【正文】 構(gòu)簡單，造價(jià)低廉。羅氏線圈不是插入式的。其柔性結(jié)構(gòu)使其可以圍繞在半導(dǎo)體開關(guān)或緩 沖器外，這樣不用改變電路結(jié)構(gòu)，也就不會(huì)影響電路工作。 第 1 章 緒論 1 本文重點(diǎn)研究了羅氏線圈的工作原理，對(duì)頻率特性進(jìn)行分析。按照課題要求，設(shè)計(jì)合適的積分器。 脈沖大電流測量概述 大電流 (Heavy Current)，是一種在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研試驗(yàn)中經(jīng)常遇到的重要物理量。目前不論在冶金、化學(xué)工業(yè)中的電解，機(jī)械工業(yè)中的電鍍，電氣機(jī)車中的牽引系統(tǒng)，電力輸配電系統(tǒng)、脈沖功率源和等離子體裝置等行業(yè)，還是在核物理、大功率電子學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域都會(huì)涉及到大電流及其測量問題。 根據(jù)大電流工作性質(zhì)狀態(tài)的不同，常常可分為三大類， 即穩(wěn)態(tài)大電流（如直流大電流和交流大電流）、暫態(tài)大電流和脈沖大電流（又稱沖擊大電流）。 羅氏線圈的性能優(yōu)點(diǎn) 羅氏線圈是一種新型的電流檢測元件，它是具有特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈，不含鐵芯，因此沒有因含鐵芯而具有的磁芯飽和的缺陷。羅氏線圈具有以下特點(diǎn)： (1)測量線圈本身與被測電流回路沒有直接的電的聯(lián)系，而是通過電磁場耦合，因此與主回路有著良好的電氣絕緣； (2)由于沒有鐵芯飽和問題，測量范圍寬；同樣的繞組，電流測量范圍可以從幾安培到數(shù)百千安培； (3)頻率范圍寬，一般可設(shè)計(jì)到從 ～ 10MHz，特殊的可設(shè)計(jì)到 100MHz 的通帶，線圈自身的上升時(shí)間可做得很?。ㄈ缂{秒數(shù)量級(jí)）； (4)測量準(zhǔn)確度高，可設(shè)計(jì)到優(yōu)于 %，一般為 %～ 1%之間。 (5)易于以數(shù)字量輸出，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量與保護(hù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化。 (6)沒有由于充油而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險(xiǎn)，符合環(huán)保要求，而且體積小、重量輕、生產(chǎn)成本低。 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1912年， Rogowski 與其同伴 發(fā)表了題為《 The Measurement of MagMotive Force》的論文，作者根據(jù)麥克斯韋第一方程證明了圍繞導(dǎo)體的線圈端電壓可用來測量磁場強(qiáng)度，并且此電壓與線圈形狀無關(guān)，特別地，稱這種線圈為羅氏線圈。后來人們根據(jù)全電流定律證明了羅氏線圈可以用來測量脈沖大電流。使用這種測量方式，被測電流的幅值幾乎不受限制，反映速度快。不過剛開始獲得的準(zhǔn)確度并不高（ 23%），而且性能也不夠穩(wěn)定。直到 1966 年西德的 Heumamn 改變了羅氏線圈的結(jié)構(gòu)，并將羅氏線圈的測量準(zhǔn)確度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)（ %），測量時(shí)受外磁場和被測導(dǎo)體的位置影響很小，才使得羅氏線圈又被逐漸重視起來。到了 80 年代中后期，以羅氏線圈為傳感頭的電子式電流互感器裝置的研制成功，進(jìn)一步加速了它的應(yīng)用步伐。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 根據(jù)被測電流時(shí)間常數(shù)的不同，羅氏線圈分為自積分和外積分兩種工作模式。