基于罗氏线圈的电流变送器设计与应用-应用太简单,修改
基于罗氏线圈的电流变送器设计与应用
王长幸
(江苏安科瑞电器制造有限公司，江苏江阴214405)
摘要：论文介绍了基于罗氏线圈（Rogowski）的电流变送器的原理和硬件设计，以及该产品的主要应用。关键字：罗氏线圈（Rogowski）电流变送器应用XTR115芯片
1．引言
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。
2．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
所示。
信号DC4-20mA。电路设计框架图如图1
2.1信号调理电路
信号调理电路实现对输入信号的隔离输入，包括信号滤波、整流电路以及信号积分电路。该电路主要是对罗氏线圈感应输出的电压信号通过RC滤波，再经过电阻分压后接入到采用双电源运放芯片的输入脚上，采用运算放大器构成近似积分器，合理选择选择器件参数，能够保证传感器的测量灵敏度、精度和信号响应带宽。
2.2真有效值转换电路
真有效值转换电路实现电路中AC/DC真有效值转换，将输入的交流信号通过真有效值芯片转化为真有效值的直流电压，能够精确测量各种电压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。如图2所示：电路中，Ui信号经过电容C5隔直后输入到真有效值芯片中，其中电容C8，C9的作用是滤掉该电路中的高频干扰，采用双电源工作方式，满足真有效值的工作要求。
图2
2.3放大电路
放大电路的作用是将真有效值转换电路输出的电压信号经过RC滤波电路后进行适当的放大，采用运放芯片，在满足零点输出功耗要求的同时，调节电路中的放大参数，使电路最后输出能达到满度额定值。
2.4信号输出电路
信号输出电路主要采用TI公司生产的精密电流变送芯片XTR115，其具有精度高，芯片功耗小以及非线性误差小等优点，内部产生2.5V基准电压，且内部带有+5V的精密稳压器，可以给外部电路（例如电路中的放大器）单独供电，从而简化了外部电源的设计，如图3所示电路。
采用XTR115芯片设计，要严格控制电流的功耗，保证该变送器自身耗电(包括传感器在内的全部电路)不大于3.5mA，在XTR115前置调零电路，作为变送器的零点调节，使变送器保证零点输出4mA。
图3
3、抗干扰措施
电流变送器使用电流信号作为传输信号，有较高的抗干扰能力，但由于传输距离较远，加上工业现场的复杂性，在设计上还要考虑电气隔离，抗干扰措施。
本文所设计的罗氏线圈变送器采用电源隔离模块，降低纹波干扰，提高系统可靠性，与此同时，在电源输入端串入一只二极管，进行反极性保护；线路板设计时注意电子器件的布局布线，以减少干扰信号。
4、产品介绍
安科瑞生产的BR系列罗氏线圈电流变送器严格按照GB/T13850-1998《交流电量转化为模拟量或数字信号的电测量变送器》设计，采用电磁感应原理，对电网中的交流大电流进行实时测量，采用真有效值和线性补偿技术，将其隔离变换为标准的直流信号输出。DC24V安全电压供电，具有高精度、高隔离、高安全性、低功耗等特点，可广泛用于冶金、电镀、焊接等领域。
4.1产品选型
BR-AI罗氏线圈电流变送器
根据输入电流范围选择不同规格的线圈长度（注：可根据客户需要另行定制）。
输入电流范围线圈长度(mm)
AC200A--1000A350
AC1200A--2000A370
AC2500A--5000A450
AC6300A--20000A600
AC20kA-100kA可定制≤2400
4.2技术指标
技术参数指标
输入信号AC电流200A～20kA
输出标称值DC4-20mA
负载电阻≤500Ω
输出纹波输出纹波峰峰值≤100mV
工作电源DC24V允许范围21.6V～26.4V 功耗≤0.5W
准确级0.5级
温度漂移系数≤200ppm
响应时间≤500mS
安装方式支架固定
4.3报价方案
5、应用
本产品可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC1～5V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。本产品可测输入信号范围广，最大输入信号可达AC20000A，具有极佳的瞬态跟踪能力，可以用于测量尺寸很大或形状不规则的导体电流。可广泛用于冶金、电镀、焊接等传统测量电流的CT无法正常使用的大电流检测领域。
6、结束语
本文所设计的罗氏线圈变送器结构紧凑、性能稳定、测量精度高、输出信号线性度好、调试及标定方便、安装方便、产品一致性好。基于以上特点，这种应用电流环变送技术的罗氏线圈变送器在冶金、电镀、焊接等领域具有非常广泛的前景，将大电流转换为小电流，减小了操作人员工作的危险性；它能够有效解决生产设备的实时监测与监控问题，提高生产设备运行的智能性，减少电力改造的成本。
参考文献：
