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基于Rogowski线圈的大电流测量技术教材

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基于Rogowski线圈的大电流 测量技术 主要内容 1. 罗氏线圈简介 2. 罗氏线圈工作模式时域分析 3. 罗氏线圈工作模式的复频域分析 4. 罗氏线圈的工作频率响应 5. 罗氏线圈与其他常用测量方式的对比 一、罗氏线圈简介 1.罗氏线圈的历史 ①1912年,俄国学者Rogowski (罗可夫斯基)提 出了该测量电流的方法 ② 1963年,英国学者Cooper 从理论上对 Rogowski 线圈的高频响应进行了分析,奠定了 Rogowski 线圈在大功率脉冲技术中应用的理论基础 ③最初,Rogowski 线圈主要用于高温等离子体及 受控反应研究中,在这些研究应用中,需要测 量快速变化的大电流的幅值和波形 ④现阶段,其也逐渐用于过电压防护雷电流测试 等暂态信号的测量,国际上的雷电流直接测量 装置,几乎都是使用Rogowski线圈进行测量 1.罗氏线圈分类 ① 从线圈所满足工作条件的角度,可以分为 自积分式线圈和微分式线圈 ② 根据线圈的结构不同,可以分为有磁芯的 线圈和无磁芯的线圈 ③ 根据线圈的刚度结构分,可以分为有金属 外壳的刚性罗氏线圈和无金属外壳的柔性 罗氏线圈 ④ 根据线圈骨架结构不同,又可以分为方形 线圈骨架和圆形线圈骨架。

传统电压互感器 传统的电流互感器 罗氏线圈测量示意图 二、线圈工作原理的时域内分析 1.罗氏线圈的等效电路图 2.罗氏线圈的经典等效电路 3.经典等方程效电路的相关电路方程 a.当 ,有 该式与(2)式联立,带入 得: b.当 时,又因为对地电容 很小,所以此时有 ,联立1,2,3 三个式子得 ,整理得 工作模式a成为自积分式线圈 工作模式b称为微分式或者外积分式线圈 三、线圈工作原理的复频域分析 得: • 1.对直接对方程两边进行拉氏变换: • 2.对电路中各元素进行拉氏变换如下,然 后对电路列写KVL和KCL 3.罗氏线圈的频率特性 • 由于罗氏线圈的杂散电容 很小,系统网络函数 里的杂散电容可以忽略,则网络函数可以变成如下形式: 传递函数 1. 比例环节传递函数 2. 积分环节传递函数 3. 微分环节传递函数 4.两种积分模式 ① 自积分模式: 当 自感起到内部积分作用,无需外加积分电路, 圈为空心的情况下,自感很小,要满足条件, 采样电阻必须很小,或者待测电流变化率很大,即 自积分型线圈适合测量高频或陡脉冲电流。

也可以给线圈加入磁芯,提高其自感,用来测 量中低频信号,进而拓宽频带 外积分线圈 • 当 为一个微分环节,因此需 要外加积分电路对其进行积分,才能还原 出待测电流信号,因此称其为外积分线圈 或微分线圈 由微分条件可知,微分线圈适合测量变化 缓慢的电流信号 四、Rogowski自积分模式的频率响 应 • 1.幅频特性:将S换成jw得如下形式 2.两种工作模式的频率带宽 • 1.对于罗氏线圈的具体应用应该具体问题具体分 析,不存在一种普适的线圈可以测量所有的暂态 信号 • 2.实际应用中,应该首先对待测信号的频谱进行 分析,以设计出与待测信号相匹配的测量线圈 • 3.线圈的测量频率有上限截止频率和下限截止频 率下限截止频率为满足自积分条件或微分条件 的极限频率,上限截止频率为电路系统的复电抗 谐振频率 1. 自积分工作模式带宽 由自积分的工作条件 ( )可 知: 该模式主要用来测量高频大电流其上下截 止频率分别为: 上限截止频率求解: • 2.外积分(微分)工作模式带宽 由外积分的工作条件 可知, 该模式主要 用来测量频率 相对较低的大电 流 信号 。

其上下限截止频率分别为: 与其他测量方式方式的对比 带 宽 谢谢! 罗氏线圈测量电流方法 • 该方法是选定一种材料(例如铜线),将它密 绕在一个非铁磁性的骨架上构成一个线圈 ,将线圈围绕载有被测电流的导体,线圈 两端接上合适的采样电阻就可以测量变化 的电流这就是 Rogowski 线圈测量电流的 原理 由于它的较低输电电压不足以驱动 当时的测量与保护器件,因此限制了 Rogowski 线圈在当时的应用。

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