基于大电流测量的罗氏线圈实验装置设计分析

摘要：为了将电气测量技术引入到实验教学课堂，针对电气专业的特点，研制了基于罗氏线圈的大电流测量装置。该装置不仅能产生大电流，还能通过罗氏线圈和积分器转换成单片机可测量的小信号进行测量；不仅可为电磁场实验提供较好的实验项目，也可作为单片机实验教学中的一种电气类测量对象，旨在使电气专业的学生了解目前大电流测量的技术和方法，并加以比较，激发学生的学习兴趣。

关键词：罗氏线圈；积分器；大电流测量；电流互感器；单片机

作者简介：徐慧平（1984-），女，湖北新洲人，华中科技大学电气学院，工程师；李承（1957-），男，河南郑州人，华中科技大学电气学院，教授。（湖北 武汉 430074）

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）17-0125-02

罗氏线圈（Rogowski coil）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、无磁饱和、体积小等一系列优点。目前，基于罗氏线圈的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。国内许多高等院校和生产厂家都对罗氏线圈进行了深入的探索和研究。[1，2]罗氏线圈在测量大电流方面具有广阔的前景：测量大电流交流信号（如短路电流）；测量峰值较高的脉冲信号（如雷击电流）；谐波电流信号分析；电焊机的电流测量（如电阻焊）；不规则导体电流的测量（如铁轨电流测量）等。

传统的电流测量装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，不仅体积大，而且在大电流下铁心磁路易饱和，测量结果易产生较大误差。由于罗氏线圈（Rogowski coil）不含铁心，不存在磁饱和问题，并与试验回路不存在直接的电联系，且被测电流的大小几乎不受限制，因此被广泛用于实际电力系统中。[3-6]

目前，罗氏线圈大电流测量技术已经在产业上有所应用，但还未见将其引进到本科教学课堂。在现有的大部分高校工程电磁场实验教学中，主要开设的实验项目有：部分电容的测量、模拟电场的测量、螺线管磁场的测量。这些实验中，只有螺线管磁场的测量实验是真正的磁场测量，其他两个都是模拟测量，不利于将实验教学与工程实际相结合。根据这一现状，针对华中科技大学本科教学中电气工程专业的实验教学要求，结合相关电磁场理论，提出了一种基于罗氏线圈的利用单片机测量大电流的实验装置。该装置无论是作为单片机的电气类测量对象，还是作为“工程电磁场”课程的实验项目，都能反映工程实际。学生可以通过比较罗氏线圈和传统电流互感器的测量原理，进一步认识罗氏线圈在大电流测量方面的优势。将此装置应用到电气专业实验中，具有很强的实用价值和研究意义。

一、罗氏线圈的工作原理

罗氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的空心环形的线圈，可以直接套在被测量的导体上。导体中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变化率成比例的信号。罗氏线圈的骨架材料横截面的形状有很多种，但主要分为两种：矩形和圆形。对于上述两种骨架材料的罗氏线圈，由全电流定律和电磁感应定律可以得出感应电动势和被测电流之间的关系：[7-10]

二、罗氏线圈实验装置

图1为实验装置的总体框图。

在图1中，装置主要由大电流发生器、直流供电模块、罗氏线圈测量及处理电路和传统电流互感器测量及处理电路组成。大电流发生器产生一个大电流，以供测量。为了增加对比效果，实验中使用了两种测量方法：罗氏线圈测量和传统的电流互感器测量。测量时，将罗氏线圈和传统的电流互感器穿过通过大电流的导线，感应出的信号分别经过一定的信号处理电路，最后将处理后的信号送到示波器观察，也可以连接到单片机实验装置上，利用单片机将电流的大小测量并显示出来。直流供电系统用于给信号处理电路中的运算放大器提供12V的电源。

1.大电流发生器

实验中需要测量大电流，而学生一般都在实验室进行测量。因此，开发一个大电流发生器用于实验室教学尤为必要。基于此，开发了一个大电流发生器，它可以输出可调的大电流，电流范围为0～200A。大电流发生器是通过一个调压器和变压器实现的。调压器的额定容量为3kVA，输出电压可调，最大输出电流为4A，频率为50～60Hz。变压器的额定功率为100W，初级绕组和次级绕组的匝数比为500∶1。变压器的初级绕组接在调压器的输出上，次级绕组用一根很粗的铜芯导线进行短接，导线上就会产生一大的短路电流。调节调压器输出电压，变压器的初级电压发生变化，进而会引起次级输出电压的变化，则通过次级绕组导线上的电流也会变化。当然，考虑到次级绕组上的导线无法承受太大的电流，故为了限制电流大小，可在初级绕组上串接一个保险管，以防止过大的电流烧坏导线或变压器。

