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文 Pierre TURPIN，LEM能源和自動化項目經(jīng)理
引言
監(jiān)測用電量已經(jīng)成為工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)管理電力裝置的關(guān)鍵要素，例如制造廠、數(shù)據(jù)中心、食品加工業(yè)、零售業(yè)、醫(yī)療或教育機構(gòu)。LEM在3年前向市場推出了Wi-LEM系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無線輔助計量組件EMN，等間隔動態(tài)測量用電情況（照明、HVAC、電機、加熱設(shè)備等）。當初看來其測量范圍足夠?qū)挘嬃糠秶_100A。然而很快就發(fā)現(xiàn)，這個測量范圍遠遠不能滿足工業(yè)或高負荷用電領(lǐng)域的測量需求，能量監(jiān)測通常從測量能量輸入端的總消耗著手－這需要高達2000A的量程，而當初開發(fā)時忽略了這一點。
因而，LEM開發(fā)出了適用于這些EMN裝置的RT系列電流傳感器，這種傳感器在安裝靈活性方面，與較低測量范圍的開口鐵芯電流互感器相當，但是測量精度卻能達到輔助計量領(lǐng)域需要的1級精度。Rogowski線圈很久以前就因安裝方便而聞名，只要克服了它的主要缺陷——對環(huán)路內(nèi)導體位置的敏感性所導致的誤差，它就能提供合適的解決方案。
RT系列Rogowski線圈電流傳感器
從理論到實踐
在這里先簡單說明一下Rogowski線圈的原理（“Die Messung der magnetischen Spannung”，Archiv für Elektrotechnik，1912）。Rogowski線圈是一種自閉式線圈繞組，和任何螺旋形電流強度互感器一樣纏繞在待測導體上，唯一卻重要的區(qū)別是它沒有磁芯。這種線圈仍然采用了安培定律，不過方程式略有不同，因為我們發(fā)現(xiàn)傳感器輸出端的電壓并不是與初級電流成正比，而是與它的導數(shù)成正比：U= M*di/dt。M是初級導體與線圈之間的互感系數(shù)，在某種程度上體現(xiàn)了初級和次級環(huán)路之間的耦合情況。基于這個原理獲取良好精度的難度在于，該方程式的簡化解析表達式假定線圈絕對對稱（M必須恒定）。而實際上這種情況絕無可能，我們將通過分析導致M成為變量的3個關(guān)鍵因素來進行說明。
匝數(shù)密度：線圈繞組必須絕對均勻以確保繞組密度完全一致。匝數(shù)不等距導致結(jié)構(gòu)不對稱，即導致互感系數(shù)M隨初級導體位置的變化而變化。這樣就產(chǎn)生了源于待測電纜或母線位置的實際誤差，對于匝數(shù)密度不同于平均分布值的線圈段，導體與其距離越小，這種誤差就越大。
線圈橫截面：與匝數(shù)密度一樣，如果纏繞在導體上的整個線圈的橫截面不一致，則互感系數(shù)M也將不恒定，導體位置變化同樣會產(chǎn)生誤差。同樣，在這種情況下，對于橫截面明顯不同于平均分布值的線圈段，導體與其距離越小，這種誤差就越大。
線圈卡環(huán)：柔性Rogowski線圈的主要優(yōu)勢是，它能提供無需電氣連接的末端，反饋信號通過線圈內(nèi)回繞的金屬絲傳回。而這正是線圈繞組內(nèi)不連續(xù)所致的不對稱的主要原因，進而影響匝數(shù)密度，因為理論上需要線圈絕對連續(xù)和均質(zhì)。這是尤為關(guān)鍵的因素，產(chǎn)生的誤差也最大。
實際數(shù)據(jù)：
截止目前，Rogowski線圈提供的最佳位置誤差為2％。除此以外，在大多數(shù)情況下還存在局限性，它不包括環(huán)路內(nèi)某些區(qū)域的導體，尤其是卡環(huán)前端閉合處。實際上這可能非常致命，它導致卡環(huán)前端附近的誤差約達6％。因此，很容易理解能源計量設(shè)備制造商總是避免采用這種技術(shù)。然而，LEM認識到這種技術(shù)對于能源測量的可用價值，但是關(guān)鍵取決于他們是否能制造出最低位置誤差小于 0.75％的線圈。事實上，要開發(fā)出1級能量計，就得實現(xiàn)整個測量鏈的整體精度高于1％，測量鏈包括電流傳感器、電壓傳感器及信號處理。
環(huán)路內(nèi)導體位置導致的測量誤差：傳統(tǒng)Rogowski線圈對比LEM RT
LEM面臨的挑戰(zhàn)
