罗氏线圈电子式电流互感器的设计

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。

基于罗氏线圈的脉冲电流检测信号调理电路的设计王志刚; 陈籽东; 蔡涛【期刊名称】《《湖北理工学院学报》》【年(卷),期】2019(035)006【总页数】6页(P1-6)【关键词】脉冲电流技术; 脉冲成形网络; 罗氏线圈【作者】王志刚; 陈籽东; 蔡涛【作者单位】海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室辽宁大连116000; 华中科技大学电气与电子工程学院湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TM452脉冲大电流是变化很快的单次暂态量，电流可大至上千安，脉冲宽度为微秒到毫秒级[1-2]。

基于脉冲大电流的暂态特性，可以采用罗氏线圈将脉冲大电流信号转换为低电压信号。

罗氏线圈与被测电路没有电气连接，可以方便地实现对高压回路的隔离测量，且具有使用频率和测量范围较宽、稳定性强、安全可靠、设计和制作较为灵活方便的特点。

因此，基于罗氏线圈的电子式电流互感器具有动态响应范围大、频率响应宽、抗电磁干扰性能强、体积小等传统电流互感器所不具有的诸多优点[3-6]，并得到了广泛应用。

1 基于罗氏线圈的脉冲电流检测原理脉冲成型网络用于产生脉冲电流，由数十个甚至上百个脉冲功率单元(PFU)并联组成。

PFU由储能电容、调波电感、续流二极管和吸能电阻组成[4]。

PFU电路原理图如图1所示。

图1 PFU电路原理图脉冲功率单元的工作原理如下：放电开关闭合时，储能电容经电感对负载电阻放电，电容器电压过零前,电路等效为R-L-C二阶电路的零输入响应。

储能电容的电场能释放完后，电感通过二极管续流释放磁场能，电路等效为R-L一阶电路的零输入响应[5]。

将电路负载直接视作阻性负载，电路等效为一个R-L-C串联电路，分析此电路可得到：(1)电路初始条件为i0-=0,UC0-=U0。

在不同的参数范围，利用拉普拉斯变换求解公式(1)可得到欠阻尼、临界阻尼、过阻尼3种解，其中只有欠阻尼会发生震荡。

发生欠阻尼的条件为此时震荡放电，回路电流为:(2)其中，电容器上电压为：(3)设a=0.5R为电路的临界比，此时，震荡电流的第一峰值Im和其到达时间tm分别为:(4)考虑到欠阻尼状态的震荡电压易超过电容器的耐压而损坏电容器，因此需要根据负载来设计电路参数以避免电路工作在欠阻尼状态[7]。

基于罗氏线圈的电子式互感器可靠性分析作者：杨浩来源：《科技资讯》2015年第31期摘要：电子式互感器线路简单实用，工作可靠，具有线性度好、测量精度高、动态测量范围大、响应速度快、带频宽等性能。

随着智能化变电站的大量建设，电子式互感器在电力系统中的实际应用越来越广泛。

该文针对基于罗氏线圈的电子式互感器进行可靠性分析，并提出改进措施。

关键词：罗氏线圈电流互感器积分器模型可靠性中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0058-02电子式互感器是电力系统中电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。

该文针对现行投运在智能变电站中的基于罗氏线圈的电子式互感器，分析其工作原理，针对信号采集和传输过程中的一些工程应用问题，搭建罗氏线圈等效模型、积分模型并进行仿真，对电子式互感器积分电路相频特性进行了分析，讨论了实际情况中GIS中快速暂态过程对电子式互感器的影响，并提出一些改进措施。

1 罗氏线圈联合积分器特性罗氏线圈联合积分器时的等效模型如图1所示，图中虚线左边为罗氏线圈等效电路，虚线右边为理想的硬件积分器。

u 0为罗氏线圈联合积分器的最终输出。

式（4）中，只关系到幅频响应的衰减倍数，不会影响到相频响应特性，故可令式中，得到采用积分器时罗氏线圈电流互感器的频率响应特性。

罗氏线圈联合积分器的响应下限截止频率接近于0 Hz，上限截止频率接近105 Hz级，在上下限截止频率之间的频率范围内，频率响应特性恒定，罗氏线圈电流互感器输出信号的幅值和相位与一次输入电流信号保持相同。

