CN1913056A

CN1913056A - 带有气隙铁芯的高磁导率Rogowski线圈

Info

Publication number: CN1913056A
Application number: CN 200610019929
Authority: CN
Inventors: 李红斌
Original assignee: WUHAN TIANREN PHOTOELECTRIC MUTUAL INDUCTOR CO Ltd
Current assignee: Wuhan Glory Optic-Electric Transformer Co., Ltd.
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2007-02-14

Abstract

本发明涉及一种带有气隙铁芯的高磁导率Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次绕组，骨架由带气隙的铁芯构成，铁芯中开有至少一个气隙，二次绕组均匀的分布在气隙铁芯骨架上，并引出两个感应电势的端子。本发明的线圈采用气隙铁芯作为骨架，提高相对磁导率，输出信号增大数十倍，信号的处理变得容易；气隙在铁芯中对称分布的结构大大减小了漏磁，保证了相对磁导率的恒定；由于气隙铁芯中的磁感应强度均匀，受导线与线圈相对位置的影响小，抗外界电磁场干扰能力强；二次绕组的绕线只需大致均匀的分布，降低了二次绕组制作难度的同时，可大大改进一次导线与线圈相对位置对测量精度的影响，并可减小外界电磁干扰对测量的干扰。

Description

带有气隙铁芯的高磁导率Rogowski线圈

技术领域

本发明涉及一种测量磁场或电流的传感器，具体地说是涉及一种新型的罗科夫斯基Rogowski线圈。

背景技术

现在，人们往往把Rogowski线圈局限于空芯线圈，线圈的骨架被理所当然的定义为非磁性材料。毋庸置疑的是，空芯线圈有极大的动态范围，在理论上甚至可以认为它永远也不会饱和，但是，空芯线圈也有着一个极大的缺点，被测的额定电流为数百安培时，空芯线圈的输出电压一般约为数十毫伏。因此空芯线圈作为电流测量装置与计量、显示等二次仪表连接使用的时候，感应的电势信号必须通过相应的电路放大处理，而在设备数量相对庞大的电力行业和工业界，为了节省成本和增加仪器的使用寿命，往往选用无源的指针式二次仪表，此时，空芯线圈的驱动能力严重不足，其应用范围受到了极大的限制。另外一方面，在被测电流很小如数安培时，一般的空芯线圈的输出电势往往为数微伏，对这种微弱信号的处理是困难的，往往得不到令人满意的效果，提高其感应电势的大小不失为一种巧妙而有效的方法。提高感应电势的方法中，加大二次绕组的匝数是常见的一种，但是，由于为了保证测量精度，空芯线圈对二次绕组的绕制是有特殊要求的，如Kojovic Ljubomir.Rogowski coils suit relay protectionand measurement[of power systems].IEEE Computer Applicationsin power，1997，10(3)：47-52所说，线圈密度恒定；骨架截面积恒定；二次绕组的每匝线圈在骨架上绕成的各个横截面均与相应的骨架横截面的中心线垂直，否则将引入较大的测量误差，二次绕组的匝数越多，越难以达到绕制的要求，因此使得该方法受限。

Rogowski线圈的设计关键是为了得到一个稳定的互感系数M，其表达式为：

M = - \frac{μNh}{2 π} \ln \frac{R_{a}}{R_{i}}

式中，μ为骨架材料的磁导率，N为线圈匝数，h为线圈骨架高度，Ra为骨架外径，R_i为骨架内径。

空芯线圈的骨架为非磁芯材料，其磁导率恒定为4л*10^-7，其相对磁导率为1。要提高Rogowski线圈的输出电势，提高骨架材料的相对磁导率是一个非常有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服一般空芯线圈输出信号过小、驱动能力不足的缺点，而提供一种感应电势较大、有一定驱动能力的Rogowski线圈。气隙铁芯在变压器、电焊机、电抗器等领域已被较广泛的应用，但还未见在Rogowski线圈中的应用。气隙铁芯中铁芯部分的磁阻远小于空气隙部分的磁阻，因此相当于铁芯将部分磁路短接，其相对磁导率大大的高于空气的相对磁导率，整个铁芯的等效磁导率一般可设计为10～200，从上述Rogowski线圈互感的公式来看，骨架相对磁导率的提高将使得运用其构成的Rogowski线圈输出电势大为增强。

