基于罗氏线圈的电流变送器设计与应用

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基于罗氏线圈的微功耗高精度电流传感器设计

科学技术创新

基于罗氏线圈的微功耗高精度电流传感器设计

崔瑞

(上海泰锦医疗科技有限公司,上海201203)

1概述1.1技术背景

一般情况下,高压线缆井各线缆接头的状态参数———电流,需要检修人员固定周期内带着检测设备下井检测,线缆井通道距离较长、环境复杂、井下空气质量较差,在时间、成本和安全性上来讲都有很大风险,且实时性也不太好。

随着物联网技术的普及和应用,电力行业各种设备在线实时监测需求越来越迫切,特别是电力线缆井的高压线缆监测给电力运维人员带来了很大的工作量。运用物联网技术可以将高压线缆井的电流参数等传至后台,如数据异常便开启报警机制,通知相关人员整修并维护,提高运维工作的检修周期。

1.2国内外研究现状

当前市面上做电流检测的主流采用罗氏线圈来进行检测。相对于传统的磁感应设备,罗氏线圈的线性度和一致性要好许多,这对后续算法实现以及量产的可靠精度非常有益。

R ogows ki 和其同伴W .St ei nhaus 在1912年发表了一篇《The M eas ur em ent of M agnet M ot i ve For ce 》的论文,论文中详细阐述了提出了罗氏线圈的工作原理。1966年,西德科学家H eum am n 对罗氏线圈的结构进行优化,提高了测量准确度,快速的推动了罗氏线圈的产业化应用。21世纪以来,美国科学家Lj .A.K oj ovi c 在新型罗氏线圈结构设计做了大量前沿性的工作,为罗氏线圈的产业化奠定了坚实的基础。

从20世纪开始,国内很多学着和大学也已经开始对罗氏线圈进行研究,希望能将罗氏线圈应用到实际的科研与产业中,以解决现实中存在的问题。如揭秉信教授编写的《大电流测量》对不同积分形式的罗氏线圈测量脉冲大电流时候的频率特性和工作状态进行研究。

LS40KA罗氏线圈电流传感器

概述：LS40KA罗氏线圈电流传感器采用罗氏线圈原理制成的大电流传感器与电流变送器一体化结构，不论一次电流多大，都不需另配电流互感器。采用插拔式，连接时不需拆开被测主回路，便于现场安装。测量变送一体化体积小，重量轻，高精度，安全稳定可靠。

应用领域：冶金、化工、电解、炼钢、电镀硅钙铁合金电石......

电气参数：

◆输入：40KA

◆输出：4~20mA

◆线圈长度0.4米

◆供电源V：24VDC耗电电流50mA

◆线圈长度0.4M

◆输出负载RL：0〈RL〈1KΩ

◆精度等级：0.5级

◆响应时间：100mS

◆输入，输出，电源，三端相互隔离

◆工作温度范围：0—120℃

◆绝缘强度：1500VDC／1分钟

基于大电流测量的罗氏线圈实验装置设计分析

、
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
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
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Hale Waihona Puke Baidu器是通过一个调压器和变压器

罗氏线圈电流传感检测技术研究概况重点

广西轻工业

GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 机械与电气

2011年2月

第2期(总第147期

1引言

近年来,伴随现代高压、超高压输电网络的建设,电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展[1],这就对电流测量装置提出了更高的要求。传统的电流测量装置因其主要采用带有铁心的电磁式电流互感器,不仅体积大、频带窄、防爆绝缘困难,且在大电流下铁心磁路易饱和,对测量结果产生较大的误差。因而,其难以满足电力系统发展的要求,必须寻求基于其他传感机理的电流测量装置来取代之。Rogowski 线圈(以下简称罗氏线圈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、测量精度高、无磁饱和、频带范围宽、体积小、易于数字量输出等一系列优点。目前,基于罗氏线圈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。

