Rogowski线圈：几乎任何应用的卓越的电流测量工具
本文档提供了在电气行业中使用Rogowski线圈的主要思想。这主要是由于使用近乎完美的设计可以获得的非常高的精度及其极快的响应时间。我们首先回顾罗戈夫斯基线圈的真正好处，以及如何在20世纪90年代采取的各种改进，并在2000年初在工业上应用于GIS。关于今天使用的电子设备只有几句话。GIS以外的其他应用程序今天变得普遍。如测量后电弧电流经过几微秒的短路电流中断的断路器。
它们在实验室中已经众所周知几十年，特别是用于测量大的高频电流脉冲。基本上，它们可以被认为是特殊的电流互感器。模型在图1中描述，并且适用于用作电流互感器的Rogowski线圈[1] .
灵敏度和内部磁化电感之间存在简单的关系：
在式[1] Np 和N分别是初级和次级绕组的匝数。
开关柜中的第一个应用是用于GIS。这里在初级绕组仅仅是通过传感器传递，通过如所示的棒图2和Np 等于1。
在电源频率和假设稳态条件下，次级电流为次级电压 Vs.
在电流互感器中，初级和次级电流应尊重理想关系。实际上，剩余误差保留并且等式（3）可以被重写为.
做到这一点 E 可忽略的需要低的值的比率 （- [R - [R ）。当由应用施加高值的负载电阻时，需要使用高磁导率磁芯并增加磁化电感L.通常使用数百亨利的范围内的值。
对称地，Rogowski线圈的输出提供次级电压 Vs 应该通过理想关系连接到初级电流：
由罗氏线圈输送的电压与初级电流的导数成比例。这是Rogowski线圈的基本特性。在工频和稳态条件下，理想关系（6）可以改写为
实际上，残留误差保留，并且可以组合等式（6）和（7）来获得Vs，在电源频率
剩余误差现在等于 L ·omega; /（ R r） 。“这个误差可以非常容易地忽略，因为电子电路通常加载罗氏线圈。因此，电阻器“R”可以自由选择。此外，磁化电感器通常非常小，在几百微亨的范围内。因此，对于大范围的频率，可以以极高的精度应用由等式（6）和（7）给出的理想关系。
A.罗氏线圈稳定性与温度变化的关系
从公式（5），我们可以看出，传感器的灵敏度与内部磁化电感成比例，完全取决于其几何形状。为了满足功率计量要求，应当获得非常高的稳定性。特别地，当传感器受到诸如温度和振动的环境因素的变化时，需要高的稳定性。传统上，Rogowski线圈由缠绕在非磁性芯上的几匝线制成。这种布置不能提供非常高的热稳定性，因为匝可以滑动，从而改变磁化电感器的值。因此，大约十多年前，我们设计和专利的一种新型罗戈夫斯基线圈，用多层印刷电路板，
传感器包括与添加剂通量串联连接的两个“覆盖”（网状）绕组。匝数均匀地分布在360°上，这两个绕组分别是顺时针和逆时针。两个相对侧之间的连接由金属化孔制成，也称为“通孔”。当匝被牢固地粘在基板上时，传感器的几何形状是完全确定的，并且我们可以写作，因为基板不是铁磁的，灵敏度S现在是：
从图3和等式（6）可以看出，加载的罗氏线圈的输出电压不仅取决于灵敏度“S”，而且还取决于内部电阻“r”，在寻找高精度时，内部电阻应为：
哪里 r0 是参考温度下的内部电阻 T0 和 beta; 是绕组电阻的热系数。
所有这些考虑总结在图4中，其中省略了可忽略的磁化电感器[2]。假设负载电阻R不受温度变化的影响，如在这种情况下那样Cr 电阻，我们可以写
为了物理验证这里给出的计算结果，我们对Rogowski传感器进行了大量热测试，其中各种直径高达750 mm。理论完全由结果证实，如图5所示。
我们获得的热稳定性令人印象深刻。图。图5显示，Rogowski传感器在宽温度范围内满足IEC测量精度等级0.1：-40°C至 90°C。在较低温度下进行的其他系列测试证实了低至-50℃及以下的精度。
如果需要，这些原则适用于空气绝缘开关设备（AIS）和GIS，电压范围为72,5 kV至550 kV及以上，如图6所示，为550 kV GIS。数字处理参考文献[3]。
B.相邻初级导体的影响
