基于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術(shù)研究

陳舒理

（新疆維吾爾自治區(qū)送變電工程公司，新疆 烏魯木齊 830011）

現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)的發(fā)展日趨成熟，供電的可靠性和穩(wěn)定性都得到了明顯提高。隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，更給電力系統(tǒng)帶來了質(zhì)的改變，高新技術(shù)與電力技術(shù)的完美融合，不僅提高了供電效率，更提高了電力系統(tǒng)故障檢測與修復(fù)能力。計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)幾乎已應(yīng)用到了現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中的所有領(lǐng)域，自然電力領(lǐng)域也不例外，傳統(tǒng)電力技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求和日益增大的供電需求，現(xiàn)代化電力系統(tǒng)是未來電力發(fā)展的主流方向，高壓輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)就是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的新型電力技術(shù)，通過實(shí)時(shí)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能，預(yù)測線路狀況，并采取適當(dāng)?shù)墓收舷胧Ｕ暇€路安全。本文針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行簡單介紹，并提出其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理，并根據(jù)這一測量原理，設(shè)計(jì)出其測量所需要的積分電路，然后提出經(jīng)過改進(jìn)的積分電路。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介及性能要求

電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由許多輸電環(huán)節(jié)構(gòu)成，輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)就是現(xiàn)代電力系統(tǒng)重要的組成部分。在線監(jiān)測系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)防。在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是：先對(duì)導(dǎo)線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測量，再將測量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和加工，最后把處理結(jié)果傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要符合現(xiàn)代化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而保障輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)中的各類裝置要具有很高的準(zhǔn)確度來滿足工程測量需要，還要求這些裝置要有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性能，能夠防雨、防潮、抗振、防雷等。

導(dǎo)線電流的測量是對(duì)輸電線路進(jìn)行在線監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，它可以直接反映電流的高低，在本次基于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術(shù)的電流測量方案中，設(shè)立的目標(biāo)是測量1%～120%的額定電流。本次設(shè)計(jì)對(duì)于電流測量的準(zhǔn)確度要求為：當(dāng)一次電流I＞0.1I額定電流，比差在±1%之內(nèi)時(shí)，測量的要求是相差為±1°；當(dāng)一次電流I＜0.1I額定電流，比差在±5%以內(nèi)時(shí)，測量的要求是相差為±3°。

2 Rogowski線圈

圖1為Rogowski線圈的測量原理。從圖1可以看出這種測量方式是將線圈均勻的纏繞在非磁性骨架上進(jìn)行。這種設(shè)計(jì)基于全電流原理和電磁感應(yīng)原理來完成和實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被測量的母線從中心的軸線通過時(shí)，線圈就會(huì)產(chǎn)生電壓。感應(yīng)電壓和被測量的電流I（t）之間存在著微分關(guān)系，即：

圖1 Rogowski測量原理

根據(jù)線圈結(jié)構(gòu)以及相關(guān)原理可以得出，此裝置不會(huì)出現(xiàn)磁飽和狀態(tài)。因此，和傳統(tǒng)的電流感應(yīng)器相比，此裝置的測量范圍更寬，性度也更好。

3 開口式Rogowski線圈的測量誤差分析

3.1 氣隙造成的影響

氣隙對(duì)于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術(shù)設(shè)計(jì)所造成的影響不容忽視。氣隙的存在導(dǎo)致線圈上的導(dǎo)線變得不再均勻，并因此而產(chǎn)生磁動(dòng)勢。同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生磁阻，使氣隙磁動(dòng)勢變強(qiáng)，線圈磁動(dòng)勢變?nèi)?，電壓變小，輸電線路電流測量的靈敏度降低。

3.2 氣隙存在時(shí)母線偏心位置的影響

閉口式Rogowski線圈在線圈均勻纏繞截骨架時(shí)，根據(jù)相關(guān)理論可以得出：此時(shí)Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置無關(guān)。但是，存在氣隙時(shí)，線圈不再均勻纏繞截骨架，便會(huì)導(dǎo)致電壓和電流的變化，最終影響測量結(jié)果。

通過對(duì)圖2的觀察，可以看出氣隙存在時(shí)母線位置會(huì)發(fā)生偏心。另一方面，由圖可知，除了氣隙，全部線圈都是均勻纏繞在矩形骨架上，可以得到此種工作狀態(tài)下電壓和電流的關(guān)系。