2罗氏线圈工作原理

罗氏线圈也称磁位计,它的产生和应用源于1912年[2]。它是一种将导线(漆包线均匀绕制在非磁性环形骨架上的空心线圈,其结构原理图如图1所示。测量时,将载流导线从线圈中心穿过,被测电流不须与罗氏线圈直接接触。根据安培环路定律和电磁感应定律,磁场将在线圈的两端产生一个感应电动势,其值的大小正比于被测电流对时间的微分。

图1罗氏线圈工作原理图

当线圈均匀绕制,且满足线匝截面积处处相等,截面各点磁感应强度相同的情况下,线圈产生的感应电动势e(t[3]为:

上式中:,为线圈与载流导线之间互感的理论计算值。μ

=4π×10-7H/m为真空磁导率,;N为绕组匝数; h/m表示线圈骨架高度,a/m表示骨架外径;b/m表示骨架内

基于罗氏线圈的电子式互感器可靠性分析

作者：杨浩

来源：《科技资讯》2015年第31期

摘要：电子式互感器线路简单实用，工作可靠，具有线性度好、测量精度高、动态测量范围大、响应速度快、带频宽等性能。随着智能化变电站的大量建设，电子式互感器在电力系统中的实际应用越来越广泛。该文针对基于罗氏线圈的电子式互感器进行可靠性分析，并提出改进措施。

关键词：罗氏线圈电流互感器积分器模型可靠性

中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0058-02

电子式互感器是电力系统中电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。该文针对现行投运在智能变电站中的基于罗氏线圈的电子式互感器，分析其工作原理，针对信号采集和传输过程中的一些工程应用问题，搭建罗氏线圈等效模型、积分模型并进行仿真，对电子式互感器积分电路相频特性进行了分析，讨论了实际情况中GIS中快速暂态过程对电子式互感器的影响，并提出一些改进措施。

1 罗氏线圈联合积分器特性

罗氏线圈联合积分器时的等效模型如图1所示，图中虚线左边为罗氏线圈等效电路，虚线右边为理想的硬件积分器。u 0为罗氏线圈联合积分器的最终输出。

式（4）中，只关系到幅频响应的衰减倍数，不会影响到相频响应特性，故可令式中，得到采用积分器时罗氏线圈电流互感器的频率响应特性。罗氏线圈联合积分器的响应下限截止频率接近于0 Hz，上限截止频率接近105 Hz级，在上下限截止频率之间的频率范围内，频率响应特性恒定，罗氏线圈电流互感器输出信号的幅值和相位与一次输入电流信号保持相同。因此，在频率不是非常高的情况下，罗氏线圈联合积分器将能完美地测量被测电流的各种频率分量。

基于罗氏线圈的电流检测技术

摘要：本文通过对罗柯夫斯基线圈的参数分析，结合相关参考资料的分析，系统总结出罗氏线圈的结构特性，根据罗氏线圈的基本设计流程，设计出满足低压电器通断试验要求的罗氏线圈，并配合相应的罗氏积分器和尼高力（Nicolet）数据采集系统，通过200kA通断试验控制监控系统，验证所设计的罗氏线圈符合试验要求。

关键词：电流检测、罗氏线圈、通断试验

研究现状

近年来，我国低压电器行业出现了巨大的变化，低压电器的检测技术也随之被推向了快速发展的阶段。这就对试验检测设备的试验和测量速度、精度都提出了更高的要求。传统的试验方式中，电流检测装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，其体积大、频带窄、防爆绝缘困难，且在大电流下铁心磁路易饱和，对测量结果产生较大的误差[1]。而近年来，随着电气技术和计算机技术的普遍应用，国内外普遍采用了精度更高、更为可靠的数据测量，其中优势比较明显的就是运用罗柯夫斯基线圈(Rogowski线圈，以下简称罗氏线圈)技术的测量方式[2]。