[1]范羽．电流变送器原理及在工业上的应用.机械与电气，2010.5
[2]林勇．工业控制用4-20mA电流变送器．电子元器件应用，2006.7
[3]龚勇镇．罗氏线圈电流传感器检测技术研究概况．机械与电气，2011．2
[4]杨清虎．电流变送器在自动控制系统中的应用．中国科技信息，2009．8
基于罗氏线圈的电流变送器设计与应用
基于罗氏线圈的电流变送器设计与应用 周菁 (江苏安科瑞电器制造有限公司，江苏江阴) 摘要：论文介绍了基于罗氏线圈（Rogowski）的电流变送器的原理和硬件设计，以及该产品的主要应用。 1．引言 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DC 4～20mA 电流信号。 2．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。 2.1信号调理电路 信号调理电路实现对输入信号的隔离输入，包括信号滤波、整流电路以及信号积分电路。该电路主要是对罗氏线圈感应输出的电压信号通过RC 滤波，再经过电阻分压后接入到采用双电源运放芯片的输入脚上，采用运算放大器构成近似积分器，合理选择选择器件参数，能够保证传感器的测量灵敏度、精度和信号响应带宽。 2.2真有效值转换电路 真有效值转换电路实现电路中AC/DC 真有效值转换，将输入的交流信号通过真有效值芯片转化为真有效值的直流电压，能够精确测量各种电压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。如图2所示：电路中，Ui 信号经过电容C5隔直后输入到真有效值芯片中，其中电容C8，C9的作用是滤掉该电路中的高频干扰，采用双电源工作方式，满足真有效值的工作要求。 图1
罗氏线圈应用实例
创建时间：2012-12-7 16:31:00作者：陈泽榕自动化三班37号 题目：选择罗氏线圈测量三相交流电流1KA，频率为0至1KHZ。 分析： （1）因为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) 线圈的感应电压与H的变化率成正比，因此，所有线圈的感应电势之和与电流的变化率成正比。也就是：e(t)=di/dt 也就是说罗氏线圈的输出信号是一个电压值，由电压值积分后，须将电压值转化为电流值最后送到电流仪表中。 故一个完整的罗氏线圈电流测量系统包括一个线圈和一个积分器和电压电流转换器。 （2）三相电，有三条电线，而罗氏线圈用于测量单相交流电，故应选择三个罗氏线圈分别测量每相上的电流。 （3）保证测量精准。由于罗氏线圈具有测量无相角差，线性度好，可以测量频率几赫兹到1M，从几安培到几百千安培的电流，具有极佳的瞬态跟踪能力。但是由于罗氏线圈的原理，线圈应固定（线圈运动会切割磁场产生感应电动势，这是我们不想）避免受外界的扰动使线圈移动。且尽量保证电线位于线圈的中心。 （4） 我在网上找到了陕西铱星科技有限公司的罗氏线圈的规格见下表： 显然根据表格可以知道型号YXLS－5 /120满足要求（如果像课堂中讲的动车供电电压27.5KV，则需特别订制）。故选择铱星科技有限公司的罗氏线圈YXLS－5 /120和积分器还有电压电流转换器。 （5）下面是我的设计框图： 罗氏线圈为柔性开合式结构，外套硅橡胶管，用时无需改变电路，只需将线圈两端插扣。而输出信号端接入积分器及电压电流转换器（该公司的产品这两部分整合为一）最后接仪表。 1
罗氏线圈应用实例
自动检测技术张大伟 创建时间：2012-12-7 16:31:00作者：陈泽榕自动化三班37号 题目：选择罗氏线圈测量三相交流电流1KA，频率为0至1KHZ。 分析： （1）因为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) 线圈的感应电压与H的变化率成正比，因此，所有线圈的感应电势之和与电流的变化率成正比。也就是：e(t)=di/dt 也就是说罗氏线圈的输出信号是一个电压值，由电压值积分后，须将电压值转化为电流值最后送到电流仪表中。 故一个完整的罗氏线圈电流测量系统包括一个线圈和一个积分器和电压电流转换器。 （2）三相电，有三条电线，而罗氏线圈用于测量单相交流电，故应选择三个罗氏线圈分别测量每相上的电流。 （3）保证测量精准。由于罗氏线圈具有测量无相角差，线性度好，可以测量频率几赫兹到1M，从几安培到几百千安培的电流，具有极佳的瞬态跟踪能力。但是由于罗氏线圈的原理，线圈应固定（线圈运动会切割磁场产生感应电动势，这是我们不想）避免受外界的扰动使线圈移动。且尽量保证电线位于线圈的中心。 （4） 我在网上找到了陕西铱星科技有限公司的罗氏线圈的规格见下表： 显然根据表格可以知道型号YXLS－5 /120满足要求（如果像课堂中讲的动车供电电压27.5KV，则需特别订制）。故选择铱星科技有限公司的罗氏线圈YXLS－5 /120和积分器还有电压电流转换器。 （5）下面是我的设计框图： 罗氏线圈为柔性开合式结构，外套硅橡胶管，用时无需改变电路，只需将线圈两端插扣。而输出信号端接入积分器及电压电流转换器（该公司的产品这两部分整合为一）最后接仪表。 陈泽榕 自动化三班