羅氏線圈出現(xiàn)之初，主要用于大電流窄脈沖的測量（脈寬小于 1 微秒，幅值幾十萬安培），如粒子加速器，這種線圈為自積分式羅氏線圈。 羅氏線圈也受到國內(nèi)同行的普遍重視，在羅氏線圈互感器的開發(fā)上做了大量的研究工作。在第四屆全國智能化電氣及應(yīng)用研討會(huì)上，使用羅氏線圈組成互感器進(jìn)行電流測量受到普遍的重視。其中，華中科技大學(xué)的陳慶、李紅斌等人將線圈制作成 PCB 板的結(jié)構(gòu)，很好的實(shí)現(xiàn)了線圈結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，參數(shù)的優(yōu)化。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張玉紅對(duì)羅氏線圈的頻帶特性做出分析，給出了反映外積分羅氏線圈實(shí)際頻率特性的計(jì)算公式，并指出自積分羅氏線圈頻帶公式并不能很好反映實(shí)際情況。在高頻脈沖電流領(lǐng)域的應(yīng)用中，中科院電工所的王玨使用自積分羅氏線圈測量納秒級(jí)脈沖獲得了很好的上升速度；華中科技大學(xué)的李維波將羅氏線圈應(yīng)用在神光 Ⅲ 強(qiáng)激光能源模塊中的脈沖檢測。國內(nèi)其它大學(xué)，如大連理工大學(xué)、武漢大學(xué)、清華大學(xué)、湖南大學(xué)等都有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，取得了一定的科研成果。目前，國內(nèi)對(duì)羅氏線圈的研究 重點(diǎn)仍集中在傳感頭結(jié)構(gòu)工藝以及積分器的設(shè)計(jì)上。并且這些研究大多集中在某一特定測量頻帶內(nèi)，針對(duì)某一被測電流特性而進(jìn)行設(shè)計(jì)，大帶寬測量能力的羅氏線圈很少被提及。 本章小結(jié) 本章先提出隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)的要求，大電流測量應(yīng)用相當(dāng)廣泛。而傳統(tǒng)的CT 顯示出很多的不足。所以我們需要尋找一種新的電流傳感器去代替。 羅氏線圈就是一種新型的電流檢測元件，提出了羅氏線圈的優(yōu)點(diǎn)并介紹了國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀。 第 2 章 電流互感器的介紹 電流互感器就是在正常條件下使用時(shí)，二次電流實(shí)質(zhì)上與一次電流成正比，本章介 紹了電流互感器的概念，分析了傳統(tǒng)電磁式電流互感器的基本原理。 電流互感器的基本概念 電流互感器在正常條件下使用時(shí)，一次繞組串聯(lián)在電流回路中 (在導(dǎo)線截 斷處 )，二次繞組經(jīng)某些負(fù)荷 (測量儀表或繼電器 )而閉合，并保證通過的負(fù)荷 電流與一次繞組的電流成正比。 第 1 章 緒論 3 電流互感器的用途 電流互感器按其用途可分為測量用電流互感器和保護(hù)用電流互感器，有時(shí)一臺(tái)互感器可以兼有兩種用途。測量用電流互感器的用途是將測量信息傳遞給測量儀表。電流互感器安裝在不能直接連接測量儀表的高壓回路中或大電流回路中。其二次 繞組接電流表、瓦特表、計(jì)量表和類似的儀器的電流線圈。因此，測量用電流互感器的作用是： (1)將任一數(shù)值的交流電流變換成用標(biāo)準(zhǔn)測量儀表可以直接測量的交流電 流值； (2)使高壓回路與維護(hù)人員可以接近的測量儀表絕緣； 保護(hù)用電流互感器的用途是將測量信息傳遞到保護(hù)和控制裝置。因此，保 護(hù)用電流互感器的作用是： (l)將任一數(shù)值的交流電流變換成可以供給繼電保護(hù)裝置的交流電流值； (2)使高壓回路與維護(hù)人員可以接近的繼電器絕緣； 即使在不需要為測量儀表或繼電器減小電流的情況下，在高壓設(shè)備中仍需采 用電流互感器，作為測 量儀表或繼電器對(duì)高電壓的隔離及絕緣。 傳統(tǒng)電磁式電流互感器的原理 用于測量的電磁式電流互感器，鐵芯的導(dǎo)磁率要高 。用于保護(hù)的電磁式電流互感器，鐵芯的飽和磁密要高。