＜电气开关＞（２０１２．Ｎｏ．２） 文章编号：１００４—２８９Ｘ（２０１２）０２—００５０—０４ 基于Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的电流传感器性能研究 王艳红，杜海莲 （河北师范大学职业技术学院电子系，河北 石家庄０５００００） 摘要：介绍了基于Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈电流传感器的基本原理和结构，详细的分析了Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的稳态特性以及 暂态特性，并且对阶跃信号，直流衰减分量，交流衰减分量以及一般情况下的信号进行了仿真分析，得出Ｒｏｇｏｗｓｋｉ 线圈电流传感器具有良好的稳态测量精度和暂态响应能力，可以满足超高压输电线路的要求。 关键词：Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈；电流传感器；暂态响应 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ｂ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ＥＣＴ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ Ｏｉｌ ＷＡＮＧ Ｙａｎ—ｈｏｎｇ，ＤＵ Ｈａｉ—ｌｉａｎ （Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ ｎａｄ ａｎａｌｙ— ｚｅｓ ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ ｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｎａａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｔｅ ｓｔｅｐ ｓｉｇｎａｌ，ＤＣ ｄｅａｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ＡＣ ｄｅａｃｙ ｃｏｍｐｅｎｅｎｔ ａｎｄ ｓｉｎｇａｌ ｕｎｄｅｒ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｃａｒｉｒｅｄ ｏｕｔ．Ｉｔ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｎ ｈｔａｔ ｈｔｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｏｆ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ ｈａｓ ｆｉｎｅ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｅｍａｓｕｒｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ；ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒｎａｓｆｏｒｍｅｒ；ｔｒｎａｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ １ 引言 单根导线）。任何一个随时间变化的电流在其周围都 会产生一个随时间变化的磁场。测量时，Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线 随着电力工业的发展，电力传输系统容量不断增 圈围绕在被测电流的周围，则磁场将在线圈的两出线 加，对传感器的测量精度、动态范围、饱和性等特ｆ生的要 端感应出一个电势。用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈测量电流原理 求标准更高；二次回路的复杂化、抗干扰性差等问题日 如图１所示。 