羅氏線圈，作為一種基于電磁感應(yīng)原理工作的電流測(cè)量裝置，在眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在使用羅氏線圈測(cè)量導(dǎo)線電流時(shí)，是否必須保證與導(dǎo)線同軸，這一問(wèn)題關(guān)乎測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，需要從羅氏線圈的工作原理、理論分析、實(shí)際應(yīng)用情況以及相關(guān)研究結(jié)論等多個(gè)角度來(lái)深入探討。

羅氏線圈工作原理簡(jiǎn)述

羅氏線圈測(cè)量電流的理論依據(jù)主要是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。當(dāng)被測(cè)電流沿軸線通過(guò)羅氏線圈中心時(shí)，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)。根據(jù)安培環(huán)路定律，磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 沿閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該閉合路徑所圍面積的電流 I (t)，即∮H?dl = I (t) 。又因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度 B =μH（μ 為磁導(dǎo)率），線圈的感應(yīng)電壓 e (t) =dφ/dt（φ 為磁通量），且磁通量ф = n∫B?ds（n 為線圈匝數(shù)，s 為線圈橫截面積），最終可得 e (t) = M?di/dt（M 為互感系數(shù)） 。也就是說(shuō)，羅氏線圈的輸出電壓與被測(cè)電流的微分成正比，只要將其輸出經(jīng)過(guò)積分器，即可得到與一次電流成正比的輸出電壓。

同軸要求的理論分析

從理想的理論模型來(lái)看，當(dāng)所有繞匝都具有完全相同的橫截面并且圍繞圓形路徑完美均勻地分布時(shí)，羅氏線圈將產(chǎn)生最小誤差。在這種理想狀態(tài)下，假設(shè)線圈為矩形截面且繞制均勻，若中心待測(cè)導(dǎo)體發(fā)生偏移或傾斜，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

當(dāng)中心待測(cè)導(dǎo)體偏移時(shí)，假設(shè)偏移距離為 D，偏移后在某點(diǎn) P 的磁場(chǎng)為 B，B 垂直于線圈截面的分量為 B' ?？梢哉J(rèn)為，只有當(dāng)中心待測(cè)導(dǎo)體偏移到快要接觸線圈時(shí)才會(huì)產(chǎn)生較大誤差。對(duì)于導(dǎo)體上電流 i0 (t) 在 x，y，z 三個(gè)方向上的分量，X、Y 方向上的電流分量產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向平行于線圈截面，不會(huì)對(duì)感應(yīng)電壓做貢獻(xiàn)，主要由 Z 方向的電流分量產(chǎn)生線圈上的感應(yīng)電壓。

當(dāng)中心待測(cè)導(dǎo)體發(fā)生傾斜時(shí)，傾斜角度越大，測(cè)量誤差越大。在實(shí)際測(cè)量安裝時(shí)，理論上要采取措施保證穿過(guò)線圈部分與線圈平面保持垂直，也就是盡量保證同軸。

實(shí)際應(yīng)用中的情況

在實(shí)際應(yīng)用中，羅氏線圈有柔性和硬性?xún)煞N類(lèi)型。對(duì)于硬性羅氏線圈，由于其形狀固定，在安裝時(shí)更需要注意與導(dǎo)線的同軸度，偏差過(guò)大可能導(dǎo)致測(cè)量誤差增大，在安裝過(guò)程中往往需要仔細(xì)調(diào)整，保證兩者中心線重合。而柔性羅氏線圈相對(duì)具有更好的適應(yīng)性，即使在與導(dǎo)線同軸度不是非常完美的情況下，也能在一定程度上完成電流測(cè)量。

羅氏線圈適用于較寬頻率范圍內(nèi)的交流電流測(cè)量，對(duì)導(dǎo)體、尺寸都無(wú)特殊要求，具有較快的瞬間反應(yīng)能力，廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)電流測(cè)量裝置如電流互感器無(wú)法使用的場(chǎng)合，用于電流測(cè)量，尤其是高頻、大電流測(cè)量。在一些復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景中，如在空間有限、布線復(fù)雜的環(huán)境里，要完全保證羅氏線圈與導(dǎo)線同軸存在一定難度。但從實(shí)際測(cè)量效果來(lái)看，即使同軸度存在一定偏差，在很多情況下仍然能夠滿(mǎn)足工程測(cè)量的精度要求。例如在一些對(duì)電流測(cè)量精度要求不是極高的工業(yè)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，即使羅氏線圈與導(dǎo)線并非完全同軸，只要偏差在一定范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果仍具有參考價(jià)值。

相關(guān)研究結(jié)論

有研究表明，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線居中時(shí)，羅氏線圈的精度可達(dá)到 0.5%，符合 IEC 61869 - 10 和 IEC 61869 - 6 標(biāo)準(zhǔn)；而當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線在任意位置時(shí)，精度均優(yōu)于 1% 。這說(shuō)明羅氏線圈在非同軸情況下，依然能夠保持相對(duì)較好的測(cè)量精度。還有研究指出，雖然理論上同軸能使測(cè)量誤差最小，但在實(shí)際操作中，由于各種因素限制，很難做到絕對(duì)同軸，不過(guò)通過(guò)一些校準(zhǔn)和補(bǔ)償算法，可以在一定程度上減小因非同軸帶來(lái)的誤差。

綜合來(lái)看，羅氏線圈在測(cè)量導(dǎo)線電流時(shí)，雖然從理論上來(lái)說(shuō)保證與導(dǎo)線同軸能獲得最理想的測(cè)量精度，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于其自身特性以及應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，并非必須要保證嚴(yán)格同軸。在一些對(duì)精度要求不苛刻的場(chǎng)景下，即使存在一定的同軸度偏差，羅氏線圈也能提供有價(jià)值的測(cè)量結(jié)果。在對(duì)精度要求較高的應(yīng)用中，應(yīng)盡量保證羅氏線圈與導(dǎo)線同軸，若無(wú)法實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)后續(xù)的校準(zhǔn)和算法補(bǔ)償?shù)仁侄蝸?lái)提高測(cè)量精度。

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審核編輯 黃宇