單級(jí)電磁式電流互感器的原理電路和等效電路如圖 ， 所示。 圖 電流互感器的原理圖 第 2 章 電流互感器的介紹 5 圖 電流互感器等效電路圖 流過電流互感器一次繞組的電流工 il稱為一次電流。一次電流值只由一次回路的參數(shù)決定，因此在分 析電流互感器的作用原理時(shí)，一次電流可以認(rèn)為是給定值。當(dāng)一次繞組流過一次電流時(shí)，鐵芯中產(chǎn)生和電流 i1同一頻率變化的交變磁通 Φ1中，磁通 Φ1交鏈一次和二次繞組的線匝。當(dāng)磁通 Φ1穿過二次繞組線匝時(shí)，由于磁通本身的變化，在二次繞組中感應(yīng)出電勢。如果二次繞組經(jīng)過某些負(fù)荷，即經(jīng)過與其連接的二次回路閉合，那么在 “二次繞組一二次回路 ”這個(gè)支路里，在感應(yīng)電勢的作用下就有電流通過。根據(jù)楞茨定律，這個(gè)電流的方向與一次電流 I!的方向相反。流過二次繞組的電流在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通 Φ2，也與磁通Φ1的方向相反，因此鐵芯中由一次電流產(chǎn)的磁 通將減少到激磁磁通。由于磁通 Φ2相量疊加的結(jié)果，鐵芯中的合成磁通 Φ0=Φ1一 Φ2，為磁通 Φ1的百分之幾。合成磁通 Φ0是在電流變換過程中從一次繞組向二次繞組傳輸電能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。合成磁通 Φ0在穿過兩個(gè)繞組線匝時(shí)，由于本身的變化，在一次繞組中感應(yīng)出反電勢 E1.，而在二次繞組中感應(yīng)出電勢E2。因?yàn)橐淮魏投卫@組線匝交鏈鐵芯的磁通 (如果忽略漏磁通 )幾乎相同，所以在兩個(gè)繞組的每一線匝里就感應(yīng)出同一電勢。在電勢 E2的作用下，流過二次繞組的電流 I2，稱為二次電流。如果一次繞組的匝數(shù)用 N1 表示，二次繞組的匝數(shù)用 N2 表 示，它們流過的電流分別為 I1和 I2，則一次繞組中形成的磁勢 F1=，稱為一次磁勢，二次繞組中的磁勢 F2=I2..N2稱為二次磁勢。磁勢的單位是安匝。電流變換過程中沒有能量消耗時(shí)，磁勢 F1和 F2在數(shù)量上應(yīng)相等，但方向相反。電流變換過程中沒有能量消耗的電流互感器稱為理想電流互感器。對(duì)于理想電流互感器，下面的矢量等式成立 F1=F2 () =I2..N2 () 從等式 ()得 ： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 I1/I2=N2/N1=n () 即理想電流互感器繞組中的電流與匝數(shù)成反比。 一次電流與二次電流比或二次繞組匝數(shù)與一次繞組匝數(shù)比稱為理想電流互感器的電流比。 在實(shí)際電流互感器中，由于鐵芯中產(chǎn)生磁通、鐵芯的發(fā)熱和交變勵(lì)磁以及二次繞組和二次回路導(dǎo)線的發(fā)熱，電流變換將消耗 能量。這些能量的消耗破壞了上面建立的磁勢 F1，和 F2絕對(duì)值的等式。在實(shí)際電流互感器中，一次磁勢應(yīng)保證建立所必須的二次磁勢，以及一個(gè)同時(shí)發(fā)生并花費(fèi)在鐵芯勵(lì)磁和抵消其它能量消耗上的附加磁勢。這樣，實(shí)際電流互感器的方程式 ()具有以下的形式： F1=F2+F0 () 式 中， F0—消耗與產(chǎn)生鐵芯磁通中。鐵芯發(fā)熱和交變勵(lì)磁的全勵(lì)磁磁勢。 本章小結(jié) 本章主要介紹了傳統(tǒng)電流傳感器的基本概念和用途，并 著重介紹了其工作原理，分析出等效電路圖并得出電流互感器的矢量公式。 第 3 章 羅氏線圈的結(jié)構(gòu)和基本原理 第 2 章 電流互感器的介紹 7 羅氏線圈的構(gòu)造 羅氏線圈 (Rogowski Coil)又稱空心互感器、磁位計(jì)，廣泛用于脈沖和暫態(tài)大電流的測量。特殊的結(jié)構(gòu)決定其具有脈沖大電流的測量能力。 羅氏線圈是均勻圍繞在非磁性骨架上的線圈，圍繞在導(dǎo)體外，用來測量流過導(dǎo)體的電流。最簡單的就是空心圓環(huán)。