高壓起爆器放電電流測量用電子互感器研究

余 偉，徐 鵬，張其東，楊秉才

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高壓起爆器放電電流測量用電子互感器研究

余 偉1，徐 鵬2，張其東2，楊秉才2

（1. 海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 650051；2. 七0五研究所昆明分部，昆明 650051 ）

高壓起爆器放電輸出電流峰值較高，周期較短，用于起爆沖擊片雷管，屬于沖擊大電流信號。為減少實爆沖擊片雷管數(shù)量，本文設(shè)計了一種基于羅氏線圈理論的電子互感器，用于測量高壓起爆器放電輸出電流。羅氏線圈屬于非接觸測量手段，具有測量電流脈沖幅值大、無磁芯飽和現(xiàn)象、輸出信號隔離、插入損耗小以及頻帶寬等特點，可有效降低大電流脈沖檢測成本。

高壓起爆器 羅氏線圈 電子互感器 放電電流

0 引言

在工程領(lǐng)域中測量組件（部件）放電電流是一項重要工作，傳統(tǒng)的電流測量裝置應(yīng)用最多的是電磁式電流互感器，雖然技術(shù)簡單，成本低廉，但也存在著防爆絕緣困難，大電流條件下鐵心磁路易飽和，測量結(jié)果易發(fā)生較大誤差等問題。羅氏線圈是一種特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈脈沖電流檢測工具，具有測量電流脈沖幅值大、頻帶寬、無磁芯飽和現(xiàn)象、輸出信號隔離以及插入損耗小等特點，在沖擊大電流檢測應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注[1]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

電子安全與解除保險裝置（Electronic Safety and Arming Devices，簡稱ESAD ）是美國從20世紀(jì)70年代開始，由哈里-戴蒙德實驗室和桑迪亞實驗室合作研究的一種新型安全與起爆系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)爆炸序列的初級起爆元件使用高能的沖擊片雷管，雷管的起爆需要有數(shù)千伏和數(shù)千安的瞬間電壓和電流，平時具有較好的安全性。電子安全與解除保險裝置由安全邏輯控制模塊和高壓起爆器組成。安全邏輯模塊完成解保邏輯控制功能，解保裝置必須按照預(yù)定時序逐級解除保險，若解保過程中出現(xiàn)錯誤流程，系統(tǒng)自動進(jìn)入故障保險模式，在下次啟動解保之前不能再進(jìn)入解保邏輯；高壓起爆器完成低壓-高壓變換，將供電低電壓通過高壓逆變電路升壓至高壓直流電，通過高壓起爆器放電產(chǎn)生沖擊大電流引爆沖擊片雷管。

沖擊片雷管成本較高，動輒上萬元，高壓起爆器放電檢測只能使用少量沖擊片雷管，否則成本太高無法承受。高壓起爆器放電輸出為沖擊大電流信號，符合羅氏線圈電流互感器檢測信號要求，可用羅氏線圈電流互感器測量高壓起爆器輸出電流，以檢測高壓起爆器輸出是否滿足沖擊片雷管起爆條件，可大大降低起爆真雷管產(chǎn)生的巨大成本。

1 羅氏線圈研究現(xiàn)狀

羅氏線圈最初用于測量磁場，最早文獻(xiàn)記載于1912年，是Rogowski和同事共同發(fā)表的一篇論文。由于當(dāng)時其輸出電壓不足以驅(qū)動計量與保護(hù)設(shè)備，導(dǎo)致它的應(yīng)用受到了一定限制[3]，同時由于該線圈準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較低，所受關(guān)注度也不高。

1963年，英國科學(xué)家Cooper對羅氏線圈的頻率特性進(jìn)行了深入研究，在高頻響應(yīng)方面取得了一些創(chuàng)造性的成果，奠定了羅氏線圈在大功率脈沖技術(shù)應(yīng)用中的理論基礎(chǔ)[4]。1966年，當(dāng)時的西德科學(xué)家荷曼改進(jìn)了羅氏線圈的結(jié)構(gòu)，將骨架做成剛性結(jié)構(gòu)，保證繞線均勻分布，截面大小一致，使得羅氏線圈測量大電流的測量準(zhǔn)確度提高到了0.1%，且被測回路無需斷開。至此，羅氏線圈在電流測量方面的應(yīng)用價值逐漸被人們所認(rèn)識，推動了羅氏線圈的工程應(yīng)用進(jìn)程。

