基于羅氏線圈的電流變送器設(shè)計與應(yīng)用

淮亞利

 (安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801)

摘要：論文介紹了基于羅氏線圈（Rogowski）的電流變送器的原理和硬件設(shè)計，以及該產(chǎn)品的主要應(yīng)用。

關(guān)鍵字：羅氏線圈（Rogowski） 電流變送器  應(yīng)用   XTR115芯片

1．引言

    近年來，隨著現(xiàn)代高壓、超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，電力系統(tǒng)正朝著大容量、高壓大電流方向發(fā)展，而用于電流測量的傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已無法滿足其要求，在大電流下鐵心磁路下易飽和，對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。而羅氏線圈互感器，具有測量范圍寬、精度高、無磁飽和、體積小等優(yōu)點，正逐步取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

    本文介紹一種基于羅氏線圈的電流變送器的設(shè)計，對電網(wǎng)中的大交流電流進行實時測量，該變送器采用XTR115芯片將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號轉(zhuǎn)換電流信號，輸出DC 4～20mA電流信號。

2．工作原理及設(shè)計

    羅氏線圈是將導(dǎo)線均勻的密繞在環(huán)形截面非磁性骨架上而形成的空心電感線圈，采用羅氏線圈作為電網(wǎng)中電流測量的傳感頭，讓通有大電流的導(dǎo)線垂直穿過線圈的中心，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而感應(yīng)出被測電流大小的電壓信號。將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號接入到信號調(diào)理模塊上，進行信號處理，zui后輸出工業(yè)標準信號DC4-20mA。電路設(shè)計框架圖如圖1所示。

2.1信號調(diào)理電路

    信號調(diào)理電路實現(xiàn)對輸入信號的隔離輸入，包括信號濾波、整流電路以及信號積分電路。該電路主要是對羅氏線圈感應(yīng)輸出的電壓信號通過RC濾波，再經(jīng)過電阻分壓后接入到采用雙電源運放芯片的輸入腳上，采用運算放大器構(gòu)成近似積分器，合理選擇選擇器件參數(shù)，能夠保證傳感器的測量靈敏度、精度和信號響應(yīng)帶寬。

2.2真有效值轉(zhuǎn)換電路

    真有效值轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電路中AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換，將輸入的交流信號通過真有效值芯片轉(zhuǎn)化為真有效值的直流電壓，能夠測量各種電壓波形的有效值，而不必考慮被測波形的參數(shù)以及失真。如圖2所示：電路中，Ui信號經(jīng)過電容C5隔直后輸入到真有效值芯片中，其中電容C8，C9的作用是濾掉該電路中的高頻干擾，采用雙電源工作方式，滿足真有效值的工作要求。

圖2

2.3放大電路

    放大電路的作用是將真有效值轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號經(jīng)過RC濾波電路后進行適當?shù)姆糯?，采用運放芯片，在滿足零點輸出功耗要求的同時，調(diào)節(jié)電路中的放大參數(shù)，使電路zui后輸出能達到滿度額定值。

2.4信號輸出電路

    信號輸出電路主要采用TI公司生產(chǎn)的精密電流變送芯片XTR115，其具有精度高，芯片功耗小以及非線性誤差小等優(yōu)點，內(nèi)部產(chǎn)生2.5V基準電壓，且內(nèi)部帶有+5V的精密穩(wěn)壓器，可以給外部電路（例如電路中的放大器）單獨供電，從而簡化了外部電源的設(shè)計，如圖3所示電路。

    采用XTR115芯片設(shè)計，要嚴格控制電流的功耗，保證該變送器自身耗電(包括傳感器在內(nèi)的全部電路)不大于3.5mA，在XTR115前置調(diào)零電路，作為變送器的零點調(diào)節(jié)，使變送器保證零點輸出4mA。

圖3

3、抗干擾措施

    電流變送器使用電流信號作為傳輸信號，有較高的抗干擾能力，但由于傳輸距離較遠，加上工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，在設(shè)計上還要考慮電氣隔離，抗干擾措施。

    本文所設(shè)計的羅氏線圈變送器采用電源隔離模塊，降低紋波干擾，提高系統(tǒng)可靠性，與此同時，在電源輸入端串入一只二極管，進行反極性保護；線路板設(shè)計時注意電子器件的布局布線，以減少干擾信號。

4、產(chǎn)品介紹

   安科瑞生產(chǎn)的BR系列羅氏線圈電流變送器嚴格按照GB/T 13850-1998《交流電量轉(zhuǎn)化為模擬量或數(shù)字信號的電測量變送器》設(shè)計，采用電磁感應(yīng)原理，對電網(wǎng)中的交流大電流進行實時測量，采用真有效值和線性補償技術(shù)，將其隔離變換為標準的直流信號輸出。DC24V安全電壓供電，具有高精度、高隔離、高安全性、低功耗等特點，可廣泛用于冶金、電鍍、焊接等領(lǐng)域。

 4.1 產(chǎn)品選型

    BR-AI羅氏線圈電流變送器
      

    根據(jù)輸入電流范圍選擇不同規(guī)格的線圈長度（注：可根據(jù)客戶需要另行定制）。

4.2 技術(shù)指標

4.3 報價方案

5、應(yīng)用

    本產(chǎn)品可以直接將被測主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC 4～20mA（通過250Ω 電阻轉(zhuǎn)換DC 1～5V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。本產(chǎn)品可測輸入信號范圍廣，zui大輸入信號可達AC20000A，具有的瞬態(tài)跟蹤能力，可以用于測量尺寸很大或形狀不規(guī)則的導(dǎo)體電流。可廣泛用于冶金、電鍍、焊接等傳統(tǒng)測量電流的CT無法正常使用的大電流檢測領(lǐng)域。

6、結(jié)束語

    本文所設(shè)計的羅氏線圈變送器結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、測量精度高、輸出信號線性度好、調(diào)試及標定方便、安裝方便、產(chǎn)品一致性好。基于以上特點，這種應(yīng)用電流環(huán)變送技術(shù)的羅氏線圈變送器在冶金、電鍍、焊接等領(lǐng)域具有非常廣泛的前景，將大電流轉(zhuǎn)換為小電流，減小了操作人員工作的危險性；它能夠有效解決生產(chǎn)設(shè)備的實時監(jiān)測與監(jiān)控問題，提高生產(chǎn)設(shè)備運行的智能性，減少電力改造的成本。