益凸现出来；对继电保护系统的可靠性、速动性与灵敏 性也提出了更为苛刻的要求，这就要求传感器具有良好 的暂态响应特性，能真实、快速地反映一次故障信号，使 继电保护装置能在暂态过程尚未结束前就正确动作于 跳闸。而存在磁饱和、剩磁等情况的电磁式传感器越来 越难以满足电力系统日益发展的需要，Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈电 子式电流互感器（ＥＣＴ）具有无磁饱和、抗电磁干扰能力 强等优点，能够从根本上解决这个问题。 本文对Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈电流传感器的稳态响应和 图１ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈测量原理图¨ 暂态性能进行深入的分析。 通常，Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的截面有矩形和圆形两种。 现在较广泛使用的是矩形线圈，圆形线圈已经很少使 ２ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的基本原理和结构 用，为了测量电动势ｅ（ｔ），一般在Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈输出 Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈是均匀密绕在一个由塑料棒构成的 端接一个取样电阻。通过测量流过电阻的电流，或直 环形骨架上，线圈绕成偶数层（一般为两层，回线采用 接测电阻两端电压。将线圈感应电动势ｅ（ｔ）转换为 ＜电气开关＞（２０１２．Ｎｏ．２） ５１ 被测电阻电压，通过对所测得电阻电压积分得到被测 足保护系统的需要 。而目前对Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的暂 电流 ¨。 态过程研究并不是很多，下面我们以有源积分器形式 ３ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的稳态分析 下Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈为研究对象展开分析。 以有源积分器状态下的Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈等效电路 为了分析稳态情况下Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈自身参数引 图为对象，其传递函数为 起的误差，这里我们以图２中的等效图为依据进行分 ）＝ Ｍ．Ｓ ・ 析和讨论 。 Ｒ。 工 ： ． —Ｌ （８）ＲＣＳ ＲＣＬＣ ０ Ｓ ２＋ ２６ Ｓ ・ ＋０９ ２ 、 其 １ Ｉ Ｌ ） ＝去√ ， 图２ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈等效电路图 在电力系统稳态正弦电流下有： ∞。 ＿为固有震荡频率。 ＝ｊａ，Ｍｉ （１） （１）对于阶跃响应，￡（￡）＝，ｍ． （ ），则，（ｓ）＝ 在忽略杂散电容Ｃｏ的影响下，有 Ｖｏ —Ｒ—＋ Ｒ，Ｌ＋ｊｗＬ‘ （２） ｖｏ（ ・ ＝ ，（ ＋ ＋ ） Ｕ （３） 。・ 【 （Ｓ ｓ＋６） ＋（ ）：】Ｊ 设输人和输出的相位差为 ｖｏ（ ∽一ｅ一．ｃｏｓＶ—ｏ；￣－ｇｔ）一 ｔｇ ＝一 １＋Ｒ ｇ 一——／Ｒ，＝一 一 （４）４ Ｊ ．ｎ（嗣］ （１ｏ） 一ａｒｃ （ ） （５） 考虑到Ｒａ》Ｒ・，则 。 １ ，又∞》口，由 输入和输出的幅值相对误差为 于 值极大，因此上式后二项衰减极快，在经过高频滤 占－ ｌＲ帆．＋ｊｗ酬Ｌ＝ 等 波电容Ｃ，后其值亦相当小，故在计算机采样过程中几 乎对采样值毫无影响，即阶跃信号经Ｒｏｇｏｗｓｋｉ后的输 （６） 式（５）和（６）说明稳态下的相位差和幅值差均和 出值为：ｖｏ（ｆ）＝ ・ （ｆ）采用实际应用中Ｒｏｇｏｗｓｋｉ 线圈的自身参数密切相关。