罗氏线圈作为电流传感元件，具有测试频带宽、无磁饱和、结构简单等一系列优点，成为测量脉冲电流的理想元件[3]。本文首先阐述了罗氏线圈结构特点，通过感应电势、电磁等参数推导，得出罗氏线圈等效电路计算方法，从而得出罗氏线圈的基本设计流程，设计出满足低压电通断试器验要求的罗氏线圈。

1 罗氏线圈的结构特点

罗氏线圈的骨架芯由非磁性材料制成，截面均匀并具有环形结构，在制作罗氏线圈时，线圈沿骨架芯均匀紧密缠绕足够匝数后，再在线圈的末端接上终端电阻，用Rs表示。罗氏线圈的另一特点即“回绕”结构，也就是当线圈沿着闭合曲面环绕到终点后，需要回绕至起点。

罗氏线圈测量电流的原理

以罗氏线圈测量电流的原理为标题，本文将介绍罗氏线圈的工作原理、测量电流的基本原理以及优缺点。

一、罗氏线圈的工作原理

罗氏线圈，又称为电流互感器，是一种用于测量电流的装置。它基于法拉第电磁感应定律，利用电流通过导线时所产生的磁场感应，从而实现对电流的测量。具体来说，当电流通过罗氏线圈所绕的导线时，导线产生的磁场会穿过罗氏线圈，从而在罗氏线圈中产生感应电动势。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势与导线中的电流成正比，因此可以通过测量感应电动势来间接测量电流的大小。

二、测量电流的基本原理

罗氏线圈测量电流的基本原理是通过将待测电流导线穿过罗氏线圈的中心孔，使电流通过罗氏线圈，产生感应电动势。然后，将感应电动势转化为与待测电流成正比的电压输出，进而对电流进行测量。

在实际测量中，罗氏线圈的感应电动势通常通过磁芯和线圈匝数的选取来实现。磁芯用于集中和引导磁场，增强感应效果；线圈匝数的选择可以调整输出电压的灵敏度，使测量范围更加广泛。

三、罗氏线圈测量电流的优缺点

1. 优点：

（1）罗氏线圈具有非常好的线性特性，可以较准确地测量电流；

（2）罗氏线圈不需要与待测电路直接接触，避免了对待测电路的干扰；

（3）罗氏线圈具有较高的频率响应，可以测量交流电流；

（4）罗氏线圈体积较小、重量较轻，方便携带和使用。

2. 缺点：

（1）罗氏线圈在测量直流电流时，需要提供外部直流电源，增加了测量的复杂性；

（2）罗氏线圈的测量精度受到温度、线圈匝数等因素的影响，需要进行补偿和校准；

（3）罗氏线圈测量的电流范围受到线圈参数和测量电路的限制。

罗氏线圈应用

罗氏线圈是一种常用的电感元件，广泛应用于电子电路和通信系统中。它是由绕制在磁性材料芯片上的导线组成，其特点是具有高感应电压和高频率特性。本文将介绍罗氏线圈的基本原理、应用领域以及一些注意事项。

我们来了解一下罗氏线圈的基本原理。罗氏线圈是基于法拉第电磁感应定律的原理，即当磁通量发生变化时，线圈中就会产生感应电动势。罗氏线圈的导线绕制在磁性材料的芯片上，这样可以增强线圈的感应电压。当线圈中通过电流时，会产生磁场，进而改变芯片上的磁通量，从而产生感应电压。

罗氏线圈具有许多重要的应用。首先，它广泛应用于通信系统中。在无线通信中，罗氏线圈被用作天线的耦合装置，用于将无线信号传输到接收器中。它还可以用于调制和解调电路中，用于接收和发送信号。此外，罗氏线圈还可以用于通信设备的滤波器和放大器电路中，用于调整信号的频率和幅度。

