1 引言

磁芯就是我們行業(yè)產(chǎn)品中的心臟，如互感器發(fā)展了幾十年，結(jié)構(gòu)、功能、形式發(fā)生了變化，它的磁芯從熱軋硅鋼到冷軋硅鋼，再到納米晶甚至到鐵氧體，它的形式從閉合式的互感器發(fā)展到現(xiàn)在的開合式互感器，功能從測(cè)量用互感器到保護(hù)用電流互感器。它們的原理都始終都是萬變不離其中，就是通過磁芯這顆心臟來進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換，先電生磁、再磁換電，最終達(dá)到能量變換或者傳遞的效果。

不過現(xiàn)在出現(xiàn)了一種互感器，也學(xué)習(xí)了電視劇的熱潮，摒棄了它的心臟，做了個(gè)無心的互感器，這個(gè)互感器就是我們今天要講的無心傳感器—羅氏線圈。

羅氏線圈（Rogowski線圈)全稱羅哥夫斯基線圈，由于不含鐵芯，又叫空心線圈，是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，所以它區(qū)別于傳統(tǒng)互感器的重要一點(diǎn)是它沒有磁芯。

羅氏線圈工作原理是線圈骨架圍繞被測(cè)導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)會(huì)隨著導(dǎo)體中電流的改變而改變，骨架上的漆包線會(huì)因此感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。將該電動(dòng)勢(shì)積分運(yùn)算后可還原導(dǎo)體中的電流。一個(gè)完整的羅氏線圈電流測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該包括一個(gè)線圈和一個(gè)積分器，這篇文章拋開積分器不談，只對(duì)線圈進(jìn)行介紹，讓大家對(duì)羅氏線圈工作原理有一個(gè)詳盡的了解。

2 羅氏線圈工作原理

圖1 截面為環(huán)形的羅氏線圈工作原理圖

羅氏線圈測(cè)量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律（見圖1：羅氏線圈工作原理），當(dāng)被測(cè)電流沿軸線通過羅氏線圈中心時(shí)，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)，強(qiáng)度為H，由安培環(huán)路定律得：

上式中，H為線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，B為線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ為真空磁導(dǎo)率：4π*10-7，N為線圈匝數(shù)，n為單位長(zhǎng)度下的線圈匝數(shù)，S線圈的截面積,u為線圈輸出電壓值。由公式4可見，線圈二次輸出電壓值和頻率f、線圈截面積S、繞線的密度n3個(gè)關(guān)鍵因素有關(guān)系。

（1）頻率f：在不加積分器的情況下，羅氏線圈的輸出和頻率成正比的關(guān)系，即是60HZ的輸出比50HZ的輸出多出20％，也就是說，頻率越高的被測(cè)電流羅氏線圈感應(yīng)的輸出信號(hào)就越大，頻率越高的電流越容易被檢測(cè)；

（2）繞線的密度n：繞線密度與輸出成正比，單位長(zhǎng)度繞的線越多，即繞線密度n越大輸出越大；

（3）線圈截面積S：線圈截面積越大，輸出信號(hào)就越大，要取得較大的輸出信號(hào)，可以采用截面較大的骨架。

設(shè)計(jì)舉例：客戶要設(shè)計(jì)一個(gè)羅氏線圈，一次導(dǎo)體是個(gè)電纜，電纜直徑是100mm，羅氏線圈的規(guī)格是1000A/0.1V，50HZ。

設(shè)計(jì)思路：羅氏線圈不用考慮到飽和，但是要測(cè)試100mm直徑的電纜，那羅氏線圈的周長(zhǎng)需要100mm*π=314mm，我們可以留點(diǎn)余裕，那線圈設(shè)計(jì)到320mm，線圈的截面采用常規(guī)的6mm直徑管。

按照公式4，先計(jì)算出n=8972T/M

那么320mm要繞的圈數(shù)為：n=8972T*0.32=2871T

確定了線圈匝數(shù)，再來確定線徑，羅氏線圈的輸出信號(hào)電流非常小，所以幾乎不用考慮線徑的電流密度，直接考慮如何排線以保證繞線均勻?yàn)闇?zhǔn)。線徑d可以按如下計(jì)算：

羅氏線圈做好后的測(cè)試，一般采用工頻大電流發(fā)生器給羅氏線圈信號(hào)，同時(shí)用高阻抗萬用表測(cè)其輸出電壓值。

圖為：我公司使用大電流發(fā)生源（1KA）

本例的測(cè)試，可以用1000A工頻交流通進(jìn)羅氏線圈，同時(shí)測(cè)其二次電壓是否是0.1V即可。如果沒有1000A的工頻大電流，亦可采用較小的電流源，如100A，那么輸出只要測(cè)試到0.01V即可，當(dāng)然再小的電流源就不建議使用了，因?yàn)榱_氏線圈沒有磁芯，周圍的干擾信號(hào)對(duì)小電流測(cè)試影響太大，導(dǎo)致測(cè)試誤差很大。

有沒有其它方便的測(cè)試方法呢，有，可以測(cè)試二次的電感量，采用10KHZ的頻率測(cè)試線圈的電感是否符合自感L的理論值即可。

各位肯定說，明明是50HZ的，你用10KHZ的頻率，誤差豈不是很大，其實(shí)不要緊，因?yàn)榱_氏線圈是空氣磁導(dǎo)率，空氣磁導(dǎo)率基本不受頻率的影響，但我用10K的頻率測(cè)試，要比50HZ來的穩(wěn)定。