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;i 1/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。近几十年来,世界各国学 者已经高度重视这方面的研究,并取得了不少研究成果。 3.1国外研究状况 在理论研究方面:1963年,英国科学家Cooper从理论上 对罗氏线圈的频率特性进行了大量的研究,特别是在高频响应 技术方面,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。二十世纪六十年代中期,德国 科学家荷曼对罗氏线圈的结构进行了一些改进,将以前的挠性 线圈骨架做成刚性的形式,在结构上更容易保证线圈匝数分布
罗氏线圈
罗氏线圈 罗氏线圈又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。 不含铁磁性材料，无磁滞效应，几乎为零的相位误差；无磁饱和象，因而测量范围可从数安培到数百千安的电流；结构简单，并且和被测电流之间没有直接的电路联系；响应频带宽0.1Hz-1MHz。与带铁芯的传统互感器相比，洛氏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。 基于洛氏线圈的具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变的场合。 电流互感器与罗氏线圈的区别 电流互感器CT（current transformer)，是应用变压器的原理（有铁心），一般是把原边的大电流变换成副边的小电流，然后通过I/V变换，输入到ADC 采样。 而罗氏线圈，英文为Rogwski coil，是空心的，即没有铁心，可以认为就是利用最基本的法拉第电磁感应定律，直接在副边产生电压信号。罗氏线圈相对于普通电流互感器的好处是，因其没有铁心，因此不存在铁心饱和现象，可以直接测量很大的电流。但是，正是因为其没有铁心，罗氏线圈感应出的电压信号相对于CT来说非常微弱，而且非常容易受到外部环境杂散磁场的影响，因此对绕制工艺的要求是很高的。另外，罗氏线圈感应出来的电压信号，不能直接用作电流信号，必须要对其进行微分运算，才可以还原回你要的电流信号。 目前罗氏线圈仅用于特大电流的场合，一般计量仪表都是采用的CT 罗氏线圈的放大积分电路的设计原理。 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。 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。 基本放大积分电路设计如图：
罗氏线圈传感器的测量原理
罗氏线圈传感器的测量原理 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罗氏线圈设计基本原理 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 罗氏线圈基本原理图 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) ( 1 ) 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M和自感系数L分别为： M=μ0Nhln(b/a)/2π ( 2 ) L=μ0N2hln(b/a)/2π ( 3 ) 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： 图3基本放大积分电路设计 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。 那么，罗氏线圈的电阻，自感L，互感M及输出电压u1（t）已知，电路中电阻，电容，集成运放电路的参数应如何估计或计算呢？
基于罗氏线圈的电流检测技术
基于罗氏线圈的电流检测技术 摘要：本文通过对罗柯夫斯基线圈的参数分析，结合相关参考资料的分析，系统总结出罗氏线圈的结构特性，根据罗氏线圈的基本设计流程，设计出满足低压电器通断试验要求的罗氏线圈，并配合相应的罗氏积分器和尼高力（Nicolet）数据采集系统，通过200kA通断试验控制监控系统，验证所设计的罗氏线圈符合试验要求。 关键词：电流检测、罗氏线圈、通断试验 研究现状 近年来，我国低压电器行业出现了巨大的变化，低压电器的检测技术也随之被推向了快速发展的阶段。这就对试验检测设备的试验和测量速度、精度都提出了更高的要求。传统的试验方式中，电流检测装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，其体积大、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[1]。