电能计量中的电流感应技术

电子电能表又称为固态电能表，目前大多数先进的电子电能表都采用混合信号结构，前端使用高精度A/D转换器，而在后端使用DSP。一些电表使用分立元件，多数则采用专门设计用于电能计量的ASIC，这种混合信号结构具有极高的精度和长期稳定性。在对电流和电压取样前，这两种信号都需要进行变换以达到合适的信号电平， 所有电能表都有电压和电流感应元件。其中电流感应较为困难，因为电流感应器需要有一个较宽的动态测量范围，并且由于在电流波形中含有多个谐波分量,所以还要能处理较宽频率范围。随着家庭用电量的不断增长，大电流测量将不仅仅限于工业应用中，如美国住宅新安装的电能表最大能测量200A电流，目前的电流感应技术已不能经济有效地测量如此大的电流。

Rogowski线圈长期用于次级变电站变压器及电焊机之类的电流测量，相比于其它电流感应方式它有很多优点，然而要制造一个能长期稳定工作的模拟积分器相当困难，使得Rogowski线圈无法用在电能表应用中。下面介绍Rogowski线圈基本原理和新型数字积分器技术，将二者结合起来能使这种电流感应技术成功用于大电流电能表设计。该项技术有很多好处，可作为新型感应器而用在下一代电能表中。

现有电流感应方案

目前有三种感应技术最为常用，分别是小电阻电流旁路、电流互感器和霍尔效应传感器。

◆小电阻电流旁路
电流旁路是当前成本最低的一种方案，图1是这种电流测量器件的简化模型。

小电阻电流旁路技术可用较低成本得到较高精度，而且电流的测量也很简单。在进行高精度电流测量时，需要考虑旁路的寄生电感，该电感量典型值为几个nH，频率较高时它将影响旁路阻抗的幅值；但它对相位的影响即使在工频条件下仍非常大，功率因素较低时会产生明显误差。

因电压和电流相位不匹配而造成的测量误差百分比可由下式估算：

误差≈相位差(弧度)×tan(φ)×100%

上式中的φ代表电压和电流之间的功率因素相位角，必须要特别注意保证内部电压和电流相位精确匹配。

旁路技术经济可靠，在电能计量应用中被普遍采用，但是因为电流旁路基本是一个阻性元件，它产生的热量与通过电流的平方成正比，所以这一自热问题使旁路技术很少用在大电流电能表中。

◆电流互感器
电流互感器(CT)是一种将初级电流转换成次级小电流的变压器，它是目前大电流电子电能表中使用得最多的感应器。电流互感器可以测量非常大的电流，消耗的功率却很少，但由于是磁化电流，它一般相应会有一个很小的相移(0.1°～0.3°)。如果没有校正，低功率因素下会产生相当大的误差。此外，铁芯使用的铁氧体材料在大电流下会饱和，而且磁化后铁芯还会产生磁滞现象，除非重新去磁，否则精度就会下降。

当电流涌动超出互感器额定电流，或者在电路中实际有直流元件(如驱动一个大的半波整流负载)时，互感器将会产生饱和现象。目前处理饱和问题的方法是采用磁导率非常高的铁氧体材料，一般使用Mu-金属芯，然而与铁芯互感器相比，这种互感器一致性较差而且相移更大，采用Mu-金属芯互感器的电能表需要根据电流和温度变化设立多个校正点。

◆霍尔效应传感器
霍尔效应传感器有两种主要类型，即开环型和闭环型，电能表中使用的绝大多数霍尔传感器均采用开环型设计以降低系统费用。霍尔传感器具有突出的频率响应特性，能够测量非常大的电流，不过这一技术的缺点是霍尔传感器输出的温度飘移很大，常常需要有一个稳定的外部电流源。霍尔传感器没有电流互感器使用得那么普遍。

Rogowski线圈

一个简单的Rogowski线圈就是一个电感器，它与流过初级电流的导体之间具有互感作用。Rogowski线圈一般为气芯线圈，因此从理论上讲不存在磁滞、饱和或者非线性现象。

如果电流i(t)在Z轴方向通过一条长直导线，则柱坐标面上任一点P(ρ,θ,z)的磁场为：(eq1)