因此，在频率不是非常高的情况下，罗氏线圈联合积分器将能完美地测量被测电流的各种频率分量。

1.2 稳态特性分析电力系统中电流互感器测量的电流大多数时候都是正弦稳态电流，互感器具有良好的稳态特性是其的基本要求。

正弦稳态下的罗氏线圈等效模型中杂散电容C0对应的容抗远大于取样电阻Ra，忽略C0简化分析，结合积分器的响应函数，可得罗氏线圈联合积分器的响应函数为：令，根据上式仿真出采用积分器的罗氏线圈电流互感器的稳态响应，罗氏线圈电流互感器的输出与被测电流的幅值关系和相角差仅决定于罗氏线圈和积分器自身的参数，输出至与被测电流同相位。

传统罗氏线圈传感器的制作罗氏线圈传感器由罗氏线圈和对其输出电压进行处理的放大积分电路组成。

1罗氏线圈设计罗氏线圈是一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。

其设计基本原理如图：图2 罗氏线圈结构图罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律,当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，强度为H,由安培环路定律得:∮H·dl=I(t)由B=μH，e（t）=dΦ/dt，Ф=N∫B·dS，e（t）=M·di／dt，得：其截面为矩形时，互感系数MM=μ0Nhln(b/a)/2π上式中，H为线圈内部的磁场强度，B为线圈内部的磁感应强度，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，e（t）为线圈两端的感应电压，a, b分别为线圈横截面的内外径,h为截面高度。

由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di／dt成正比。

2放大积分电路设计原理若想准确还原测量的交流电流i , 必须加一个反相积分电路。

因罗氏线圈感应出的电压很小, 为了放大该感应电压，须在积分器前面加一放大电路。

积分是一个非常重要的环节,被还原的信号非常小, 为方便测量, 先将信号放大再积分,这样一方面可以增大还原信号, 另一方面,电容的存在可以过滤掉不必要的干扰[8]。

基本放大积分电路设计如图3：通过对罗氏线圈感应电压的放大和积分处理，可还原出所测量的交流电流。

比例放大器的放大倍数K=-12R R -,积分放大器的积分时间常数τ=3R C 。

3，综合设计 有I t U o τKM )(=。

取a=60mm ，b=30mm ，h=20mm ，N=1500，则可算得M=4.2uh 。

取R1=5k ，R2=500K,R3=20K,C=1mF 。

综上可得I t U o 710*21)(-=当I=50KA 时，o U =105MV 图3 基本放大积分电路设计。

电子式互感器设计说明一顶部装配（6TN.176.2000）1 壳体的密封顶部装配中，壳体需要严格的密封，要保证严格的密封性。

1) 导电杆与端盖孔之间的间隙处理:选用O形密封圈（6TN.136.2000-37/38），为了便于安装，将密封槽开在非安装端（8TN.310.2000，8TN.310.2002）。

如图一所示。

同时保证密封槽与连接部分不发生干涉，壳体盖（8TN.300.2000）中内侧边缘的设计既满足了密封要求，与壳体的连接也有足够的空间。

壳体左右两侧与导电杆的密封均采用密封垫、端部密封槽压板、端部绝缘压板密封，以保证严格的密封，同时，保证绝缘的要求。

各个件之间的连接孔位置一致，壳体该位置加厚，采用等长双头螺柱M10*60（6TN.176.2000-15、16、17、18）连接，以保证连接强度。

为了制作方便，O形圈采用标准件，相应的密封槽尺寸确定。

图一密封的处理2)线圈、导电棒的处理线圈长期在空气中暴露，线圈需要做浸漆处理；导电杆由于是铜棒，采用电镀处理2 端子铭牌的标记端子铭牌若采用螺钉进行安装，则设计过于复杂，完全可以采用直接铸造成型的简单方法；其中，绝缘压板侧为P1标识，另一侧为出线侧，标识P2；P1端采用绝缘是为了防止分流，保证流入的电流全部进入导电杆；3 支撑杆的安装（5TN.043.2000）支撑杆固定LPCT线圈装配和罗氏线圈装配，保证其与导电杆的配合，与支撑杆相配合的M8孔距离壳体底部边缘较近，因此考虑添加沉头孔，以便更好的配合；同时，需在不影响出线的前提下对边缘做加宽处理，现给定距离为200mm。

