基于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術研究

陳舒理

（新疆維吾爾自治區送變電工程公司，新疆 烏魯木齊 830011）

現階段，電力系統的發展日趨成熟，供電的可靠性和穩定性都得到了明顯提高。隨著科技的進步，計算機技術、網絡技術、通信技術的廣泛應用，更給電力系統帶來了質的改變，高新技術與電力技術的完美融合，不僅提高了供電效率，更提高了電力系統故障檢測與修復能力。計算機技術、通信技術、信息技術幾乎已應用到了現代社會活動中的所有領域，自然電力領域也不例外，傳統電力技術已無法滿足現代社會發展需求和日益增大的供電需求，現代化電力系統是未來電力發展的主流方向，高壓輸電線路在線監測技術就是隨著計算機技術發展起來的新型電力技術，通過實時的監控和數據采集功能，預測線路狀況，并采取適當的故障消除措施，保障線路安全。本文針對該技術進行簡單介紹，并提出其設計標準，分析技術實現原理，并根據這一測量原理，設計出其測量所需要的積分電路，然后提出經過改進的積分電路。

1 在線監測系統簡介及性能要求

電力系統的網絡由許多輸電環節構成，輸電線路在線監測系統就是現代電力系統重要的組成部分。在線監測系統所能夠實現的功能有：數據傳輸、數據采集、數據處理、狀態監測、故障預防。在線監測系統的工作原理是：先對導線運行狀態進行測量，再將測量結果數據進行分析和加工，最后把處理結果傳輸到控制中心。

輸電線路在線監測系統的設計要符合現代化設計標準，進而保障輸電線路在線監測系統能夠實現數字化、信息化和網絡化。系統中的各類裝置要具有很高的準確度來滿足工程測量需要，還要求這些裝置要有很強的環境適應性能，能夠防雨、防潮、抗振、防雷等。

導線電流的測量是對輸電線路進行在線監測的重要環節，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的電流測量方案中，設立的目標是測量1%～120%的額定電流。本次設計對于電流測量的準確度要求為：當一次電流I＞0.1I額定電流，比差在±1%之內時，測量的要求是相差為±1°；當一次電流I＜0.1I額定電流，比差在±5%以內時，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行。這種設計基于全電流原理和電磁感應原理來完成和實現。當被測量的母線從中心的軸線通過時，線圈就會產生電壓。感應電壓和被測量的電流I（t）之間存在著微分關系，即：

圖1 Rogowski測量原理

根據線圈結構以及相關原理可以得出，此裝置不會出現磁飽和狀態。因此，和傳統的電流感應器相比，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

氣隙對于Rogowski線圈的輸電線路電流測量技術設計所造成的影響不容忽視。氣隙的存在導致線圈上的導線變得不再均勻，并因此而產生磁動勢。同時還會產生磁阻，使氣隙磁動勢變強，線圈磁動勢變弱，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，根據相關理論可以得出：此時Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置無關。但是，存在氣隙時，線圈不再均勻纏繞截骨架，便會導致電壓和電流的變化，最終影響測量結果。

通過對圖2的觀察，可以看出氣隙存在時母線位置會發生偏心。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下電壓和電流的關系。

圖2 帶有氣隙的Rogowski線圈示意圖

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

3.3 氣隙存在時外磁場的影響

當受到兩個磁場（電流產生的磁場和外部磁場）的影響時，Rogowski線圈就要在兩種磁場的綜合作用下進行工作。而衡量Rogowski線圈抗干擾性的關鍵就要看它受到外磁場的影響時所產生變化的大小。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生的磁場，因此主要對這種情況進行研究。

當線圈為開口式，存在氣隙時，線圈繞線不是均勻的，為了分析方便，假設此時的骨架截面積仍處處相等，故外磁場產生的感應電壓為

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

通過以上研究，可以得出結論：閉口式Rogowski線圈在線圈均勻纏繞截骨架時，Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置無關；開口式Rogowski線圈當存在氣隙時，線圈不再均勻纏繞截骨架，此時Rogowski線圈的電壓和母線偏心位置有關，測量結果也不同。通過分析不難看出氣隙的出現會明顯降低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研究設計中，采用開口式線圈。

4 外積分電路比較及設計

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研究設計中，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，為了減小對積分電路的影響，電阻R1的阻值取得較大。它的傳遞函數如下：

通過公式計算后，假設R1阻值較大，那么該傳遞函數值和頻率則是反比關系。在這兩種積分電路中，低頻電壓會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 改進型積分電路

設計改進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，改進積分電路如圖5所示。

圖5 改進積分電路

圖6 幅頻響應

圖7 相頻響應

圖6、圖7表明，改進型積分電路存在峰值，而且當積分電路處在峰值處時，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，但同時對高頻信號也起到了抑制作用。

5 總 結

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

［1］ 金 丹，徐春營，岳鑫桂，等.我國電力系統之輸電線路雷電流測量用Rogowski線圈低頻失真校正技術［J］.電力系統自動化，2013，（22）：96－100.

［2］ 黃 松，陳欽柱，岳鑫桂，等.現代電力技術用于輸電線路故障行波電流測量的新型Rogowski線圈研究［J］.機電信息，2014，（3）：153－154.

［3］ 張 波，康文斌，盧恩澤，等.輸電線路直擊雷電流測量儀的設計與實現［J］.高壓電器，2012，48（2）：86－89.