一种基于Rogowski线圈的大电流传感器

李敬洁

河北申科电子股份有限公司研发二部，河北石家庄 052360

0 引言

电流互感器是电力系统和电能计量中非常重要的装置，是为电力系统的计量、继电保护、控制与监视系统提供输入信号的重要元件。目前，电能计量中广泛采用的是电磁式电流互感器。随着对电能表质量要求的提高，电磁式互感器磁芯饱和问题和测量误差大以及微利时代价格高等问题难以克服。

基于微型的电流互感器主要由一次绕组、二次绕组及磁芯组成。微型电流互感器磁芯是坡镆合金或超微晶合金，制造材料昂贵，制造工艺复杂，规格型号繁多，而且一次引线和外壳加工工艺复杂，装配费时费力，致使互感器成本很高。

由于微型电流互感器中激磁电流的存在，以及磁芯的磁滞特性，在大的电流情况下，铁芯容易饱和，使误差迅速增加，不能准确使用，并且，这种带铁芯的微型互感器只能工作在频率50Hz ～400Hz，频段很窄，不能正确反映系统的运行情况，这就迫切需要一种在大电流情况下，依然能准确反映系统运行情况的传感器，柔性Rogowski 线圈就是一种比较理想的传感器，可以解决以上矛盾。

Rogowski 线圈采用硅橡胶骨架上缠绕线圈，外加屏蔽和绝缘，由于不采用磁芯作为骨架，所以，Rogoswki 线圈互感器的线性测量范围大，且没有磁饱和现象，使之能够满足测量大范围电流的要求。 可以同时应用于测量和继电保护的场合，由于没有磁心的作用，从而消除了磁饱和和高次谐振的问题，运行稳定。可测电流的频带宽，采用Rogowski 线圈互感器测量时，一般频率范围可以设计达到1～1MHz。由于在测量中线圈中电流非常小甚至没有电流，因此运行温升非常小，安全可靠，所以，没有易燃易爆的危险情况；柔性Rogowski 线圈具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，响应频带宽，同时具有测量和继电保护功能，体积小、重量轻、安全且符合环保要求。

1 Rogowski 线圈工作原理

Rogowski 线圈的截面可以有不同形状，常见的有矩形截面和圆形截面等，又叫电流测量线圈、微分电流传感器， 是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的线圈。

线圈的数学公式 为Vout=M di/dt 来表示。其中 M 为线圈互感系数。通过采用一个专用的积分器将线圈输出的电压信号进行积分可以得到另一个交流电压信号，被测量电流信号的波形可以用电压信号可以准确地再现。输出信号是电流对时间的微分，输入电流就可以真实还原。罗氏线圈本身不可能是完全理想的器件，由制造工艺、安装方式等等都会造成一定的相位误差。再就是积分器引入的相位误差。首先，积分器电路实现过程中，器件的特性、理论与实际的差异等等会造成一定的相位误差。

2 积分器的设计

图1 是理想积分器的电路原理，由于运算放大器难免会有一定的输入失调电压、这个输入含有直流分量的失调电压对电容进行充电，不论失调电压多小，时间长了，输出电压会达到运放的输出上限或下限电压，这种现象称为积分器饱和，显然，积分器饱和后，就不能正常工作了。

为了避免这种现象，如图2，在电容两端并联一个电阻，也就是给电容一个放电回路，引入负反馈，，可以有效的避免电容饱和。显然，并联了电阻之后，积分器已经不是积分器了，尤其是低频时，积分器的输出相位与输入相位相比，已经不是滞后90°了，而且是频率越低，相位误差越大。事实上，微型电流互感器大多用于50Hz，相位误差就可以忽视了。

图1

图2

3 线性度的影响

线性度好是罗氏线圈电流测量系统一个突出的特点。线圈不含磁芯，所以不易饱和，在使用量程范围内，系统的输出与被测电流是线性的。最大击穿电压决定罗氏线圈的量程。积分器也是线性的，量程取决于其本身。线性度好使得罗氏线圈非常容易量化，因为系统可以使用常见的基准信号进行测量，因为系统在整个量程范围内都是线性的，所以测量结果都是准确的。微型电流互感器线性度是一条曲线，误差随电流的增加而减小，且在约10 倍电流范围内使用，如果仅达到同等要求的误差曲线，价格非常昂贵。

4 设计原则与实例分析

4.1 设计原则

1）为了保证二次输出感应的是被测电流产生的磁场，而不是环境干扰磁场，需进行屏蔽设计；

2）输出积分器参数选择、运放电路选型等也很重要；

3）罗氏线圈的输出电压真空磁导率u0、线圈面积S、线圈匝数N、输入电流变化率di/dt 成正比，

u（t）=u0*N*S*di/dt

u0 不可变，di/dt 由输入信号决定，因此，改变输出，只能通过改变线圈面积S 和匝数N；

4）罗氏线圈只能用于电流测量，而互感器有电压互感器和电流互感器，电流互感器二次输出是正比于一次的电流，罗氏线圈二次输出的是一次电流的变化率，需要采用积分器才能还原为正比于一次电流的电压。

4.2 实例分析

基于4.1 的设计原则，以及罗氏线圈的原理，我们用硅橡胶做骨架，设计了一种型号为SKRS-1000，可测量1000A 的罗氏线圈传感器，并成功应用于冶炼制带设备，具有如下特点：

1）采用柔性电流传感器（Rogowski 线圈电流传感器）进行电流检测，并转为标准信号输出；

2）采取电流检测与变送输出一体化结构，无二次开路危险；

3）能测量非常大的电流而不饱和；

4）测量带宽非常宽—1Hz ～1MHz；

5）能够测量叠加在大直流电流上面的交流成分；

6）可测量的电流变化率非常大；

7）不受磁饱和的困扰；

8）能承受大电流过载而不坏。

5 结论

由罗氏线圈与带磁芯的电流互感器的对比，以及设计实例的成功应用，可以看出随着电子行业发展，互感器向宽量程，微型化，高性能，经济性迈进，罗氏互感器的应用将会越来越广泛。

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[2]张军，肖耀荣，刘在勤.互感器设计.沈阳：沈阳变压器研究所，1993.

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[4]罗苏南，田朝勃，赵希才.空心线圈电流互感器性能分析.2004.