我们在前面的部分提到方程（6）意味着具体的设计条件。匝应该均匀地分布在由单个印刷板传感器形成的盘的360°上。然而，传感器包括具有附加通量的两个反向旋转绕组。这意味着，周期性地，每个绕组的匝必须彼此交叉。
利用常规技术，绕组由缠绕的线制成，并且实际上，交叉不能以对称的方式进行。然后，传感器由两个叠加的层制成，一个分配给顺时针绕组，一个分配给逆时针绕组。因此，每个绕组的部分不相同，并且不能应用等式（6）。这是一个数学表达式，即传感器一方面对初级导体的位置敏感，另一方面对流过相邻导体（如果有的话）的电流敏感。
使用这里使用的印刷电路板设计，不存在这个缺点，并且完全满足所需的对称条件。如图3所示，双层印刷电路板允许容易地交叉匝，仍然提供绕组的完美对称性。通过这种设计，对称性是完美的，使得具有手中的传感器，不可能知道给定匝所属于哪个绕组，而不首先查看端子的位置。
因此，我们的Rogowski传感器对内部原导体的位置完全不敏感，并且对流过相邻导体的电流完全不敏感。这对于三相封装的GIS和稍后讨论的其它应用是非常大的优点。
C.材料特性散射的影响
将单个印刷电路板用于两个绕组以实现Rogowski传感器产生若干优点，特别是在非常高的热稳定性方面。这个问题被问了很多次; “ 是否合理取决于材料特性来实现所需的稳定性？“或者，换句话说，制造散射的材料特性的影响是什么？
电阻是Rogowski传感器连接的初级转换器电子板的一部分。该组件是一个精确和非常稳定的N i C r电阻。因此，散射主要来自传感器。图7示出了分别假定分量散射时整体热漂移如何影响plusmn; 10 ％ 对于ro， plusmn; 10 ％ 对于 beta; 和 plusmn; 10 ％ 对于 alpha;z。考虑所有的组合，因为一些可以导致加和效应，而其他的减去效应。
在最坏的情况下，对于-40°C至 80°C的温度范围，误差仍然低于0,05％。这意味着组件散射的上述假设与最严重的IEEE / ANSI或IEC计量精度等级完全兼容。如果需要特殊应用，仍然可以调整负载电阻Rccedil; Oslash; 米p。但是在实际情况下，这不是必需的，并且避免了相关调整过程的成本。
D.带宽考虑
高频截止不由等式（8）确定。限制来自匝间的杂散电容。对于如图3所示的传感器，带宽对于高达200kHz是线性的。对于特殊应用，作为后电弧和预电弧测量，可以实现超过10 MHz的带宽，正确进行匝数的间隔。因此，在工频下，传感器不限制高频响应，因为限制来自相关联的电子器件。
在低频侧，Rogowski传感器的另一个特征似乎非常有用。只要一次电流一世p不包含DC分量，则可以通过由Rogowski传感器递送的其导数的积分以高精度计算。通常，要测量的初级电流的较低频率分量是由初级网络中的突然变化引起的瞬态分量，作为短路。这在图8中示出，其中我们可以看出，即使对于不对称的初级电流，电流的导数也保持几乎对称。再次，Rogowski传感器不会限制性能，但是限制将来自相关的电子负责集成，即数字执行[4]。
可以证明，当主时间常数从低值变为高值时，导数的最大不对称因子从不超过低于8％的值。这对于模拟到数字转换是一个很大的优势，其中所需的动态范围大约是电流[5]所需的一半。
E.数字积分导致的噪声降低
使用Rogowski线圈的其他非常有用的结果来自信号处理。如前面部分所讨论的，由罗柯夫斯基线圈传递的信号是电流的导数。要恢复电流，需要进行数字积分。
如由所示图9中，数字积分执行“数字化噪声”的一个非常强的排斥反应，同时增加了信号的分辨率。图9比较了来自60Hz纯正弦电流的数字采集的误差信号。在这两种情况下，采样条件相同：10位模数转换器，采样率为294 kHz。顶部“草类型”波形是由执行直接模数转换的系统给出的误差，而底部曲线由执行Rogowski线圈的输出的数字积分的系统给出。
这是Rogowski线圈的非常重要的优点。对于工业频率应用，如电能计量，这提供了扩展的测量范围，允许准确测量几个安培与罗氏线圈设计的额定电流在千安培。