2.罗氏线圈和积分器

根据罗氏线圈的原理，要真实地还原被测电流，须在罗氏线圈后面加一个积分器。为了调节输出电压的范围，以适应单片机测量信号的需要，积分器后还加了一个反相比例可调的放大器。原理图如图2所示。

3.传统的电流互感器采样电路

实验中使用的电流互感器电流比为50A/62.5mA，通过被测电流后感应出的是电流信号，再经过一个小的取样电阻即可转变成合适的电压信号。通过测量电压信号就可算出原电流信号。

4.单片机处理电路

当实验装置作为工程电磁场实验的演示装置时，只需用示波器观察输出的波形即可。但作为单片机实验教学中的测量对象时，无论是罗氏线圈的输出信号，还是互感器采样后的输出信号，都是交流信号。单片机要对交流信号进行采样，首先要经过一定的信号调理电路，然后再通过AD进行采样，信号调理电路主要对罗氏线圈和互感器输出的信号进行处理。单片机应用系统中常见的A/D转换器件能够转换的信号一般为单极性的电压信号，必须采用信号调理电路才能将被测信号转换为A/D转换器件可以处理的信号。单片机通过AD转换器进行采样，最后将结果显示出来，这样就可以构成一个完整的大电流测量系统。

三、实验结果及分析

用钳形电流表来检测大电流发生器产生的电流，当调节电流逐渐增大时，利用示波器进行观察。用示波器观察的实验结果如图3所示。

在图3所示的波形中，CH1（上面波形）为利用传统电流互感器测量电流的波形，CH2（下面波形）为利用罗氏线圈测量二次感应电流的波形。从图3可以看出，当一次电流为50A时，两种波形均未见失真；当一次电流为100A时，实验中使用的电流互感器的额定电流为50A，对于传统电流互感器来说，电流已经超过了互感器的额定电流，测量二次电流输出波形出现了饱和失真现象，而罗氏线圈测量波形仍然正常。

常见的电流互感器饱和主要有两种：稳态饱和与暂态饱和。其中，稳态饱和主要是因为被测电流值太大，进入了电流互感器饱和区域；暂态饱和则是因为大量非周期分量的存在及铁芯存在剩磁而引起的饱和。电流互感器负载的不同也会影响饱和特性。实验中电流互感器的负载为10Ω电阻。根据文献[11]、[12]可知，电流互感器带电阻二次负荷发生饱和的一般影响是二次电流的每半个波后沿被砍去一部分。[11，12]如图3（b）所示的波形为稳态饱和失真波形。

由此可见，传统的互感器只能测量一定范围的电流，当被测电流超过互感器的额定电流时，会出现饱和失真现象，造成测量误差；而用罗氏线圈测量时，输出线性度比较好，且信号稳定，其测量范围宽，不会出现饱和失真现象。学生可通过实验进一步分析研究失真原因。

四、结论

本文提出了一种基于罗氏线圈的测量大电流的实验装置，并已经应用到了实验教学中。本实验装置不仅能使学生根据电气专业的特点了解、学习目前流行的大电流测量技术，还能对学生学习本专业的课程“工程电磁场”提供帮助。同时，该装置作为单片机电气测量与控制实验对象，便于将实验教学和电气工程实际相结合，让学生能够设计出完整的基于单片机的电气测量和控制系统，形成系统性的概念，可以激发学生对单片机的学习兴趣，为以后的工作奠定基础，达到了预期效果。

参考文献：

[1]龚勇镇.罗氏线圈电流传感检测技术研究概况[J].广西轻工业，2011，147（2）：54-56.

[2]刘仕兵，刘子英.电气工程专业《电磁场》课程教学改革探索[J].华东交通大学学报，2006，（23）：70-71.

[3]Li Weibo，Mao Chengxiong，Lu Jiming.Study of the virtual instrumentation applied to measure pulsed heavy currents[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2005，54（1）：284-288.

[4]李维波，毛承雄，陆继明，等.单磁芯可控饱和电抗器控制量研究[J].电工技术学报，2005，20（2）：46-50.

[5]李维波，毛承雄，陆继明，等.分布电容对Rogowski线圈动态特性影响研究[J].电工技术学报，2004，19（6）：12-17.

[6]李维波.基于Rogowski线圈的大电流测量传感理论研究与实践[D].武汉：华中科技大学，2005.

[7]周均德.电子式电流互感器Rogowski线圈传感头的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2004.

[8]王强.一种高压电能计量装置研制[D].武汉：华中科技大学，2008.

[9]曹江.一种带特殊磁芯的Rogowski线圈研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

[10]张省伟.基于Rogowski线圈电子式电流互感器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[11]刘小宝，蒋平.电流互感器饱和特性分析与仿真[J].浙江电力，2006，（3）：1-5.

[12]于雷.电流互感器铁心饱和特性的研究[J].沈阳工程学院学报，2009，5（4）：340-343.