基于大电流测量罗氏线圈实验装置设计研究

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1、基于大电流测量罗氏线圈实验装置设计研究　　摘要：为了将电气测量技术引入到实验教学课堂，针对电气专业的特点，研制了基于罗氏线圈的大电流测量装置。该装置不仅能产生大电流，还能通过罗氏线圈和积分器转换成单片机可测量的小信号进行测量；不仅可为电磁场实验提供较好的实验项目，也可作为单片机实验教学中的一种电气类测量对象，旨在使电气专业的学生了解目前大电流测量的技术和方法，并加以比较，激发学生的学习兴趣。关键词：罗氏线圈；积分器；大电流测量；电流互感器；单片机作者简介：徐慧平（1984-），女，湖北新洲人，华中科

2、技大学电气学院，工程师；李承（1957-），男，河南郑州人，华中科技大学电气学院，教授。（湖北武汉430074）中图分类号：G642.423文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）17-0125-02罗氏线圈（Rogowski8coil）电流互感器作为电子式电流互感器的一种，具有测量范围宽、无磁饱和、体积小等一系列优点。目前，基于罗氏线圈的电流互感器的研究与应用已成为新世纪互感器发展的重要方向之一，在电力系统中具有广阔的应用前景。国内许多高等院校和生产厂家都对罗氏线圈进行了深入的探索和

3、研究。[1，2]罗氏线圈在测量大电流方面具有广阔的前景：测量大电流交流信号（如短路电流）；测量峰值较高的脉冲信号（如雷击电流）；谐波电流信号分析；电焊机的电流测量（如电阻焊）；不规则导体电流的测量（如铁轨电流测量）等。传统的电流测量装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，不仅体积大，而且在大电流下铁心磁路易饱和，测量结果易产生较大误差。由于罗氏线圈（Rogowskicoil）不含铁心，不存在磁饱和问题，并与试验回路不存在直接的电联系，且被测电流的大小几乎不受限制，因此被广泛用于实际电力系统中。[3-

4、6]8目前，罗氏线圈大电流测量技术已经在产业上有所应用，但还未见将其引进到本科教学课堂。在现有的大部分高校工程电磁场实验教学中，主要开设的实验项目有：部分电容的测量、模拟电场的测量、螺线管磁场的测量。这些实验中，只有螺线管磁场的测量实验是真正的磁场测量，其他两个都是模拟测量，不利于将实验教学与工程实际相结合。根据这一现状，针对华中科技大学本科教学中电气工程专业的实验教学要求，结合相关电磁场理论，提出了一种基于罗氏线圈的利用单片机测量大电流的实验装置。该装置无论是作为单片机的电气类测量对象，还是作为“

5、工程电磁场”课程的实验项目，都能反映工程实际。学生可以通过比较罗氏线圈和传统电流互感器的测量原理，进一步认识罗氏线圈在大电流测量方面的优势。将此装置应用到电气专业实验中，具有很强的实用价值和研究意义。一、罗氏线圈的工作原理罗氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的空心环形的线圈，可以直接套在被测量的导体上。导体中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变化率成比例的信号。罗氏线圈的骨架材料横截面的形状有很多种，但主要分为两种：矩形和圆形。对于上述两种骨架材料的罗氏

6、线圈，由全电流定律和电磁感应定律可以得出感应电动势和被测电流之间的关系：[7-10]二、罗氏线圈实验装置图1为实验装置的总体框图。8在图1中，装置主要由大电流发生器、直流供电模块、罗氏线圈测量及处理电路和传统电流互感器测量及处理电路组成。大电流发生器产生一个大电流，以供测量。为了增加对比效果，实验中使用了两种测量方法：罗氏线圈测量和传统的电流互感器测量。测量时，将罗氏线圈和传统的电流互感器穿过通过大电流的导线，感应出的信号分别经过一定的信号处理电路，最后将处理后的信号送到示波器观察，也可以连接到单片

7、机实验装置上，利用单片机将电流的大小测量并显示出来。直流供电系统用于给信号处理电路中的运算放大器提供12V的电源。1.大电流发生器实验中需要测量大电流，而学生一般都在实验室进行测量。因此，开发一个大电流发生器用于实验室教学尤为必要。基于此，开发了一个大电流发生器，它可以输出可调的大电流，电流范围为0～200A。大电流发生器是通过一个调压器和变压器实现的。调压器的额定容量为3kVA，输出电压可调，最大输出电流为4A，频率为50～60Hz。变压器的额定功率为100W，初级绕组和次级绕组的匝数比为500∶

8、1。变压器的初级绕组接在调压器的输出上，次级绕组用一根很粗的铜芯导线进行短接，导线上就会产生一大的短路电流。调节调压器输出电压，变压器的初级电压发生变化，进而会引起次级输出电压的变化，则通过次级绕组导线上的电流也会变化。当然，考虑到次级绕组上的导线无法承受太大的电流，故为了限制电流大小，可在初级绕组上串接一个保险管，以防止过大的电流烧坏导线或变压器。2.罗氏线圈和积分器根据罗氏线圈的原理，要真实地还原被测电流，须在罗氏线圈后面加一个积分器。为了调节输出电压的范围，以适