高压起爆器放电电流测量用电子互感器研究

余 伟，徐 鹏，张其东，杨秉才



高压起爆器放电电流测量用电子互感器研究

余 伟1，徐 鹏2，张其东2，杨秉才2

（1. 海军驻昆明地区军事代表办事处，昆明 650051；2. 七0五研究所昆明分部，昆明 650051 ）

高压起爆器放电输出电流峰值较高，周期较短，用于起爆冲击片雷管，属于冲击大电流信号。为减少实爆冲击片雷管数量，本文设计了一种基于罗氏线圈理论的电子互感器，用于测量高压起爆器放电输出电流。罗氏线圈属于非接触测量手段，具有测量电流脉冲幅值大、无磁芯饱和现象、输出信号隔离、插入损耗小以及频带宽等特点，可有效降低大电流脉冲检测成本。

高压起爆器 罗氏线圈 电子互感器 放电电流

0 引言

在工程领域中测量组件（部件）放电电流是一项重要工作，传统的电流测量装置应用最多的是电磁式电流互感器，虽然技术简单，成本低廉，但也存在着防爆绝缘困难，大电流条件下铁心磁路易饱和，测量结果易发生较大误差等问题。罗氏线圈是一种特殊结构的空心线圈脉冲电流检测工具，具有测量电流脉冲幅值大、频带宽、无磁芯饱和现象、输出信号隔离以及插入损耗小等特点，在冲击大电流检测应用领域备受关注[1]，具有广阔的应用前景。

电子安全与解除保险装置（Electronic Safety and Arming Devices，简称ESAD ）是美国从20世纪70年代开始，由哈里-戴蒙德实验室和桑迪亚实验室合作研究的一种新型安全与起爆系统[2]。该系统爆炸序列的初级起爆元件使用高能的冲击片雷管，雷管的起爆需要有数千伏和数千安的瞬间电压和电流，平时具有较好的安全性。电子安全与解除保险装置由安全逻辑控制模块和高压起爆器组成。安全逻辑模块完成解保逻辑控制功能，解保装置必须按照预定时序逐级解除保险，若解保过程中出现错误流程，系统自动进入故障保险模式，在下次启动解保之前不能再进入解保逻辑；高压起爆器完成低压-高压变换，将供电低电压通过高压逆变电路升压至高压直流电，通过高压起爆器放电产生冲击大电流引爆冲击片雷管。

冲击片雷管成本较高，动辄上万元，高压起爆器放电检测只能使用少量冲击片雷管，否则成本太高无法承受。高压起爆器放电输出为冲击大电流信号，符合罗氏线圈电流互感器检测信号要求，可用罗氏线圈电流互感器测量高压起爆器输出电流，以检测高压起爆器输出是否满足冲击片雷管起爆条件，可大大降低起爆真雷管产生的巨大成本。

1 罗氏线圈研究现状

罗氏线圈最初用于测量磁场，最早文献记载于1912年，是Rogowski和同事共同发表的一篇论文。由于当时其输出电压不足以驱动计量与保护设备，导致它的应用受到了一定限制[3]，同时由于该线圈准确性和稳定性较低，所受关注度也不高。

1963年，英国科学家Cooper对罗氏线圈的频率特性进行了深入研究，在高频响应方面取得了一些创造性的成果，奠定了罗氏线圈在大功率脉冲技术应用中的理论基础[4]。1966年，当时的西德科学家荷曼改进了罗氏线圈的结构，将骨架做成刚性结构，保证绕线均匀分布，截面大小一致，使得罗氏线圈测量大电流的测量准确度提高到了0.1%，且被测回路无需断开。至此，罗氏线圈在电流测量方面的应用价值逐渐被人们所认识，推动了罗氏线圈的工程应用进程。

进入二十世纪八十年代，罗氏线圈研究取得了突破性进展，基于罗氏线圈的电子式电流互感器完成了实际样机的生产并应用成功[5]。进入二十一世纪，罗氏线圈应用扩展到中频周期电流测量和直流大电流测量等领域，在工业生产和电力行业中开始扮演越来越重要的角色。

2 罗氏线圈工作原理

罗氏线圈（Rogowski线圈）又叫电流测量线圈、微分电流传感器，主要用于测量交流电流。其工作原理是线圈骨架围绕被测导体，根据安培环路定律和电磁感应定律，导体周围的磁场会随着导体中电流的改变而改变，骨架上的漆包线会因此感应出电动势。该电动势与导体中电流的导数成正比，而比例系数跟线圈匝数、骨架横截面、磁导通率等有关，将该电动势积分运算后可还原导体中的电流，其值的大小正比于被测电流对时间的微分[6]。罗氏线圈结构原理图如图1所示。测量时，被测电流与罗氏线圈不发生接触[7]。

假设在理想条件下线圈均匀绕制，线圈截面积均相等，磁感应强度处处相同，线圈中感应的电动势()和线圈中的磁通变化率成正比，电动势可用微分方程表示为:

式中φ为通过线圈的磁通，n为线圈匝数。φ=BS，B为磁通密度，S为线圈横截面积。磁通密度B和磁场强度H的关系，取决于磁通所在的材料，B=μμ0H。μ0为真空中的磁导率，μ为相对磁导率，H为磁场强度。

磁场强度H乘以它的路径，等于这路径所包括的电流的总和。罗式线圈中，磁场是圆形的，路径长度为2π（为线圈半径），于是有：电流=2π，代入感应电动势公式，得到：

根据等效电路，电动势e(t)应等于线圈回路中的电压降，即

式中R为线圈内部电阻，为采样电阻，为线圈电感。如果感应电流i在线圈电阻R+上产生的压降与线圈电感产生的压降相比很小，即

线圈内感应电动势可简化为：

电感等于单位电流所产生的总磁通，用H，B，φ分别表示感应电流i经过线圈时，所产生的磁场强度、磁通密度、磁通，电感即为：

同时

两式右端相等，经过积分：，或，也就是母线电流可以用采样电阻的电压值来表示，若取线圈匝数100，希望变比为100 A=1 V，则采样电阻为1 Ω。

3 电子安全与解除保险装置工作原理

目前，国内电子式安全系统主要应用在高能武器上，通过环境信息的改变，也可以用在其它武器装备中，电子安全与解除保险装置是电子安全系统的核心部分[8]，其系统组成如图2所示。

如图所示，电子安全与解除保险装置通常由两部分组成，第一部分是安全逻辑控制，第二部分是高压起爆回路，通过禁止高压电路输出能量以保证引信安全。安全逻辑控制部分完成环境信息识别及解保逻辑控制，使得静态开关1、静态开关2、动态开关完全闭合，然后启动高压变换给高压起爆器内部发火电容充电。当安全逻辑控制模块接收到引爆信息后，经逻辑判别，输出信号驱动高压起爆器内部触发电路输出高压触发脉冲导通短路开关，短路开关导通后起爆回路闭合，发火电容通过起爆回路放电，引爆冲击片雷管。

图2 电子安全与解除保险装置组成

高压起爆器放电输出电流峰值较高，可达数千安；电流脉冲周期较短，在微秒级以内；电流衰减迅速，通常只有几个周期；放电电磁干扰较大，在电源线及地线上会产生瞬时尖峰脉冲干扰。上述特征表明，高压起爆器放电电流属于冲击大电流信号，可以用罗氏线圈电子互感器测量。

4 罗氏线圈电子互感器设计

与分流器相比，罗氏线圈属于非接触测量手段，不需要与被测回路共地，不仅对被测系统影响小，更重要的是直接解决了多个测试信号之间的隔离问题，特别适合在多模块的系统中使用。

设计罗氏线圈所需解决的问题有：线圈抗扰设计、线圈骨架尺寸选取、线圈绕线材料选取、线圈骨架材料选取等。

4.1 线圈抗扰设计

如果线圈能够像理论设计的那样实现绝对均匀缠绕，那么测量时线圈不会受外界电磁场的干扰，从而保障测量的准确性，但实际生产中因为制作工装或人为误差，线圈从骨架结构上就不可能保证截面均匀或是每圈绕线均匀分布在骨架上，因此在测量时会受到外界电磁场的干扰。我们通过分解，可以将外界电磁场可分解为平行于线圈平面和垂直于线圈平面两个分量。

4.1.1垂直于线圈平面的外磁场

要抵消垂直于线圈平面的外界电磁场干扰，绕制线圈时要在正常绕线的骨架内进行反向绕线，如图3所示。

4.1.2平行于线圈平面的外磁场

这种外磁场通常情况下由线圈输入端电流产生，分布平均，我们将骨架设计成环形且整个环状结构截面积处处均匀的结构，同时绕线通过绕线器均匀缠绕在环状骨架上，可使外界磁场在绕线里产生的感生电动势以平行于磁场方向为轴分成两部分，这两部分电动势方向相反，大小相等，实际抵消。

4.2 线圈骨架尺寸选取

本文设计的是矩形截面圆形骨架的线圈骨架，骨架结构见图4，z为骨架横向宽度（z=b-a），h为骨架的截面高度，b为骨架外半径，a为骨架内半径，对应线圈互感系数：

4.3 线圈绕线材料选取

绕线材料一般选择漆包线。绕线直径需要考虑到线圈缠绕密度和机械强度，漆包线直径可选择范围在0.18～0.35 mm。

4.4 线圈骨架材料选取

骨架材料的选取最重要的是考虑温度一致性、时间一致性以及标准尺寸。简单的说就是选择温度系数尽可能小的骨架材料以减小外界温度变化给骨架截面带来的变化而引发的测量误差，不同材料的热膨胀系数见表1。

