基于Rogowski线圈的输电线路电流测量技术研究

陈舒理

（新疆维吾尔自治区送变电工程公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

现阶段，电力系统的发展日趋成熟，供电的可靠性和稳定性都得到了明显提高。随着科技的进步，计算机技术、网络技术、通信技术的广泛应用，更给电力系统带来了质的改变，高新技术与电力技术的完美融合，不仅提高了供电效率，更提高了电力系统故障检测与修复能力。计算机技术、通信技术、信息技术几乎已应用到了现代社会活动中的所有领域，自然电力领域也不例外，传统电力技术已无法满足现代社会发展需求和日益增大的供电需求，现代化电力系统是未来电力发展的主流方向，高压输电线路在线监测技术就是随着计算机技术发展起来的新型电力技术，通过实时的监控和数据采集功能，预测线路状况，并采取适当的故障消除措施，保障线路安全。本文针对该技术进行简单介绍，并提出其设计标准，分析技术实现原理，并根据这一测量原理，设计出其测量所需要的积分电路，然后提出经过改进的积分电路。

1 在线监测系统简介及性能要求

电力系统的网络由许多输电环节构成，输电线路在线监测系统就是现代电力系统重要的组成部分。在线监测系统所能够实现的功能有：数据传输、数据采集、数据处理、状态监测、故障预防。在线监测系统的工作原理是：先对导线运行状态进行测量，再将测量结果数据进行分析和加工，最后把处理结果传输到控制中心。

输电线路在线监测系统的设计要符合现代化设计标准，进而保障输电线路在线监测系统能够实现数字化、信息化和网络化。系统中的各类装置要具有很高的准确度来满足工程测量需要，还要求这些装置要有很强的环境适应性能，能够防雨、防潮、抗振、防雷等。

导线电流的测量是对输电线路进行在线监测的重要环节，它可以直接反映电流的高低，在本次基于Rogowski线圈的输电线路电流测量技术的电流测量方案中，设立的目标是测量1%～120%的额定电流。本次设计对于电流测量的准确度要求为：当一次电流I＞0.1I额定电流，比差在±1%之内时，测量的要求是相差为±1°；当一次电流I＜0.1I额定电流，比差在±5%以内时，测量的要求是相差为±3°。

2 Rogowski线圈

图1为Rogowski线圈的测量原理。从图1可以看出这种测量方式是将线圈均匀的缠绕在非磁性骨架上进行。这种设计基于全电流原理和电磁感应原理来完成和实现。当被测量的母线从中心的轴线通过时，线圈就会产生电压。感应电压和被测量的电流I（t）之间存在着微分关系，即：

图1 Rogowski测量原理

根据线圈结构以及相关原理可以得出，此装置不会出现磁饱和状态。因此，和传统的电流感应器相比，此装置的测量范围更宽，性度也更好。

3 开口式Rogowski线圈的测量误差分析

3.1 气隙造成的影响

气隙对于Rogowski线圈的输电线路电流测量技术设计所造成的影响不容忽视。气隙的存在导致线圈上的导线变得不再均匀，并因此而产生磁动势。同时还会产生磁阻，使气隙磁动势变强，线圈磁动势变弱，电压变小，输电线路电流测量的灵敏度降低。

3.2 气隙存在时母线偏心位置的影响

闭口式Rogowski线圈在线圈均匀缠绕截骨架时，根据相关理论可以得出：此时Rogowski线圈的电压和母线偏心位置无关。但是，存在气隙时，线圈不再均匀缠绕截骨架，便会导致电压和电流的变化，最终影响测量结果。

通过对图2的观察，可以看出气隙存在时母线位置会发生偏心。另一方面，由图可知，除了气隙，全部线圈都是均匀缠绕在矩形骨架上，可以得到此种工作状态下电压和电流的关系。

图2 带有气隙的Rogowski线圈示意图

由电压和电流的关系式可以得出：电压和气隙所对应的圆心角密切相关，气隙越大，气隙所对应的圆心角越大，电压越小，精确度越低。当气隙所对应的圆心角和电流偏心距离都为非零值时，电压与这两者的关系更加密切，精确度也受到影响。