近100年來一直尋求基于電氣或機械理念的多重解決方案，用以解決Rogowski線圈電流傳感器的主要問題，即不完善的傳感器閉合所導致的誤差，盡管成效非常有限。LEM工程師考慮到這種情況，決定更深入地重新探討這個原理，以便更好地理解這些嘗試的失敗原因。我們采用了最新的方法完全成功－線圈卡環(huán)導致的誤差已經(jīng)變得幾乎可以忽略不計。理所當然，這個科學理念在2007年申請了專利。
傳感器頭卡環(huán)采用新型“磁套筒”
隱藏挑戰(zhàn)
當分裂鐵芯Rogowski線圈的主要問題最終得到解決時，其他問題又浮出水面。以前與線圈卡環(huán)系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的誤差占據(jù)如此重要的地位，以至于它在某種程度上掩蓋了其他不對稱原因。LEM繼續(xù)努力工作以改善這種電流傳感器，經(jīng)過整整2年的開發(fā)，LEM已經(jīng)能夠開發(fā)顯著減小對稱缺陷的工藝和方法。
結(jié)果
下圖將LEM的分裂鐵芯Rogowski線圈與市面上其他基于這種技術(shù)的產(chǎn)品的精度進行了對比，從中可以看出LEM在這方面已經(jīng)能夠取得的進步。
環(huán)路內(nèi)導體位置導致的測量誤差：
新型LEM RT傳感器與傳統(tǒng)Rogowski線圈對比
如今確定，對于15mm直徑的導體，無論導體位置如何，即使它位于線圈卡環(huán)附近，其位置導致的誤差也不會超過測量值的0.65％。
為了更好地評定取得的結(jié)果，用另一副圖顯示了210件 RT Rogowski線圈樣品的最大誤差值。對于新型LEM傳感器，常規(guī)位置誤差值為測量值的0.31％。
210件RT傳感器樣品的最大位置誤差分布圖
我們還應該了解的Rogowski線圈傳感器信息。
外部導體
通常用待測導體位置誤差來表示Rogowski線圈的性能，但是好的傳感器必須還保持不受附近所有其他外部導體的干擾。當兩種特性之間存在一定關(guān)系時，對于這兩種特性來說 ，都是環(huán)路越完善越好。這是符合安培定律的結(jié)果，與任何形式的不對稱相關(guān)的任何誤差都會在環(huán)路內(nèi)部和外部產(chǎn)生影響。例如，我們?nèi)∫粋�施加有 100A電流的導體，將該導體放置在Rogowski線圈內(nèi)，使其與一段產(chǎn)生+0.5％的誤差的環(huán)路接觸。這樣得到的測量結(jié)果為100.5A。讓同一導體接觸同一段環(huán)路，但是在環(huán)路外，同樣會產(chǎn)生0.5A的誤差，但是會疊加到環(huán)路內(nèi)測得的電流上，這是因為外部磁場抗擾。
絕對精度
通常，Rogowski線圈傳感器的絕對精度低，因為它們的增益（用專用術(shù)語M表示）取決于大規(guī)模生產(chǎn)過程中難以控制的物理參數(shù)。簡而言之，試圖制造增益色散小于幾個百分點（比方說2-5％，具體取決于采用的技術(shù)）的傳感器是不現(xiàn)實的。這就意味著，設(shè)計的線圈繞線機的節(jié)距必須被控制在微米級精度，并能生產(chǎn)同等精度的線圈底座。因此習慣上將Rogowski線圈連接到有源或無源電路，這樣它就能得到校準，從而獲得良好的絕對精度。
另一方面，必須確保傳感器特性的杰出穩(wěn)定性，尤其是溫度方面，以防任何不得不通過再校準對使用條件改變進行補償來得到校正的漂移。例如，LEM的RT系列在這方面的卓越性已經(jīng)得到驗證，為30 ppm/°C。
沒有測量限制！
當確定測量系統(tǒng)時，常常出現(xiàn)這樣一個問題：如果電流超過其標稱值，則傳感器會飽和嗎？當然，當采用Rogowski線圈時，這個問題的答案是“不”，因為這種線圈沒有磁芯，因此不會飽和。理論上，可測電流沒有限制！實際上，閉合環(huán)路的直徑?jīng)Q定了電流的標稱值，與測量范圍無關(guān) ，與初級導體的規(guī)格相關(guān)。在di/dt（脈沖）高的特定情況下，電流限值由線圈末端產(chǎn)生的電壓確定。
線性度
當然，對于打算用于精確測量的傳感器來說，線性度很重要。同樣，因為Rogowski線圈不存在飽和，因此線性度不可能不足，因為這種線圈在這方面具有先天優(yōu)勢。如果仍然發(fā)現(xiàn)線性度不足，則必須質(zhì)疑測量方法是否正確以及是否是Rogowski線圈！
相移
相移是能源測量領(lǐng)域極其重要的參數(shù)，利用電流及電壓測量結(jié)果計算得出。與飽和度和線性度方面的表現(xiàn)一樣，Rogowski線圈在相位方面的表現(xiàn)同樣出色，也就是它不會導致相移。然而，值得記住的是，它一定與自身會產(chǎn)生相移的放大級（下文標題 “積分器”下所述）相關(guān)。綜上所述，沒有連接線圈時，相位誤差本質(zhì)為零，但連接負載后就能達到較高值。不過，這種誤差能夠通過等效RLC電路計算或模擬輕松量化，以及通過特別方法得到補償。