而近年来，随着电气技术和计算机技术的普遍应用，国内外普遍采用了精度更高、更为可靠的数据测量，其中优势比较明显的就是运用罗柯夫斯基线圈(Rogowski线圈，以下简称罗氏线圈)技术的测量方式[2]。 罗氏线圈作为电流传感元件，具有测试频带宽、无磁饱和、结构简单等一系列优点，成为测量脉冲电流的理想元件[3]。本文首先阐述了罗氏线圈结构特点，通过感应电势、电磁等参数推导，得出罗氏线圈等效电路计算方法，从而得出罗氏线圈的基本设计流程，设计出满足低压电通断试器验要求的罗氏线圈。 1 罗氏线圈的结构特点 罗氏线圈的骨架芯由非磁性材料制成，截面均匀并具有环形结构，在制作罗氏线圈时，线圈沿骨架芯均匀紧密缠绕足够匝数后，再在线圈的末端接上终端电阻，用Rs表示。罗氏线圈的另一特点即“回绕”结构，也就是当线圈沿着闭合曲面环绕到终点后，需要回绕至起点。 如果用于测量大电流，罗氏线圈通常选用空心骨架芯，而如果测量一个小的稳态电流时，则骨架芯通常会选择铁磁材料，目的是使感应信号的强度增强。这种“回绕”的结构是罗氏线圈的关键特征，在实际使用中，我们应根据罗氏线圈所要测量的目标和工作场所来确定骨架芯选用何种材料[4]。
罗氏线圈简介
Rogowski线圈（洛氏线圈)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环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变以及电炉、短路测试、雷电信号采集等大电流的场合。 本产品配合积分器提供的香蕉形插头、BNC接头，能够方便接入采集板卡、示波器和万用表等测量仪器。 ?适用于毫安到兆安范围的电流测试 ?良好的线性度 ?带宽范围大 ?无二次开路危险 ?过电流能力强 ?不易受外界电磁干扰 ?低功耗 ?重量轻
?Rogowski Coil线圈命名后: 沃尔特罗柯夫斯基，是一个电动装置测量交流电或高速电流脉冲。它是一个空芯线圈，穿在直导体的电流上是测量作业。其输出的罗柯夫斯基线圈通常是连接到一个积分电路，以提供一个输出信号，即是成正比的电流。 目录 ?罗氏线圈优点 ?罗氏线圈电流互感器 ?罗氏线圈技术参数 罗氏线圈优点 ?罗柯夫斯基线圈超过其他类型的电流互感器。由于罗柯夫斯基线圈有一个空芯，而不是一个铁芯，它具有低电感，并能顺应瞬息万变的电流。无二次开路危险；可测量不规则导体；.安装方便，无须破坏导体；此外，因为它没有铁芯饱和，它是高线性度，甚至承受更大电流，例如:那些用在电力传输，焊接，或脉冲功率应用。一个正确的形成罗柯夫斯基线圈，和同样距离的绕组，在很大程度上是免疫电磁干扰。 罗氏线圈电流互感器 ?罗氏线圈电流互感器采用柔性电流传感器（Rogowski线圈电流传感器）作为采集电流传感器，可以测量频率几赫兹到1M，从几安培到几百千安培。其具有极佳的瞬态跟踪能力，可以用于测量尺寸很大或形状不规则的导体电流。广泛应用在传统测量电流的CT无法正常使用的大电流的测量。 罗氏线圈技术参数 ??输入：500A～300KA； ?输出：0～4V，0～1V 也可以变送器式输出标准信号4～20mA； ?精度： 0.2 0.5； ?频率：20Hz～1MHz； ?隔离耐压：3500V；
Rogowski线圈电流传感器的积分器设计
燕山大学毕业设计/论文Rogowski线圈电流传感器的积分器设计 *** 燕山大学 2012年6月
本科毕业设计（论文）Rogowski线圈电流传感器的积分器设计 学院（系）：*** 专业：08级应用电子 学生姓名：*** 学号：*** 指导教师：*** 答辩日期：2012年6月17日
燕山大学毕业设计（论文）任务书 学院：电气工程学院系级教学单位：电气工程及自动化 学号*** 学生 姓名 *** 专业 班级 应电-2 题目题目名称Rogowski线圈电流传感器的积分器设计 题目性质 1.理工类：工程设计（√ ）；工程技术实验研究型（）； 理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（） 2.管理类（）； 3.外语类（）； 4.艺术类（） 题目类型 1.毕业设计（√） 2.论文（） 题目来源科研课题（）生产实际（）自选题目（√） 主要内容 研究一种能够克服低频噪声和零点漂移的反馈电路，并且给出积分运算放大器的设计过程，将罗氏线圈的测量带宽扩展到1MHz以上。 基本要求 推导电路传递函数模型。仿真测试频率响应设计的结果，以及在测量dI/dt高于100A/us的磁压缩脉冲电流时的波形，并将测量效果与典型电流CT进行分析对比。 