWakng algo/thm isdesignel and the feasibility of the algokthm is simulawl and aualyzel. The results show that the designel a/i- sWa/ng ox/ne moxiX/ng system Uasel ox PCB Roche coil current sensor and the out/er algo/thm are indeel feasible.Keywgrds : 81/0/8X1/； p/ntel circuit board ( PCB) Rogowshi coil ； current moxiX/ng ； out/er aVo/thm0引言智能电网的建设离不开对坚实可靠配电网的建设。
PCB型罗戈夫斯基线圈电流传感器设计陈炯;崔律;徐璐琪【摘要】介绍了罗戈夫斯基线圈的基本原理.对比普通罗戈夫斯基线圈传感器,设计了基于印刷线路板(PCB)型罗戈夫斯基线圈的电流传感器,其工作频带为0～1 MHz,测量电流最大可达100 A,测量精度为0.1A.该传感器具有结构简单,抗干扰能力强等优点.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2016(032)001【总页数】5页(P20-24)【关键词】罗戈夫斯基线圈;电流传感器;印刷电路板;互感系数【作者】陈炯;崔律;徐璐琪【作者单位】上海电力学院电气工程学院,上海290000;上海电力学院电气工程学院,上海290000;上海电力学院电气工程学院,上海290000【正文语种】中文近年来,随着电力系统电压等级的不断提高,系统对电气设备绝缘性能的要求也不断提高,电气设备绝缘的好坏直接影响着电力系统能否正常运行,一旦出现绝缘损坏,将有可能导致人员伤亡以及带来不可估量的经济损失,所以对电气设备的绝缘检测显得尤为重要.电流传感器在绝缘检测中是必不可少的测量设备,传统的电磁式电流传感器缺陷很多,如易燃易爆、二次侧不能开路、测量范围小、频带窄等.而电子式电流互感器的出现,弥补了老式传感器的不足,罗戈夫斯基线圈电流传感器就是其中的一种.本文通过对罗戈夫斯基线圈工作原理的阐述和对其组成结构的分析,对比普通罗戈夫斯基线圈传感器,设计了基于印刷线路板(PCB)型罗戈夫斯基线圈的电流传感器,能满足在大量程前提下实现高精度的测量.1.1 线圈工作原理罗戈夫斯基线圈是将导线缠绕在横截面均匀的非磁性骨架上,导线所组成的线圈均匀分布在骨架上,被测导体即一次侧电流穿过线圈中心,当被测导体通过的电流发生变化时就会在线圈周围产生变化的磁场,此时线圈两端会产生感应电动势[1],其测量原理如图1所示.假设使用均匀度良好的线圈,当载流导体通过电流i(t)时,穿过线圈的磁链为:式中:μ0——真空磁导率;A——线圈横截面积;N——线圈匝数;i(t)——被测电流.由法拉第电磁感应定律可得,线圈两端的感应电动势与被测导体电流的关系为:令M=μ0NA,可得:式中:M——互感系数.1.2 积分器由式(3)可知,线圈所产生的感应电动势与一次侧电流之间呈微分关系,为了得到成正比的真实信号,必须加装积分器.根据积分器的不同,罗戈夫斯基线圈会有两种不同的工作状态[2],即自积分工作状态和外积分工作状态.自积分工作状态就是自身RL构成积分环节,无需外接积分器,适用于测量电流持续时间短、快速变化的脉冲电流.其原理如图2所示.由电路图可列出:自积分电路满足条件为:电感上的压降远远大于电阻上的压降,则式(4)可变为:则输出电压u可表示为:i2,u2—输出端的电流和电压;um—经过积分电路后的输出电压;Z—电缆波阻抗.外积分工作状态适用于测量上升缓慢的宽脉冲电流信号,也可测量高电压大电流.其等效电路图如3所示.同样,可以列出电路方程:由上文可知,被测电流的要求为带宽0~1 MHz,测量的最大电流为100 A,测量精度要达到0.1 A.普通的罗戈夫斯基线圈是将导线漆包线均匀地绕在环形非铁磁骨架上制成,其绕制过程通常是由手工或绕线机来完成的,采用这两种方式很难做到线圈均匀绕制、每匝线圈横截面相等,而且有易断线及层间电容增大误差等缺点.因此,本文设计了一种PCB型的电流传感器,印制线圈能均匀地布置在PCB板上,克服了普通罗戈夫斯基线圈的不足,测量精度更高,可用于工业批量生产.2.1 PCB型线圈组成PCB型线圏可分为主印制电路板和副印制电路板(小贴片)两部分,如图4所示.在主印制板的中心开有通孔,其目的是为了使一次侧电流导体从中穿过.主印制电路板上均匀分布着同型号的小贴片,通过主印制板正面的连线将其连接.主印制电路板反面的圆形线相当于罗戈夫斯基线圈回线,用以构成一个闭合的回路,抵消线圈中由外磁场所产生的感应电压.小贴片上印制线圈的形状可为圆形、椭圆、矩形等[3],为了便于分析计算线圈互感,本文采用矩形印制方法.2.2 系统总体设计设计该PCB线圈的关键在于确定其互感系数[4],拥有稳定的互感系数是保证传感器测量准确度的前提,而互感系数与线圈的结构有关,包括小贴片上线匝的长、宽、高以及匝数,同时与主印制电路板的内外半径也有关系.整个传感器的系统框图如图5所示.通过线圈感应出被测物体的电压信号,经过RC 积分器,将电压信号转换成与电流成正比的信号,然后对模拟信号进行放大滤波,通过AD转换器变成数字信号输出.2.3 小贴片参数推导需要确定的小贴片的参数有长度a,宽度b,匝间距c,与被测导线的距离d,小贴片PCB板的层数m,印刷线匝数n,小贴片个数N.