同样的优点在电力实验室中非常有用，用于测量后电弧电流：。这将在后面讨论。
第三节。
非常快的瞬态去除在Rogowski线圈应用于Gis
由于GIS设备的同轴结构，断路开关操作引起非常快的瞬态现象，也称为VFT。在550kV GIS的情况下，在接近100MHz的频率处的数千安培的电流是常见的。由于Rogowski传感器提供与电流的导数成比例的信号，应当采取特殊措施来限制这些VFT的影响。
实际上，金属屏幕与传感器相关联以增加杂散电容器并且为不再流过传感器的匝的VFT提供电容路径。在550kV设备上进行测试，如图10所示。与电子板上的相关滤波器相关联的这些屏幕的非常好的效率已经被验证[6]（参见图11）。
第四节。
使用Gis设计的优点
与传统设备相比，这种新技术提供了许多优点，包括降低了额定电压高于145 kV的GIS的成本。这些主要技术优点总结如下:
线性（无饱和效应）。
对地磁感应电流不敏感。
能够测量具有大时间常数的不对称电流。
廉价的工业过程。
允许自动计算的确定性行为。
极高的热稳定性，可调至0 ppm /°C。
对主要内部导体位置不敏感。
对外部初级电流不敏感。
对热和机械应力不敏感。
容易通过侧面屏幕消除非常快速的瞬变。
宽工作温度范围-50°C至110°C。
通过多个传感器的串联连接扩展灵敏度。
通过相关的初级转换器进行全数字校准。
易于调整从145 kV到550 kV的制造。
第五节。PRE-ARC和后ARC的测量断路器中的短路电流
A.后电弧电流检测
Rogowski线圈前所未有的领域是在断路器的开关测试期间测量电弧参数。目的是评估在零电流附近的电弧电导率的动态演变。这需要测量在电弧熄灭附近的电弧电压和电弧电流。虽然电弧电压测量也不简单，但是在过去几十年中，考虑到实际上不可接近的电弧前和电弧后电流测量。挑战是在一个放大器的范围内获得具有非常短的持续时间（通常为几微秒）的小电流过冲。这种非常小和短暂的信号的测量是困难的，因为它之前有大量的短路电流，峰值超过150kA并且具有长持续时间，几十毫秒。
B.罗氏线圈的主要兴趣
再次，我们将从罗杰夫斯基线圈对电流的导数敏感的事实中受益。关于开关测试，在电弧消光附近，电流的导数的形状是什么？
因此，由于它们的持续时间非常短，所以前电弧和后电弧测量需要电流的导数的后沿的非常高速的采样。这可以通过使用现代的模数转换器容易地实现，其能够执行作为示例的由Rogowski线圈传送的信号的10位/ 40MHz采样。数据临时存储到大文件中，并提交到数字集成。再次，前面提到的数字积分的相关优点非常感谢，从明显噪声的主信号中提取非常小的电流。
C.一些设计规则
显然，罗氏线圈本身应该具有非常高的带宽和在其绕组上的非常短的传播时间。为此，我们正在使用我们的专利设计[6]，罗科夫斯基线圈与印刷电路板，双顺时针和逆时针绕组。电路的特殊设计导致非常短的杂散电容器和低行进时间。参见图13，用于安装用于预电弧和后电弧测量的线圈。
第六节。
结论
本文提供了一些为我们的电气行业中使用Rogowski线圈开发的主要想法。首先，我们展示了Rogowski线圈及其在印刷电路板设计中的解决方案的基本计算。然后，这些Rogowski线圈的几个固有的优点已经说明：热稳定性，高线性度，高带宽，由于数字集成的噪声降低等。
描述了Rogowski线圈应用于GIS的真正好处。特别地，我们描述了一些应用，其中线圈正在用更高精度和高可靠性的数字继电器替换常规的短路可饱和电流互感器。
应用可以在电气工业的许多领域中看到，其中需要精确和快速响应。特别地，显示出由于其极快的响应时
全文共4930字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[142644]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