LEM的選擇
如今，Rogowski線圈傳感器完全可與能源測量領(lǐng)域內(nèi)最好的電流強度互感器抗衡。LEM需要最大程度地挖掘這種技術(shù)的性能，它們在測量大電流時能夠創(chuàng)造凈利潤，即重量、整體尺寸、靈活性和易管理性，這一點變得非常明顯 。5mm的橫截面幾乎可被列為“常規(guī)”尺寸，當測量這種橫截面時，RT系列傳感器是市面上最輕薄的Rogowski線圈傳感器。
EMN能量計安裝電氣柜內(nèi)配有3個RT Rogowski線圈
線圈卡環(huán)裝置（獲得專利）也非常小巧(28 x 30 x 16 mm)，它能將環(huán)路可靠連接到其同軸信號電纜上。這里，同軸電纜直接與線圈的小截面相連。實際上，因為增益與橫截面成正比，所以，精密線圈產(chǎn)生的電壓很小，通過開始消除環(huán)路與放大級之間的干擾來控制信噪比，這種方式是適宜的。
最后，為了保證RT線圈在時間與溫度方面的穩(wěn)定性，采用LEM工程師開發(fā)的新穎工藝將線圈整合到PU樹脂內(nèi)。這種纏繞技術(shù)還有助于穩(wěn)固維持不同部分以及提供裝配穩(wěn)固性，而這是難以安裝的場合所需的。
所以，選擇電流互感器（CT）還是Rogowski線圈（RT）？LEM已經(jīng)作出了它的選擇，但是準備與您分享！
應用說明：Rogowski線圈積分器設(shè)計
Rogowski線圈提供的電壓與其端子上產(chǎn)生的初級電流的導數(shù)成正比。因此必須利用電子積分器將這種信號轉(zhuǎn)換為與初級電流值成正比的信號。
積分器是采用Rogowski線圈進行電流測量的基本組件，放大級的放大方式對傳感器的電氣性能（線性度、相移和頻率帶寬）有重大影響。下文列出了此類積分器的各種關(guān)鍵因素以及一些可能的解決方案：
非常低的信號電平（例如20 mV / kA ，LEM的RT系列傳感器）
→推薦采用非常低的噪音OpAmp以優(yōu)化信噪比
→必須設(shè)法使PCB表面積最小，或盡可能屏蔽放大級以降低對外部磁場的敏感度。
低截止頻率
當積分器連接到Rogowski線圈時，這二者就組成了高通濾波器。由于它抑制非常低的頻率，因此必須定義截止頻率，以便優(yōu)化標稱工作頻率下的性能，同時仍然獲取盡可能短的響應時間。
失調(diào)抑制
純積分器的主要問題在于，它會對最微弱的寄生失調(diào)（例如AmpOp導致的）積分，這樣輸出就總是不穩(wěn)定，遲早漂移到較高或較低電平處飽和。因此，必須采用靜態(tài)增益或有源補償級限制這種漂移：
總失調(diào)抑制
可以完全消除剩余失調(diào)，只需在積分器與測量級之間添加一個電容耦合裝置：
相移
上文講述的失調(diào)抑制電路會產(chǎn)生幾度的相位角誤差 ，這成了能量測量的主要問題。因此，在這種應用場合，必須添加相移補償級，它通常包含一個低通濾波器。不幸的是，這種校正并不恒定，而是受頻率影響，這就意味著必須優(yōu)化設(shè)計以盡可能降低基頻相位差，基頻一般為16 2/3、50、60或400 Hz。
校準：有源增益調(diào)節(jié)
Rogowski線圈需要根據(jù)基準信號校準，以便對其增益進行微調(diào)，因為制造過程存在不可避免的缺陷，從而導致線圈結(jié)構(gòu)不可能完全精確。一般而言，工程師采用附加有模擬裝置的積分級，例如電位計。最新的數(shù)字校準解決方案與采用微控制器或結(jié)合采用微控制器與PGA（可編程增益 放大器）的方案差不多。在任何情況下，每副Rogowski線圈的校準都是特定的，必須始終采用以前校準采用的同一電路。
校準：無源增益調(diào)節(jié)
縱觀過去，Rogowski線圈總是僅僅用于電流有效值（rms）測量，沒有相位限制 。許多環(huán)路都提供了基于純電阻或電阻/電容電路（RC電路）的出廠校準。這種方法一向簡單、經(jīng)濟，但是不能用于能量測量，因為它產(chǎn)生的相位誤差非常大，同時它可能受頻率影響（如果采用RC電路）。
LEM在開發(fā)新型Rogowski線圈時，旨在提供一種簡單通用的產(chǎn)品，確信積分器技術(shù)能夠獲取最佳性能且是眾所周知的方法。因此，RT系列傳感器沒有開展出廠校準，無需采用任何另外的電子組件或機殼，也不需要供電電源。采用連接到Rogowski的裝置的專用積分器，如能源、電源質(zhì)量或脈沖電源監(jiān)控器，是一種經(jīng)濟的高性能解決方案。
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