圖2 帶有氣隙的Rogowski線圈示意圖

由電壓和電流的關(guān)系式可以得出：電壓和氣隙所對(duì)應(yīng)的圓心角密切相關(guān)，氣隙越大，氣隙所對(duì)應(yīng)的圓心角越大，電壓越小，精確度越低。當(dāng)氣隙所對(duì)應(yīng)的圓心角和電流偏心距離都為非零值時(shí)，電壓與這兩者的關(guān)系更加密切，精確度也受到影響。

3.3 氣隙存在時(shí)外磁場的影響

當(dāng)受到兩個(gè)磁場（電流產(chǎn)生的磁場和外部磁場）的影響時(shí)，Rogowski線圈就要在兩種磁場的綜合作用下進(jìn)行工作。而衡量Rogowski線圈抗干擾性的關(guān)鍵就要看它受到外磁場的影響時(shí)所產(chǎn)生變化的大小。在本次基于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術(shù)研究的高壓輸電線路中，外部磁場主要指那些鄰近電流所產(chǎn)生的磁場，因此主要對(duì)這種情況進(jìn)行研究。

當(dāng)線圈為開口式，存在氣隙時(shí)，線圈繞線不是均勻的，為了分析方便，假設(shè)此時(shí)的骨架截面積仍處處相等，故外磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

由式（2）可以得出，當(dāng)Rogowski線圈存在氣隙時(shí)，外部磁場的電壓為非零值，這表明在這種狀況下，外磁場對(duì)所測量數(shù)據(jù)具有一定影響，Rogowski線圈抗干擾減低。

通過以上研究，可以得出結(jié)論：閉口式Rogowski線圈在線圈均勻纏繞截骨架時(shí)，Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置無關(guān)；開口式Rogowski線圈當(dāng)存在氣隙時(shí)，線圈不再均勻纏繞截骨架，此時(shí)Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置有關(guān)，測量結(jié)果也不同。通過分析不難看出氣隙的出現(xiàn)會(huì)明顯降低Rogowski線圈精確度。所以在本次基于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術(shù)研究設(shè)計(jì)中，采用開口式線圈。

4 外積分電路比較及設(shè)計(jì)

比較常見的外積分電路有有源類積分電路、無源類積分電路，本次本次基于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術(shù)研究設(shè)計(jì)中，所以除了這兩類意外，還涉及到了新型積分電路。

4.1 基本模擬積分電路

圖3和圖4是兩種常見的積分電路。

圖3 無源積分電路

圖4 有源積分電路

由以上無源積分電路可知，它的傳遞函數(shù)為：

如圖4，有源積分電路加上了電阻R1。R1可以減小線圈的影響。通常情況下，為了減小對(duì)積分電路的影響，電阻R1的阻值取得較大。它的傳遞函數(shù)如下：

通過公式計(jì)算后，假設(shè)R1阻值較大，那么該傳遞函數(shù)值和頻率則是反比關(guān)系。在這兩種積分電路中，低頻電壓會(huì)影響積分電路的工作情況，所以怎樣減小干擾是積分電路要解決的重要問題。

4.2 改進(jìn)型積分電路

設(shè)計(jì)改進(jìn)積分電路的主要目的是為了降低低頻干擾給積分電路造成的影響。改進(jìn)型積分電路是通過比較以上兩種基本積分電路提出的，改進(jìn)積分電路如圖5所示。

圖5 改進(jìn)積分電路

圖6 幅頻響應(yīng)

圖7 相頻響應(yīng)

圖6、圖7表明，改進(jìn)型積分電路存在峰值，而且當(dāng)積分電路處在峰值處時(shí)，其輸出電壓比輸入電壓大很多倍。由于頻率的取值很小，約為0.6 Hz，所以該頻率所受的影響比較小，但同時(shí)對(duì)高頻信號(hào)也起到了抑制作用。

5 總 結(jié)

本文對(duì)高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了介紹，分析了在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求，并明確了本次基于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術(shù)中電流測量的要求。對(duì)于如何進(jìn)行電流測量，提出了利用Rogowski線圈感應(yīng)器來進(jìn)行測量的方法，解釋了Rogowski線圈在進(jìn)行電流測量時(shí)使用的相關(guān)原理。通過分析得出：閉口式Rogowski線圈在線圈均勻纏繞截骨架時(shí)，Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置無關(guān)；開口式Rogowski線圈當(dāng)存在氣隙時(shí)，線圈不再均勻纏繞截骨架，此時(shí)Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置有關(guān)，測量結(jié)果也不同。此外，還針對(duì)氣隙問題進(jìn)行了分析，氣隙的出現(xiàn)必然影響線圈精確度，所以必須引起重視。最后在以上基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的積分電路，通過使用傳遞函數(shù)，分析其幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。

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