羅氏線圈電流傳感器由羅氏線圈傳感頭和后續(xù)信號(hào)處理電路兩大部分組成。其中傳感頭是測 量元件的信號(hào)感應(yīng)環(huán)節(jié)，通過空間中電磁場的捕獲，與被測電流建立耦合關(guān)系。它的基本結(jié)構(gòu)是將導(dǎo)線均勻纏繞在非磁性骨架芯上，并在線圈兩端接上中端電阻，經(jīng)后續(xù)處理還原電路后，就可以測量脈沖大電流。在加工羅氏線圈傳感頭時(shí)，要求必須 “回繞 ”一周，即沿著任意閉合曲面環(huán)繞線圈，當(dāng)繞到終點(diǎn)后再稀疏回繞到起點(diǎn) .如圖 31 所示 圖 31 羅氏線圈傳感頭回繞方法示意圖 因此，羅氏線圈的唯一結(jié)構(gòu)特征是 “回繞 ”結(jié)構(gòu) 。所謂回繞結(jié)構(gòu)，是為了抵消掉垂直于羅氏線圈平面的干擾磁場在繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢而設(shè)置的。如果羅氏線圈沒有 “回繞 ”結(jié)構(gòu)，由于小線匝彼此順串，沿著繞制線圈的循環(huán)方向便形成一匝大線匝，這是我們不希望的額外線匝。繞制一圈與大線砸相反的 “回線 ”， 根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，便可基本抵消掉垂直干擾磁場的影響。因此，回線的繞制要求穿過骨架中心，才可以認(rèn)為基本抵消掉垂直干擾磁場的影響。目前如何獲得耦合關(guān)系更穩(wěn)定，信號(hào)強(qiáng)度更高的傳感頭及其制作工藝也是研究的重點(diǎn)。除回繞結(jié)構(gòu)以外，羅氏線圈傳感頭的繞線要均勻、對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測電流磁場的 穩(wěn)定耦合關(guān)系。 羅氏線圈的測流原理 羅氏線圈測量電流的理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，將導(dǎo)線纏繞于一個(gè)無磁性的具有相同橫截面積的環(huán)形閉合骨架上，當(dāng)被測載流導(dǎo)體從骨架中心穿過時(shí)，由電磁感應(yīng)定律可知線圈的兩端會(huì)感生出與電流變化率成比例的電壓，表達(dá)式為： 第 3 章 羅氏線圈的結(jié)構(gòu)和基本原理 9 dttNte )(d)( ??? 根據(jù)安培環(huán)路定理： ? ?? )(d)( tiltH 和 HABA 0?? ?＝ ，可得： dt tiMdt tiNAte )(d)(d)( 0 ???? ? (31) 其 中： M為線圈與被測電流的互感； N為線圈匝數(shù)； A為骨架截面積； μ0為真空中的磁導(dǎo)率，H /m10π4 70 ??＝? )(t? 為穿過單匝線圈的磁通； )(te 為感應(yīng)電壓； )(ti 為被測電流； B為磁感強(qiáng)度。 式 (31)表明：被測電流與線圈感應(yīng)電壓之間是微分關(guān)系，線圈實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)微分環(huán)節(jié)。為了準(zhǔn)確的再現(xiàn)電流波形，必須建立傳感頭的精確等效電路模型。針對(duì)傳感頭等效電路，對(duì)感應(yīng)電壓 )(te 進(jìn)行精確的積分還原。 e ： 感生電壓； N ： 繞線匝數(shù)密度； A ： 線圈截面積； M： 線圈互感； μ0：空氣相對(duì)磁導(dǎo)率； 圖 32羅氏線圈測量系統(tǒng) Rogowski 線圈與傳統(tǒng)電流互感器的比較 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 終 端 電 阻 實(shí)際羅氏線圈照片 長期以來，電流互感器在繼電保護(hù)和電流測量中具有不可替代的地位，但在保護(hù)作用的同時(shí)，電流互感器的飽 和問題卻一直困擾著人們。當(dāng)電流互感器飽和時(shí)，二幾次信號(hào)發(fā)生畸變引起繼電器誤動(dòng)作。造成電流互感器飽和的主要成分是一次電流的直流成分。在短路故障的暫態(tài)過