参考资料[1]W. F. Ray, R. M. Davis, “High frequency improvements in wide bandwidth Rogowski transducers,” EPE 99 Conference Proceedings, Lausanne. Sept 1999. [2]W. F. Ray, “Wide Bandwidth Rogowski Transducer: Part 2- Integrator”EPE Journal, Vol. 3, No. 2, pp. 116-122,1993 [3]W. F. Ray, C. R. Hewson, “High performance Rogowski current transducers, ” IAS IEEE Industrial Applications Society, Conference Proceedings, No.5, pp.3083-3090, Rome 2000 [4]W. F. Ray, R. M. Davis, “Wide bandwidth Rogowski current transducers Part 1 -The Rogowski coil, ”EPE Joumal, No.3, pp.51-59,1993 [5]W. F. Ray, C. R. Hewson, J. M. Metcalfe, “High frequency Effects in Current Measurement Using Rogowski Coil, ”2005 European Conference on Power Electronics and Applications, Vol. 2005, pp. 1665785,Sept 2005, Dresden, Germany. 周次1—4周5—8周9—12周13—16周17—18周应 完 成的内容查阅资料、 分析原理 建立空芯线圈 和有源外积分 电路的数学模 型 仿真传感头与 积分电路设计 是否匹配； 分析仿真结 果；评估积 分电路的性 能和局限； 撰写论文 准备答辩 指导教师：*** 职称：讲师2012年1月2日系级教学单位审批： 年月日
罗氏线圈原理
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) 线圈的感应电压与H的变化率成正比，因此，所有线圈的感应电势之和与电流的变化率成正比。 也就是： e(t)=di/dt 对输出电压e(t)求积分，可获取i，因此，罗氏线圈一般与积分器配套使用。 罗氏线圈工作原理 罗氏线圈是一种空心环形的线圈，可以直接套在被测量的导体上。导体中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变比成比例的交流电压信号。 线圈的输出电压可以用公式Vout=M di/dt 来表示。其中M 为线圈的互感.di/dt 则是电流的变比。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，这个电压信号可以准确地再现被测量电流信号的波形。线圈和积分器： 罗氏线圈及配套积分器是一种通用的电流测量系统，应用的场合很广泛，它对待测电流的频率、电流大小、导体尺寸都无特殊要求。系统的输出信号与电流频率无直接关系，相位差小于0.1度，可测量波形复杂的电流信号，如瞬态冲击电流。线性度： 罗氏线圈电流测量系统一个突出的特点就是线性度好。线圈不含磁饱和元件，在量程范围内，系统的输出信号与待测电流信号一直是线性的。而系统的量程大小不是由线性度决定的，而是取决于最大击穿电压。积分器也是线性的，量程取决于本身的电气特性。线性度好使得罗氏线圈非常容易标定，因为系统可以使用常见的基准信号进行标定，标定后的系统在整个量程范围内都是线性的，测量结果都是准确的。同时由于线性度好，系统的量程可以随意确定，瞬态反应能力突出。输出指示： 积分器输出的交流电压信号可以在任何输入阻抗大于10kohm 的电气设备上使用，例如电压表，示波器，瞬态冲击记录仪或保护系统。积分器输出的直流电流信号可以广泛应用在数据采集系统及自动化控制系统中。标定线圈和积分器 线圈标定主要是确定线圈互感系数，积分器标定主要是标定输入和输出信号，我们提供的线圈和积分器在出厂前都已经标定完毕，用户订购时需要提供待测电流量程，以便我方标定，我们不建议用户自己标定系统。线圈和积分器使用一段时间后，用户不需要进行再次标定。
设计罗氏线圈
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M M=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=-1 2R 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 τ KM )(=。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
PCB型罗氏线圈电流传感器的设计与试验研究
