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

均匀,线圈抗干扰能力大大增强,提高了测量准确度,大大推动

了罗氏线圈的产业化进程。此外,科学家[3][4][11]Heumamn、K.L. Williams、John D.Ramboz、G.Pellinen D、Mahonen P、Stygar W,Gerdin、Thomsa Eriksson等在罗氏线圈的理论研究、高压

及脉冲大电流中的测量应用、光电组合式罗氏线圈电子式电流

互感器设计和性能改进等方面,做出了大量的贡献。特别是新

世纪以来,美国科学家Lj.A.Kojovic在新型、高精度罗氏线圈

结构设计与继电保护[5]罗氏线圈电流传感器的制作和测试,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。

在产业化进程方面:二十世纪八十年代初期,英国的Ro-

coil公司在已取得理论基础上,首次实现了罗氏线圈的初步系

列化和产业化。二十世纪八十年代中后期以来,罗氏线圈检测

技术得到飞速发展。如梅兰日兰公司(MG通过不断的试验,将

罗氏线圈与断路器结合为一体,做成了集测量和继电保护一体

化的装置。瑞士的ABB公司通过多年的经验积累,已研制出一

系列主要采用罗氏线圈作为一次传感头部分的有源电子式互

感器[3],产品包括采用罗氏线圈测量电流和利用电容环分压原

理测量电压的有源电子式电流电压组合互感器、采用罗氏线圈

作为电流测量部分而开发出的集成式电流电压互感器等。有些

技术也被引入到我国,如长江三峡至常州直流输电工程中采用

了ABB公司研制的罗氏线圈互感器测量电流和谐波。

德国的的RITZ公司坚持产学研的途径,通过与德国一些罗氏线圈电流传感检测技术研究概况

龚勇镇

(广东石油化工学院机电工程学院,广东茂名525000

【摘要】传统的电磁式电流测量装置,因其结构上的缺点,无法满足目前电力系统发展要求。罗氏线圈电流传感检测技术已成为新的发展方向。系统地概括了国内外对该技术的研究现状,分析了三种不同骨架罗氏线圈的优缺点及应用,为系统深入地研究性能更为优越的罗氏线圈、推动产业化等,奠定了理论基础。

【关键词】罗氏线圈;传感检测;电流

【中图分类号】TM452【文献标识码】A【文章编号】1003-2673(201102-54-

03

著名大学的研究所合作,继研发出基于罗氏线圈测量技术的一些早期产品后,又新推出了基于罗氏线圈的电子式电流互感器产品,产品的性能和参数优化方面都有

了大幅度的提高。还有法国、美国的一些电力公司也研制出了基于罗氏线圈测量技术的一些样机。

3.2国内研究状况

目前,就国内的状况来看,我国在罗氏线圈检测技术的研究方面,起步比较晚,一些关键技术的研究还处于跟踪国外大公司(如ABB、ALSTOM等公司的水平。但随着发展罗氏线圈电子式互感器的时机逐渐成熟,国内许多高等院校如清华大学、华中科技大学、西安交通大学、燕山大学等,科研院所如电力科学研究院、武汉高压研究所等,以及相关的生产厂家如上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司、西安高压开关厂等单位都投入了大量的人力物力,对Rogowski线圈电子式互感器进行了深入的探索和研究,并取得了不少成果。

在理论研究方面:二十世界八十年代以来,国内很多学者对罗氏线圈的应用进行了大量研究[6][7][8][9][12],如揭秉信、金涌涛、刘会金等对罗氏线圈的频率特性和工作状态作了进一步的分析;廖京生、邸志刚、郑绳楦等对罗氏线圈用于小电流测量做了不少研究,扩大了测量范围;段雄英、邹积岩、申烛、李维波、任洪林等在罗氏线圈测量电流的仿真分析及误差分析与补偿、传输线路的抗干扰等方面做出了贡献,为试验研究和产业化打下了基础;李红斌、陈庆等对不同种类的罗氏线圈进行了详细分析,提出了一些设计高精度罗氏线圈的方法。

在产业化方面:2001年,华中科技大学与广东某公司合作研制的110kV变压器套管用的罗氏线圈电流互感器通过武汉高压研究所的型式试验和湖北省科委组织的鉴定;同年,与江苏某厂合作研制了35kV断路器用罗氏线圈电流互感器。2002年,与河南某公司合作研制的110kVSF6封闭电器用有源互感器样机通过武汉高压研究所型式试验及河南省科委组织的鉴定,并在河南许昌挂网试运行,运行情况良好;2002年,清华大学电机系研制的110kV OETA试验样机在山东省挂网试运行,其中保护传感器为罗氏线圈,计量传感器为TA,达到0.5级要求。

所以,就目前国内情况来看,虽然罗氏线圈电子式电流互感器的理论已经成熟,但并未推广应用。对它的研究还主要停留在实验测试和初步挂网试运行阶段,距离实