从热膨胀系数来看，有机玻璃最好，但其绝缘性能较差，不能用于生产骨架材料，陶瓷材料次之，但其脆性大加工性不好，环氧树脂绝缘性能好，韧性也能满足正常使用，且价格便宜，易于加工，我们选用环氧树脂作为骨架材料。至于聚乙烯材料和橡胶材料，其韧性太好，不能支撑绕线，因此本文不予考虑。

图4 线圈骨架剖面图

5 设计实例

根据上述罗氏线圈工作原理，本文设计并制作了环状骨架矩形截面的罗氏线圈，用以测量高压起爆器放电输出电流。线圈以环氧树脂材料为骨架，绕线材料选用线径为0.2 mm的漆包线，其具体参数见表2。

表1 不同材料的热膨胀系数

表2 罗氏线圈结构参数

其外形如图5所示。

线圈放置在金属屏蔽盒中，屏蔽盒的材料可以使用铁、铜、铝等常见金属。在实际应用中由于铁的磁导率较大，为避免磁场无法进入线圈内部，需要在铁盒上增加一条垂直于屏蔽盒轴线方向的缝隙。而铜或铝的磁导率接近1，不需要单独加工垂直方向的缝隙，屏蔽盒的制作更加简便。

依据罗氏线圈工作原理，母线电流可以用采样电阻的电压值来表示，采样电阻的电压值通过示波器测量，若线圈匝数为300匝，希望测试变比为100 A=1 V，则取样电阻阻值为3 Ω。

6 测试结果

图6为高压起爆器放电电流测试通道组成框图。高压起爆器正负极通过短路线连接，由图2可知，高压起爆器放电由触发电路及短路开关控制，当引爆信息输入后，触发电路输出高压触发脉冲导通短路开关，使得高压起爆器内部发火电容通过短路线放电，放电电流穿过罗氏线圈的中心，通过电磁感应，线圈测量电流信号通过同轴电缆传送到示波器，示波器通过单次触发模式可记录输出电流波形。

图5 外形图

图6 测试通道组成框图

图7 放电电流波形

使用该线圈测量高压起爆器输出电流的实验结果如图7所示。如图，高压起爆器放电电流为不断衰减的振铃信号，总共7～8个周期，时间很短，为微秒级。可通过此电子互感器对高压起爆器放电输出进行批量检测，达到一定参数指标才能成为合格产品，可大大降低检测成本。

7 结论

采用罗氏线圈结构的电子互感器重量轻，体积小，且无磁饱和现象，在很宽的频带范围内都有很好的线性度，在实际工程领域，基于罗氏线圈的电流互感器正在被越来越广泛地应用。本文详细介绍了罗氏线圈工作原理，对罗氏线圈电子互感器研制打下了坚实的理论基础。根据罗氏线圈设计理论，自行设计了一种电子互感器用于测量高压起爆器放电电流，可根据冲击片雷管的起爆条件检测高压起爆器放电输出。该检测方法可代替冲击片雷管实爆检测，大大减少实爆冲击片雷管数量，最大限度降低了检测成本。

[1] 刘延冰, 李红斌, 余春雨.电子式互感器原理技术及应用[M]. 北京科学出版社, 2009.

[2] 南长江. 鱼雷引信安全系统综述[J]. 探测与控制学报, 1996, 18(3): 44-48.

[3] 翟小社, 王颖, 林莘. 基于Rogowski线圈电流传感器的研制[J]. 高压电器, 2002, 38(3): 19-22.

[4] 段雄英, 邹积岩, 张可畏. 电压/电流组合型电子式互感器的研究[J]. 电工技术杂志, 2002, 21(5): 9-12.

[5] 徐雁, 朱明钧. 空心线圈作为保护用电流互感器的理论分析和实验[J]. 电力系统自动化, 2002, 26(16): 52-56.

[6] 邸志刚, 贾春荣, 王文辕. 一种用于小电流测量的电子式电流互感器传感头研究与设计[J]. 仪器仪表学报, 2006, 27(6): 334-336.

[7] 郭秀杰, 赵法起, 王冉冉, 罗小军, 李翠云. 电子式电流互感器接口电路的实用化设计[J]. 电子测量技术, 2008, 31(10): 28-30.

[8] 郭占海, 焦红. 引信电子安全与解除保险装置研究及设计准则的制订[J]. 国防技术基础, 2010(4).

Research on Electronic Transformer for Discharge Current Measurement of High Voltage Electric Detonator

Yu Wei1, Xu Peng2, Zhang Qidong2, Yang Bingcai2

(1. Naval Representatives Office in Kunming, Kunming 650051, China; 2.Kunming Branch of the 705 Institute, Kunming 650051, China)

TM45

A

1003-4862(2018 ）10-0033-05

2018-05-14

余伟（1980-），男，工程师。研究方向：机械电子。E-mail: gbu128@qq.com