支撑杆的槽面是为了安装时能够加力拧紧。

4 小均压环的尺寸、材料及其安装（5TN.547.2000）均压环可以选用合适的铝管进行围制，无论是经济性还是工艺性都相对铸造要好，且质量较轻，其厚度无严格要求；均压环的尺寸是通过电场计算确定的（电说明部分）。

均压环的支架厚度为6mm，保证其强度要求。

柔性输电技术----罗氏线圈摘要：一、柔性输电技术：1、我国电力系统的特点2、主要问题3、发展趋势4、关键技术二、电力电子技术的进步与柔性交流输电技术的换代发展三、罗氏线圈1、背景长期以来，具有铁芯的电磁式电流互感器在继电保护和电流测量中一直占主导地位。

随着电力行业电压、电流等级的增大及测量向自动化、智能化方向转变，传统的电流互感器已经不能满足电力测量的需要。

随着电力电子技术的发展和微机的普及，在电力保护和电力测量中，测量控制部分的能量流与信息流分离，因而监测设备不需要高功率输出的电流互感器。

另外，随着变电综合自动化和配电自动化的应用，要求开发出具有测量、保护、通讯能力为一体的电流互感器。

于是迫切需要研制新型电流互感器来替代目前使用的传统电流互感器。

罗氏线圈便具有这样的一种新型电流互感器，由于本身结构特点和在电力测量中变现的优点，而受到广发的关注。

智能变电站用于传变高压侧电流、电压信号的新型式互感器主要有电子式电流、电压互感器和光学电流、电压互感器。

目前我国智能变电站使用的电子式电流互感器主要是基于罗氏线圈的电流互感器和基于电容分压、电抗分压、电阻分压方法的电子式电压互感器。

本文主要讲述罗氏线圈原理电子式电流互感器。

2、与传统的电流互感器比较：传统电磁式互感器具有在线性范围内测量准确度高、制作工艺成熟、实验校验规范、国家标准可以依据等优势，在很长的时间内适应了电力系统测量要求。

但是存在如下问题：体积大、成本高，结构复杂，采用变压器油绝缘的互感器还存在爆炸危险；因采用铁磁材料和复杂的线圈绕组，频带窄；测量电流很大时，铁芯会产生磁饱和，测量波形严重畸变，动态范围小。

传统互感器的输出信号不能直接和微机相连，难以适应电力系统自动化、数字化发展的趋势。

传统电流互感器二次侧直接与负载和电流表连接，相当于运行在变压器的短路状态，一旦开路，二次侧开路会引起很高的电压，所以使用中不允许开路。

电磁式互感器都有一定的额定容量，从电力网中消耗功率，成为系统的负载，存在负荷分担问题；传统电流互感器中有很多复杂的电容电感原件，在一定情况下会出现铁磁谐振，导致线路中产生过电流，烧毁设备，因此安全性差。

基于罗氏线圈的电流变送器设计与应用
近年来，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，而用于电流测量的传统的电磁式电流互感器已无法满足其要求，在大电流下铁心磁路下易饱和，对测量结果产生较大的误差。

而罗氏线圈互感器，具有测量范围宽、精度高、无磁饱和、体积小等优点，正逐步取代传统的电磁式电流互感器，在电力系统中具有广阔的应用前景。

本文介绍一种基于罗氏线圈的电流变送器的设计，对电网中的大交流电流进行实时测量，该变送器采用XTR115芯片将罗氏线圈产生的电压信号转换电流信号，输出DC4～20mA电流信号。

工作原理及设计
罗氏线圈是将导线均匀的密绕在环形截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈，采用罗氏线圈作为电网中电流测量的传感头，让通有大电流的导线垂直穿过线圈的中心，产生电磁感应，从而感应出被测电流大小的电压信号。

将罗氏线圈产生的电压信号接入到信号调理模块上，进行信号处理，最后输出工业标准信号DC4-20mA。

电路设计框架图如图1所示。