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(dāng)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(fù)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(dāng)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(dāng)，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(dǎo)體位置的敏感性所導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)數(shù)成正比：U= M*di/dt。M是初級導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)不對稱，即導(dǎo)致互感系數(shù)M隨初級導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體，尤其是卡環(huán)前端閉合處。實際上這可能非常致命，它導(dǎo)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(rèn)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(dǎo)體位置導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致的誤差已經(jīng)變得幾乎可以忽略不計。理所當(dāng)然，這個科學(xué)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(dāng)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(dǎo)體位置導(dǎo)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(dǎo)體，無論導(dǎo)體位置如何，即使它位于線圈卡環(huán)附近，其位置導(dǎo)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(yīng)該了解的Rogowski線圈傳感器信息。
外部導(dǎo)體
通常用待測導(dǎo)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(dǎo)體的干擾。當(dāng)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(dǎo)體，將該導(dǎo)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(dǎo)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(xí)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(zhǔn)，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(zhǔn)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(dāng)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(biāo)稱值，則傳感器會飽和嗎？當(dāng)然，當(dāng)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(biāo)稱值，與測量范圍無關(guān) ，與初級導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(biāo)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(fù)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(dāng)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(zhǔn)備與您分享！
應(yīng)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(dǎo)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(dāng)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(biāo)稱工作頻率下的性能，同時仍然獲取盡可能短的響應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(zhǔn)：有源增益調(diào)節(jié)
Rogowski線圈需要根據(jù)基準(zhǔn)信號校準(zhǔn)，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(dǎo)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(zhǔn)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(zhǔn)都是特定的，必須始終采用以前校準(zhǔn)采用的同一電路。
校準(zhǔn)：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(zhǔn)。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(zhǔn)，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。