3.3 气隙存在时外磁场的影响

当受到两个磁场（电流产生的磁场和外部磁场）的影响时，Rogowski线圈就要在两种磁场的综合作用下进行工作。而衡量Rogowski线圈抗干扰性的关键就要看它受到外磁场的影响时所产生变化的大小。在本次基于Rogowski线圈的输电线路电流测量技术研究的高压输电线路中，外部磁场主要指那些邻近电流所产生的磁场，因此主要对这种情况进行研究。

当线圈为开口式，存在气隙时，线圈绕线不是均匀的，为了分析方便，假设此时的骨架截面积仍处处相等，故外磁场产生的感应电压为

由式（2）可以得出，当Rogowski线圈存在气隙时，外部磁场的电压为非零值，这表明在这种状况下，外磁场对所测量数据具有一定影响，Rogowski线圈抗干扰减低。

通过以上研究，可以得出结论：闭口式Rogowski线圈在线圈均匀缠绕截骨架时，Rogowski线圈的电压和母线偏心位置无关；开口式Rogowski线圈当存在气隙时，线圈不再均匀缠绕截骨架，此时Rogowski线圈的电压和母线偏心位置有关，测量结果也不同。通过分析不难看出气隙的出现会明显降低Rogowski线圈精确度。所以在本次基于Rogowski线圈的输电线路电流测量技术研究设计中，采用开口式线圈。

4 外积分电路比较及设计

比较常见的外积分电路有有源类积分电路、无源类积分电路，本次本次基于Rogowski线圈的输电线路电流测量技术研究设计中，所以除了这两类意外，还涉及到了新型积分电路。

4.1 基本模拟积分电路

图3和图4是两种常见的积分电路。

图3 无源积分电路

图4 有源积分电路

由以上无源积分电路可知，它的传递函数为：

如图4，有源积分电路加上了电阻R1。R1可以减小线圈的影响。通常情况下，为了减小对积分电路的影响，电阻R1的阻值取得较大。它的传递函数如下：

通过公式计算后，假设R1阻值较大，那么该传递函数值和频率则是反比关系。在这两种积分电路中，低频电压会影响积分电路的工作情况，所以怎样减小干扰是积分电路要解决的重要问题。

4.2 改进型积分电路

设计改进积分电路的主要目的是为了降低低频干扰给积分电路造成的影响。改进型积分电路是通过比较以上两种基本积分电路提出的，改进积分电路如图5所示。

图5 改进积分电路

图6 幅频响应

图7 相频响应

图6、图7表明，改进型积分电路存在峰值，而且当积分电路处在峰值处时，其输出电压比输入电压大很多倍。由于频率的取值很小，约为0.6 Hz，所以该频率所受的影响比较小，但同时对高频信号也起到了抑制作用。

5 总 结

本文对高压输电线路在线监测系统的工作原理进行了介绍，分析了在线监测系统技术要求，并明确了本次基于Rogowski线圈的输电线路电流测量技术中电流测量的要求。对于如何进行电流测量，提出了利用Rogowski线圈感应器来进行测量的方法，解释了Rogowski线圈在进行电流测量时使用的相关原理。通过分析得出：闭口式Rogowski线圈在线圈均匀缠绕截骨架时，Rogowski线圈的电压和母线偏心位置无关；开口式Rogowski线圈当存在气隙时，线圈不再均匀缠绕截骨架，此时Rogowski线圈的电压和母线偏心位置有关，测量结果也不同。此外，还针对气隙问题进行了分析，气隙的出现必然影响线圈精确度，所以必须引起重视。最后在以上基础上，提出了一种改进型的积分电路，通过使用传递函数，分析其幅频响应和相频响应。

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