【100】?第39卷?第2期? 2017-02收稿日期：2016-09-13 基金项目：广东省科技计划资助项目（2014A010106033）；广东省科技计划资助项目（2013B060500056）；茂名市科技 计划资助项目（201613） 作者简介：龚勇镇（1983 -），男，湖南湘潭人，讲师，硕士研究生，主要从事智能检测与机电一体化方面的研究。 PCB 型罗氏线圈电流传感器的设计与试验研究Design and experimental study of PCB Rogowski coil current sensor 龚勇镇1，黄崇林1，廖 辉1，乔东凯1，鲍丙豪2 GONG Yong-zhen 1, HUANG Chong-lin 1, LIAO Hui 1, QIAO Dong-kai 1, BAO Bing-hao 2（1.广东石油化工学院 机电工程学院，茂名 525000；2.江苏大学 机械工程学院，镇江 212013）摘 要：介绍了罗氏线圈的工作机理，根据高精度罗氏线圈设计原则，优选参数，设计了一种基于PCB 骨架的罗氏线圈。制作并调试好符合要求的信号检测电路，其按顺序依次为放大、积分、滤 波环节。当被测电流大小在0～600A范围内变化时，对PCB型罗氏线圈电流传感器进行了试验 验证。结果表明：该传感器线性度好，灵敏度高，能达到2.2353mV/A，输入、输出信号准 确，可满足测量要求。 关键词：PCB型罗氏线圈；检测电路；试验；线性度；灵敏度 中图分类号：TH12；TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2017)02-0100-040 引言 随着电网电压等级的提高及电力系统容量的增加， 传统的电磁式电流互感器由于存在铁磁饱和、信号输出 易失真、体积大、难以安全绝缘、数字量输出不便等缺 点[1,2]，难以满足电力系统发展要求。罗氏线圈作为一种 性能较优的电流传感头，具有测量范围宽、反应速度较 快、线性度好、频带宽、绝缘性能好、精度高等优点， 被认为是当前电磁式电流互感器的一种较理想的替代 品，在电力测量和继电保护中，具有广阔的应用前景。1 罗氏线圈工作机理 罗氏线圈（又称Rogowski 线圈）是俄国科学家 Rogowski 于1912年首次提出的，它实质上是一种结构比 较特殊的空芯线圈，即把导线通过手工或机器均匀地绕 制在一非铁磁骨架上[3,4]，不需与被测电路直接接触，如 图1所示。工作时，由电磁感应定律及安培环路定律可 知，穿过线圈中心的通电导线产生的电磁场将在线圈中 产生一个感应电压e(t)输出，它与通电导线中瞬时电流 对时间的导数成正比关系，感应电压和被测电流之间相 位相差90°。 1()di e t M dt =? (1) 式(1)中，线圈与通电导线之间的理论互感 为 ，其中：0μ为真空磁导率，其值为 -70104×=πμH/m ，N 表示线圈匝数；h 表示非磁性骨架高度（m ），a 、b 分别表示线圈非磁性骨架外、内径（m ），i 1为通电导线中的瞬时电流（A ）。 图1 罗氏线圈工作示意图
罗氏线圈工作原
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。罗氏线圈工作原理是线圈骨架围绕被测导体，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。根据数学推导，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。一个完整的罗氏线圈电流测量系统应该包括一个线圈和一个积分器，下面我们通过对线圈及积分器的介绍，让大家对罗氏线圈工作原理有一个详尽的了解。 一、罗氏线圈工作原理
图示：罗氏线圈探头基本结构原理示意图 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。其设计基本原理如上图所示：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M和自感系数L分别为： M=μ0Nhln(b/a)/2π L=μ0N hln(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，μ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。 二、积分器工作原理 若想准确将罗氏线圈的线圈感应电动势输出还原为测量的交流电流i，还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。积分器通过对罗氏线圈感应电压的放大和积分处
耦合电流传感器