3 羅氏線圈的誤差

與常規(guī)互感器相比，羅氏線圈不含鐵磁性材料，故無磁滯效應(yīng)，無磁飽和現(xiàn)象，所以能測(cè)試數(shù)千安培的電流而不飽和，幾乎沒有相位差，同時(shí)無二次開路危險(xiǎn)。響應(yīng)頻帶寬1Hz-1MHz。但由于制造工藝和材料的限制，對(duì)于正常50Hz正弦波來說其準(zhǔn)確度不及帶鐵芯的常規(guī)互感器。羅氏線圈的測(cè)量誤差主要由以下3方面決定。

（1）繞線的平整度：羅氏線圈的繞線平整度直接關(guān)系到羅氏線圈的輸出誤差，線圈繞組必須絕對(duì)均勻以保證繞組間距對(duì)稱。線圈一周匝數(shù)分布不等即導(dǎo)致互感系數(shù)M隨初級(jí)導(dǎo)體位置的變化而變化。這樣就產(chǎn)生了源于待測(cè)電纜或母線位置的實(shí)際誤差，對(duì)于匝數(shù)密度不同于平均分布值的線圈段，導(dǎo)體與其距離越小，這種誤差就越大。

（2）繞線骨架橫截面的平整度，匝數(shù)密度一樣，如果纏繞在導(dǎo)體上的整個(gè)線圈的橫截面不一致，則互感系數(shù)M也將不恒定，導(dǎo)體位置變化同樣會(huì)產(chǎn)生誤差。

（3）線圈接插口：常規(guī)的柔性羅氏線圈都有一個(gè)接插口來方便安裝，但是一般的接插口設(shè)計(jì)中間都會(huì)留下空隙（見圖2，羅氏線圈接口處），這樣出現(xiàn)的問題就和繞線平整度一樣，可以說問題比繞線平整度不均的問題風(fēng)味嚴(yán)重，因?yàn)榻硬蹇谟捎跊]有進(jìn)行繞線，所以其互感器系數(shù)明顯低于其它部位，一次導(dǎo)體距離接插口越小，這種誤差就越大。（見圖3，常規(guī)羅氏線圈誤差示意圖）

圖2 羅氏線圈接口處

圖3 常規(guī)羅氏線圈誤差示意圖

有的人說，我的羅氏線圈的準(zhǔn)確級(jí)很高，通過積分器的調(diào)整可以達(dá)到0.5甚至0.2，這個(gè)是錯(cuò)誤的想法，為什么？

積分器起到還原一次電流的作用，同時(shí)可以將本來很弱的二次信號(hào)進(jìn)行放大，便于儀器儀表利用。

打個(gè)比方，做100只參數(shù)為1000A/0.1V的羅氏線圈，通過積分器輸出1V。實(shí)際做出來的100只羅氏線圈由于工藝原因在不經(jīng)過積分器輸出的電壓不一，由0.9～0.11V形成正態(tài)分布。那積分器是可以對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，把所有羅氏線圈做成統(tǒng)一的1V。

但這樣就行了么？

首先羅氏線圈低端電流（準(zhǔn)確級(jí)5％的點(diǎn)）是否補(bǔ)償了，在我的一篇《互感器中幾個(gè)模糊名詞解析》中已經(jīng)講到，準(zhǔn)確級(jí)是四個(gè)點(diǎn)（5％、20％、100％、120％）的比值差和相位差共同組成的。因?yàn)榱_氏線圈的低端點(diǎn)誤差是非常大的，當(dāng)然在生產(chǎn)中是可以通過軟件補(bǔ)償，但實(shí)際使用時(shí)，可能在不同環(huán)境中，那么在不同的環(huán)境中它的電流低端點(diǎn)很容易受到不同的干擾，受到不同的干擾，它的誤差又會(huì)形成不同的變化，那你的補(bǔ)償就會(huì)失效。

其次，羅氏線圈不同位置的誤差如何進(jìn)行補(bǔ)償（見圖3），現(xiàn)在的軟件應(yīng)該還沒有智能到判斷用戶使用羅氏線圈的位置，如果以后軟件智能了，例如發(fā)現(xiàn)客戶使用位置在黃色塊，立刻啟動(dòng)黃色塊補(bǔ)償數(shù)據(jù)，那樣我相信還是可以的，但不是現(xiàn)在。

所以說，羅氏線圈的誤差真正取決于羅氏線圈本身，而不是在積分器上，起碼現(xiàn)在不是。

4 羅氏線圈的應(yīng)用及前景

基于羅氏線圈的具有電流可實(shí)時(shí)測(cè)量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和、幾乎沒有相位誤差的特點(diǎn)，故其可應(yīng)用于繼電保護(hù)，可控硅整流，變頻調(diào)速，電阻焊等信號(hào)嚴(yán)重畸變的場(chǎng)合。

現(xiàn)在有很多人說，羅氏線圈現(xiàn)在已經(jīng)可以替代常規(guī)的電磁式電流互感器，我覺得這在短時(shí)間內(nèi)是不可能的，因?yàn)榱_氏線圈雖然不會(huì)飽和且線性度好，但傳統(tǒng)電磁式互感器的準(zhǔn)確級(jí)是羅氏線圈無法比擬的，羅氏線圈可以用作保何用電流互感器，但用作測(cè)量用電流互感器就很勉強(qiáng)了，所以說短時(shí)間內(nèi)羅氏線圈是無法替代傳統(tǒng)電磁式互感器的。

審核編輯 黃宇