進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代，羅氏線圈研究取得了突破性進(jìn)展，基于羅氏線圈的電子式電流互感器完成了實際樣機的生產(chǎn)并應(yīng)用成功[5]。進(jìn)入二十一世紀(jì)，羅氏線圈應(yīng)用擴展到中頻周期電流測量和直流大電流測量等領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)和電力行業(yè)中開始扮演越來越重要的角色。

2 羅氏線圈工作原理

羅氏線圈（Rogowski線圈）又叫電流測量線圈、微分電流傳感器，主要用于測量交流電流。其工作原理是線圈骨架圍繞被測導(dǎo)體，根據(jù)安培環(huán)路定律和電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體周圍的磁場會隨著導(dǎo)體中電流的改變而改變，骨架上的漆包線會因此感應(yīng)出電動勢。該電動勢與導(dǎo)體中電流的導(dǎo)數(shù)成正比，而比例系數(shù)跟線圈匝數(shù)、骨架橫截面、磁導(dǎo)通率等有關(guān)，將該電動勢積分運算后可還原導(dǎo)體中的電流，其值的大小正比于被測電流對時間的微分[6]。羅氏線圈結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。測量時，被測電流與羅氏線圈不發(fā)生接觸[7]。

假設(shè)在理想條件下線圈均勻繞制，線圈截面積均相等，磁感應(yīng)強度處處相同，線圈中感應(yīng)的電動勢()和線圈中的磁通變化率成正比，電動勢可用微分方程表示為:

式中φ為通過線圈的磁通，n為線圈匝數(shù)。φ=BS，B為磁通密度，S為線圈橫截面積。磁通密度B和磁場強度H的關(guān)系，取決于磁通所在的材料，B=μμ0H。μ0為真空中的磁導(dǎo)率，μ為相對磁導(dǎo)率，H為磁場強度。

磁場強度H乘以它的路徑，等于這路徑所包括的電流的總和。羅式線圈中，磁場是圓形的，路徑長度為2π（為線圈半徑），于是有：電流=2π，代入感應(yīng)電動勢公式，得到：

根據(jù)等效電路，電動勢e(t)應(yīng)等于線圈回路中的電壓降，即

式中R為線圈內(nèi)部電阻，為采樣電阻，為線圈電感。如果感應(yīng)電流i在線圈電阻R+上產(chǎn)生的壓降與線圈電感產(chǎn)生的壓降相比很小，即

線圈內(nèi)感應(yīng)電動勢可簡化為：

電感等于單位電流所產(chǎn)生的總磁通，用H，B，φ分別表示感應(yīng)電流i經(jīng)過線圈時，所產(chǎn)生的磁場強度、磁通密度、磁通，電感即為：

同時

兩式右端相等，經(jīng)過積分：，或，也就是母線電流可以用采樣電阻的電壓值來表示，若取線圈匝數(shù)100，希望變比為100 A=1 V，則采樣電阻為1 Ω。

3 電子安全與解除保險裝置工作原理

目前，國內(nèi)電子式安全系統(tǒng)主要應(yīng)用在高能武器上，通過環(huán)境信息的改變，也可以用在其它武器裝備中，電子安全與解除保險裝置是電子安全系統(tǒng)的核心部分[8]，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