耦合电流传感器 工作原理： 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罗氏线圈设计基本原理 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： 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: （1） ∮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M和自感系数L分别为： （1） M=μ0Nhln(b/a)/2π （2） L=μ0N2hln(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。 基本放大积分电路设计如图：
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。 自积分型罗氏线圈的参数： 传递函数： H s = U 0(s )x =R L M s s s +R s +R L L s 带宽: BW = 1L s ?R s +R L s 频率上限: f H = 1L s 频率下限； f L = R s +R L 2πL s 改变线圈的结构来增大线圈固有频率，增大外加积分器RC 降低下限频率. 外积分型罗氏线圈基本参数： 传递函数： H s =U 0(s )I x (s )≈R L M L s 2s (R s +R L ) 带宽: BW = 12πLC 0 R s +R L R L ?12πRC 频率上限: f H =2πL s C s R s +R L L 频率下限； f L = 12πRC 罗氏线圈的应用：
改进的罗氏线圈
外文翻译 题目：有源型电子式电流互感器的设计 作者姓名杭学敏___________ 指导教师陈明军副教授______ 专业班级电气工程及其自动化1202__学院信息工程学院_______ 提交日期2016年3月11日
关于改进的Rogowski 线圈的设计和校准 John D. Ramboz ，Member ，IEEE 摘要：Rogowski 线圈是一种特殊类型的互感器，常用来测量交流高电压和瞬时电流。本文对传统的设计进行了评价，探索了典型线圈设计中误差产生的原因，然后介绍并讨论了“改进的罗氏线圈”，并且说明了关键性设计方案选择的思路。本文还将改进的线圈更高的性能与其他设计进行了对比。最后对测试和校准的方法进行了讨论。 关键词： Rogowski 线圈，传统线圈，新型线圈，电流互感器，测试和校准。 1 引言 Rogowski 线圈可以被设计用来作为交变电流互感器和瞬时电流互感器。作为一种特殊的互感器，他们可用于测量几十安培到几千安培的交变电流或者瞬时电流。当Rogowski 线圈被放置在一个载流导体中，线圈会产生电压o e ，与线圈互感系数M 成正比，电流随时间的变化率为)(/)(t d t di ，这是由以下列式子得出的： ) ()()(t d t di M t e o = （1） 从（1）中得知，电流的变化为： ? ?==)()(1) ()(t d t e M t di t i o （2） 为了完成电流的测量，必须要将线圈的输出电压进行积分，然后乘以互感M 的倒数。有两种常见的方法：1）用一个电气或电子积分器；2）将线圈输出电压数字化后用数值积分软件将其进行积分。 Rogowski 线圈的互感系数的来源，在某种程度上使用的是安培定律中的这样一句话：“闭合的磁场强度的线积分与在该电路范围内流经表面的总电流成正比。”[1]。这个比例常数M 就是Rogowski 线圈的互感系数。 安培定律中的线积分需要一个厚度和宽度均为0的线圈（假设线圈有一个长
基于罗氏线圈对高压输电线路雷电绕击_反击的识别
文章编号:1004-289X(2010)01-0034-03 基于罗氏线圈对高压输电线路雷电绕击、反击的识别 封建宝 (广西大学电气工程学院,广西 南宁 530004) 摘 要:基于罗氏线圈测量雷电流方向的理论及雷电绕击、反击原理,进行研究。提出在杆塔不同部位安装罗氏线圈,将得到杆塔不同部位雷电流的方向。提出雷电绕击、反击实时判别系统的相应基本理论。 关键词:高压输电线路;绕击;反击;罗氏线圈 中图分类号:T M72 文献标识码:B The Identificati on to Thunderstri ke and Counterattack of HV Trans m ission L i ne B ased on Rogo w sk i Coil FENG Jian bao (E lectrical Eng ineering Co llege of G uangx iU niversity,N anning530004,Ch i n a) Abstract:According to Rogo w sk i co il thunder current directi o n theo r y,thunderstri k e and counterattack pri n ciples,the thunderstri k e and counterattack are stud