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电流互感器传感头Rogowski线圈的研究与设计电流互感器传感头Rogowski线圈的研究与设计
贾春荣，邸志刚，张庆凌，侯国强，金建国
传感头Rogowski线圈的
ebei Polytechnic University闭路电视监控系统安装技术交底，Tangshan 063009,China
Abstract: In order to solve the difficulty of measuring small current precisely，a Rogowski coil for sensor head of curent ransformer was designed. By improving the material and manufacturing approach, the Rogowski coil for measuring small current was achieved as sensor head of current transfornier. The signal from the Rogowski coil is processed by a circuit. Test was conducted，and the result indicates that this design scheme is feasible to make the precision of the current transformer meet0.2gradein thenationalstandard. Key words:current transformer;Rogowski coil;signalprocessing
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
电子式电流互感器工作原理
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。
图1Rogowski线圈电子式电流互感器原理图
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线圈的基础上进行改进，提出一种 新的设计方法，构图见图3。
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
对于正弦工频电流，Rogowski线圈的输出电压 方均根值E为
图4 线圈等效电路图
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(i)为
H(jw)= Mjo R+1) R
则由此可得Rogowski线圈产生的相位差0为
(5）中，LRC为线圈的等效电感、电阻、电容。
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 人手：①增加线圈骨架的高度与厚度；②多层绕制 线圈
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116
表1不同材料的线胀系数
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
Rogowski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
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待选氧化物陶瓷的性能参数
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
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。
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 在线圈输出端加人放大倍数为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?。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d65.5/d81.8x
40。考虑与前一级准确度为0.2级的电流互感器四 配，故取N=6.N2=746。
手工绕制的Rogowski线圈经测试各参数值为： Rg=50.7Ω2，Lo=1252.4μH,Co=20pF。则根据式(5) 计算可知，其相位差9极小。利用示波器显示线圈输 人50Hz正弦交流电流和感应电势的波形见图6， 其中上边波形是输人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
注：U为线圈输出的电压值：E为输出电压理论值：E为信号处理系统实际输出电压值。
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南京某高层住宅施工组织设计（争创扬子杯），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。
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
介绍了用于小电流测量的Rogowski线圈的研 制，天 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。
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