如圖所示，電子安全與解除保險裝置通常由兩部分組成，第一部分是安全邏輯控制，第二部分是高壓起爆回路，通過禁止高壓電路輸出能量以保證引信安全。安全邏輯控制部分完成環(huán)境信息識別及解保邏輯控制，使得靜態(tài)開關(guān)1、靜態(tài)開關(guān)2、動態(tài)開關(guān)完全閉合，然后啟動高壓變換給高壓起爆器內(nèi)部發(fā)火電容充電。當(dāng)安全邏輯控制模塊接收到引爆信息后，經(jīng)邏輯判別，輸出信號驅(qū)動高壓起爆器內(nèi)部觸發(fā)電路輸出高壓觸發(fā)脈沖導(dǎo)通短路開關(guān)，短路開關(guān)導(dǎo)通后起爆回路閉合，發(fā)火電容通過起爆回路放電，引爆沖擊片雷管。

圖2 電子安全與解除保險裝置組成

高壓起爆器放電輸出電流峰值較高，可達(dá)數(shù)千安；電流脈沖周期較短，在微秒級以內(nèi)；電流衰減迅速，通常只有幾個周期；放電電磁干擾較大，在電源線及地線上會產(chǎn)生瞬時尖峰脈沖干擾。上述特征表明，高壓起爆器放電電流屬于沖擊大電流信號，可以用羅氏線圈電子互感器測量。

4 羅氏線圈電子互感器設(shè)計

與分流器相比，羅氏線圈屬于非接觸測量手段，不需要與被測回路共地，不僅對被測系統(tǒng)影響小，更重要的是直接解決了多個測試信號之間的隔離問題，特別適合在多模塊的系統(tǒng)中使用。

設(shè)計羅氏線圈所需解決的問題有：線圈抗擾設(shè)計、線圈骨架尺寸選取、線圈繞線材料選取、線圈骨架材料選取等。

4.1 線圈抗擾設(shè)計

如果線圈能夠像理論設(shè)計的那樣實現(xiàn)絕對均勻纏繞，那么測量時線圈不會受外界電磁場的干擾，從而保障測量的準(zhǔn)確性，但實際生產(chǎn)中因為制作工裝或人為誤差，線圈從骨架結(jié)構(gòu)上就不可能保證截面均勻或是每圈繞線均勻分布在骨架上，因此在測量時會受到外界電磁場的干擾。我們通過分解，可以將外界電磁場可分解為平行于線圈平面和垂直于線圈平面兩個分量。

4.1.1垂直于線圈平面的外磁場

要抵消垂直于線圈平面的外界電磁場干擾，繞制線圈時要在正常繞線的骨架內(nèi)進(jìn)行反向繞線，如圖3所示。

4.1.2平行于線圈平面的外磁場

這種外磁場通常情況下由線圈輸入端電流產(chǎn)生，分布平均，我們將骨架設(shè)計成環(huán)形且整個環(huán)狀結(jié)構(gòu)截面積處處均勻的結(jié)構(gòu)，同時繞線通過繞線器均勻纏繞在環(huán)狀骨架上，可使外界磁場在繞線里產(chǎn)生的感生電動勢以平行于磁場方向為軸分成兩部分，這兩部分電動勢方向相反，大小相等，實際抵消。

4.2 線圈骨架尺寸選取

本文設(shè)計的是矩形截面圓形骨架的線圈骨架，骨架結(jié)構(gòu)見圖4，z為骨架橫向?qū)挾龋▃=b-a），h為骨架的截面高度，b為骨架外半徑，a為骨架內(nèi)半徑，對應(yīng)線圈互感系數(shù)：

4.3 線圈繞線材料選取

繞線材料一般選擇漆包線。繞線直徑需要考慮到線圈纏繞密度和機械強度，漆包線直徑可選擇范圍在0.18～0.35 mm。

4.4 線圈骨架材料選取

骨架材料的選取最重要的是考慮溫度一致性、時間一致性以及標(biāo)準(zhǔn)尺寸。簡單的說就是選擇溫度系數(shù)盡可能小的骨架材料以減小外界溫度變化給骨架截面帶來的變化而引發(fā)的測量誤差，不同材料的熱膨脹系數(shù)見表1。

從熱膨脹系數(shù)來看，有機玻璃最好，但其絕緣性能較差，不能用于生產(chǎn)骨架材料，陶瓷材料次之，但其脆性大加工性不好，環(huán)氧樹脂絕緣性能好，韌性也能滿足正常使用，且價格便宜，易于加工，我們選用環(huán)氧樹脂作為骨架材料。至于聚乙烯材料和橡膠材料，其韌性太好，不能支撐繞線，因此本文不予考慮。

