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“无心”互感器-罗氏线圈的工作原理及分析

前段时间有个热播的电视剧,叫做《无心法师》,讲得一个没有心的法师的故事,掀起大家追剧热潮。这让我联想到我们磁芯行业中的产品,磁芯就是我们行业产品中的心脏,如我们的互感器,互感器发展了几十年,结构、功能、形式发生了变化,如它的磁芯从热轧硅钢到冷轧硅钢,再到纳米晶甚至到铁氧体,他的形式从闭合式的互感器发展到现在的开合式互感器,功能从测量用互感器到保护用电流互感器。它们的原理都始终都是万变不离其中,就是通过磁芯这颗心脏来进行电磁转换,先电生磁、再磁换电,最终达到能量变换或者传递的效果。
不过现在出现了一种互感器,也学****了电视剧的热潮,摒弃了它的心脏,做了个无心的互感器,这个互感器就是我们今天要讲的无心传感器—罗氏线圈。
罗氏线圈(Rogowski线圈)全称罗哥夫斯基线圈,由于不含铁芯,又叫空心线圈,是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈,所以它区别于传统互感器的重要一点是它没有磁芯。
罗氏线圈工作原理是线圈骨架围绕被测导体,导体周围的磁场会随着导体中电流的改变而改变,骨架上的漆包线会因此感应出电动势。将该电动势积分运算后可还原导体中的电流。一个完整的罗氏线圈电流测量系统应该包括一个线圈和一个积分器,
这篇文章抛开积分器不谈,只对线圈进行介绍,让大家对罗氏线圈工作原理有一个详尽的了解。
罗氏线圈工作原理
图1:截面为环形的罗氏线圈工作原理图
罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律(见图1:罗氏线圈工作原理),当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场,强度为H,由安培环路定律得:
∮H·dl=I(t)
由B=μH,e(t)=dΦ/dt,Ф=N∫B·dS,e(t)=M·di/dt,得:
其截面为环形时,互感系数M和自感系数L分别为:
M=μnS 公式1
L=μSnN 公式2
u=2πf*μSnN*I1/N 公式3
=*μSn 公式4
上式中,H为线圈内部的磁场强度,B为线圈内部的磁感应强度,μ为真空磁导率:4π*10-7,N为线圈匝数,n为单位长度下的线圈匝数,S线圈的截面积,u为线圈输出电压值。由公式4可见,线圈二次输出电压值和频率f、线圈截面积S、绕线的密度n 3个关键因素有关系。
频率f:在不加积分器的情况下,罗氏线圈的输出和频率成正比的关系,即是60HZ的输出比50HZ的输出多出20%,也就是说,频率越高的被测电流罗氏线圈感应的输出信号就越大,频率越高的电流越容易被检测;
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;
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,可以采用截面较大的骨架。
设计举例:客户要设计一个罗氏线圈,一次导体是个电缆,电缆直径是100mm,罗氏线圈的规格是1000A/,50HZ。
设计思路:罗氏线圈不用考虑到饱和,但是要测试100mm直径的电缆,那罗氏线圈的周长需要100mm*π=314mm,我们可以留点余裕,那线圈设计到320mm,线圈的截面采用常规的6mm直径管。
按照公式4,先计算出n=8972T/M;
那么320mm要绕的圈数为:N=8972T*=2871T;
确定了线圈匝数