采用本发明所述的Rogowski线圈可方便的实现与无源指针式二次仪表的配套使用。现在被广泛采用的电流互感器的二次额定输出电流为5A或1A，本发明的Rogowski线圈额定输出电势为数伏，但与传统的电流互感器相比拥有较小的体积和重量，将大大节省骨架铁磁材料和二次绕组铜线的用量，此外，该线圈输出为感应电势，一般处于开路工作状态，与传统的电流互感器相比更加安全。

本发明提供了一种Rogowski线圈，包括线圈骨架和二次绕组，所述为一种测量交变或脉冲电流、不规则电流的线圈，被测载流导线沿中心穿过该Rogowski线圈，二次绕组感应出一定的电势，该电势与被测电流对时间的微分成正比；线圈骨架由带气隙的铁芯组成，该铁芯横截面处处相等、密度均匀，且用同一材质制作，所用材质可以是硅钢片亦可是纳米晶、非晶或其它高磁导率磁性材料，一个铁芯至少有一个气隙，为了获得最佳的测量效果，一般以开偶数个气隙为宜，每个气隙的长度相等、在铁芯长度方向上均匀分布，且每个气隙的长度一般不宜超过铁芯横截面的等效直径；二次绕组的匝数根据被测量电流及所需输出信号的大小来定，二次绕组只需大致均匀的绕制在气隙铁芯骨架上，即保证被气隙分隔开的每段铁芯上都有相等数量的绕线；该Rogowski线圈的输出信号正比于被测电流对时间的微分，其感应电势可进行积分处理也可不经过积分处理，即该线圈既可带积分器工作也可独立工作，一般情况下，不规则的波形往往需要用积分器进行还原，规则的周期波形，例如，频率较稳定的正弦波往往不需要进行积分处理。

总之，与传统的空芯线圈相比，本发明的Rogowski线圈主要具有以下主要优点：

1、采用气隙铁芯作为骨架材料，骨架的相对磁导率得到较大的提高，输出信号可增大数十倍，信号的处理变得容易，此外，还为其与指针式二次仪表配套使用提供了可能。

2、采用气隙铁芯作为二次绕线骨架，铁磁材料具有聚磁作用，骨架中的磁感应强度几乎处处相等且远大于骨架外空气中的磁感应强度，所以，本发明的Rogowski线圈不需要遵循空芯线圈中关于二次绕线绝对均匀的原则，只需要保证二次绕线大致均匀的分布在骨架上即保证被气隙分隔开的每段铁芯上都有相等数量的绕线即可，但不需要二次绕组的每匝线圈在骨架上绕成的横截面均分别与相应的骨架横截面的中心线垂直。

3、每个气隙铁芯至少有一个气隙，为了获得最佳的测量效果，一般以开偶数个气隙为宜，每个空气隙的长度相等且均匀分布，这种对称分布的结构大大减小了漏磁，保证了相对磁导率的恒定，且在被测电流较大的情况下，可以通过增加气隙的数量来调整相对磁导率，保证线圈在正常工作范围内不会使铁芯饱和。

4、由于气隙铁芯中的磁感应强度均匀，本发明的Rogowski线圈与空芯线圈相比，受导线与线圈相对位置的影响小，抗外界电磁场干扰能力强。对称的气隙分布还可改善被测导线与线圈相对位置对测量产生的影响，通过限制每个气隙的长度可以进一步改善位置影响的问题，从而把位置影响减小到最小。

5、二次绕线大致均匀的分布，在降低了二次绕组制作难度的同时，可大大改进一次导线与线圈相对位置对测量精度的影响，并可减小外界电磁干扰对测量的干扰。

此外，与传统的基于变压器原理的电流互感器相比，本发明的Rogowski线圈主要具有以下主要优点：

1、由于本发明的线圈的二次负载电阻远大于线圈绕组的自感系数的等效感抗，即自感系数与被测电流角频率的乘积，线圈的二次输出为与被测一次电流对时间的微分成正比的感应电势，即线圈一般处于开路工作状态，而传统电流互感器的二次额定输出电流为5A或1A，一般处于短路工作状态或二次负荷非常小，一般为几欧姆或几十欧姆，因此本发明的线圈与传统的电流互感器相比工作状态及工作原理均不同，无开路危险，更加安全。