圖4 線圈骨架剖面圖

5 設(shè)計實例

根據(jù)上述羅氏線圈工作原理，本文設(shè)計并制作了環(huán)狀骨架矩形截面的羅氏線圈，用以測量高壓起爆器放電輸出電流。線圈以環(huán)氧樹脂材料為骨架，繞線材料選用線徑為0.2 mm的漆包線，其具體參數(shù)見表2。

表1 不同材料的熱膨脹系數(shù)

表2 羅氏線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

其外形如圖5所示。

線圈放置在金屬屏蔽盒中，屏蔽盒的材料可以使用鐵、銅、鋁等常見金屬。在實際應(yīng)用中由于鐵的磁導(dǎo)率較大，為避免磁場無法進(jìn)入線圈內(nèi)部，需要在鐵盒上增加一條垂直于屏蔽盒軸線方向的縫隙。而銅或鋁的磁導(dǎo)率接近1，不需要單獨加工垂直方向的縫隙，屏蔽盒的制作更加簡便。

依據(jù)羅氏線圈工作原理，母線電流可以用采樣電阻的電壓值來表示，采樣電阻的電壓值通過示波器測量，若線圈匝數(shù)為300匝，希望測試變比為100 A=1 V，則取樣電阻阻值為3 Ω。

6 測試結(jié)果

圖6為高壓起爆器放電電流測試通道組成框圖。高壓起爆器正負(fù)極通過短路線連接，由圖2可知，高壓起爆器放電由觸發(fā)電路及短路開關(guān)控制，當(dāng)引爆信息輸入后，觸發(fā)電路輸出高壓觸發(fā)脈沖導(dǎo)通短路開關(guān)，使得高壓起爆器內(nèi)部發(fā)火電容通過短路線放電，放電電流穿過羅氏線圈的中心，通過電磁感應(yīng)，線圈測量電流信號通過同軸電纜傳送到示波器，示波器通過單次觸發(fā)模式可記錄輸出電流波形。

圖5 外形圖

圖6 測試通道組成框圖

圖7 放電電流波形

使用該線圈測量高壓起爆器輸出電流的實驗結(jié)果如圖7所示。如圖，高壓起爆器放電電流為不斷衰減的振鈴信號，總共7～8個周期，時間很短，為微秒級?？赏ㄟ^此電子互感器對高壓起爆器放電輸出進(jìn)行批量檢測，達(dá)到一定參數(shù)指標(biāo)才能成為合格產(chǎn)品，可大大降低檢測成本。

7 結(jié)論

采用羅氏線圈結(jié)構(gòu)的電子互感器重量輕，體積小，且無磁飽和現(xiàn)象，在很寬的頻帶范圍內(nèi)都有很好的線性度，在實際工程領(lǐng)域，基于羅氏線圈的電流互感器正在被越來越廣泛地應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了羅氏線圈工作原理，對羅氏線圈電子互感器研制打下了堅實的理論基礎(chǔ)。根據(jù)羅氏線圈設(shè)計理論，自行設(shè)計了一種電子互感器用于測量高壓起爆器放電電流，可根據(jù)沖擊片雷管的起爆條件檢測高壓起爆器放電輸出。該檢測方法可代替沖擊片雷管實爆檢測，大大減少實爆沖擊片雷管數(shù)量，最大限度降低了檢測成本。

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Research on Electronic Transformer for Discharge Current Measurement of High Voltage Electric Detonator

Yu Wei1, Xu Peng2, Zhang Qidong2, Yang Bingcai2

(1. Naval Representatives Office in Kunming, Kunming 650051, China; 2.Kunming Branch of the 705 Institute, Kunming 650051, China)

TM45

A

1003-4862(2018 ）10-0033-05

2018-05-14

余偉（1980-），男，工程師。研究方向：機械電子。E-mail: gbu128@qq.com