具体结构如图6所示.根据文献[5],每一层小贴片的互感系数为:总互感系数为:M=NmM0传感器输入电流与输出电压的关系为:本文设计的传感器要求测量精度为0.1 A,即i1(t)=0.1 A.选用16位精度的AD转换器,最大输入电压为±10 V,其有效分辨率为14位,故可分辨出的最小电压为:在时域内,脉冲宽度响应取决于积分器的时间常数.为防止信号波长部分的衰减造成半峰值时间测量不准,积分时间常数至少应为脉冲宽度(或脉冲周期)的10倍,即:作为RC积分器必须满足条件:因此,被测电流的下限频率由此条件决定,而上限频率则取决于以下条件:为确保能测得工频电流,取ω=2πf=314 rad/s,带入式(14)得RC≫3.18×10-3.积分电容C的取值应远大于电路的杂散电容,但不能过大,否则会引起泄漏电阻的增加,从而引进新的误差,同时体积也会变大,受到设计空间的限制.本文选用R=80 kΩ,C=0.04μF.取M=8.2×10-6,由式(12)可得:2.56×10-4 V将被测电压信号放大10倍后Umin=2.56×10-3 V大于AD芯片的可分辨率1.2×10-3,满足要求.Umax=7.7 V小于AD芯片的最大输入量程10 V,满足设计要求.通过Matlab仿真,可清楚地看出小贴片参数对线圈互感系数的影响,如图7所示.当小贴片个数为50个,每一片层数为6层,d=7.5 cm,c=0.05 mm,a=20 cm,b=18 cm,n=120匝时,其单位互感系数为:M0=2.73×10-8 H. 最终可以得到设计的传感器的总互感系数为M=8.2×10-6 H.根据算得的PCB线圈参数,绘制传感器的简化模型如图8所示.本文阐述了罗戈夫斯基线圈的工作原理,介绍了两种积分器.针对普通罗戈夫斯基线圈绕线不均匀、测量精度低的缺点,设计了一种基于PCB的新型罗戈夫斯基线圈电流传感器,由主印制板与副印制板组成.重点分析了副印制板即小贴片的参数对传感器互感的影响,并根据设计要求,确定了小贴片的结构参数,建立了传感器的简化模型,可实现对系统正常运行时的工频大电流的测量以及泄漏电流等小电流的测量.【相关文献】[1] 张明明,张艳,李红斌,等.Rogowski电流互感器的积分器技术[J].高电压技术,2004,30(9):13-16.[2] 张岗.光电混合式电流互感器的设计理论及其在电力系统中的应用[D].武汉:华中理工大学,2000.[3] 杨红伟,陈明军.Rogowski线圈的设计原理及其预处理电路的分析[J].机电工程,2008,25(2):86-88．[4]Fiber Optic Sensors Working Group.Optical current transducers for power systems [J].IEEE Trans on Power Delivery,1994,9(4):1 778-1 788.[5]WARD D F,EXON ing Rogowski coils for transient current measurements [J].Engineerin g Science and Education Journal,1993,2(3):105-113.。
基于PCB罗氏线圈的暂态电流采集装置李昂;毛先胤;刘亚东;谢潇磊;江秀臣【摘要】故障暂态电流包含了大量的故障信息,是输电线路故障定位和故障诊断的主要依据.以开启式PCB罗氏线圈为故障电流传感器,实现故障暂态电流的低成本获取,通过窗口比较器实现对触发阀值的动态设计,利用总线复用技术实现对暂态故障电流的实时监测,最终实现0～25 kA暂态故障电流的精确采集.有望为输电线路故障检测提供一种新的手段.【期刊名称】《电气自动化》【年(卷),期】2018(040)006【总页数】4页(P108-111)【关键词】PCB罗氏线圈;触发阈值;输电线路;故障暂态电流;高速数据采集【作者】李昂;毛先胤;刘亚东;谢潇磊;江秀臣【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240;贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州贵阳 550002;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TM76;TM303.10 引言输电线路故障检测和定位是输电线路运维工作的重点[1-2]。
输电线路运行环境恶劣，经常受到外部干扰而发生故障，准确、快速获取故障波形可为故障处理工作提供原始的数据支撑，具有巨大的经济和科学价值。
行波法是当前最为主要的定位方法[3-5]。
但在实际的工程应用中，该方法还存在一些缺陷，主要表现在：①由于CT变比的关系，其对微弱行波信号的传变能力较差，导致传统的行波法对高阻故障的适应性差，影响了其在实际工程应用中的效果;②由于变电站CT带宽的限制，其高频分量被衰减，导致行波波头变缓，在计算行波到达时刻时，容易出现偏差;③故障电流行波沿线路传播的过程中出现非线性衰减，导致变电站采集到的故障波形发生畸变，影响了故障电流行波到达时刻判断的精度。
因此故障电流行波需要实现就近、高速采样，以保证故障电流信号的无损提取。