除了通信系统，罗氏线圈还广泛应用于电子电路中。在电源电路中，罗氏线圈常用于滤波器电路中，用于去除电源中的噪声和纹波。在交流电源中，罗氏线圈还可以用于变压器电路中，用于将交流电压变换为所需的电压。此外，罗氏线圈还可以用于电感耦合器件和谐振电路中，用于调整电路的频率和增益。

在使用罗氏线圈时，还需要注意一些事项。首先，线圈的电感值应根据具体的应用需求选择，以确保电路的正常工作。其次，线圈的导线应选用合适的材料和截面积，以降低电阻和损耗。此外，线圈的绕制要注意绕线的顺序和间隔，以避免产生互感和串扰。最后，线圈的封装和散热设计也需要考虑，以提高线圈的稳定性和可靠性。

罗氏线圈是一种重要的电感元件，广泛应用于电子电路和通信系统中。通过利用罗氏线圈的感应原理，可以实现信号的传输、滤波、调制和解调等功能。在应用罗氏线圈时，需要根据具体的需求选择合适的参数，并注意线圈的绕制和封装设计。只有合理使用和设计罗氏线圈，才能充分发挥其优良的特性，提高电路的性能和可靠性。

基于罗氏线圈原理的高频电流传感器[实用新型专利]

专利名称：基于罗氏线圈原理的高频电流传感器专利类型：实用新型专利

发明人：龚伟

申请号：CN201721669444.X

申请日：20171204

公开号：CN207541141U

公开日：

20180626

专利内容由知识产权出版社提供

摘要：本实用新型公开了基于罗氏线圈原理的高频电流传感器，包括BNC接头、磁芯、线圈绕组、匹配电阻、匹配电容，磁芯采用超微晶合金的铁芯材料制成，磁芯包括第一磁芯、第二磁芯，第一磁芯和第二磁芯为半圆环，第一磁芯与第二磁芯连接成圆环，线圈绕组缠绕在第二磁芯上，线圈绕组的一端与BNC接头的输入端连接，线圈绕组的另一端与匹配电阻的一端连接，匹配电阻的另一端与BNC接头的输入端连接，匹配电阻的一端与所述匹配电容的一端连接，匹配电容的另一端与匹配电阻的另一端连接。达到了稳定高频电流传感器的谐振频率的输出范围的目的，扩大带宽的范围，增大高频电流传感器的传输阻抗，有利于提高高频电流传感器的测量准确度。

申请人：重庆臻远电气有限公司

地址：400000 重庆市九龙坡区科园四街52号石桥铺标准厂房K座4楼4-1

国籍：CN

代理机构：成都行之专利代理事务所(普通合伙)

代理人：冯龙

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电流罗氏线圈

电流罗氏线圈（Rogowski Coil）是一种用于测量大电流的传感器，广泛应用于电力系统、科研、工业等领域。它主要由一个在非铁磁性材料上均匀缠绕的环形线圈组成，具有无磁滞效应、几乎为零的相位误差、无磁饱和现象和极高的线性度等特点。

罗氏线圈的测量原理基于法拉第电磁感应定律，即当电流通过被测导线时，会在线圈中产生感应电动势。线圈的输出信号是电流对时间的微分，通过对输出电压信号进行积分，可以真实还原输入电流。这使得罗氏线圈能够测量从毫安级到上万安的电流范围。

罗氏线圈相较于传统电流测量装置具有以下优点：

1. 无饱和：罗氏线圈能够在极大的电流范围内保持线性输出，不会出现饱和现象。

2. 线性度好：罗氏线圈的输出信号与输入电流之间具有很高的线性关系，便于标定和计算。

3. 瞬态反应能力突出：罗氏线圈能够快速响应电流的变化，尤其适用于测量瞬态冲击电流。

总之，罗氏线圈也有其局限性，如对高频电流的测量存在一定的限制。在实际应用中，可以通过填充高磁导率的柔性磁芯骨架、采用谐振抑制电路等方法来提高罗氏线圈的性能。

设计罗氏线圈

传统罗氏线圈传感器的制作

罗氏线圈传感器由罗氏线圈和对其输出电压进行处理的放大积分电路组成。1罗氏线圈设计

罗氏线圈是一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。其设计基本原理如图：

图2 罗氏线圈结构图

罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律,当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，强度为H,由安培环路定律得:

∮H·dl=I(t)

由B=μH，e（t）=dΦ/dt，Ф=N∫B·dS，e（t）=M·di／dt，得：

其截面为矩形时，互感系数M

M=μ0Nhln(b/a)/2π

上式中，H为线圈内部的磁场强度，B为线圈内部的磁感应强度，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，e（t）为线圈两端的感应电压，a, b分别为线圈横截面的内外径,h为截面高度。

由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di／dt成正比。

2放大积分电路设计原理

若想准确还原测量的交流电流i , 必须加一个反相积分电路。因罗氏线圈感应出的电压很小, 为了放大该感应电压，须在积分器前面加一放大电路。积分是一个非常重要的环节,被还原的信号非常小, 为方便测量, 先将信号放大再积分,这样一方面可以增大还原信号, 另一方面,电容的存在可以过滤掉不必要的干扰[8]。

基本放大积分电路设计如图3：

通过对罗氏线圈感应电压的放大和积分处理，可还原出所测量的交流电流。比例放大器的放大倍数K=-1

2R R -,积分放大器的积分时间常数τ=3R C 。 3，综合设计有I t U o τ

设计罗氏线圈

传统罗氏线圈传感器的制作

罗氏线圈传感器由罗氏线圈和对其输出电压进行处理的放大积分电路组成。1罗氏线圈设计

罗氏线圈是一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。其设计基本原理如图：

图2 罗氏线圈结构图

∮H·dl=I(t)

由B=μH，e（t）=dΦ/dt，Ф=N∫B·dS，e（t）=M·di／dt，得：

其截面为矩形时，互感系数M

M=μ0Nhln(b/a)/2π

由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di／dt成正比。

2放大积分电路设计原理

基本放大积分电路设计如图3：

通过对罗氏线圈感应电压的放大和积分处理，可还原出所测量的交流电流。比例放大器的放大倍数K=-1

2R R -,积分放大器的积分时间常数τ=3R C 。 3，综合设计有I t U o τ

罗氏线圈原理

《罗氏线圈原理》

一、罗氏线圈介绍

罗氏线圈是一种由两根细线成并列的圈状开路绕组，它是由英国科学家William Thomson，爵士（Lord Kelvin）发明的，也称旋转线圈或Thomson-Lorentz线圈。

它是一种多功能线圈，用于旋转电动机，发电机，断路器，变送器和各种电力装置中。它被广泛应用于对电力设备，交流和直流电路中的测量，控制，保护，分类和电工研究，设计和开发等方面。

二、罗氏线圈的工作原理

罗氏线圈是由两根细线成并列的圈状开路绕组组成的，当两根线圈施加到适当的电压源头上，两根线圈被强烈磁场联系在一起，在另一接头处产生电流和力，使另外一端的线圈抵消原方向电流和力，产生反方向的电流和力，从而形成旋转运动，从而利用磁力的原理来驱动旋转机械装置。

