电力线电流测量技术

概述：

在电力线电压与电流信号进行采集测量中，电流测量相对来说更复杂一些，这不仅因为电流互感器需要更宽的动态测量范围以应付不同负载，而且电流波形中还含有很多谐波成分，所以它还必须有更宽的频率响应范围。目前的电流感应技术已不能经济有效地测量较大的电流。本文在介绍几种电流测量方法包括利用数字积分器将来自Rogowski线圈电流感应器的di／dt信号输出转换成合适的信号，并可将数字积分器方法应用于大电流计量仪表或保护电路中。

1.已有电流测量感应方案

目前有三种感应技术最为常用，分别是小电阻电流旁路、电流互感器和霍尔效应传感器。

小电阻电流旁路

电流旁路是当前成本最低的一种方案，小电阻电流旁路技术可用较低成本得到较高精度，而且电流的测量也很简单。在进行高精度电流测量时，需要考虑旁路的寄生电感，该电感量典型值为几个nH，频率较高时它将影响旁路阻抗的幅值；但它对相位的影响即使在工频条件下仍非常大，功率因数较低时会产生明显误差。小电阻电流旁路在电能计量应用中被普遍采用，但是因为电流旁路基本是一个阻性元件，它产生的热量与通过电流的平方成正比，所以这一自热问题使旁路技术很少用在大电流测量中。

电流互感器

电流互感器（CT）是一种将初级电流转换成次级小电流的变压器，它是目前大电流电子计量中使用得最多的感应器。电流互感器可以测量非常大的电流，消耗的功率却很少，但由于是磁化电流，它一般相应会有一个很小的相移（0.1°～0.3°）。如果没有校正，低功率因数下会产生相当大的误差。此外，铁芯使用的铁氧体材料在大电流下会饱和，而且磁化后铁芯还会产生磁滞现象，除非重新去磁，否则精度就会下降。

当电流涌动超出互感器额定电流，或者在电路中实际有直流元件（如驱动一个大的半波整流负载）时，互感器将会产生饱和现象。目前处理饱和问题的方法是采用磁导率非常高的铁氧体材料，然而与铁芯互感器相比，这种互感器一致性较差而且相移更大。

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器有两种主要类型，即开环型和闭环型，电流计量中使用的绝大多数霍尔传感器均采用开环型设计以降低系统费用。霍尔传感器具有突出的频率响应特性，能够测量非常大的电流，不过这一技术的缺点是霍尔传感器输出的温度漂移很大，常常需要有一个稳定的外部电流源。

2.采用Rogowski线圈方案

一个简单的Rogowski线圈就是一个电感器，它与流过初级电流的导体之间具有互感作用。Rogowski线圈一般为气芯线圈，因此从理论上讲不存在磁滞、饱和或者非线性现象。如“图1”所示是一个Rogowski线圈电流感应器，它由N匝线圈围绕一条直导线组成，线圈与导线内电流所产生的磁场垂直

其输出电压e正比于被测电流的变化率即e（t）=Mdi／dt，要得到被测的一次电流信号i，须对Rogowski线圈二次输出的电压信号积分。

常数M表示Rogowski线圈的互感，单位为亨利（H），它表示单位di／dt下线圈输出的信号电平。线圈的输出电压取决于初级电流di／dt变化率，因为只有在磁场变化时才会产生电动势，所以Rogowski线圈不能用来测量电流中的直流分量。这种感应器能很容易测量几千安培的交流电流，这也是它能在许多大电流测量应用中非常有用的原因。因为没有铁芯，因此在很宽测量范围内都不会有非线性现象（从几安培到几百安培），频率范围宽，一般可设计到从0.1-100MHz以上。由于它靠磁场进行测量，所以这种类型传感器与电流互感器相比易受外界磁场干扰的影响。

2.1减少外磁场干扰的方法

减小多余回路面积

任何导体形成的回路都会形成磁场，所以应尽量减小多余的回路面积以降低干扰。如用图l中的螺旋形气芯Rogowski线圈检测围绕圆环的磁场时，绕组本身却构成一个我们并不希望的回路，从而使其很容易受垂直于圆环干扰的影响。

采用消除干扰的设计干扰一般都是由远端磁场产生，所以它非常均匀地分布在整个感应器上。对Rogowski线圈很重要的一点是要区分开远端的干扰和近端的信号，将线圈设计成能消除掉远端的干扰，例如螺旋线圈的圆环形状能保证当远端干扰施加到线圈上时有相反电动势出现。减小干扰要保证绕组尽可能一致，同时减小线圈的阻抗。

屏蔽

屏蔽能增加额外的保护，不过对频率低至工频的磁场进行屏蔽需要很厚屏蔽层，或者使用高磁导率屏蔽材料。如果Rogowski线圈设计得好，也可以不用屏蔽。

2.2积分器设计

模拟积分器

因为Rogowski线圈的输出与电流对时间的导数成正比，所以需要一个积分器将di／dt信号转换成i（t）函数以进行下一步处理。传统方法使用高性能运算放大器构建模拟积分器，图2是用运算放大器设计的一个简单积分器。

这种模拟技术的最大困难是积分器在长期工作和恶劣环境下很难保持一定的精度，这是妨碍Rogowski线圈被广泛采用的一个主要原因，即使在传统的大电流工业测量中也是这样。

数字积分器

为克服这一缺点最近开发出一种数字实现技术，通过对数字积分的Rogowski线圈测量的设计与现场实测表明：

数字积分器结构灵活，调节方便，只需要调整积分参数算法即可，而模拟积分器需要修改硬件。

数字积分器幅值响应特性非常接近理想值，如果采用具有片上数字积分器的IC，则以Rogowski线圈构建电能表就像使用电流互感器或旁路传感器一样简单。气芯线圈没有磁滞、饱和、非线性等问题，且在大电流应用中有很突出的性能，并可以针对模拟电路的漂移进行有效的补偿。

数字积分器的相位特性优良。模拟积分器中的模拟器件参数不同，会引入微小的相位响应变动，需要进行相位校准。数字积分器的相位响应主要由算法决定，具有一致性。

数字积分器技术的其它优点是时间和环境变化不会影响它的稳定性，这一点对户外大电流计量至为重要，因为户外的环境恶劣。

3.本文结论

随着家庭和生产用电的不断增长，需要开发能测量大电流而又不存在饱和问题的新型电流感应器，Rogowski线圈与数字积分器配合可提供一种经济的电流感应技术方法。