磁场在空间任何区域产生的电动势(EMF)可用麦克斯韦尔方程计算：(eq2)

图2是一个Rogowski线圈电流感应器，它由N匝矩形气芯线圈围绕一条直导线组成，线圈与导线内电流所产生的磁场垂直。

此时线圈的电动势为：(eq3)

常数M表示Rogowski线圈的互感，单位为亨利(H)，它表示单位di/dt下线圈输出的信号电平。线圈的输出电压取决于初级电流di/dt变化率，因为只有在磁场变化时才会产生电动势，所以Rogowski线圈不能用来测量电流中的直流分量。这种感应器能很容易测量几千安培的交流电流，这也是它能在许多大电流测量应用中非常有用的原因。因为没有铁芯，因此在很宽测量范围内都不会有非线性现象(从几百安培到几毫安)。

Rogowski线圈的基本工作原理是通过互感测量初级电流，由于它靠磁场进行测量，所以这种类型传感器与电流互感器相比易受外界磁场干扰的影响。下面介绍一些减少外界磁场干扰的方法。

◆减小多余回路面积
任何导体形成的回路都会形成磁场，所以应尽量减小多余的回路面积以降低干扰。如用图3中的螺旋形气芯Rogowski线圈检测围绕圆环的磁场时，绕组本身却构成一个我们并不希望的回路，从而使其很容易受垂直于圆环干扰的影响。

◆采用消除干扰的设计 干扰一般都是由远端磁场产生，所以它非常均匀地分布在整个感应器上(图4)。对Rogowski线圈很重要的一点是要区分开远端的干扰和近端的信号，将线圈设计成能消除掉远端的干扰，例如螺旋线圈的圆环形状能保证当远端干扰施加到线圈上时有相反电动势出现。

然而要完全消除干扰要求绕组完全一致，同时线圈阻抗为零，而在实际当中，绕组一些小的不一致和线圈导线非零阻抗都会导致Rogowski线圈受到干扰的影响。

◆屏蔽
屏蔽能增加额外的保护，不过对频率低至工频的磁场进行屏蔽需要很厚屏蔽层，或者使用高磁导率屏蔽材料。如果Rogowski线圈设计得很好，也可以不用屏蔽。

积分器设计

◆模拟积分器
因为Rogowski线圈的输出与电流对时间的导数成正比，所以需要一个积分器将di/dt信号转换成i(t)函数以进行下一步处理。传统方法使用高性能运算放大器构建模拟积分器，图5是用运算放大器设计的一个简单积分器。

这种模拟技术的最大困难是积分器在电能表长期工作和恶劣环境下都要能保持一定的精度，这是妨碍Rogowski线圈被广泛采用的一个主要原因，即使在传统的大电流工业用表中也是这样。

◆数字积分器
为克服这一缺点最近开发出一种数字实现技术。从频域图上可以看到积分曲线具有-20dB/十倍频衰减和固定-90°相移，用数字技术可以实现这种效果，且具有很高的精度。

数字积分器的相位和幅值响应特性非常接近理想值，如果采用具有片上数字积分器的IC，则以Rogowski线圈构建电能表就像使用电流互感器或旁路传感器一样简单。气芯线圈没有磁滞、饱和、非线性等问题，且在大电流应用中有很突出的性能。

数字式技术的其它优点是时间和环境变化不会影响它的稳定性，这一点对电能计量至为重要，因为电能表可能会在恶劣的环境中长期工作。现已开发出一种供住宅使用最大电流为200A且带有Rogowski线圈和ADE7759的电能表，内部深入实验表明，这种新设计的性能在许多方面比传统电流感应技术要优越得多。图10显示了这种电能表在1000:1(60dB)动态范围的线性精度，由图可见，在如此宽的动态范围内其变化值小于0.1%。

本文结论

随着家庭用电不断增长，需要开发能测量大电流而又不存在饱和问题的新型电流感应器，Rogowski线圈与数字积分器配合可提供一种经济的电流感应技术，从而可用在下一代电子式电能表中。

作者：William Koon

应用工程师

Analog Devices, Inc.

Email：william.koon@analog.com