i e d.Roqo w sk i co il is i n sta lled in d ifferent positions o f the pole,the thunder bolt current w ill be got fro m t h e d ifferent position of the po le.The paper propose relevent basi c theo r y o f t h understr i k e and counterattack real ti m e discri m inati n g syste m. K ey words:HV transfers c ircu i;t thunderstrike;counterattack;Rogo w ski co il 1 引言 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[1-3]。 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。 本文研究了一种基于输电线路杆塔的雷电流实测系统,在绝缘子串杆塔侧金具上钳套罗果夫斯基型电流传感器,测量雷击闪络时的闪络电流的方向。该电流与雷电活动的强度成正比,需要考虑避雷线的耦合作用、分流作用和杆塔的电感、接地电阻等。在杆塔入地杆安装另外一个罗果夫斯基型电流传感器,测量该处的电流方向,通过对比这两处的电流方向就可以得到雷击方式。此外该系统也具有确定雷击点的功能。 2 雷电流测量原理 本文设计的罗果夫斯基线圈型冲击电流传感器,采取无源传感方式,以适于长期运行,避免维护。传感器输出信号经处理后由无线通讯设备传回变电站。为降低成本,同一杆塔只用一套处理装置和无线通讯设备,因此为防止雷击时各传感器间的电位差对装置造成干扰和破坏,传感器与处理装置间需通过同轴电缆传输信号。 传感器安装在输电线路三相绝缘子串的地电位悬挂金具上。当绝缘子发生雷击闪络时,闪络电流穿过电流传感器,从而被线圈检测到;传感器不需电源,直接通过同轴电缆传到数据预处理装置接收,经处理后获得雷电流方向;数据通过无线电传送到位于变电站的接收装置,经信息整合处理后提供给用户。整个测量系统如图1所示。
电流传感器类型
1、 电阻分流器检测技术 分流器是根据电流通过电阻时在电阻2端产生电压进行测量。 应用领域： 在低频率小幅值电流测量中，表现出高的精度和较快的响应速度。在工业领域中，在不涉及到测量回路与被测电流之间电隔离的场合，分流器是将电流信号转变成电压信号的首选的低成本方案。 2、 电流互感器 电流互感器原理是依据电磁感应原理的，电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变化转换成数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。
3、霍尔电流传感器 开环的霍尔电流传感器采用的是霍尔直放式原理，闭环的霍尔电流传感器采用的是磁平衡原理。所以闭环的在响应时间跟精度上要比开环的好很多。开环和闭环都可以监测交流电，一般开环的适用于大电流监测，闭环适用于小电流监测。优点：封装尺寸小，测量范围广，重量轻，低电源损耗，无插损 开环式霍尔传感器的工作过程： 原边电流(Ip)通过一根导线时，在导线四周将会产生一个磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它能通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后 直接输出，霍尔器件输出的信号准确反映了原边电流的输出情况。 闭环霍尔电流传感器的工作过程： 当原边电流IP产生的磁通通过磁芯集中在磁路中，霍尔器件固定在气隙中检测磁通，通过绕在 磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边电流(IP)产生的磁通，使得磁路中磁通始终保 持为零。霍尔器件和辅助电路产生的副边补偿电流准确反映了原边电流的大小。经过特殊电路的处理， 传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。
4、磁通门电流传感器 磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。 磁通门传感器就是利用某些高磁导率的软磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁场作用下的次饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。其结构可以看成一个特殊的变压器，磁通门测磁法正是利用这种特殊变压器的磁芯，当交变电流流过该变压器原边线圈时，磁芯反复被交变过饱和励磁所磁化，当有外磁场存在时，励磁变得不对