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从原理来分析罗氏线圈与电流互感器的区别以及其应用
来源:mile米乐首页    发布时间:2024-08-08 13:17:19

  罗氏线圈(Rogwski coil)能够说是一种新兴的“电流互感器”,由于罗氏线圈的结构组成部分主要是一个线圈,无铁芯,所以它较普通的电流互感器有着不饱和、延迟低、频率特性好,同时安全绝缘的优点。现在推广智能电网,智能电网需要用电子式互感器,将传统普通电流互感器(current transformer,简称CT)输出的模拟信号改成电子式互感器输出的数字信号,从而方便智能电网的数据传输,而电子式互感器主要依托的技术就是罗氏线圈技术(并还有低功率互感器、光纤互感器等)。但是电子式互感器大发展并没有想象中的那么快,原因是什么?很显然罗氏线圈没那么简单,目前依然没有任何办法取代传统的电流互感器。本文是通过比较罗氏线圈和传统的电流互感器原理来分析其区别,并且根据目前的技术发展状况,找准两种互感器的发展定位。

  1、罗氏线圈的原理(为了方便介绍,下文统一将“罗氏线圈”写做“RCT”)

  RCT测量电流的理论依照是法拉第电磁感应定律和安培环路定律(见图1:RCT工作原理),我们列出RCT二次电压u的公式

  公式1即是RCT的输出计算公式,其中,u为线圈输出电压值,为线,S线圈的截面积, n为单位长度下的线圈匝数(即绕线次电流值,N为一次匝数。由公式1可见,线圈二次输出电压值u和f、S、n、I1这4个关键因素成正比关系。其中频率f越高,RCT输出的电压值越高。例如测试60HZ时输出的电压值是50HZ的1.2倍。线圈截面积S:线圈截面积越大,输出信号就越大,要取得较大的输出信号,能够使用截面较大的骨架。绕线的密度n:绕线密度与输出成正比,单位长度绕的线越多,即绕线密度n越大输出越大,也就是说并不是RCT做得越长圈数越多输出信号就越大,而是单位长度绕线越多,其输出就越大。一次电流I

  1:这个就很好理解,RCT同CT一样,都是线性输出,二次输出随着一次电流的增大而增大。2、传统电流互感器(即带铁芯)的原理(为了方便介绍,下文统一将“传统电流互感器”写做“CT”)

  I1通过一次绕组时,产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流I2;二次绕组的匝数N2较多,与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路,见图2。CT在工作时,它的二次侧回路始终是闭合的,因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小,CT的工作状态接近短路。CT是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量,二次侧不可开路。由于CT依托于电磁感应原理,所以要有二次感应电动势,铁芯必须要有磁通,单位面积的磁通叫做磁通密度B,也叫做磁感应强度。电流达到一定的大小,铁芯中的磁通密度达到最高,此时的CT就会饱和,所以磁密即是决定CT是否饱和的参数,根据电磁感应定律,可以列出磁密B与感应电势的关系。B=2252*E2

  组成,f为工作频率,SC为铁芯截面积,N2为二次匝数。同时我们列出CT误差公式,如下:=25.3*Z

  为铁芯的磁路长度。3、从多方面分析RCT与CT下面我们从输出信号、过载能力、带载能力、频率范围、误差、线性度、抗干扰能力、反应能力、安全使用9个方面来比较双方的优势。3.1输出信号

  CT输出的信号为交流电流信号,如果是一次互感器,一般输出5A/1A的信号,如果是电表中的二次互感器,则一般输出1mA-5mA的交流信号。而RCT则输出的一个很小的电压信号,一般为1kA输出0-100mV,可以用高阻抗的电压表测试,如果加上积分器,一般输出的信号为0-10V,按照每个客户要求选用。(见图3:江阴市星火电子科技有限公司的三相RCT+积分器)当然现在也有客户要RCT输出1A甚至5A的信号,那样必须外接一个功率放大器。

  RCT没有铁芯或者它的铁芯为空气,空气不会磁场饱和,所以RCT不会饱和,这也是RCT的优点。而CT由于存在着铁芯,一旦铁芯中磁密B达到最高,那么CT的磁导率会不断下降,最终消失,那时CT极有在失磁的情况下烧毁。(见图9:导磁率随着磁场的增加,先不算增大再不断将至最低。)