2、由于本发明的Rogowski线圈采用气隙铁芯作为骨架材料，在相同被测电流和骨架材料、尺寸情况下，与闭合铁芯相比较，降低了铁芯中的磁感应强度，因此与传统的电流互感器相比，拥有较小的体积和重量，将大大的节省骨架铁磁材料和二次绕组铜线的用量。

附图说明

图1为圆形气隙铁芯骨架构成的Rogowski线圈。

图2为矩形气隙铁芯骨架构成的Rogowski线圈。

其中1-铁芯，2-气隙，3-二次绕组，4-一次载流导线，5-二次绕组输出信号出线端子。

具体实施方式

本发明的高磁导率Rogowski线圈采用气隙铁芯作为骨架，其目的是为了增大其互感系数，使感应电势得到增强，以便于进行电路处理和与二次仪表的直接配套使用，其具体的实施方式是：

1、气隙铁芯的设计。首先根据具体的应用环境，主要是一次载流导线的外形和物理尺寸确定Rogowski线圈骨架的外形和基本尺寸，包括外径、内径和高度；接着，根据所测电流的频率范围确定铁芯的材料，中低频一般采用硅钢片，对于特高频率的应用场合一般采用频率性能好的材料，比如纳米晶或非晶等；最后，根据一次电流的大小选择气隙的个数，电流越大，需要的气隙个数越多，骨架的物理尺寸越大，需要的气隙个数越多，确定气隙的数量和每个气隙的大小的判断依据是，一次载流导线上通以额定电流时，骨架中的磁感应强度小于所选用铁磁材料的饱和磁感应强度。

2、二次绕线的绕制。由于采用的是气隙铁芯，二次绕线不需要遵循绝对均匀的原则，只要保证二次绕线大致均匀的分布在骨架上即可。二次绕线的匝数根据需要的二次输出电压来确定，步骤1中确定了气隙铁芯的具体参数，从这些参数就可以得到气隙铁芯的相对磁导率和骨架截面积，根据相对磁导率和骨架截面积就可计算出二次绕线的数目。二次绕线可以是单层的绕制在骨架上，也可以分成多层绕制，此外，为了进一步改进其抗外界电磁场的干扰，可以将二次绕线以类似空芯线圈二次绕组的绕法来回的分成偶数层绕制在气隙铁芯骨架上。

3、二次绕组的负载能力。本设计的高磁导率Rogowski线圈与空芯线圈相仿，它们都是输出的感应电压信号，为了保证测量的线性度，其二次绕线的负载电阻一般不宜太小，基本原则是负载电阻远大于线圈绕组的自感系数的等效感抗，即自感系数与被测电流角频率的乘积。与空芯线圈一样，高磁导率Rogowski线圈的输出电势正比于被测电流对时间的微分，为了还原被测电流的大小，一般采用积分器对输出电势进行处理，但在频率较为稳定的场所，线圈也可以不接积分器而直接使用感应电势来测量。

Claims

1、带有气隙铁芯的高磁导率Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次绕组，其特征在于：骨架由带气隙的铁芯构成，铁芯中开有至少一个气隙，二次绕组均匀的分布在气隙铁芯骨架上，并引出两个感应电势的端子。

2、根据权利要求1所述的线圈，其特征在于：气隙的铁芯为圆形或矩形。

3、根据权利要求1所述的线圈，其特征在于：气隙的铁芯为不规则形状。

4、根据权利要求1所述的线圈，其特征在于：铁芯中开的气隙为偶数个气隙，且铁芯的多个气隙的气隙长度相等，对称均匀地分布在整个铁芯中。

5、根据权利要求1所述的线圈，其特征在于：二次绕组绕线的数量根据具体的输出电压的要求来设定。

6、根据权利要求1所述的线圈，其特征在于：二次绕组的绕线为单层或多层绕制在骨架上。

7、根据权利要求6所述的线圈，其特征在于：二次绕组的绕线为多层绕制在骨架上时，将二次绕组的绕线来回的分成偶数层绕制在气隙铁芯骨架上。