王海芹

 (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(xiàn)圈（Rogowski）的電流變送器的原理和硬件設計，以及該產(chǎn)品的主要應用。

關(guān)鍵字：羅氏線(xiàn)圈（Rogowski） 電流變送器  應用   XTR115芯片

1．引言

    近年來(lái)，隨著(zhù)現代高壓、超高壓輸電網(wǎng)絡(luò )的建設，電力系統正朝著(zhù)大容量、高壓大電流方向發(fā)展，而用于電流測量的傳統的電磁式電流互感器已無(wú)法滿(mǎn)足其要求，在大電流下鐵心磁路下易飽和，對測量結果產(chǎn)生較大的誤差。而羅氏線(xiàn)圈互感器，具有測量范圍寬、精度高、無(wú)磁飽和、體積小等點(diǎn)，正逐步取代傳統的電磁式電流互感器，在電力系統中具有廣闊的應用前景。

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

2．工作原理及設計

    羅氏線(xiàn)圈是將導線(xiàn)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(xiàn)圈，采用羅氏線(xiàn)圈作為電網(wǎng)中電流測量的傳感頭，讓通有大電流的導線(xiàn)垂直穿過(guò)線(xiàn)圈的中心，產(chǎn)生電磁感應，從而感應出被測電流大小的電壓信號。將羅氏線(xiàn)圈產(chǎn)生的電壓信號接入到信號調理模塊上，進(jìn)行信號處理，后輸出工業(yè)標準信號DC4-20mA。電路設計框架圖如圖1所示。

2.1信號調理電路

    信號調理電路實(shí)現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(xiàn)圈感應輸出的電壓信號通過(guò)RC濾波，再經(jīng)過(guò)電阻分壓后接入到采用雙電源運放芯片的輸入腳上，采用運算放大器構成近似積分器，合理選擇選擇器件參數，能夠保證傳感器的測量靈敏度、精度和信號響應帶寬。

2.2真有效值轉換電路

    真有效值轉換電路實(shí)現電路中AC/DC真有效值轉換，將輸入的交流信號通過(guò)真有效值芯片轉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以及失真。如圖2所示：電路中，Ui信號經(jīng)過(guò)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(mǎn)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換電路輸出的電壓信號經(jīng)過(guò)RC濾波電路后進(jìn)行適當的放大，采用運放芯片，在滿(mǎn)足零點(diǎn)輸出功耗要求的同時(shí)，調節電路中的放大參數，使電路后輸出能達到滿(mǎn)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(xiàn)性誤差小等點(diǎn)，內部產(chǎn)生2.5V基準電壓，且內部帶有+5V的精密穩壓器，可以給外部電路（例如電路中的放大器）單獨供電，從而簡(jiǎn)化了外部電源的設計，如圖3所示電路。

    采用XTR115芯片設計，要嚴格控制電流的功耗，保證該變送器自身耗電(包括傳感器在內的全部電路)不大于3.5mA，在XTR115前置調零電路，作為變送器的零點(diǎn)調節，使變送器保證零點(diǎn)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，有較高的抗力，但由于傳輸距離較遠，加上工業(yè)現場(chǎng)的復雜性，在設計上還要考慮電氣隔離，抗干擾措施。

    本文所設計的羅氏線(xiàn)圈變送器采用電源隔離模塊，降低紋波干擾，提高系統可靠性，與此同時(shí)，在電源輸入端串入一只二極管，進(jìn)行反極性保護；線(xiàn)路板設計時(shí)注意電子器件的布局布線(xiàn)，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(xiàn)圈電流變送器嚴格按照GB/T 13850-1998《交流電量轉化為模擬量或數字信號的電測量變送器》設計，采用電磁感應原理，對電網(wǎng)中的交流大電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，采用真有效值和線(xiàn)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(diǎn)，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(xiàn)圈電流變送器
      

    根據輸入電流范圍選擇不同規格的線(xiàn)圈長(cháng)度（注：可根據客戶(hù)需要另行定制）。

4.2 技術(shù)指標

4.3 報價(jià)方案

5、應用

    本產(chǎn)品可以直接將被測主回路交流電流轉換成按線(xiàn)性比例輸出的DC 4～20mA（通過(guò)250Ω 電阻轉換DC 1～5V）恒流環(huán)標準信號，連續輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。本產(chǎn)品可測輸入信號范圍廣，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則的導體電流?？蓮V泛用于冶金、電鍍、焊接等傳統測量電流的CT無(wú)法正常使用的大電流檢測領(lǐng)域。

6、結束語(yǔ)

    本文所設計的羅氏線(xiàn)圈變送器結構緊湊、性能穩定、測量精度高、輸出信號線(xiàn)性度好、調試及標定方便、安裝方便、產(chǎn)品一致性好?；谝陨咸攸c(diǎn)，這種應用電流環(huán)變送技術(shù)的羅氏線(xiàn)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)設備的實(shí)時(shí)監測與監控問(wèn)題，提高生產(chǎn)設備運行的智能性，減少電力改造的成本。

參考文獻：

1. 范羽．電流變送器原理及在工業(yè)上的應用.機械與電氣，2010.5
2. 林勇．工業(yè)控制用4-20mA電流變送器．電子元器件應用，2006.7
3. 龔勇鎮．羅氏線(xiàn)圈電流傳感器檢測技術(shù)研究概況．機械與電氣，2011．2
4. 楊清虎．電流變送器在自動(dòng)控制系統中的應用．科技信息，2009．8