三、罗氏线圈的优势

1、功耗小：由于磁场同向性，可以使磁场发生强烈的相互作用，从而消耗小量的电量。

2、性能稳定：由于其同向性，可以使性能稳定，令其可应用于动力传动以及各种控制系统中。

3、低成本：由于其价格低，罗氏线圈的使用成本较低，可以带来较大的经济效益。

四、罗氏线圈的应用

1、用于电动机的旋转：由罗氏线圈可以产生旋转电场，从而可以带动电动机的旋转运动，由此可以把电能转换成机械能。

2、用于发电机的发电：当机械能作用于罗氏线圈时，会使其发出电流，从而带动发电机的发电运动，把机械能转换成电能。

3、用于断路器，变送器等：当断路器或变送器中的罗氏线圈发现电流变化时，将产生磁场，从而触发断路器断开电源，或者变送器将电能变化转换成信号。

总之，罗氏线圈作为一种普遍应用于电动机，发电机，断路器，变送器等电力设备中的重要组成部件，其磁力的原理也使其在日常的电力工程中得到了广泛的应用。

罗氏线圈的电流互感器

罗氏线圈的电流互感器是一种常见的电气设备，用于测量和监测电流。它基于法拉第电磁感应定律，通过电流在导体中产生的磁场来测量电流的大小。

罗氏线圈的电流互感器由一个或多个绕组组成，绕组中通过被测电流。当电流通过绕组时，产生的磁场会感应出另一个绕组中的电动势，根据法拉第电磁感应定律，这个电动势与电流成正比。通过测量这个感应电动势，就可以得到电流的大小。

罗氏线圈的电流互感器具有许多优点。首先，它具有非接触测量的特点，不需要直接接触被测电流，因此不会对被测电路产生干扰。其次，它可以实现高精度的测量，通常具有较小的误差和较高的灵敏度。此外，罗氏线圈的电流互感器还具有较宽的测量范围和较好的线性度，可以适应不同范围和变化的电流测量需求。

在实际应用中，罗氏线圈的电流互感器广泛应用于各个领域。在工业领域，它常用于电力系统中的电流测量和保护装置中。例如，在变电站中，通过安装电流互感器可以对输电线路和变压器等设备进行实时监测和保护。此外，在工厂和机械设备中，也可以利用罗氏线圈的电流互感器对电机和设备的运行状态进行监测和控制。

在建筑领域，罗氏线圈的电流互感器可以用于智能电能表和智能家居系统中。通过安装电流互感器，可以实现对家庭用电情况的监测和控制，实现能源的高效利用和节约。

此外，在交通运输领域，罗氏线圈的电流互感器也有着重要的应用。例如，在轨道交通系统中，通过安装电流互感器可以对列车的牵引系统进行监测和控制，确保列车运行的安全和稳定。

总之，罗氏线圈的电流互感器是一种重要的电气设备，广泛应用于各个领域。它具有非接触测量、高精度、宽测量范围等优点，在工业、建筑和交通运输等领域发挥着重要作用。随着科技的不断进步和发展，相信罗氏线圈的电流互感器将会有更广阔的应用前景。

罗氏线圈的工作原理及使用中应注意的问题

罗氏线圈是一种用于产生强磁场的电器元件，其工作原理基于法拉第电磁感应定律。当通过罗氏线圈中的电流变化时，会产生一个磁场，该磁场会与罗氏线圈本身的匝数和电流成正比。

在使用罗氏线圈时，有几个问题需要注意：

1. 电流和电压：根据罗氏线圈的设计，合理选择电流和电压值，避免超过线圈承受范围，以免造成线圈的烧坏或其他损坏。

2. 冷却：罗氏线圈在工作过程中会产生大量的热量，需要进行有效的散热，以保证线圈和周围的其他设备不受过热影响。常见的散热方式包括风冷和水冷等。

3. 线圈安装：罗氏线圈应正确安装孔或导杆上，以确保稳定性和准确性。同时，应避免线圈与其他金属物体或磁体的直接接触，以避免产生误差或干扰。

4. 温度效应：罗氏线圈的输出信号可能会受到温度变化的影响。在使用中，应注意环境温度的变化，并根据需要进行补偿或校准。

5. 磁场干扰：罗氏线圈对外部磁场非常敏感，特别是低频磁场。在使用时，应尽量避免附近有强磁场或其他电磁干扰源，以免影响线圈的正常工作。

总之，使用罗氏线圈时应注意电流和电压、冷却、安装、温度效应及磁场干扰等问题，以确保线圈的正常运行和准确测量。