  带载能力有区别于过载能力,如果单看CT,一般过载能力强的它的带载能力也就强,但是RCT和CT比较又是另外的情况了,上文3.1已经说过,RCT基本上输出的是一个很小的电压信号,一旦加上负载,那么电压值会非常快的跌落,这也是为什么RCT需要高阻抗电压表测试的原因。而CT则不一样,CT其实相当于初级只有一圈的变压器,它有铁芯,能够输出一定的功率,当然这也和铁芯的材质有关,比如硅钢的磁密能达到2T,而超微晶约为1T,那么硅钢的带载能力绝大多数都是超微晶的1倍左右。

  无论CT还是RCT其自身都是一个电感器,区别是CT由于有铁芯的情况下电感量比较大,根据阻抗公式Z

  =2fL,其中电感量L越大,其阻抗就越大;频率越高,其阻抗就越大。在相同的频率下,CT的阻抗非常的大,而RCT的阻抗则非常的小,所以RCT很容易响应较高频率的电流,从而比较真实的还原一次电流。

  3.5误差为了更有说服力,我们选取两款产品来比较,一款RCT(见图4:长度25cm,不带参数:输入1KA,输出100mV),一款开合式CT(见图5:开合式KCT85:参数输入1KA,输出1A)。

  1)RCT在较低的电流范围误差是非常大的,如图在100A以下,误差达到了25%。而kCT85的误差则非常小(见图7)。

  3)很多人都说RCT的线性度比CT要好,理论上是,但实际应用中就不一定了,因为RCT由于没铁芯受到的干扰误差会更大(见图8),具体在3.6线性度会再分析。

  在相同的线圈上应该是线性的输出,因为真空的磁导率不会改变,而S和n在同一个线圈是固定的。

  ),其中Z2、Lc、Sc、N2在同一个线圈上是相对固定值,其中磁导率u会随着电流的大小而变化,由此产生精度的变化(见图9)。图9:磁导率随着磁场强度变化趋势图按理论CT的误差应该大于RCT。但是RCT实际在测试过程中,还会受到具置的影响,其输出精度也会有较大的变化,所以由于位置的不固定,RCT的线性度也会产生较大影响,这也是RCT的一个很大缺点(见图10:测试RCT不同位置误差图)。

  现在有很多厂家为了使RCT的输出增大,采用了有磁性的骨架,即是使RCT增加了磁导率,这样做是非常不妥当的。首先是根据图9,不难发现导磁率随着磁场的变化而变化的,直到磁场饱和,磁导率降到最低点,那么RCT的输出就没了线性。即输出的线性趋势和磁导率的趋势一样,那样RCT还能使用么?如果非要使用磁性的骨架,那么必须是磁性骨架的磁导率恒定,就是恒导磁,这个是能轻松实现的,(现在已经有了恒导磁的超微晶,其通过横纵磁场的处理,是磁芯在一定的范围内磁导率变化较小。)但是恒导磁除了真空磁导率外,所有材料只能在一个范围内恒导磁。那么用这种材料后,RCT的不饱和优点就丧失了。

  反应能力是互感器的一个重要特性,一般CT由于含有铁芯,那么铁芯就会产生磁滞效应,这样有两个危害:一个是会使互感器发热,磁滞效应严重时甚至烧毁互感器,另外一个是互感器的反应能力会由于磁滞效应减弱,不能时时传达一次侧电流的信息,这样特别是在保护用CT上面危害是非常大的。而这恰恰是RCT的一个优点,因为它没有铁芯,所以它没有磁滞反应,那么它的时时反应能力非常之高,这也是它能测试高频电流的一个重要原因。

  CT一般出厂前都有一个铭牌,上面写着“严禁二次开路”见图11,因为CT二次开路会产生高压,严重时会损伤设备和人的生命安全,所以互感器二次只能短路而不能开路,当然二次侧也不能短接熔断器。但RCT二次侧输出是一个很小的电压值,无需考虑后次开路。所以在安全性能上,RCT要远高于CT。

  本文分析了RCT与CT的区别,发现RCT目前还是无法去代替CT的。那么RCT能应用在哪些场合呢?依照我们总结RCT虽然误差较大,但不饱和的优点,它可以替代保护用CT。当然在测量领域,RCT高频特性好、反应迅速、又能够正常的使用在测量比如泄漏电流、故障电流、脉冲电流、雷击电流,或者电流中的谐波。也希望在RCT工艺慢慢地加强的情况下,实现电子式互感器的大规模开发、生产和应用。


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