而在低频范围内，ｗＬ值可 线圈的参数 ，Ｌ＝２１．５６ｍＨ，Ｒ。＝２７０１＂￣，Ｃ０＝０．１２ｎＦ， 以忽略不计，幅值相对误差为： Ｒ。＝ｌＯｋｌ￣并假设Ｍ／ＲＣ＝１和，ｍ取标么值处理，则上 ８＝ √（ ＋ 。）Ｒ ＋ （ｏＪＬ一 ） 。＋ ａ ㈩ 由实际参数计算可得工频情况下的幅值相对误差 为 ＝２．６％，相位误差为 Ｏ。考虑到低频时幅值相 对误差为常数，所以利用后面的积分环节可以修正幅 值误差，使其满足测量和保护对其精度的要求 引。 ４ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的暂态分析 由于保护系统研究的重点是电力系统故障后的暂 图３ Ｒｏｇｏｗｓ￣线圈的阶跃响应 态过程，所以必须分析传感器的暂态响应是否可以满 仿真表明，阶跃信号引起的暂态过程在２０１ｘｓ内就 ５２ ＜电气开关＞（２０１２．Ｎｏ．２） 稳定下来。理论上式可以满足对暂态采样信号的需要 的。 （２）对于直流衰减分量ｉ（ｔ）＝，瑚・ｅ一，，（ｓ）＝ ，＝ 等 ）＝而 Ｍ ・ 等等 ８ ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ ｌ Ｉ ｌ ｌ ｌ ０ ０ ０ ０ 粤皇ｌｌｌ血Ⅱｖ （１７） ｖｏ（ ＭＩ．‰２ ・ １ ・去 【 】＋ （１１） ＭＢｉ∞ Ｄｓ＋Ｅ ＦＳ＋Ｋ １ 【 其中： （Ｓ＋ ） ＋ Ｄ＿碡 Ａ ＋２（ （ ｉ） 南 Ｄ 【厢 ＋兹寺。 ｉｎ 同样的，考虑到Ｒａ》 ｓ，∞ ∞。 有 １， （１２） 口， Ｅ：黔一 ． 蔷 。 Ｄ ∞ Ｖｏ（ ｅ咄ｓｉｎ 】 ８ｌｃ０ｓ ＋丽ａ－８ （１３） Ｋ＝一 一 考虑到电力系统的具体情况即短路暂态过程的时 而在后二项衰减极快的情况下，在经过高频滤波电 容Ｃ 后的直流衰减分量经Ｒｏｇｏｗｓｋｉ后的输出值为： 间常数在数十毫秒以上，而 ＝了１且工频的几十倍以 ，Ｖｏ（ｔ）＝丽Ｍｌｍｅ （１４） 上高次谐波分量很小可以忽略不计及Ｒｏｇｏｗｓｋｉ的固 有谐振频率∞。在１０ 弧度／秒数量级，远大于 ｉ、 ｉ， 一 对以上各式作近似处理则有： Ｑ。Ｌ一＋ 取ａ＝２０，其余参数同上，对５０ｕｓ和０．１ｕｓ和时间 范围内仿真结果如图４所示。 ，ｎ． ！型 堡型塑 ． 。 ！ 望 坐 ． 一Ｍ丽Ｂｉ［ ＿５＋２ 一Ｓ ＋２ ＋ 一∞ ． 一＋ ｓ瑶 ｏ）２ ｉ （１８） Ｌ． Ｌ．Ｊ．．Ｊ．．＾．．‘． Ｌ．．Ｌ．．Ｌ． ０ ０．５ｌ１．５２ ２．５３３．５４４．５ ５ ０ Ｌ． —Ｊ——』．．＾．．Ｌ．＿Ｌ． ０．０ｌ ０．０３ ０．０５ ０． Ｔｉｍｅ（ｓ）Ｔｉｍｅ（ｓ） 图４ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ对直流衰减相应 （１９） 结果发现，在前２０ｕｓ范围内，Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈对直 流衰减分量有振荡现象，但是在后续的时间内，可以正 基于与前同样的考虑，交流衰减分量经Ｒｏｇｏｗｓｋｉ 后的输出值为 ㈤ ｉｅ－［ｔｉｔＣＯＳ ＋Ａｉｅ－Ｉ￣ｉｔＳｉｎ ）（２０） 确反应直流衰减情况。而且右图中输出和输入波形重 合表明Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈是可以正确反应衰减直流分量 的。 这里我们取５次谐波分量，为了对比，将衰减时间 （３）对于交流衰减分量，可以假定为有限个衰减 谐波分量组成 常数统一为２０，且正弦量幅值为３，余弦量幅值为２，即 ｉ（ｔ）＝３ｅ ｓｉｎ（２ｒｒ・２５０ｔ）＋２ｅ埘‘ｃｏｓ（２￣￣・２５０ｔ） （２１） （￡）＝∑（Ａｉｅ唧ｓｉｎｏｔｉｔ＋Ｂｉｅ啷ＣＯＳｏｔｉｔ） （１５） ｉ＝ｌ 取Ｍ／ＲＣ＝ｌ和，瑚做标么值处理后，仿真波形如 图５所示。图中表明，Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈可以反映衰减谐 下面以第ｉ次衰减谐波分量来进行分析： ＜电气开关）（２０１２．Ｎｏ．２） 波分量并和原方电流重合。置一血Ⅱｖ ２ ２●●Ｏ １ 吒 图５ ５次衰减谐波分量响应图 图６ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈交流衰减响应 而根据线性系统的叠加原理有： ｎ ＾， Ｈ ｖ０（ｔ）＝∑ （￡）一 ∑（Ａｉｅ唧ｓｉｎｔｏｉｔ＋ Ｉ＝１ …ｌ＝ｌ ｅ哪ｃｏ蚴ｉｔ） （２２） 这里分别取１、３、５次谐波分量，衰减时间常数统 一为２Ｏ，即 （ｔ）＝ｅＩ加 ［ｓｉｎ（５０，ｔｒｔ）］＋０．８ｓｉｎ（１５０￣ｔ） ＋Ｏ．５ｓｉｎ（２５０，ｔｒｔ），仿真Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈对含有不同谐波 分量的响应情况。如图６所示，图中系统响应很好，可 以完全反应各种谐波分量实际情况。 ５结束语 本文分析了基于Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈的电流传感器的 电气特性和暂态特性。并通过仿真验证了Ｒｏｇｏｗｓｋｉ 线圈ＥＣＴ有良好的稳态测量精度和暂态响应能力，而 且还应满足长期运行稳定性要求，适用于电力系统测 量、保护和控制的需要，符合电力系统光纤化和数字化 的发展趋势 参考文献 ［１］ 张可畏．电子式电力互感器的设计与实用化研究［Ｊ］．大连理工大 学，２００５． ［２］ 李红斌，刘延冰，昊伯华．电子式互感器使用现状及应用前景［Ｊ】． 电力设备，２００７． ［３］ 肖霞，叶妙元．无源电子式互感器实现产业化的思路［Ｊ】．电力设 备，２００６． ［４］ 张涛，李澎，罗承沫，等．罗果夫斯基线圈测量高电压及电力系统 中的暂态电流［Ｊ］．电工电能新技术，２００２，２７（３）：５３—５６． ５３ ［５］ 韩小涛．光电传感数字化及其继电保护技术研究［Ｄ］．武汉：华中 科技大学，２００４． ［６］ 廖京生，郭晓华，朱明均．用于小电流测量的Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈电流互 感器［Ｊ］．电力系统自动化。２００３，２７（２）：５６－５９． 收稿日期：２０１１—１０—１５ （上接第４９页） 用模糊聚类对脉冲群波形特征提取结果进行了对比， 分析结果表明三种波形特征提取方法均能在一定程度 上很好地分离干扰源而提取出局放数据。西安交通大 学李彦明等人还研究了模糊ｃ均值聚类算法的特性 及其在局部放电脉冲波形特征向量参数处理中的应 用，使用等效时频法提取了局部放电脉冲群的波形特 征参数，研究结果表明由等效时频特征提取和模糊ｃ 均值聚类分析组成的局部放电脉冲群快速分类技术可 以对多个局部放电源构成的脉冲群进行准确分类。 从本质上讲，宽带脉冲电流法检测方法是常规脉冲 电流法（多为４０～２００ｋＨｚ，至多不超过１ＭＨｚ）在频率范 围上的展宽，这就使其具有测量频带宽包含的局部放电 信息量大等优点，既保留了常规脉冲电流法可以测量放 电量的优点，同时又可以更加真实地反映局部放电的原 始脉冲电流特征，为采用脉冲电流波形分析的方法进行 信号与噪声分离提供了可能，配合局部放电信号其他统 计谱图可以实现不同放电模式的模式识别。 ３ 结论 本文对五种典型的油中局放检测方法进行了介 绍，并分析了其优缺点。根据不同方法的特点，推荐在 变压器设备出厂试验时采用常规脉冲电流法检测局 放，在设备运行时使用超声波法、油中气体分析法和特 高频法进行局放监测，而特高频法和宽频带脉冲电流 法是两种未来应用前景较好的监测方法，可以开展进 一步的研究。 参考文献 ［１］ 朱德恒，严璋．高电压绝缘［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９６． ［２］ 葛景滂，邱昌容．局部放电测量［Ｍ］．北京：机械工业出版社， １９８４． ［３］ 董其国．电力变压器故障与诊断［Ｍ】．北京：中国电力出版社， ２ｏ０１． ［４］ 李燕青．变压器局部放电超声的研究［Ｄ］．保定：华北电力大学 电力工程系。２００３． 收稿日期：２０１２—０１—０２ 作者简介：周玉钏（１９８３一）．男。广西南宁人。本科．助理工程师。毕业于西南交通 大学．现主要在深圳供电局从事变电站运行相关工作。
